Системы нейтралізації відпрацьованих газів у випускний системі ДВС

МИНИСТЕРСТВО ОСВІТИ РОСІЙСЬКОЇ ФЕДЕРАЦИИ.

ВОЛГОГРАДСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНИВЕРСИТЕТ.

КАФЕДРА ТЕПЛОТЕХНІКИ І ГИДРАВЛИКИ.

РЕФЕРАТ ПО ТРАНСПОРТНОЇ ЭКОЛОГИИ.

СИСТЕМИ НЕЙТРАЛІЗАЦІЇ ВІДПРАЦЬОВАНИХ ГАЗІВ ДВИГАТЕЛЕЙ.

ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ У ВИПУСКНИЙ СИСТЕМЕ.

[pic].

ВИКОНАВ: студент групи АТ-312.

Литвинов Олександр Владимирович.

ПЕРЕВІРИВ: Захаров Євген Александрович.

ВОЛГОГРАД 2004.

| |Запровадження |3 | |1. |Способи нейтралізації відпрацьованих газів у випускний системі |4 | |2. |Нейтралізація відпрацьованих газів у випускний системі бензинових |4 | | |двигунів | | | |Еволюція каталітичних нейтралізаторів |4 | | |Пристрій і принцип дії каталітичних нейтралізаторів |5 | | |Розігрів каталітичних нейтралізаторів |6 | | |Зворотний зв’язок |7 | | |Кисневі датчики |8 | | |Умови нормальної роботи каталітичних нейтралізаторів |10 | |3. |Нейтралізація відпрацьованих газів у випускний системі дизельних |11 | | |двигунів | | | |Комплексна очищення відпрацьованих газів дизеля |11 | | |Сажеві фільтри |11 | | |Система DRNR (TOYOTA) |12 | | |Плазмовий нейтралізатор |13 | | |Зворотний зв’язок дизеля |14 | | |Система SCR (MERCEDES-BENZ) |15 | | |Укладання |16 |.

Забруднення повітря шкідливими викидами автомобілів кінця XX століття стала однією з глобальних екологічних проблем. Шлях її вирішення лише один — автомобіль має стати екологічно чистим. Важливе місце тут належить системам нейтралізації, здатним у кілька разів знизити токсичність вихлопних газов.

Загалом у відпрацьованих газах виявлено близько 280 компонентів. За своїми хімічним властивостями, характеру на організм людини речовини, які у відпрацьованих газах, поділяються сталася на кілька груп: |СКЛАД ВІДПРАЦЬОВАНИХ ГАЗІВ | |БЕНЗИНОВИХ ДВИГУНІВ І ДИЗЕЛІВ | |Компоненти |Концентрація, % | |відпрацьованих | | |газів | | | |Бензиновый|Дизель | | | | | | |двигун | | |Азот |74−77 |74−78 | |Кисень |0,3−8,0 |2,0−18 | |Водяної пар |2,0−5,5 |0,5−9,0 | |Оксиди |0,5−12 |0,005−0,4 | |вуглецю | | | |Оксиди азоту |0,01−0,8 |0,004−0,6 | |Діоксид сірки |- |0,002−0,02 | |Вуглеводні |0,2−3,0 |0,01−0,3 | |Альдегіди |0−0,2 |0,001−0,009 | |Сажа, г/мз |0−0,04 |0,01−1,1 і | | | |більш |.

Таблиця 1 — Склад відпрацьованих газів бензинових і дизельних двигателей.

1.нетоксичные: азот, кисень, водень, водяну пару, і навіть діоксид углерода;

2.токсичные: оксид вуглецю, оксиди азоту, численна група вуглеводнів, альдегіди, сажа. Причому сажа як така нетоксична, але він адсорбирует лежить на поверхні частинок канцерогенні поліциклічні вуглеводні, зокрема найбільш шкідливий і токсичний бенз (а)пірен. При згорянні сірчистих палив утворюються неорганічні гази — диоксиды сірки і сірководень.

Токсичні компоненти становлять 0,2−5% від обсягу відпрацьованих газів, в залежність від типу двигуна та режиму його роботи. |ЄВРОПЕЙСЬКІ І КАЛІФОРНІЙСЬКІ (LEV, ULEV, | |SULEV) СТАНДАРТИ | |Норми |Бензинові |Дизельний | |токсичност|двигатель |двигун | |і | | |.

|CO |CH |NOx |CO |NOx |CH+NOx |Сажа | |Євро III, 2000 р. |2,3 |0,2 |0,15.

|0,64 |0,5 |0,56 |0,05 | |Євро IV, з 2005 р. |1,0 |0,1 |0,08 |0,5 |0,25 |0,30 |0,025 | |LEV |2,1 |0,2 |0,15 |- |- |- |- | |ULEV |1,0 |0,02 |0,03 |- |- |- |- | |SULEV, з 2004 р. |0,62 |0,006 |0,0125 |- |- |- |0,006 | |Таблиця 2 — Європейські й американські норми токсичності відпрацьованих газов.

За довгий час існування проблеми автомобільних викидів і забруднення ними атмосферного повітря було розроблено безліч методів і способів, дозволяють зменшити кількості вихлопів чи знизити їх токсичність. Нині розробляються та перетворюються у життя заходи стосовно зниження забруднення атмосфери викидами автомобільних двигунів, які включають в себя:

1.усовершенствование конструкцій двигунів і підвищення якостей изготовления;

2.поиск нових видів палива, застосування різних присадок до нему;

3.создание энергосиловых установок для автомобілів, які показують менше шкідливих веществ;

4.разработка пристроїв, які знижують вміст шкідливих компонентів в відпрацьованих газах.

