У випускній системі ДВЗ

Численні дослідження робочого процесу ДВЗ показали, що домогтися виконання сучасних норм токсичності лише за рахунок поліпшення процесу згоряння, управління складом паливо повітряної суміші і кутом випередження запалювання неможливо.

У цьому зв'язку сучасний автомобільний двигун обов'язково має спеціальні пристрої, що дозволяють забезпечити зниження концентрації токсичних компонентів ВГ безпосередньо у випускній системі. Ці пристрої називаються нейтралізаторами ВГ.

В даний час монопольне становище належить каталітичних нейтралізаторів відпрацьованих газів.

Сутність процесів каталітичної нейтралізації полягає у взаємодії відпрацьованих газів між собою або з надмірною киснем у присутності каталізатора, прискорювального хімічні реакції. При цьому продукти неповного згоряння СО і CnHm перетворюються в кінцеві продукти реакції - СО2 і H2O, а оксиди азоту відновлюються до N2. Реакції нейтралізації в присутності каталізаторів починаються при температурі 250 ° С. Перетворення найбільш ефективно в діапазоні температур від 400 до 800 ° С.

Найбільш ефективними каталізаторами є благородні метали - платина, паладій, рутеній, родій.

Каталітичні нейтралізатори складаються з штампованого корпусу 1, монолітного керамічного або металевого носія 2 і еластичною термоізоляційної прокладки 3 (рис. 3.7).

Керамічний носій пронизаний поздовжніми порами - сотами, на поверхню яких нанесений активний каталітичний шар. Пори утворюють безліч тонких каналів для пропуску відпрацьованих газів. Завдяки спеціальній підкладці товщиною 20... 60 мікрон з розвиненим мікрорельєфом загальна площа поверхні цього шару може доходити до 20000 м2. Маса каталізаторів, нанесених на цю величезну площу, складає всього 2... 3 грама.

Металевий носій являє собою найтонші стільники, виготовлені з гофрованої фольги. Це дозволяє збільшити площу робочої поверхні в порівнянні з керамічним носієм, знизити опір руху газів і прискорити розігрів блоку до робочої температури.

Еластична термоізоляційна прокладка служить для компенсації різниці термічного розширення корпусу і носія. Вона також призначена для захисту носія від вібрації, ударів, інших механічних впливів і може виготовлятися:

- У вигляді дротяної сітки з нержавіючої термостійкої сталі;

- Як подушка з волокон силікату алюмінію з добавкою слюди.

Рис. 3.7. Схема каталітичного нейтралізатора

Окислювальні каталітичні нейтралізатори допалюють в присутності платини і надлишку кисню оксид вуглецю і незгорілі вуглеводні (рис. 3.8). Їх недоліком є неможливість здійснення процесів відновлення оксидів азоту.

Рис. 3.8. Схема окисної нейтралізації відпрацьованих газів:

1 - система паливоподачі; 2 - подача додаткового повітря;

3 - окислювальний нейтралізатор.

Двоступеневі каталітичні нейтралізатори застосовують для перетворення всіх трьох токсичних компонентів: СО, CnHm, NOx. Вони складаються з двох частин, встановлених послідовно (рис. 3.9). Перший ступінь відновлює оксиди азоту при дефіциті кисню, а друга окисляє оксид вуглецю і незгорілі вуглеводні при примусовій подачі в неї повітря.

Для створення відновлювальної середовища в першій ступені нейтралізатора двигун автомобіля регулюється на злегка збагачену паливо повітряну суміш (α ≈ 0,98). Відновні реакції протікають за наступною схемою:

Окисна середу в другій секції створюється за рахунок подачі в неї невеликої кількості додаткового повітря. Реакції протікають за наступною схемою:

Рис. 3.9. Схема двоступеневої нейтралізації відпрацьованих газів:

1 - система паливоподачі; 2 - відновлювальна секція;

3 - окислювальна секція; 4 - подача додаткового повітря

Двоступеневі нейтралізатори мають відносно складну конструкцію. До того ж, використання багатих паливо-повітряних сумішей, що необхідно для ефективного відновлення оксидів азоту, призводить до підвищеної витрати палива.

