1.1 Нейтрализация выхлопных газов

Снижения уровня выбросов токсичных веществ с выпускными газами двигателей можно достичь воздействием на рабочий процесс с целью уменьшения образования этих веществ в процессе сгорания, оборудованием двигателя системами нейтрализации выпускных газов и применением топлив, в продуктах сгорания которых содержится меньше токсичных веществ.

При оценке эффективности перечисленных способов исходят из стремления получить выбросы токсичных веществ в допустимых пределах без снижения мощности и экономичности двигателя при минимальном повышении стоимости силовой установки с двигателем.

Применяемые в настоящее время способы воздействия на рабочий процесс для снижения токсичности двигателя приводят, как правило, к уменьшению его мощности и увеличению расхода топлива, а кроме того, в двигателях с принудительным воспламенением не обеспечивают пока допустимого уровня токсичности выбросов.

Поэтому установки с двигателями оборудуют системами нейтрализации, в которых предусматривается снижение концентрации токсичных веществ воздействием на рабочий процесс и применением устройств для нейтрализации и очистки газов в выпускном трубопроводе -- нейтрализаторов и очистителей.

В термических и каталитических нейтрализаторах происходят химические реакции, в результате чего уменьшается концентрация газовых компонентов токсичных веществ.

Механические и водяные очистители применяют для очистки выпускных газов от механических частиц (сажи) и капелек масла. Последние используются редко.

Снижения уровня выбросов токсичных веществ с выпускными газами двигателей можно достичь воздействием на рабочий процесс с целью уменьшения образования этих веществ в процессе сгорания, оборудованием двигателя системами нейтрализации выпускных газов и применением топлив, в продуктах сгорания которых содержится меньше токсичных веществ. При оценке эффективности перечисленных способов исходят из стремления получить выбросы токсичных веществ в допустимых пределах без снижения мощности и экономичности двигателя при минимальном повышении стоимости силовой установки с двигателем.

Применяемые в настоящее время способы воздействия на рабочий процесс для снижения токсичности двигателя приводят, как правило, к уменьшению его мощности и увеличению расхода топлива, а кроме того, в двигателях с принудительным воспламенением не обеспечивают пока допустимого уровня токсичности выбросов. Поэтому установки с двигателями оборудуют системами нейтрализации, в которых предусматривается снижение концентрации токсичных веществ воздействием на рабочий процесс и применением устройств для нейтрализации и очистки газов в выпускном трубопроводе -- нейтрализаторов и очистителей.

В термических и каталитических нейтрализаторах происходят химические реакции, в результате чего уменьшается концентрация газовых компонентов токсичных веществ. Механические и водяные очистители применяют для очистки выпускных газов от механических частиц (сажи) и капелек масла. Последние используются редко.

Термический нейтрализатор (рис. 104) состоит из корпуса с подводящими (выпускными) патрубками и одной или двух жаровых труб-вставок из жаропрочной листовой стали. Хорошее перемешивание дополнительного воздуха, необходимого для окисления СН и СО, с выпускными газами достигается интенсивным вихреобразованием и турбулизацией газов при перетекании через отверстия в трубах и в результате изменения направления их движения системой перегородок. Для эффективного догорания СО и СН требуется достаточно большое время, поэтому скорость газов в нейтрализаторе задается невысокой, вследствие чего объем его получается сравнительно большим.

Чтобы предотвратить падение температуры выпускных газов в результате теплоотдачи к стенке, выпускной трубопровод и нейтрализатор покрывают тепловой изоляцией, устанавливают тепловые экраны в выпускных каналах, размещают нейтрализатор по возможности ближе к двигателю. Несмотря на это, для прогрева термического нейтрализатора после пуска двигателя требуется значительное время. Для сокращения этого времени повышают температуру выпускных газов, что достигается обогащением горючей смеси и уменьшением угла опережения зажигания, хотя и то, и другое повышает расход топлива. К таким же мерам прибегают для поддержания стабильного пламени на переходных режимах работы двигателя. Уменьшению времени до начала эффективного окисления СН и СО способствует также жаровая вставка.

В каталитических окислительных нейтрализаторах (при наличии избыточного кислорода в выпускных газах) с катализаторами из благородных металлов -- платины, платины и палладия, платины и родия -- достаточно высокая скорость окисления СО и СН обеспечивается при сравнительно невысоких температурах, значительно меньших, чем в термическом нейтрализаторе. Оксид углерода окисляется в CO₂ при 250...300°С, углеводороды, бензопирен, альдегиды -- при 400...450°С; при этом у выпускных газов почти исчезает неприятный запах. При температуре 580° С сгорает сажа. Катализаторы на базе обычных металлов уступают катализаторам из благородных металлов по активации процессов окисления при невысоких температурах, поэтому в двигателях их не применяют.