Практика показала, що заодно досягти рівня токсичності відпрацьованих газів, необхідного законодавством розвинутих країн, першими трьома способами не можна. Тому отримала стала вельми поширеною нейтралізація відпрацьованих газів у системі випуску. І тут токсичні пари, що з циліндрів двигуна, нейтралізуються до викиду в атмосферу.

1. Способи нейтралізації відпрацьованих газів у випускний системе.

Є кілька способів нейтралізації відпрацьованих газів у випускний системі автомобиля:

1.Окисление відпрацьованих газів шляхом подачі до них додаткового повітря на термічних реакторах. Термічні реактори встановлюють на багатьох японських і американських двигунах. Термічний реактор представляє собою теплоізольовану обсяг зі спеціальним організацією течії відведених газів, який установлюють в випускний системі двигуна і здійснює термічне доокисление токсичних компонентів з допомогою власного тепла відведених газів. Термічна нейтралізація залежить від виду спалюваного палива, наявності присадок і дозволяє вживати в двигунах этилированный бензин. Підвищити температуру відпрацьованих газів у реакторі можна, зменшивши тепловтрати застосуванням проставок-экранов, теплоізоляцією корпусу реактора, використанням тепла реакції окислення, а також короткочасним зменшенням кута випередження запалювання. Реактори особливо ефективні на режимах багатою суміші на великих навантаженнях, не ламаються згодом, проте дають повного окислення ЗІ і СП і відновлюють NOx, тому застосовуються як додаткові устрою перед каталітичним нейтрализатором.

2.Поглощение токсичних компонентів рідиною в рідинних нейтрализаторах. Такий спосіб недоотримав поширення через малої ефективності і необхідності частої заміни жидкости.

3.Применение каталітичних нейтралізаторів і сажевых фільтрів (на автомобілях з дизельними двигунами) — нині найбільш актуальный.

2. Нейтралізації відпрацьованих газів у випускний системі бензинових двигателей.

Еволюція каталітичних нейтрализаторов.

Наприкінці 1960;х років, коли мегаполіси Америки і Банк Японії стали буквально задихатися від смогу, ініціативу взяли він урядові комісії. Саме законодавчі акти щодо обов’язкової зниженні рівня токсичних вихлопів нових автомобілів змусили промисловців вдосконалити двигуни, і розробляти системи нейтрализации.

У 1970 року у Сполучені Штати було ухвалено Закон, відповідно до яким рівень токсичних вихлопів автомобілів 1975 модельного року мав був бути, у середньому наполовину менше, ніж в машин 1960 року: СП — на 87%, ЗІ — на 82% і NOх — на 24%.

Аналогічні вимоги були узаконені Японії та в Европе.

Первым справою інженери кинулися удосконалювати системи харчування і запалювання. Однак було очевидно, що домогтися таке істотне поліпшення ситуації з токсичністю не залучаючи додаткових пристроїв просто невозможно.

У 1975 року на американських машинах з’явилися перші каталітичні нейтралізатори відпрацьованих газів — тоді ще двухкомпонентные, так званого окисного типу. Двухкомпонентными вони мали назву тому, що могли нейтралізувати лише 2 токсичних компонента — ЗІ і СП. Окислительными — оскільки які відбуваються реакції представляли з себе окислювання (тобто фактично дожигание) молекул ЗІ і СП із заснуванням вуглекислого газу СО2 та води Н2О.

На американських автомобілях 1975 року з’явилися транзисторні системи запалювання із високим енергією іскри і свічі з мідним сердечником центрального електрода — це звело до мінімуму пропуски запалювання і наступні спалахи незгорілого палива на нейтрализаторе, що загрожують оплавленням керамики.

1977;го щодо нього додали «противоазотную «секцію, та ще кілька років об'єднали всі у єдиному корпусі, давши неправильне назва «триступінчастий «нейтралізатор. Насправді не про щаблях, йдеться про трьох подавляемых класах шкідливих веществ.

До 1990 року нейтралізатор переїхав впритул до випускного коллектору, щоб швидше нагріватися до робочих температур (300єС) — цим зменшити шкідливі викиди на стадії прогрева.

1995;го року фірма «Эмитек» розробила технологію підігріву каталізатора потужним електричним опором. Заснована у цьому принципі модель каталізатора «6С» (чи «Эмикэт») було встановлено на «БМВАльпина В12».

І, нарешті, 2000 року з’явилася цеолитовая пастка вуглеводнів (СП), затримуюча їх під час пуску мотора і лише після нагріву до 220 °C відгонить на «з'їдання «готовому на роботу катализатору.

Пристрій і принцип дії каталітичних нейтрализаторов.

Сучасні каталітичні нейтралізатори — це трикомпонентні каталітичні нейтрализаторы.

Трехкомпонентный каталітичний нейтралізатор є корпус із нержавіючої сталі, включений у систему випуску до глушника. У корпусі розташовується блок носія з численними поздовжніми порами, покритими найтоншим шаром речовини каталізатора, що саме не входить у хімічні реакції, але однією своєю присутністю прискорює їх течение.

Хімікам відомо безліч каталізаторів — мідь, хром, нікель, паладій, родій. Але найбільш стійкої до впливу сірчистих сполук, утворювані при згорянні котра міститься в бензині сірки, виявилася шляхетна платина. Перед каталізаторів доводиться до 60% собівартості устрою. Саме завдяки їм відбуваються необхідні хімічні реакції - окислювання монооксиду вуглецю (ЗІ) і незгорілих вуглеводнів (СП), а також скорочення кількості окису азоту (NOx). У трехкомпонентном нейтрализаторе платина і паладій викликають окислювання ЗІ і СП, а родій «бореться» з NOx. До речі, родій — субпродукт і при отриманні платини — найбільш цінний у цій троице.