Застосування різних каталізаторів у відповідній комбінації дозволяє забезпечити одночасне окислення оксиду вуглецю та вуглеводнів, а також відновлення оксидів азоту. Нейтралізатор в цьому випадку називається трикомпонентним або біфункціональним. Наприклад, ефективним є три металевий каталізатор: платина, паладій, родій у співвідношенні 1:16:1 або 1:28:1. Для зниження температури допалювання оксиду вуглецю та вуглеводнів, крім платини, іноді використовують рутеній. При використанні трикомпонентних нейтралізаторів для досягнення високих ступенів очищення одночасно по СО, CnHm і NOx потрібно дуже точне регулювання складу паливо повітряної суміші.

Ефективність очищення ОГ (у%) оцінюється ступенем перетворення:

де свх, Свих - концентрація токсичних компонентів у ВГ на вході і на виході нейтралізатора.

У зоні α <1 (рис. 3.10) в міру збагачення суміші ефективність нейтралізатора зберігається відносно оксидів азоту і різко знижується відношення СО і CnHm через нестачу окислювача. У зоні α> 1 по міру збідніння суміші ефективність зменшується відносно NOx, внаслідок того, що надлишковий кисень, адсорбує каталізатором, перетворює нейтралізатор потрійної дії в нейтралізатор окислювального типу.

Рис. 3.10. Характеристика триелементного нейтралізатора

Забезпечити підтримку складу суміші α ≅ 1 з високою точністю вдається шляхом використання системи її регулювання із зворотним зв'язком (рис. 3.11) і системи вприскування палива.

Кисневий датчик (λ -зонд) системи з зворотним зв'язком встановлюється у випускній системі ДВЗ перед нейтралізатором. За своєю суттю датчик є гальванічною батареєю, що містить зовнішній 1 і внутрішній 3 електроди з пористої платини або її сплаву, які розділені твердим електролітом 2 з двоокису цирконію (рис. 3.12).

Зовнішня сторона датчика знаходиться в атмосфері, а внутрішня - у вихлопних газах. Повітря з атмосфери діє як один полюс батареї, а вихлопні гази - як інший. Іонна провідність твердого електроліту, що виникає внаслідок різниці парціальних тисків на зовнішньому і внутрішньому електродах, обумовлює появу різниці потенціалів між ними. Чим вищий вміст кисню в ВГ, тим нижче різниця потенціалів, і нижче напруга на висновках датчика. При низькому вмісті кисню (багата суміш), різниця потенціалів між електродами висока й вихідна напруга коливається від 450 до 1000 мВ.

Рис. 3.11. Схема системи зі зворотним зв'язком: 1 - ДВЗ;

2 - система уприскування палива; 3 - електронний блок управління;

4 - кисневий датчик; 5 - трикомпонентний нейтралізатор

 

Рис. 3.12. Схема кисневого датчика:

1, 3 - зовнішній і внутрішній електроди;

2 - твердий електроліт; 4 - випускний колектор

При переході суміші через нормальний склад різко змінюється парціальний тиск кисню в ВГ. Це супроводжується зміною на порядок різниці потенціалів і виникненням у характеристиці датчика стрибка вихідної напруги (рис. 3.13).

Цей стрибок (після посилення) сприймається електронним блоком управління, який коригує тривалість впорскування палива, забезпечуючи нормальне співвідношення палива і повітря в суміші у всьому діапазоні частот обертання і навантажень.

Рис. 3.13. Характеристика кисневого датчика

Датчики кисню працюють тільки при температурі не менше 300 ° С. Тому їх розташовують у випускній трубі якомога ближче до двигуна. Якщо це неможливо, використовують датчики з вбудованим електричним нагрівачем.

Найбільш оптимальне регулювання процесу нейтралізації можна забезпечити при використанні двох датчиків кисню. Один з них, як зазвичай, встановлюють перед нейтралізатором, а інший за ним. Другий датчик призначений для контролю роботи системи нейтралізації.

