Системы нейтрализации отработавших газов


Системы нейтрализации отработавших газов


Регулировка токсичности у двигателей современных автомобилей в большинстве случаев или не требуется или сильно ограничена. В то же время у двигателей автомобилей прошлых лет выпуска, особенно с карбюраторами, токсичность выхлопа напрямую связана с техническим состоянием системы питания и зажигания и их регулировкой.

Экологические требования к автомобилю и его двигателю являются в настоящее время приоритетными. Экологическая чистота выхлопа закладывается в конструкцию двигателя и автомобиля в целом еще на стадии проектирования. Далее в эксплуатации характеристики токсичности должны оставаться стабильными. Регулировка токсичности у двигателей современных автомобилей в большинстве случаев или не требуется или сильно ограничена. В то же время у двигателей автомобилей прошлых лет выпуска, особенно с карбюраторами, токсичность выхлопа напрямую связана с техническим состоянием системы питания и зажигания и их регулировкой. Поэтому в настоящее время ремонт двигателя, какой бы сложности он ни был, не может считаться квалифицированным и качественным, если токсичность выхлопа двигателя после ремонта превышает установленные допустимые пределы.

Вредные выбросы и их воздействие на живую природу


Из общего количества вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу крупных городов, большая часть приходится на автомобильный транспорт- 60%. Промышленные предприятия выбрасывают 18%, электростанции 13%, системы городского отопления 6% и другие источники-3%.

Следует отметить, что вредные вещества, выбрасываемые производственными предприятиями, концентрируются по огромному радиусу в определенной зоне, а отработавшие газы автомобилей распространяются по всей территории населенного пункта. При этом автомобили загрязняют атмосферу углеводородами и оксидами азота на 30%, оксидами углерода на 90%. При неблагоприятных условиях в приземных слоях атмосферы образуются ядовитые туманы, так называемые смоги, содержащие токсичные составляющие отработавших газов - углеводороды и оксиды азота.

В отработавших газах автомобильных двигателей насчитывается свыше 100 различных компонентов, большинство из которых токсичны. Примерный состав отработавших газов бензиновых и дизельных двигателей приведен в табл.1.

Из таблицы видно, что бензиновые двигатели по сравнению с дизельными обладают большей токсичностью. Наиболее токсичными компонентами отработавших газов бензиновых двигателей являются: оксид углерода ( СО ), оксиды азота ( NОx ), углеводороды ( СnHm ), а в случае применения этилированного бензина - свинец. В отработавших газах обнаружен также акреолин, который поступает в окружающую среду ( особенно при работе дизельных двигателей). Он имеет запах пригорелых жиров ( при содержании более 0,004 мг/л ), вызывает раздражение верхних дыхательных путей, а также воспаление слизистой оболочки глаз.

Оксид углерода образуется в бензиновых двигателях при сгорании топливовоздушных смесей с некоторым недостатком кислорода, а также вследствие диссоциации диоксида углерода, возникающей при высоких температурах. В обычных условиях СО- бесцветный газ без запаха, он легче воздуха и поэтому может легко распространятся в атмосфере. Механизм токсического действия СО определяется способностью превращать часть гемоглобина крови в карбоксигемоглобин, вызывающий нарушение тканевого дыхания. Наряду с этим СО оказывает прямое влияние на тканевые биохимические процессы, влекущие за собой нарушение жирового и углеводного обмена, витаминного баланса и т.д. Токсический эффект СО связан также с его непосредственным влиянием на клетки центральной нервной системы. При действии на человека СО вызывает головную боль, головокружение, быструю утомляемость, раздражительность, сонливость, боли в области сердца. Острые отравления наблюдаются при вдыхании воздуха с концентрацией СО более 2,5 мг/л в течение 1 ч.

Оксиды азота в отработавших газах образуются в результате обратимой реакции окисления азота кислородом воздуха под воздействием высоких температур и давления в цилиндрах двигателя. Повышение максимальной температуры рабочего цикла и избыток кислорода - основные факторы, способствующие образованию оксидов азота. По мере охлаждения отработавших газов и разбавления их воздухом оксид азота превращается в диоксид и т.д.