Щоб збільшити площа контакту каталітичного шару з вихлопними газами, на поверхню сотень наноситься підкладка завтовшки 20−60 мікрон з розвиненим микрорельефом.

Зазвичай, носієм в нейтрализаторе служить спецкерамика — моноліт з безліччю поздовжніх сот-ячеек, куди нанесена спеціальна шорсткувата підкладка (мал.1). Це дозволяє максимально збільшити ефективну площа контакту каталітичного покриття з вихлопними газами — до величин близько 20 тис. м2. Причому вагу шляхетних металів, заподіяних на підкладку в цій величезній площі, не перевищує 2−3 грама!!! Кераміка зроблено досить вогнетривкої - витримує температуру до 800−850 єС. Але однаково при несправності системи харчування і тривалої роботи переобогащенной робочої суміші моноліт може витримати й оплавиться — і тоді каталітичний нейтралізатор вийде з експлуатації. Саме тому так проблематично виглядає використання каталітичних нейтралізаторів з керамічним носієм на карбюраторних двигателях.

Втім, дедалі ширше як носіїв каталітичного шару використовуються найтонші металеві стільники (мал.2). Це дозволяє площа робочої поверхні, отримати менше засунений, прискорити розігрів каталітичного нейтралізатора до робочої температури і, розширити температурний діапазон до 1000−1050єС. Соты нейтралізаторів Metalit, зображеного малюнку 2, зроблено з тонкостенного (завтовшки всього 0,04 мм, а чи не 0,15 мм, як в кераміки) аркуша хромоалюминиевой стали, для кращої адгезії каталітичного шару легованої редкоземельным металом иттрием. Такий нейтралізатор витримує пікові температури до 1300єС.

Роблять це Заході, ясна річ, задля застосування карбюраторів — там вже майже забуті. Просто з приходом сучасних двигунів, працівників переобедненных сумішах, ростуть вимоги, і до каталітичним нейтрализаторам — вони мають витримувати жорсткіші умови, які кераміці не по зубам.

Спрощено хід реакцій в нейтрализаторе виглядає так:

CH+O2 -> CO2+H2O; NO+CO -> N2+CO2;

CO+O2 -> CO2; NO+H2 -> N2+H2O.

Через війну токсичні сполуки CO, CH і NOx окислюються чи відновлюються до вуглекислого газу СО2, азоту N2 та води Н2О (рис.3).

Широке використання нейтралізаторів «підірвало» світовий ринок шляхетних металів: 35% споживаної платини, 45% паладію, 90% родію іде у автомобільні випускні системы.

Розігрів каталітичного нейтрализатора.

На погляд може бути, що установка каталізатора вирішує все екологічні проблеми. Проте, температура, коли він каталізатор починає діяти (температура активації), у межах 250−350°С. Час ж, необхідне розігріву, може становити кількох хвилин і від типу автомобіля, способу його експлуатації і температури повітря. Холодний каталізатор практично неефективний — отже, необхідно зменшити час досягнення температури активации.

До 1995 року фірма «Эмитек» розробила технологію підігріву каталізатора потужним електричним опором. Заснована у цьому принципі модель каталізатора «6С» (чи «Эмикэт») було встановлено на «БМВАльпина В12». Підігрівник на металевої опорі кріпиться всередині каталізатора (рис.4); його потужність — від 0,5 до 2, іноді 4 кВт, в залежність від величини опору (від 0,05 до 0,35 Ом). Наприклад, елемент в 1,5 кВт розігріває каталізатор до 400 °C за 10 секунд.

Компанія ЭCИA пішла іншим шляхом і пускової каталізатор. Він розміщається у спеціальній відгалуженні випускний системи, має менші, ніж основний, розміри отже, прогрівається швидше, після чого наводить робочого стану «старшого брата».

Щоб знизити шкідливі викиди під час пуску холодного двигуна, іноді застосовують також вмонтований каталізатора адсорбер вуглеводнів. Щойно робоча температура досягнуто, останні «звільняються» і окисляються самим каталізатором. Серед таких пристроїв може бути нейтралізатор «Эдкэт» фірми «Делфай» чи «Пума» фірми «Корнинг».

Зворотний связь.

Трехкомпонентный нейтралізатор найефективніший за певного складі відпрацьованих газів (див. мал.5). Це означає, що треба дуже точно витримувати склад займистою суміші біля з так званого стехиометрического відносини воздух/топливо, значення лежать у вузьких межах 14,5 — 14,7. Якщо пальна суміш буде багатшими, то впаде ефективність нейтралізації ЗІ і СП, якщо біднішими — NOX.

Підтримувати стехиометрический склад займистою суміші можна були лише єдиним чином — управляти смесеобразованием, негайно одержуючи інформацію про судовий процес згоряння, тобто, організувавши зворотний зв’язок (див. мал.6). Рішення стало эпохальным.

У випускний колектор помістили спеціально розроблений кисневий датчик — так званий лямбда-зонд (у країнах прийнято позначати грецької буквою? так званий коефіцієнт надлишку повітря, тобто стосунки стехиометрического складу суміші до поточному). Він розпочинає з розпеченими вихлопними газами в электрохимическую реакцію видає сигнал, рівень якої кількості кисню в выхлопе.