Щоб зменшити час нагрівання нейтралізатора до робочих температур і, як наслідок, шкідливі викиди на стадії прогріву, з початку 90 -х років нейтралізатор розташовують на автомобілі, як і кисневий датчик, поблизу випускного колектора.

Для цього ж іноді застосовують пусковий каталітичний нейтралізатор, що працює аж до прогріву основного нейтралізатора. Він розміщується в спеціальному відгалуженні випускної системи, має менші, ніж основний, розміри і, стало бути, прогрівається швидше.

Для забезпечення максимально довгої ефективної роботи каталітичного нейтралізатора необхідно дотримуватися ряду правил. По-перше, використовувати тільки рекомендовану заводом-виробником марку палива.

По-друге, щоб уникнути пожежі, не слід паркувати автомобіль над легко займистими предметами, наприклад сухим листям, травою, папером і т. п., так як під час і після роботи двигуна корпус нейтралізатора має досить високу температуру.

По-третє, слід дотримуватися основних правил, наведених в інструкції з експлуатації автомобілів, спрямовані на попередження ситуації, коли в нейтралізатор може потрапити значна кількість незгорілого палива. У цьому випадку можлива спалах може призвести до руйнування носія каталізатора. Найбільш загальні рекомендації можна викласти наступним чином:

- Не слід марно крутити двигун стартером тривалий час;

- В холодну пору року, якщо двигун не запустився з першої спроби, необхідно уникати повторних включень стартера через короткі проміжки часу;

- Не можна пускати двигун шляхом буксирування;

- Забороняється перевіряти роботу циліндрів, відключаючи свічки запалювання.

Однак, навіть при виконанні всіх рекомендацій, ефективність дії каталітичного нейтралізатора знижується майже вдвічі при пробігу автомобіля близько 100 тис. км. і він повинен підлягати заміні.

Принцип роботи термічних нейтралізаторів заснований на прискоренні реакцій окиснення продуктів неповного згоряння (СО, CnHm, альдегіди, частинок сажі) у термічному реакторі.

Термічний реактор (рис. 3.14) являє собою деякий обсяг зі спеціальною організацією течії вихлопних газів. Він встановлюється у випускній системі двигуна і здійснює термічне доокислення токсичних компонентів за рахунок власного тепла відпрацьованих газів. Підвищити їх температуру в реакторі можна наступними способами:

- Зменшенням тепловтрат за рахунок тепло-ізолювання корпусу реактора та застосуванням теплових екранів;

- Короткочасним зменшенням кута випередження запалювання;

- Подачею додаткового палива в обсяг реактора;

- Електропідігрівом реактора.

Рис. 3.14. Схема термічного реактора:

1 - корпус, 2 - теплова ізоляція;

3 - тепловий екран

На відміну від каталітичних нейтралізаторів термічні нейтралізатори не виходять з ладу з часом. Крім того, ефективність їх роботи не залежить від виду палива, що спалюється і наявності присадок в паливі. Однак вони не дають повного окислення СО і CnHm і не відновлюють оксиди азоту, тому застосовуються рідко і, звичайно, як додаткові пристрої перед каталітичним нейтралізатором.

Принцип дії рідинних нейтралізаторів (рис. 3.15) заснований на пропущенні відпрацьованих газів через шар рідини (зазвичай води). У результаті цього ефективно поглинається сажа, бензапірен, оксиди сірки і формальдегіди. Для посилення ефекту нейтралізації в рідинних нейтралізаторах можуть застосовуватися хімічні розчини (наприклад, 10 % - ний водний розчин сульфату натрію Na2SO3).

Дані нейтралізатори знаходять обмежене застосування через малу ефективність відносно більшості токсичних компонентів ВГ і необхідності частої заміни рідини. Їх використовують на спеціальних

Рис. 3.15. Схема рідинного нейтралізатора ВГ: 1 - перфорована трубка; 2 - шар рідини; 3 - фільтр; 4 - заливна горловина