Оксид азота NO - бесцветный газ, диоксид азота NO2 - газ красно-бурого цвета с характерным запахом. Оксиды азота при попадании в организм человека соединяются с водой. При этом они образуют в дыхательных путях соединения азотной и азотистой кислоты. Оксиды азота раздражающе действуют на слизистые оболочки глаз, носа, рта. Воздействие NO2 cпособствует развитию заболеваний легких. Симптомы отравления проявляются только через 6 ч. в виде кашля, удушья, возможен нарастающий отек легких.

Причиной образования углеводородов СН является неоднородность состава горючей смеси в камере сгорания двигателя, а также неравномерность температуры и давления в различных ее частях. В некоторых зонах сгорания топливо практически не сгорает, так как происходит обрыв цепной реакции окисления углеводородов.

Тем временем в низко нависших над асфальтом облаках СН и Nox под воздействием света происходят химические реакции. Разложение оксидов азота приводит к образованию озона (О3). Вообще-то озон не стоек и быстро распадается, но только не в присутствии углеводородов ( СН ) - они замедляют процесс распада озона, и он активно вступает в реакции с частичками влаги и другими соединениями. Образуется стойкое облако мутного смога, которое зловеще висит над городом. Причем смог активнее формируется под воздействием прямого света, поэтому для таких городов, как Токио или Лос-Анджелес, проблема смога была и остается очень актуальной.

Помимо этого, некоторые углеводороды СН являются сильнейшими канцерогенными веществами (бенз-а-пирен), переносчиками которых могут быть частички сажи, содержащиеся в отработавших газах. Озон разъедает глаза и легкие, а выбросы NОх участвуют в формировании кислотных дождей.

В отработавших газах дизельного двигателя обнаружено канцерогенное вещество - диоксин (циклический эфир), представляющий собой бесцветную горючую жидкость. Диоксины и близкие им соединения во много раз токсичнее таких ядов, как кураре и цианистый калий.

В случае применения этилированных бензинов около 50% свинца осаждается в виде нагара на деталях двигателя и в выхлопной трубе, остаток уходит в атмосферу. Свинец присутствует в отработавших газах в виде мельчайших частиц размером 1-5 мкм, которые долго сохраняются в атмосфере. Концентрация свинца в атмосфере придорожной полосы в 2-20 раз больше, чем в других местах. Присутствие свинца в воздухе вызывает серьезные поражения органов пищеварения, центральной и периферической нервной системы. Воздействие свинца на кровь проявляется в снижении количества гемоглобина и разрушении эритроцитов.

Первые шаги


Тревогу впервые забили в Соединенных Штатах, где проблему загазованности в крупных городах с высокой степенью автомобилизации ощутили уже после второй мировой войны. Но реакция на исследования по уменьшению токсичности автомобильных выхлопов, проведенные в 1952 году в Лос-Анджелесе, тогда была нулевой - газеты посмеивались, что дешевле перенести город из чашеобразной низины на другое место, чем совершенствовать автомобили.

Однако от проблемы уйти не удалось. В конце 60-х годов, когда мегаполисы Америки и Японии стали буквально задыхаться от смога, инициативу взяли на себя правительственные комиссии. Именно законодательные акты об обязательном снижении уровня токсичных выхлопов новых автомобилей вынудили промышленников усовершенствовать двигатели и разрабатывать системы нейтрализации.

В 1970 году в Соединенных Штатах был принят закон, в соответствие с которым уровень токсичных выхлопов автомобилей 1975 модельного года должен был быть в среднем наполовину меньше, чем у машин 1960 года выпуска: СН- на 87%,СО- на 82% и NОх - на 24%. Аналогичные требования были узаконены в Японии и в Европе.