Якщо кисню залишилося ще багато — отже, суміш занадто бідна, якщо мало — багата. По результатам миттєвого аналізу, яким займається електроніка, можна швидко коригувати склад суміші у той або ту бік. Напруга не вдома кисневого датчика приймає два рівня. Якщо суміш бідна, то низковольтный сигнал дає команду на збагачення паливної суміші, і наоборот.

На див. мал.7 зображений сучасний трехкомпонентный каталітичний нейтралізатор. Другий кисневий датчик потрібен для новітніх систем бортовий діагностики OBD-II і відстежує ефективність нейтрализации.

Вперше трикомпонентні нейтралізатори із другого зв’язком і кисневим датчиком побачили двигунах автомобілів Volvo в 1977 року. Нині ж ними оснащені все без винятку автомобілі, що продаються на ринках цивілізованих стран.

Кисневі датчики.

Датчик кисню (див. мал.8) — він також лямбда-зонд — встановлюється в выхлопном колекторі в такий спосіб, щоб вихлопні гази обтікали робочу поверхню датчика. Він є гальванічний джерело струму, змінює напруження як у залежність від температури і наявність кисню вихлопної труби. Матеріал його, зазвичай, керамічний елемент з урахуванням двоокису цирконію, покритий платиною. Конструкція його передбачає, що друга сполучається з зовнішнім повітрям, іншу — з вихлопними газами всередині труби. Залежно від концентрації кисню в вихлопних газах, на виході датчика з’являється сигнал (див. мал.9). Рівень цього сигналу то, можливо низьким (0,1…0,2В) чи високим (0,8…0,9В). Є також датчики сигнал не вдома, які мають змінюється від 0,1 до 4,9 В.

Отже, датчик кисню — це своєрідний перемикач, який повідомляє контролеру впорскування концентрацію кисню в відпрацьованих газах. Контролер приймає сигнал з лямбда-зонда, порівнює його з значенням, прошитим у його пам’яті і, якщо сигнал відрізняється від оптимального для поточного режиму, коригує тривалість впорскування палива на чи іншу інший бік. Отже, здійснюється зворотний зв’язок із контролером впорскування і точна підстроювання режимів роботи двигуна під поточну ситуацію з досягненням максимальної економії палива й мінімізацією шкідливих выбросов.

Бензиновому двигуну до роботи потрібно суміш з певним співвідношенням воздух-топливо. Співвідношення, у якому паливо максимально повно і ефективно згоряє, називається стехиометрическим і як 14,7:1. Це означає, що у одну частина палива взяти 14,7 частин повітря. Насправді ж співвідношення воздух-топливо змінюється залежно від режимів роботи двигуна і смесеобразования. Двигун стає неэкономичным.

Коефіцієнт надмірності повітря під час роботи двигуна постійно змінюється і діапазон 0,9 — 1,1 є робочою діапазоном лямбдарегулювання. У той самий час, коли двигун прогрітий до робочої температури і розвиває великої потужності (наприклад, дбає про холостому ходу), необхідно наскільки можна суворіше дотримання рівності [pic] у тому, щоб трехкомпонентный каталізатор зміг повністю виконати свою призначення і скоротити обсяг шкідливих викидів до минимума.

Лямбда-зонди бувають одне-, двох-, трьохі четырехпроводные. Однопроводные і двухпроводные датчики застосовувалися в перших системах впорскування із другого зв’язком (лямбда-регулированием). Однопроводный датчик має сенс тільки один провід, що є сигнальним. Земля цього датчика виведено на корпус і приходять масу двигуна через резьбовое з'єднання. Двухпроводный датчик відрізняється від однопроводного наявністю окремого земляного дроти сигнальній ланцюга. Недоліки таких зондів: робочий діапазон температури датчика починається від 300 єС. Для досягнення цієї температури датчик спрацьовує і видає сигналу. Отже, необхідно встановлювати цей датчик якнайближче до циліндрів двигуна, що він підігрівався і обтекался найбільш гарячим потоком вихлопних газів. Процес нагріву датчика затягується, і це вносить затримку в останній момент включення зворотний зв’язок в роботу контролера. З іншого боку, використання самої труби як провідника сигналу (земля) вимагає нанесення на різьблення спеціальної токопроводящей мастила за умови встановлення датчика у вихлопній трубопровід збільшує ймовірність збою (відсутності контакту) у ланцюги зворотної связи.

Зазначених недоліків позбавлені трьохі четырехпроводные лямбда зонди. У трехпроводный кисневий датчик додано спеціальний нагрівальний елемент, включений, зазвичай, завжди під час роботи двигуна і тих самим, скорочує час виходу датчика на робочу температуру. Однак ж дозволяє встановлювати лямбда-зонд за 25−50 км від вихлопного колектора, поруч із каталізатором. Проте залишається одна вада — токопроводящий вихлопної колектор і у токопроводящей мастилі. Цього нестачі позбавлений четырехпроводный лямбда-зонд — в нього всі дроти служать на свої цілей — два на підігрів, а через два — сигнальні. У цьому вкручувати може бути оскільки заблагорассудится.

Ресурс датчика змісту кисню зазвичай становить 50 — 100 тис. км й у значною мірою залежить та умовами експлуатації, якості палива і стан двигуна. Підвищений витрата олії, переобогащенная суміш і неправильно відрегульований кут випередження запалювання сильно скорочують життя лямбда-зонду. Довше одного служать, зазвичай, датчики з підігрівом. Робоча температура їм зазвичай 315−320°C. У конструкцію цих датчиків включений нагревающий елемент, має на разъеме свої контакти. Перевірку працездатності нагрівального елемента таких датчиків можна робити звичайним омметром. Опір їх зазвичай становить від 3 до 15 Ом.