Для увеличения поверхности контакта с газами катализатор наносится тонким слоем на поверхность носителя из кремнезема или глинозема в виде шариков (рис. 105, а) или на поверхность монолитного носителя с ячейками (рис. 105,б). Носитель с катализатором помещают в корпус, который может быть объединен с глушителем шума выпуска. Выпускные трубопроводы и корпус каталитического нейтрализатора обмазывают теплоизоляцией, чтобы, как и в термических нейтрализаторах, уменьшить теплоотдачу от выпускных газов. В нейтрализаторах для легковых автомобилей применяют платину и палладий. В случае использования этилированного бензина активность катализатора быстро падает ввиду отложений свинца.

В каталитическом и термическом дожигателях для окисления СН и СО требуется несвязанный кислород в выпускных газах, поэтому в системы нейтрализации двигателей с принудительным воспламенением, которые могут работать на богатых смесях, входит устройство для подвода дополнительного воздуха к выпускным газам. Количество дополнительного воздуха составляет приблизительно 25 % расхода воздуха двигателем.

При наличии кислорода в выпускных газах и при их достаточно высокой температуре окисление СН и СО происходит и в выпускном трубопроводе. Поэтому дополнительный воздух целесообразно подводить в выпускной канал в головке цилиндра. Подвод дополнительного воздуха и тепловая изоляция выпускных трубопроводов позволяют заметно уменьшить выбросы СН и СО и тогда, когда нейтрализатор не применяют.

В случае установки термического или окислительного каталитического нейтрализатора выбросы СН и СО удается снизить до установленных норм.

Концентрация оксидов азота не меняется или изменяется очень незначительно. Для уменьшения концентрации оксидов азота в системах с окислительными нейтрализаторами осуществляют рециркуляцию выпускных газов. С этой целью выпускные газы (до 10 % объема свежего заряда) отбирают из выпускного трубопровода, охлаждают и направляют во впускную систему.

В настоящее время двигатели с принудительным воспламенением на легковых автомобилях оборудуют чаще всего системами нейтрализации, которые включают каталитический окислительный нейтрализатор, систему подачи дополнительного воздуха и систему рециркуляции выпускных газов.

Степень нейтрализации CH достигает в окислительном нейтрализаторе с платино-палладиевым катализатором 85 %, а СО -- 93 %. Степень нейтрализации оценивают отношением разности концентраций токсичных компонентов на входе в нейтрализатор и на выходе из него к их концентрации на входе.

Каталитические нейтрализаторы с восстановительной средой используют иногда в системах для уменьшения выбросов оксидов азота. Восстановление NO с образованием N₂ возможно при достаточно высоком содержании СО в выпускных газах.

При < 1 в выпускных газах содержится водород, поэтому возможна реакция с образованием аммиака.

Каталитический нейтрализатор с восстановительной средой целесообразно применять в комбинации с окислительным каталитическим нейтрализатором для окисления СН и СО.

Дополнительный воздух подводится в этом случае в окислительный нейтрализатор, который устанавливают после восстановительного (рис. 105, б).

В каталитическом нейтрализаторе с катализатором из благородных металлов можно снизить до установленных норм выбросы всех трех токсичных газовых составляющих (СН, СО и NO_x), но лишь при условии, что состав горючей смеси отличается от стехиометрического (при коэффициенте избытка воздуха =1) не более чем на 1 %. Такие нейтрализаторы называют трехкомпонентными.

Наилучшие результаты получены с платинородиевыми катализаторами.

Современные карбюраторы и системы впрыскивания бензина с топливными насосами не обеспечивают такого узкого диапазона состава смеси на всех рабочих режимах, поэтому требуется специальная система регулирования подачи топлива. Возможны также комбинации термического нейтрализатора с каталитическим в двух вариантах:

1) первым устанавливается каталитический нейтрализатор для нейтрализации NO_x, а вторым -- термический для дожигания СН и СО;

2) первым устанавливается термический, а вторым -- окислительный каталитический для дожигания СН и СО (рис. 106). Дополнительный воздух для окисления СН и СО подводится во второй нейтрализатор.

2. Расчёт основных показателей двигателя