Эра нейтрализации


Первым делом инженеры бросились совершенствовать системы питания и зажигания. Но было очевидно, что добиться столь существенного улучшения ситуации с токсичностью без применения дополнительных устройств просто невозможно. И в начале 70-х годов появились первые каталитические нейтрализаторы отработавших газов - тогда еще 2-компонентные, так называемого окислительного типа. Двухкомпонентными они назывались потому, что могли нейтрализовать только два токсичных компонента - СО и СН. Окислительными - потому, что происходившие реакции представляли из себя окисление (т.е. дожигание) молекул СО и СН с образованием углекислого газа и воды:

2СО+О2 2СО2 (температура 250…300 град. Цельсия)
СmНn+(m+n/4)О2 mСО2+n/2Н2О (температура 400 град. Цельсия)

Принципиально конструкция нейтрализаторов с тех пор не менялась. Это корпус из нержавеющей стали, включенный в систему выпуска до глушителя. В корпусе располагается блок носителя с многочисленными продольными порами, покрытыми тончайшим слоем вещества катализатора, которое само не вступает в химические реакции, но одним своим присутствием ускоряет их течение. Химикам известно множество катализаторов - медь, хром, никель, палладий, родий. Но самой стойкой к воздействию сернистых соединений, которые образуются при сгорании содержащейся в бензине серы, оказалась благородная платина. Ею, в чистом виде или с добавлением палладия, и стали покрывать керамические соты нейтрализаторов.

Чтобы увеличить площадь контакта каталитического слоя с выхлопными газами, на поверхность керамических сот наносится подложка толщиной 20-60 микрон с развитым микрорельефом

Под давлением следующих ужесточений законодательства прогресс пошел дальше. Применение каталитических нейтрализаторов (КН) потянуло за собой более широкое распространение бессвинцовых бензинов, поскольку содержащийся в обычном этилированном бензине тетраэтилсвинец (ТЭС) «отравлял» платину, сводя на нет ее каталитическое действие. Автопроизводители стали переводить двигатели на неэтилированный бензин, а нефтяные кампании - увеличивать долю его выпуска. На американских автомобилях 1975 года появились транзисторные системы зажигания с высокой энергией искры и свечи с медным сердечником центрального электрода - это свело к минимуму пропуски зажигания и последующие вспышки несгоревшего топлива в нейтрализаторе, которые грозят оплавлением керамики.

А что же третий токсичный компонент - окислы азота NОх? Сперва с ним боролись, только понижая температуру сгорания горючей смеси,- оснащали двигатели устройствами рециркуляции отработавших газов в камере сгорания (EGR). Но этого оказалось недостаточно. Появились современные трехкомпонентные системы, каталитический слой которых, как правило, содержит не только платину и палладий, но и добавку редкоземельного элемента родия. В результате химических реакций на поверхности разогретого до 600-800 град.Цельсия катализатора вредные компоненты СО,СН,NОx превращаются в H2O,СО2,N2:

2NO+2СО N2+2СО2
2NO+2Н2 N2+2Н2О

Как правило, носителем в нейтрализаторе служит спецкерамика - монолит со множеством продольных сот-ячеек , на которые нанесена специальная шероховатая подложка. Это позволяет максимально увеличить эффективную площадь контакта каталитического покрытия с выхлопными газами - до величин около 20 тыс. м2. Причем вес благородных металлов, нанесенных на подложку на этой огромной площади, составляет всего 2-3 грамма!!! Керамика сделана достаточно огнеупорной- выдерживает температуру до 800-850 град. Цельсия. Но все равно при неисправности системы питания и длительной работе на переобогащенной рабочей смеси монолит может не выдержать и оплавится - и тогда КН выйдет из строя. Именно поэтому так проблематично выглядит использование керамических КН с карбюраторными двигателями.

Впрочем, все шире в качестве носителей каталитического слоя используются тончайшие металлические соты. Это позволяет увеличить площадь рабочей поверхности, получить меньшее противодавление, ускорить разогрев КН до рабочей температуры и, главное, расширить температурный диапазон до 1000-1050 град. Цельсия. Делают это на Западе, конечно же, не для применения карбюраторов - там они почти забыты. Просто с появлением современных двигателей, работающих на переобедненных смесях, растут требования и к КН - они должны выдерживать более жесткие условия, которые керамике уже не по зубам. Вдобавок, как показывают результаты испытаний, основную массу токсичных соединений современные двигатели выбрасывают сразу после холодного старта. Поэтому КН стараются разместить поближе к выпускному коллектору, где он быстрее выходит на рабочий температурный режим. Появились нейтрализаторы с металлическими электрообогреваемыми сотами, которые сразу после поворота ключа в замке зажигания мгновенно раскаляются при пропускании сильных токов в сотни ампер. А чтобы зонд не «отставал» от КН, подогревают и его. Широкое использование нейтрализаторов «взорвало» мировой рынок благородных металлов: 35% потребляемой платины, 45% палладия, 90% родия идет в автомобильные выпускные системы.

Помимо нейтрализатора, на многих японских и американских двигателях устанавливают так называемые термические реакторы. Такие устройства позволяют при подмешивании к отработавшим газам воздуха доокислить СО и СН, снижая их концентрацию за счет реакции с кислородом воздуха при высокой температуре (свыше 500 град. Цельсия). Реакторы особенно эффективны на режимах богатой смеси при больших нагрузках, не выходят из строя со временем, однако не дают полного окисления СО и СН, поэтому применяются как дополнительные устройства перед нейтрализатором.

Рециркуляция отработавших газов применяется на двигателях не менее широко. Основная задача рециркуляции - снижение выбросов NОх. Это особенно важно, когда в нейтрализаторе не обеспечено точное поддержание состава смеси (подобная ситуация характерна для карбюраторной системы питания). Рециркуляция предполагает отбор выхлопных газов в количестве до 10-12% и подачу их на вход двигателя на режимах средних и полных нагрузок.

Обратная связь


Трехкомпонентный нейтрализатор наиболее эффективен при определенном составе ОГ . Это значит, что нужно очень точно выдерживать состав горючей смеси возле так называемого стехиометрического отношения воздух/топливо, значение которого лежит в узких пределах 14.5-14.7. Если горючая смесь будет богаче, то упадет эффективность нейтрализации СО и СН, если беднее-NOX.Поддерживать стехиометрический состав горючей смеси можно было только одним способом- управлять смесеобразованием, немедленно получая информацию о процессе сгорания, т.е. организовав обратную связь. Решение стало эпохальным. В выпускной коллектор поместили специально разработанный кислородный датчик- так называемый лямбда-зонд .

Он вступает с раскаленными выхлопными газами в электрохимическую реакцию и выдает сигнал, уровень которого зависит от количества кислорода в выхлопе. По результатам мгновенного анализа, которым занимается электроника, можно быстро корректировать состав смеси в ту или иную сторону. Упрощенная схема системы представлена на рисунке. В настоящее время в качестве кислородного датчика в подавляющем большинстве систем топливодозирования используется датчик на основе ZrO2. Чувствительным элементом лямбда-зонда является колпачок, выполненный из керамики (ZrO2).

Внутренняя и внешняя поверхности колпачка покрыты платиной или ее сплавом, что выполняет роль катализатора и токопроводящих электродов. Двуокись циркония при высоких температурах приобретает свойство электролита, а датчик становится гальваническим элементом.

Принцип работы лямбда-зонда состоит в генерировании э.д.с., величина которой определяется соотношением парциальных давлений, а проще говоря, содержанием свободного кислорода в отработавших газах и в окружающем воздухе. Особенностью «циркониевого» датчика является то, что при незначительных изменениях состава смеси ( =1.02…0.98) э.д.с. на его выходе скачком изменяется от нескольких милливольт до почти одного вольта. Такая «релейная» характеристика датчика полностью определяет алгоритм работы всей системы автоматического регулирования. Датчик работает в диапазоне температур 350-900 град. Цельсия. Для расширения диапазона применяют датчики с электронным подогревом.

Упрощенный алгоритм работы системы -коррекции: обогащенная смесь - сгорание - увеличение сигнала -зонда- уменьшение расчетной длительности впрыска - впрыск - обедненная смесь - сгорание - уменьшение сигнала -зонда - увеличение расчетной длительности впрыска- впрыск. Весь цикл непрерывно повторяется, т.е. состав смеси в системе с контуром обратной связи непрерывно изменяется от =0,97..0,98 до =1,02..1,03.

В режиме замкнутого контура система работает только после достижения двигателем определенной температуры и прогрева кислородного датчика. Исключения составляют следующие режимы: режим максимальной мощности, режим торможения двигателем, режим ускорения, режим прогрева. На этих режимах сигнал кислородного датчика не учитывается.

Введение контура -коррекции наиболее просто реализуется в электронных системах впрыска дискретного действия. В таких системах происходит непрерывная коррекция длительности импульсов управления форсунками в соответствии с сигналами, поступающими от кислородного датчика.