Правильно працюючий лямбда-зонд може багато сказати у тому, що не стані перебуває двигун, і його системи. На деяких автомобілях з допомогою датчика можна досить точно відрегулювати зміст ЗІ в вихлопних газах. Несправний лямбда-зонд неминуче викликає підвищений витрата пального й зниження потужних характеристик двигуна. Слід відзначити, що зовсім в повному обсязі несправності лямбда-зонда фіксуються блоком управління, і якщо фіксуються, то блок управління перетворюється на режим управління впорскуванням за середніми параметрами, що теж призводить до переліченим вище результатам. Тому рекомендується при найменших підозри провести діагностику, а при виявленні несправності замінити лямбда-зонд.

Умови нормальної роботи каталітичних нейтрализаторов.

Нині каталітичні нейтралізатори поширюються за країн і континентах. Докотилися які й до російської глибинки. А туйки їх часто зустрічають… свинцем і ломом. Причина — в тому, що з нормальної роботи каталізатора необхідно дотримуватися дріб'язкові за європейськими поняттями умови. Подивимося, за які ж це «дрібнички » .

По-перше, як відомо, навіть випадкова заправка бака этилированным бензином виводить каталізатор з експлуатації. Він остаточно «отруюється «свинцем — залишається тільки викинути прибор.

По-друге, каталізатор ефективно лише за суворому дотриманні складу паливної суміші - 14,7 вагових частин повітря однією частина бензину. Будь-який карбюратор, і з електронної системою управління, такий влучністю і швидкодією підтримки необхідного складу суміші не обладает.

Отже, каталізатор ефективний лише поєднані із системою впорскування палива з електронним управлінням. На автомобілі з’явився мікропроцесор, який, аналізуючи дані про температуру, витратах повітря через колектор, оборотах тощо., а головне — сигнали, які від каталітичного нейтралізатора, регулює роботу електромагнітних форсунок впорскування палива. Однак якщо виходу з експлуатації свічки запалювання, перебоїв з подачі палива й т.д. миттєво порушується тонке рівновагу складу робочої суміші - каталізатор втрачає свою ефективність, причому у деяких випадках назавжди. Тому мікропроцесор контролює роботу систем і агрегатів автомобіля, йдеться про несправностях повідомляє водителю.

Є ще одне питання — каталітичний нейтралізатор добре справляється з окислами азоту, тільки коли їх мало. Спрощено картина така: окислів азоту то більше вписувалося, що стоїть температура в камері згоряння, а чим вона вища, то більше вписувалося ККД мотора. Для боротьби з окислами азоту знайшли простий вихід. З'єднали випускний колектор зі усмоктувальним патрубком, спрямувавши частина вихлопних газів знову на камеру згоряння зі свіжої робочої сумішшю, що знижує наповнення циліндрів і, отже, потужність. Виходить, що нейтралізатор шкодить двигателю.

Але й мотор іншого в боргу. Явний шкода катализатору приносить так зване перекриття клапанів — момент, коли одночасно відкриті впускний і випускний клапани. У циліндрі виникає, як кажуть, протяг: робоча суміш вилітає в вихлопну трубу через відкритий випускний клапан і отруює чутливий каталізатор. Проте перекриття клапанів сприяє кращому наповненню циліндрів та підвищення потужності мотора, тому поки що жоден сучасний двигун самотужки не обходиться. Тут наведено лише ті приклади, що дають, що у автомобілі не все просто.

3. Нейтралізація відпрацьованих газів у випускний системі дизельних двигателей.

У дизельному двигуні (рис.10) паливо впорскується в циліндр, вже наповнений розпеченим стиснутим повітрям і освіту «правильної «займистою суміші просто більше не залишається часу. Навіть якби найтоншому розпорошення (задля чого й підвищують тиск) в повному обсязі мікрочастинки палива встигають обзавестися за потрібне кількістю молекул кисню — нате і сажа. Зниження температури в циліндрі по бензиновому рецептом лише погіршує картину. Взагалі, основне протиріччя дизеля, яке ще ніхто остаточно не дозволив, — між зниженням викидів сажі і окислів азоту: поліпшуючи один параметр, неминуче псуємо второй.

Комплексна очищення відпрацьованих газів дизеля.

Сучасні комплексні системи очищення відпрацьованих газів для дизелів складаються з каталітичних і рідинних нейтралізаторів, і навіть сажевых фильтров.

Сажеві фильтры.

Фірми, де пропагується економічні легкові дизелі, заради екології йдуть на всі заставки. Наприклад, пропонують встановлення додаткових бачки з дорогими реактивами, знижують температурний поріг розкладання накопиченої у спеціальній нейтрализаторе сажі («Пежо-607 »). Випалити, то є окислити, що накопичилися у порах фільтра частки можна лише за досить високої температурі, якої вихлопні гази правильно налаштованого дизеля не досягають. Навіть якщо взяти наказати управляючому двигуном контролеру періодично збільшувати подачу палива, однаково градусів бракує. Рішення вбачали у добавку до солярці сечовини (безпосередньо в АЗС) або незначної кількості спеціального реагенту, що зберігається окремому бачку (5 літрів вистачає на 80 000 км пробігу). Це знижувало температуру початку реакції градусів на 100 дозволяло, збагативши суміш, очищати фільтр. Реалізувати рішення дуже важко. Не дивно, що бачки з реагентом прижилися здебільшого дорогих автомобілях, наприклад, «Пежо-607».

