Нейтрализация отработавших газов.

Совершенствование рабочего процесса и приборов смесеобразования заметно уменьшает загрязнение воздуха, но все же снизить токсичность отработавших газов до необходимого уровня этим путем не удается. Вредные вещества, выходящие из цилиндров двигателя, приходится ликвидировать уже в выпускной системе. Для этого применяются каталитические нейтрализаторы.

Современные каталитические нейтрализаторы существенно снижают загрязнение окружающего воздуха токсичными выбросами автомобиля.

В качестве катализаторов выступают платина, палладий, родий. Металлы-катализаторы используют в виде тончайшей активной пленки, напыленной на поверхность материала-носителя (гранулы Al 2 O 3, SiO 2, цеолиты, керамика, фольга из нержавеющей стали). Отработавшие газы проходят через слой катализатора, на котором происходят реакции превращения токсичных компонентов в нетоксичные или менее токсичные. Роль катализатора заключается в обеспечении протекания требуемой реакции и ее ускорении. Современные каталитические нейтрализаторы позволяют снизить содержание в отработавших газах одновременно трех загрязняющих компонентов: CO , CxHy , NOx . В основе нейтрализации лежат реакции:

2 NO + 2 CO → N 2 + 2 CO 2         

                                          При α > 1;                                                

2NO + H2 → N2 + 2H2O

2NO+5CO+3H2O→2NH3+5CO2;

2NO+5H2→2NH3+2H2O;                                                                                                                                                                                            При α < 1   

(2x+y/2)NO+CxHy+y/3 H2→xN2+y/3 H2O+xCO2+y/3NH3;

Для увеличения N 2 по сравнению с NH 3 в катализатор вводят добавки рутения и родия. Температурный интервал, в котором наблюдается эффективная работа нейтрализатора, составляет 600-1100 К.

Каталитические нейтрализаторы подразделяют на:

1) окислительные – уменьшающие выброс оксида углерода и углеводородов на 80–90 %. Действуют как дожигатели продуктов неполного сгорания;

2) трехкомпонентные, или бифункциональные, уменьшающие выброс CO , CxHy , NOx на 75–90 %. В трехкомпонентном нейтрализаторе платина и палладий вызывают окисление СО и CxHy, а родий приводит к восстановлению NOx. Кстати, родий – субпродукт при получении платины – наиболее ценный в этой троице. И именно его в первую очередь «отравляет» свинец, содержащийся в бензине.

Степень очистки отработавших газов от CO , CxHy возрастает с обеднением смеси, в то время как наибольшая степень очистки от NOx достигается при обогащенных составах смеси.

Максимальный эффект нейтрализации одновременно по трем компонентам CO , CxHy , NOx значительно возрастает, если в цилиндр двигателя поступает ровно столько воздуха, сколько необходимо для полного сгорания топлива, т.е в узком интервале значений коэффициента избытка воздуха (α = 0,98-0,99). При этом необходимость дозировать топливо с высокой точностью. Поэтому требуется наличие кислородного датчика после нейтрализатора и электронной системы впрыска топлива, которая в зависимости от содержания кислорода в отработавших газах, расхода воздуха и других параметров, задает длительность впрыска топлива.

Нейтрализация обработавших газов осуществляется не только бензиновых двигателях, но и дизельных. В этом случае процесс протекает в три стадии: на первой идет улавливание и дожигание сажи, на второй – восстановление NОx, на третьей – окисление СО и CxHy. Для осуществления первой стадии нейтрализатор устанавливают в комбинации с фильтром. В качестве фильтрующею материала предпочтительна керамика, которая термостойка, прочна, долговечна и обладает высокой фильтрующей способностью. Перечисленные достоинства позволяют осуществлять регенерацию фильтра, поры которого быстро забиваются частицами сажи. Для регенерации используются термический метод (внешний подогрев фильтра отработавшими газами или пламенем) для дожигания сажи, либо применяют присадки к топливу (активаторы), способствующие интенсивному сгоранию частиц сажи. Присадки в количестве 0,02 % обеспечивают надёжную регенерацию фильтра при температуре отработавших газов 600 - 650 К.

Для последующего дожигания оставшейся сажи применяют катализатор на основе оксидов ванадияс обеспечением электроразогрева для инициирования процесса дожигания. Сущность процесса дожигания сводится к следующему. После электроразогрева (инициирования) катализатора на его поверхности образуется некоторое количество свободных радикалов, которые затем десорбируются в газовую фазу и, достигая поверхности частиц сажи в присутствии кислорода, вызывают ее окисление. Таким образом, процесс осуществляется не на поверхности катализатора, а над его поверхностью. Скорость дожигания сажи напрямую зависит от концентрации радикалов над катализатором. Поэтому для интенсификации выхода радикалов с поверхности катализатора в газовую фазу, используют высокочастотное электрическое поле.

После фильтрации и дожигания сажи в отработавших газах протекают реакции каталитического восстановления NОx . Сущность процесса такова. Катализатор, например медный, нагретый до 800 К и выше взаимодействует с оксидами азота по схеме:

2NOx+2xCu                                                     ^≥800K         2xCuO+N2,                                                    

CuO + CO                                                  Cu + CO 2.                                                                             

Скорость второй реакции ниже, чем первой, поэтому поверхность меди остаётся чистой только на 60-65 %.

На заключительной стадии идет окисление СО и CxHy при температуре 680 - 880 К в присутствии платины и палладия по реакциям:

CO+H2O                                                 CO2+H2,                                                                         

CxHy + x+y/4 O2  xCO2+y/2H2O.                                                   

Окисление СО и низкомолекулярных углеводородов происходит с эффективностью до 95 %. Окисление CxHy  происходит труднее. Эффективность последнего процесса составляет порядка 80 %.

Реакции (15) и (16) лежат также в основе работы окислительного каталитического нейтрализатора отработавших газов бензиновых двигателей.

Использование каталитических нейтрализаторов связано со значительными экономическими затратами и трудностями технического и организационного порядка. Увеличивается расход топлива. Для бензиновых двигателей требуется применение только неэтилированного бензина, так как даже одноразовая заправка этилированным бензином приводит нейтрализатор в негодность. В каталитических нейтрализаторах используют драгоценные металлы. Так, на один нейтрализатор идет 1,5–3,0 г платины. Предъявляются более строгие требования к конструкции и технологии изготовления приборов питания и зажигания, к соблюдению установленных регулировок. В связи с этим возрастает стоимость автомобиля. Так, в современных автомобилях зарубежного производства на системы нейтрализации и электронные устройства приходится до 10–12 % от его общей стоимости. Не смотря на все это экологическая обстановка заставляет автомобилестроителей во всем мире переходить на оснащение автомобильного транспорта системами нейтрализации.

Поддержание технического состояния, т.е. своевременное техническое обслуживание и ремонт, регулировка агрегатов в пределах допусков заводов-изготовителей.

 Использование новых рабочих процессов. В числе перспективных рабочих процессов двигателей - использование переобеднённой смеси, т.е. работа в диапазоне α = 1,4-1,6. Как видно из диаграммы на рис. 3, даже при отсутствии нейтрализатора можно значительно снизить содержание CO , CxHy , NOx.

⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒

Поделиться: