Нейтрализация отработавших газов ДВС

Токсичные компоненты ОГ ДВС, такие как CO, CH, и NOx могут быть нейтрализованы в выпускной системе ДВС. В настоящее время существуют методы пламенной, жидкостной и каталитической нейтрализации.

Пламенная нейтрализация СО и СН основана на том факте, что в любой выпускной системе происходит в определенной степени процесс окисления. Этот процесс можно активизировать посредством турбулентного смешивания воздуха с ОГ при высоких температурах. Эффективный процесс дожигания СН начинается при температуре 400^оС, а СО при температуре не менее 500^оС. При обычных условиях движения АТС в городе температура ОГ является слишком низкой для активного дожигания углеводородов. Повысить температуру ОГ можно за счет снижения потерь тепла (тепловые экраны в выпускном коллекторе, термические реакторы).

Принцип действия жидкостных нейтрализаторов основан на растворении или химическом взаимодействии токсичных компонентов ОГ при пропускании их через жидкость определенного состава: вода, водный раствор сульфита натрия, водный раствор двууглекислой соды. При пропускании ОГ дизелей через воду степень очистки для NOx составляет 50%, альдегидов - 98%, SO₂ - 100%. Жидкостные нейтрализаторы не требуют времени для выхода на рабочий режим после пуска холодного двигателя. Однако есть и недостатки: большая масса и габариты, необходимость частой смены раствора, неэффективность по отношению к СО.

Наиболее распространенный метод нейтрализации в настоящее время - каталитический. Каталитические нейтрализаторы служат для дожигания (окисления) продуктов неполного сгорания (СН, СО) и разложения (восстановления) оксидов азота. Процесс окисления (восстановления) происходит при прохождении ОГ через слой носителя с нанесенным на него катализатором. В качестве катализатора в настоящее время используют платину, палладий, родий и их сплавы, а также более дешевые, но, увы, менее эффективные, оксиды меди, марганца и хрома.

На рис. 17 показана схема двухкамерного каталитического нейтрализатора, служащего для восстановления NOx в одной камере и окисления СО и СН во второй. В первой камере под действием катализатора происходит восстановление монооксида азота по реакциям:

NO + CO ® 0.5N₂ + CO₂;

NO + H₂ ® 0.5N₂ + H₂O.

Во второй камере, служащей для окисления СО и СН в присутствии дополнительно вводимого воздуха, процесс окисления происходит по реакциям:

CO + 0.5O₂ ® CO₂;

Для обеспечения восстановительной среды ОГ в первой камере нейтрализатора двигатель должен быть отрегулирован для работы на смеси, близкой по своему составу к стехиометрической. При коэффициенте избытка воздуха a > 1,05 активность катализатора к NOx резко уменьшается, т.к. среда становится окислительной. Поэтому восстановительная реакция NOx в дизельных двигателях очень затруднена. Кроме того, в ОГ дизелей содержится большое количество сажи, которая забивает катализатор и снижает его активность.

В качестве устройств, обеспечивающих подачу дополнительного воздуха в нейтрализатор могут использоваться нагнетатель ротационного типа, приводимый во вращение от коленчатого вала двигателя, пульсар (малоинерционный обратный клапан, устанавливаемый на выпускном трубопроводе двигателя и срабатывающего от импульсов разряжения, возникающих в потоке ОГ двигателя) или эжектора (применение ограничено из-за высокого гидравлического сопротивления).

Помимо упомянутых выше процессов на катализаторе может протекать ряд побочных реакций, в результате которых образуются соединения, представляющие собой самостоятельную опасность для окружающей среды или существенно снижающих эффективность процесса нейтрализации. Наиболее опасными из таких соединений являются аммиак, образующийся при восстановлении NOx, и серный ангидрид, выделяющийся при окислении SO₂. При наличии избыточного кислорода во второй ступени нейтрализатора аммиак снова может превращаться в NO. Поэтому катализатор, используемый для восстановления окислов азота должен обладать высокой селективностью, т.е. обеспечивать приоритетное протекание реакции в направлении образования молекулярного азота, а не аммиака.

Кроме этого эффективность каталитического нейтрализатора зависит от температуры катализатора, продолжительности контакта ОГ с поверхностью катализатора, времени его эксплуатации. Особенно заметно снижается эффективность нейтрализаторов при использовании этилированного бензина. Например, установлено, что после пробега 6...8 тыс. км эффективность платинового катализатора снижается до 35% по отношению к СН и до 45% по отношению к СО [12].

Геометрическая форма и структура каталитического носителя также определяет тип конструкции нейтрализатора. Существуют два типа носителя катализатора: гранулированный и блочный. Основным достоинством нейтрализаторов с гранулированным катализатором является возможность замены вышедшего из строя катализатора. К числу недостатков нейтрализаторов подобного типа относятся высокое гидравлическое сопротивление, недостаточно полное использование активной поверхности гранул из-за наличия застойных зон и интенсивное истирание и унос катализатора из реакционной зоны.

Использование блочных носителей, изготавливаемых или из керамики, или из металлической фольги, позволяет уменьшить объем, массу, площадь поперечного сечения, а также скорость прогрева при холодных пусках [[12]]. Для увеличения поверхности контакта отработавших газов с катализатором поверхность каналов должна быть возможно большей. Такое увеличение достигается использованием подложки из оксида алюминия. Один грамм такой подложки создает поверхность до 25 м².

В последнее время каталитические нейтрализаторы производят по однокамерной схеме. При этом для нормальной работы трехкомпонентного нейтрализатора необходимо во всех режимах подавать в двигатель бензино-воздушную смесь в постоянном соотношении 1:14,9 (рис. 18). Регулирование состава смеси осуществляется с помощью кислородного датчика (т.н. l-зонда). Располагаемый на участке между двигателем и каталитическим нейтрализатором, этот датчик определяет содержание кислорода в ОГ, которое служит характеристикой состава горючей смеси, подаваемой в двигатель. При отклонении содержания кислорода от заданного значения на электронную систему регулирования состава смеси поступает соответствующий сигнал и состав подвергается корректировке до требуемого значения.

Для снижения содержания твердых частиц в ОГ дизелей используют каталитические фильтры. Их применение снижает выбросы твердых частиц на 90%, а выбросы СН и СО - по меньшей мере, на 70% и 75% соответственно. К недостаткам этих фильтров можно отнести низкую эффективность улавливания NOx (25%), а также довольно малый пробег, после которого требуется регенерировать фильтр. Через 15 часов работы дизеля противодавление увеличивается до 10 кПа, что примерно соответствует 2% перерасхода топлива. Регенерацию фильтра можно осуществлять, периодически увеличивая температуру до 650^оС и выше, что приводит к воспламенению накопившейся сажи. Разработаны фильтры с автоматической регенерацией, но для этого требуется использовать катализаторы из драгоценных металлов.