У фільтрах нової генерації загальний принцип залишився незмінним: затримати і знищити. Але як домогтися потрібної для згоряння частинок сажі температури? Уперших, фільтр розмістили відразу за випускним колектором. По-друге, через кожні 300−500 км пробігу контролер включає режим многофазного впорскування, збільшуючи кількість що надходить циліндр палива. І, нарешті, головне: поверхню фільтруючого елемента покрита тонким шаром нового каталізатора, який додатково підвищує температуру вихлопних газів до необхідних 560−600°С. Віддалено це схоже на роботу каталітичної бензинової грілки для рыболовов.

Фільтруючий елемент полягає, зазвичай, з керамічної (карбід кремнію) микропористой губки. Товщина стінок між її каналами вбирається у 0,4 мм, отже фільтруюча поверхню дуже велике. Іноді цю «губку» роблять із надтонкого сталевого волокна, також вкритого новим каталізатором. Набивання настільки щільна, що затримує до 80% частинок розміром 20−100 нм.

Нові фільтри стали активної участі під управлінням роботою двигуна. Адже режим збагачення включається за сигналом від датчиків тиску, встановлених на вході і виході фільтра. Коли різницю показань стає значної, комп’ютер сприймає це як свідчення закупоренности «губки» сажею. А випалювання контролюють з допомогою датчика температуры.

Активні фільтри вже побачили дизельних моторах «мерседес-бенцев» Зі Е-классов (рис.12), на початку 2004 року приживуться в «Опеле-Вектра» (рис.11) і «Сигнум», «Рено-Вель Са-тис» (рис.13)… До 2006 року про екології легкових дизелів виробникам годі й тривожитися. Однак 20% частинок поки потрапляють у повітря, а є ще порошини розміром менше 20 нм… Напевно виробники вже чаклують над новими устройствами.

Система DRNR.

" Тойота «розробила свою, щонайменше ефективну систему очищення, названу DPNR (рис.14). Вона одночасно знешкоджує і канцерогенні частки сажі, і шкідливі окисли азоту (про СП й CO сьогодні вже соромно — пройдений етап). Головну роль грає новий микропористый керамічний фільтр, покритий шаром нагромаджуючого азот матеріалу і каталізатором з урахуванням платини. Під час роботи двигуна на бідної суміші частки сажі окислюються атомарным киснем, вивільнюваним при поєднанні NO і О2 з вихлопних газів у процесі накопичення NO2.

Періодично, коли комп’ютер короткочасно збагачує суміш, ці частки окислюються киснем, які виникають сьогодні вже при розкладанні накопичених окислів в нешкідливий азот.

DPNR показала зниження вмісту сажі і NOx на 80% проти діючими сьогодні нормами, але застосовна тільки до дизелів останнього покоління, які працюють із системою «коммон рейл «високого тиску паливі зі зниженим вмістом серы.

Плазмовий нейтрализатор

Одне з альтернативних методів нейтралізації відпрацьованих газів — використання низькотемпературної плазми. Дослідження у Японії, навіть в… Росії увінчалися створенням експериментальних зразків устаткування, заснованого на плазмових технологиях.

Що таке низькотемпературна плазма? Воно складається з позитивно заряджених іонів і негативно заряджених електронів, отримані спеціальних пристроях що за різних видах імпульсних високовольтних електричних розрядів (коронний, бар'єрне та інших.), і навіть з нейтральних атомів і молекул.

Принципова схема однієї з варіантів разрядного устрою показано на рис. 15. Воно включає вузол підвода відпрацьованого газу та олії 1, кварцову скляну або керамічний трубку 2, яка у ролі диэлектрического бар'єра, і двоє електрода — центральний 3 і зовнішній 4 — в вигляді металевої сітки із нержавіючої сталі. У розрядне пристрій подається струм джерела, формує імпульс напруги тривалістю 250−350 мкс. Бар'єрне розряд виникає при електричному напрузі 0,5−35 кВ й частоти прямування імпульсів 50−2000 Гц.

Як відбувається процес нейтралізації газів у системи та очищення їхню відмінність від сажі? Які Відпрацювали гази дизеля направляють у плазмохимический реактор, попередньо пройшовши сушіння у влагоотделителе. У плазмохимическом реакторі до цих газам «підмішують «олію. Під впливом електричного розряду в трубках разрядного устрою частинки сажі активно абсорбують олію на поверхні. Для видалення сажі, частинки якої як у олійному коконі, використовується маслоотделитель. Сажа збирається у спеціальний контейнер, а олію після додаткової очищення в фільтрі продовжує циркулювати по замкненому контуру. Отже, вдається забезпечити дуже дорогу ефективність поглинання частинок сажі - до 100% в усьому діапазоні оборотів дизеля. З маслоотделителя частина відпрацьованих газів можна направити у впускний колектор дизеля (рециркуляция). Це знижує зміст оксидів азоту в выхлопе.

Фізична та хімічна сутність явищ, що відбуваються під впливом бар'єрного розряду в плазмохимическом реакторі, вивчена поки явно недостатньо. Проте спрощено процес можна так. При подачі напруги в электроразрядное пристрій у ньому створюється нерівноважна слабоионизированная низькотемпературна плазма, яка впливає на які відпрацювали гази. Через війну многостадийных хімічних реакцій оксиди азоту, сірки і вуглецю розкладаються на нетоксичні молекули кисню, азоту, сірки і вуглецю. Одночасно відбувається конверсія (перетворення) оксиду азоту у його діоксид, який пов’язується радикалом ВІН в азотну кислоту як аерозолю. Аналогічні реакції протікають з диоксидом сірки і оксидом вуглецю, наводячи до утворення аерозолів. Аерозолі уловлюють в досить простих электрофильтрах, які забезпечують ступінь очищення до 98−99%.