В системах непрерывного действия КЕ-Джетроник, имеющих электронный блок управления, точная коррекция состава смеси также не вызывает особых затруднений и осуществляется посредством циклического изменения в небольших пределах (1..3 мА ) тока, подаваемого блоком в обмотки электрогидравлического регулятора.

Наиболее сложным с точки зрения количества дополнительных конструктивных изменений в этом плане являются системы К-Джетроник и карбюраторы.

В системе К-Джетроник точная коррекция состава смеси осуществляется посредством изменения давления в нижних камерах дозатора-распределителя. Такие системы (условное название К-лямбда) в достаточной степени отличаются от базовой версии. Давление топлива в нижних камерах системы К-лямбда не равно системному и может регулироваться благодаря перепуску топлива обратно в топливный бак через так называемый частотный клапан. Для управления этим клапаном используется сигнал изменяемой скважности, вырабатываемый специально вводимым в эту систему электронным блоком (скважность - отношение времени действия сигнала к времени периода повторения). Подобный принцип используется в карбюраторах с электронным управлением.

Дальнейшим развитием систем -коррекции являются адаптивные системы с возможностью «самообучения» в процессе эксплуатации. Суть работы таких систем заключается в том, что по мере изменения характеристик различных систем и компонентов двигателя в процессе эксплуатации (например, загрязнение форсунок, уменьшение компрессии, подсос воздуха) в специальной области памяти блока управления накапливаются «поправочные коэффициенты», используемые процессором при расчете длительности времени впрыска (в системах КЕ-Джетроник - величины тока ) на различных установившихся режимах. Это позволяет поддерживать стехиометрический состав смеси даже при значительных отклонениях в состоянии системы. Если обычные системы с -регулированием обладают возможностью коррекции количества впрыскиваемого топлива в пределах 10...15% от базового расчетного значения, то современные адаптивные системы способны обеспечить диапазон до 40...50%.

Лекарство от недугов дизеля


Если сравнить состав отработавших газов бензиновых двигателей и дизелей, то становится ясно, что «дизельный выхлоп в первую очередь необходимо очищать от окислов азота, диоксида серы и сажи. Токсичные компоненты составляют 0,2-5,0% от объема отработавших газов, в зависимости от типа двигателя и режима его работы. Причем сажа сама по себе нетоксична, но она адсорбирует на поверхности частиц канцерогенные полициклические углеводороды, в том числе наиболее вредный и токсичный бенз(а)пирен.

Сравнительно низкий уровень СО,СН и NOX в отработавших газах дизеля не требовал в прошлом установки специальных устройств для снижения токсичности. Однако в последние годы ужесточение норм токсичности коснулось и дизелей - на многих моделях автомобилей с дизельными двигателями появились системы снижения токсичности выхлопа, включающие рециркуляцию отработавших газов, КН и специальный сажевый фильтр. Такие фильтры через определенные временные интервалы подвергаются регенерации при помощи кислорода, который содержится в ОГ. Во время такой регенерации увеличивается выброс вредных веществ в атмосферу, а также возрастает тепловая напряженность двигателя.

В разработанной Фольксвагеном системе нейтрализации «дизельного» выхлопа регенерация происходит благодаря использованию диоксида азота (NO2), который содержится в катализаторе окисления. Катализатор окисления, расположенный рядом с двигателем, очищает отработавшие газы от СО и СН. В это время во втором катализаторе интенсивно образуется NO2, необходимый для окисления твердых частиц. Для снижения в ОГ газообразных окислов азота использован накопительный катализатор окислов азота. Этот катализатор имеет специальное покрытие, которое позволяет ему как губке впитывать в себя поступающие из двигателя окислы азота. Через определенные промежутки времени необходимо очищать катализатор богатой горючей смесью.