Судячи з лаконічним повідомленням закордонного друку, у Японії проходить випробування мікроавтобус, у якому встановлено дизельний двигун «НіссанLD 20 «потужністю 48,5 кВт/66 л. з., обладнаний нейтралізатором з плазмохімічним реактором.

За попередніми розрахунками, плазменная очищення коштуватиме 1,5−2 разу дешевше, ніж у існуючих багатокомпонентних пристроях. Не потрібно використовувати шляхетні метали, значно збільшується ресурс систем нейтралізації, скорочується час з їхньої технічне обслуговування. Однак до промислового виготовлення плазмохимических реакторів (отже, їх широкому використанню) можна буде потрапити перейти, коли вдасться зменшити витрати потужності на електроживлення реактора. У досвідчених і експериментальних системах вони досягають 4−5% і більше від потужності дизеля.

Зворотний зв’язок дизеля.

Компанія Bosch, що у 1976 року представила світові свою перший лямбдазонд для бензинових двигунів, недавно створила аналогічний вузол й у дизельних моторів. Нагадаємо, лямбда-зонд — це датчик, які вимірюють зміст кисню в відпрацьованих газах автомобіля. Його впровадження дозволяє оптимізувати топливоподачу в циліндри, завдяки чому знижується токсичність відпрацьованих газів і зменшується витрати, збільшуються міць і крутний момент мотора, і навіть поліпшуються його пускові характеристики.

З іншого боку, лямбда-зонд разом із електронної системою впорскування забезпечують роботу каталітичного нейтралізатора відпрацьованих газів, який виконує своє завдання лише за чіткому дотриманні пропорцій складу топливовоздушной смеси.

Сьогодні, коли системи харчування дизелів управляються електронікою, які механічні ТНВД залишилися у минулому, лямбда-зонд прийшов у службу і вже цим моторам. Одержуючи дані про кількість кисню в вихлопі, електронні «мізки» сучасних дизелів коректують роботу системи рециркуляції відпрацьованих газів, визначають оптимальне час впорскування палива й тиск наддуву (рис.16). Системи харчування з лямбда-зондом особливо ефективні в режимі повних навантажень, коли збільшується схильність до дымообразованию. «Бошевский» датчик кисню використовуватиметься й в накопичувальних катализаторах для вимірювання вмісту окислів азоту (NOX). Планується, що вже під кінець цього року «лямбда-регулирование» буде впроваджено на багатьох сучасних дизелях.

Система SCR.

Незабаром, у жовтні 2005 року, у країнах Євросоюзу для автомобілів почнуть діяти суворіші екологічні норми Євро 4, які змінять нинішні Євро 3. І сьогодні світові автовиробники активно працюють з того, щоб зробити вихлоп двигунів як і чище.

У той самий час необхідно рахуватися з покупцем, котрій важливо, щоб автомобіль щодо дешевий і простий в експлуатації. Усе це вимагає ефективних разом із тим недорогих систем. Фахівці DaimlerChrysler створили жодну — SCR (Selective Catalytic Reduction, що можна перекласти як «селективний каталітичний преобразователь»).

Принцип дії системи SCR (рис.17) залежить від хімічної реакції аміаку з окисом азоту вихлопних газів, у яких утворюються нешкідливий азот і водяний пар.

Тут, щоправда, постає одне питання: бо як перевозити автомобілем аміак — досить токсична речовина? Відомий концерн Total свого часу створив безпечний замінник аміаку, розроблений водному основі, і відповідний стандартам DIN 70 070. Нині він широко застосовується у сільське господарство, текстильної промисловості, і навіть під час виготовлення косметики і парфумерії. Ця рідина — не токсична, без кольору та запаху — в «автомобільному» виконанні називається AdBlue.

Селективний перетворювач і двох основних вузлів: безпосередньо каталітичного нейтралізатора з стільникового структурою, вмонтованого у глушник автомобіля, та будівництво додаткового бака під аміачний замінник AdBlue. Отож установка системи SCR на авто із моторами Євро 3 не зажадає кардинальної зміни їх конструкции.

Середній витрата «блакитний» рідини — близько 6% від споживаного автомобілем дизпалива: наприклад, для магістрального тягачі вона становить близько двох л на 100 км. Отже, 100-литрового бака з AdBlue вистачить 5000 км пути.

Двигун оснащується додатковим модулем, суміщеним з електронною системою управління мотором, який точно дозує кількість рідини AdBlue, поданого в випускний коллектор.

Але це ще все. Конче важливо, що мотори і системи SCR істотно економічніше: наприклад, на далекобійних вантажівках витрачається 30% менше палива. І чим вище економія — тим менше зміст шкідливих речовин у вихлопних газах.

Роботи над технологією очищення SCR розпочато ще 90-ті рр. Сьогодні система практично готова серійного виробництва. Оснащувати вантажівки і автобуси Mercedes-Benz системою SCR повинні розпочати в 1-му півріччі 2005 року, про те, щоб їхати до жовтня 2006 року — граничного терміну переходу на Євро 4 — усі вказані вище машини марки мали селективний перетворювач вихлопних газів. Після цього невеликою модернізації системи SCR оснащені нею дизельні мотори відповідатимуть за екологічними мірками Євро 5, запровадження яких намічено жовтень 2008 года.

Але треба вирішити одну важливу проблему — створити розгалужену мережу спеціальних АЗС, де можна буде заправлятися «блакитним» паливом AdBlue. Концерн Total та інші виробники вже активно працюють з цього. Результат не змусив довго чекати: 26 листопада 2003 року у Штутгарті була урочисто відкрита перша автозаправна станція AdBlue. Поки у ньому будуть заправлятися лише які відбуваються випробування і системи SCR автомобілі Mercedes-Benz.