Система очистки отработавших газов дизелей, созданная Пежо, включает в себя блок управления работой двигателя, датчики давления, систему дозировки специальной присадки к топливу, систему питания Common rail и фильтр, который очищает от сажи и выполняет функцию катализатора. В качестве фильтрующего материала фильтра-катализатора используется карбид кремния, который имеет пористую структуру, где накапливаются частицы сажи. Очистка фильтра осуществляется путем подачи топлива в цилиндры с запозданием, чем обеспечивается повышение температуры ОГ. Для снижения температуры регенерации фильтра применяется специальная присадка, подмешиваемая к топливу. Очистка фильтра происходит по команде блока управления двигателем после каждых 400-500 км пробега. Необходимость очистки фильтра определяется блоком управления на основании показаний двух датчиков давления на входе и выходе фильтра.

Таким образом, современные комплексные системы очистки отработавших газов для дизелей состоят из каталитических и жидкостных нейтрализаторов, а также сажевых фильтров. Их ресурс ограничен, а стоимость высока из-за использования катализаторов на основе благородных металлов. Один из альтернативных методов нейтрализации отработавших газов - использование низкотемпературной плазмы. Исследования в Японии, США и в… России привели к созданию экспериментальных образцов оборудования, основанного на плазменных технологиях.

Низкотемпературная плазма состоит из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов, полученных в специальных устройствах при различных видах импульсных высоковольтных электрических разрядов (коронный, барьерный и др.), а также из нейтральных атомов и молекул.

Отработавшие газы дизеля направляются в плазмохимический реактор, предварительно пройдя сушку во влагоотделителе. В плазмохимическом реакторе к этим газам «подмешивают» масло. Под действием электрического разряда в трубках разрядного устройства частички сажи активно адсорбируют масло на своей поверхности. Для удаления сажи, частички которой находятся в масляном коконе, используется маслоотделитель. Сажа собирается в специальный контейнер, а масло после дополнительной очистки в фильтре продолжает циркулировать по замкнутому контуру. Таким образом удается обеспечить очень высокую эффективность поглощения частичек сажи - до 100% во всем диапазоне оборотов дизеля. Из маслоотделителя часть отработавших газов можно направить во впускной коллектор (рециркуляция). Это снижает содержание оксидов азота в выхлопе.

По предварительным расчетам, плазменная очистка обойдется в 1,5-2 раза дешевле, чем в существующих многокомпонентных устройствах. Не требуется использовать благородные металлы, значительно увеличивается ресурс систем нейтрализации, сокращается время на их техническое обслуживание. Однако к промышленному выпуску плазмохимических реакторов можно будет перейти, когда удастся сократить затраты мощности на электропитание реактора. В опытных системах они достигают 4-5% и более от мощности дизеля.

Выводы


Не нужно считать экологические проблемы далекими от реальной жизни. Чистый воздух, качественные продукты питания нужны всем, особенно детям, здоровье которых только закладывается.

Реально страны СНГ по уровню автомобильной техники находятся сейчас на пороге первой фазы эры нейтрализации - надо хотя бы внедрить нейтрализаторы на выпускаемые заводами автомобили. Нужно правительственными решениями принудить автозаводы к выпуску автомобилей, отвечающих реально выполнимым экологическим требованиям. Для этого необходимо оборудовать автомобили с бензиновыми двигателями трехкомпонентными нейтрализаторами и системами впрыска топлива.

Нужно обязательно решить проблему с этилированным и нечистым бензином - иначе нейтрализаторы будут очень быстро терять свои способности. И переоборудование для этой цели нефтеперерабатывающих заводов- это тоже вопрос государственного уровня.

Наиболее сложно обстоит дело с уже выпущенными автомобилями с карбюраторными двигателями, так как работа нейтрализатора с карбюратором представляет ряд трудностей. В США, например, это решается быстротой обновления автомобильного парка страны, в Германии владельцы таких автомобилей уплачивают экологический сбор, что делает невыгодным его содержание. У нас же автомобиль эксплуатируется до тех пор, пока не проржавеет до лонжеронов кузов и не застучит двигатель после третьей переборки.

Существенная стоимость систем впрыска бензина и каталитических нейтрализаторов, на фоне низкой покупательной способности населения, пока не позволяет внедрить у нас жесткие нормы по токсичности отработавших газов. Ясно только одно, что через некоторое время и у нас наступит первая фаза эры нейтрализации.

(C) ROSTIX.COM, 2003-2013 г., Personal Web Site: Y. ROSTISLAV

Российская доска объявлений