Заключение

.

На жаль, нам доки до таких нюансів, як токообогрев нейтралізаторів чи індивідуальний контроль згоряння з допомогою спеціальних датчиків у кожному з циліндрів. Росія за рівнем автомобільної техніки перебуває на порозі першої фази ери нейтралізації — потрібно хоча затвердити нейтралізатори на вітчизняні автомобілі. Як це було зроблено 30 років у Америці й Японії, доведеться урядовими рішеннями «закрутити гайки «всім без винятку автозаводам і примусити їх до випуску автомобілів, відповідальних реально виконуваною екологічним вимогам. Щоправда, від імені цієї негайно постраждаємо ми, покупці, — адже авто із упорскуванням і нейтралізатором негайно стануть дороже!

А обов’язково покінчити з проблемою з этилированным і нечистим, з велику кількість шкідливих домішок, бензином — інакше нейтралізатори будуть нас дуже швидко втрачати свій творчий хист. І переобладнання цієї мети нафтопереробних заводів всій країні — це також велике запитання державного уровня.

До того ж, є ще чимало проблем. Обладнати чи нейтрализаторами ті автомобілі, що вони випущені? У Штатах, наприклад, дозволено експлуатувати старі карбюраторні машини — це дозволяє висока швидкість відновлення автопарку. У це теж дозволено, проте власники машин без нейтралізаторів платять більший податок. І прагнуть від нього швидше избавиться.

У нас автомобіль служить до того часу, доки згниє другий кузов і застукає після четвертої перегородки мотор. Але як звертатимуться з нейтрализаторами гаражні умільці, впевнені у тому, що «каталізатори «сильно погіршують динаміку і економічність? Будуть пробивати їх ломом чи вирізати з випускного тракта?

Словом, поки що в впровадження нейтралізаторів у Росії більше ворогів, ніж прибічників. Але — «іншого немає шляху » !

ВИКОРИСТАНА ЛИТЕРАТУРА:

1. Аркадій Алексєєв, Михайло Козлов. «Екологічний триптих». «За рулем».

№ 6, 1998.

2. Леонід Голованов. «Дихати! Краще пізно, які ніколи». «Авторевю» № 1,.

3. Олексій Воробьев-Обухов. «Освіжити подих». «За кермом» № 12, 2000.

4. Юрій Дацик. «Дизельний лямбда-зонд». «Автоцентр» № 47, 2002.

5. Олексій Воробьев-Обухов. «Затримати і знищити». «За кермом» № 12,.

6. Юрій Гоголів. «Будуть надчисті Mercedes». «Автоцентр» № 6, 2004.

7. Олексій Воробьев-Обухов, Вітольд Стрєлков. «Плазматроннейтралізатор». «За кермом» № 3, 2001.

8. Володимир Корницкий. «Каталізатори із другого зв’язком». «Автоцентр».

№ 49, 2002.

9. Олексій Воробьев-Обухов. «Датчик кисню на дизелі». «За кермом» № 9,.

2002 10. Юрій Макаров. «Нейтралізатор чи наші майбутнє?». «За кермом» № 7, 1997 11. Михайло Гзовский. «Твердий курс ЄВРО». «За кермом» № 5, 2002 12. Сергій Мішин. «Дихаєте глибше — ми Європі». «За кермом» № 11, 2000 13. Ігор Мельников. «Не час очиститися?» «Автопрофи» № 23, 2003 14. Оксана Сердюк. «Екологія і автомобілебудування». «Автостандарт» № 4,.

2004 15. Микола Казаков, Ірина Масльоннікова. «Екологічна безпеку транспорту». «Автобизнесмаркет» № 14, 2004.

———————————- Малюнок 4 — Каталітичний нейтралізатор з электроподогревом Рисунок 6 — Сучасна компонування системи нейтралізації і системи бортовий діагностики OBD-II (on-board diagnostics).

Рисунок 1 — Керамічні соты Рисунок 9 — Залежність сигналу датчика від коефіцієнта надлишку воздуха Рисунок 5 — Оптимум нейтралізації всіх трьох компонентів (близько 80%) досягається лише у вузької зоні стехиометрического складу смеси Рисунок 8 — Кисневий датчик.

Малюнок 7 — Сучасний нейтрализатор Рисунок 15 — Схема плазмового нейтралізатора: 1 — вузол підвода відпрацьованих газів; 2 — кварцова трубка (діелектрик); 3 — центральний електрод; 4 — зовнішній электрод.

Рисунок 2 — Соты нейтралізаторів Metalit.

Рисунок 3 — Реакції в нейтрализаторе.

Малюнок 11 — Фільтр «Опеля»: 1 — вхід газів із часточками сажі; 2 — фільтруючий елемент; 3 — датчики тиску; 4 — датчик температури; 5 — вихід. А — стадія накопичення сажі; У — стадія її выжигания Рисунок 10 — Автомобіль із дизельним двигателем Рисунок 12 — Суміщений фільтр «Мерседес-Бенц»: 1 — лямбда-зонд; 2 — звичайний окисний нейтралізатор; 3 — фільтр частинок сажі; 4 — датчики тиску; 5 — датчики температуры Рисунок 13 — Новий фільтр довжиною 150−300 ми встановлюють поруч із випускним колектором (двигун «Рено» 2,2 л).

Малюнок 16 — Зворотний зв’язок дизеля.

Малюнок 14 — Система DPNR.

Малюнок 17 — Система SCR.