Реферат: Системы нейтрализации отработавших газов в выпускной системе ДВС

CO+O₂ -> CO₂ ; NO+H₂ -> N₂ +H₂ O.

В результате токсичные со­единения CO, CH и NO_x окисля­ются или восстанавливаются до углекислого газа СО₂ , азота N₂ и воды Н₂ О (рис.3).

Широкое использование нейтрализаторов «взорвало» мировой рынок благородных металлов: 35% потребляемой платины, 45% палладия, 90% родия идет в автомобильные выпускные системы.

Разогрев каталитического нейтрализатора

На первый взгляд может показаться, что установка катализатора решает все экологические проблемы. Однако, температура, при кото­рой катализатор начинает действовать (температура активации), на­ходится в пределах 250–350°С. Время же, необходимое для разогрева, может достигать нескольких минут и зависит от типа автомобиля, способа его эксплуатации и температуры воздуха. Холодный катализа­тор практически неэффективен – следовательно, необходимо уменьшить время достижения температуры активации.

К 1995 году фирма ”Эмитек” разработала технологию подогрева катализатора мощным элек­трическим сопротивлением. Основанная на этом принципе модель катализатора ”6С” (или ”Эми­кэт”) была установлена на ”БМВ-Альпина В12”. Подогреватель на металлической опоре крепится внутри катализатора (рис.4); его мощность – от 0,5 до 2, иногда 4 кВт, в зависимости от вели­чины сопротивления (от 0,05 до 0,35 Ом). Для примера, элемент в 1,5 кВт разогревает катали­затор до 400°С за 10 секунд.

Компания ЭCИA пошла другим путем и предложила пусковой катализатор. Он размещается в специальном ответвлении выпу­скной системы, имеет меньшие, чем основной, размеры и, стало быть, прогревается быстрее, после чего приводит в рабочее состояние ”стар­шего брата”.

Чтобы снизить вредные выбросы при пуске хо­лодного двигателя, иногда применяют также встроенный в катализатор адсорбер углеводоро­дов. Как только рабочая температура достигнута, последние ”освобождаются” и окисляются самим катализатором. Среди подобных устройств можно назвать нейтрализатор ”Эдкэт” фирмы ”Делфай” или ”Пума” фирмы ”Корнинг”.

Обратная связь

Трехкомпонентный нейтрализатор наиболее эф­фективен при определенном составе отработавших газов (рис.5). 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 — NO_X .

Поддерживать стехиометрический состав горючей смеси можно было только одним способом — управлять смесеобразованием, немедленно полу­чая информацию о процессе сгорания, то есть, организовав обратную связь (рис.6). Решение стало эпохальным.

В выпускной коллектор поместили специально разрабо­танный кислородный датчик — так назы­ваемый лямбда-зонд (на Западе принято обозначать греческой буквой λ так называемый коэффициент избытка воздуха, то есть отношение стехиометрического состава смеси к текущему). Он вступает с раска­ленными выхлопными газами в электрохимическую реакцию и выдает сигнал, уровень кото­рого зависит от количества кислорода в вы­хлопе.

Если кислорода осталось много — значит, смесь слишком бедная, если мало — богатая. А по результатам мгновенного анализа, которым занимается электроника, можно быстро корректировать состав смеси в ту или иную сторону. Напряжение на выходе кислородного датчика при­нимает два уровня. Если смесь бедная, то низковольтный сигнал дает команду на обогащение топливной смеси, и наоборот.

На рис.7 изображен современный трехкомпонентный каталитический нейтрализатор. Второй кислородный датчик нужен для новейших систем бортовой диагностики OBD-II и от­слеживает эффективность нейтрали­зации.

Впервые трехкомпонентные ней­трализаторы с обратной связью и кислородным датчиком появились на двигателях автомобилей Volvo в 1977 году. А сейчас ими оснащены все без исключения автомобили, ко­торые продаются на рынках цивилизованных стран.

Кислородные датчики

Датчик кислорода (рис.8) - он же лямбда-зонд - устанавливается в выхлопном коллекторе таким образом, чтобы выхлопные газы обтекали рабочую поверхность датчика. Он представляет собой гальванический источник тока, изменяю­щий напряжение в зависимости от температуры и наличия кислорода выхлопной трубе. Материал его, как правило, керамический элемент на ос­нове двуокиси циркония, покрытый платиной. Конструкция его предполагает, что одна часть соединяется с наружным воздухом, а другая - с выхлопными газами внутри трубы. В зависимости от концентрации ки­слорода в выхлопных газах, на выходе датчика появляется сигнал (рис.9). Уровень этого сигнала может быть низким (0,1...0,2В) или высоким (0,8...0,9В). Существуют также датчики сигнал на выходе, у которых изменяется от 0,1 до 4,9 В.

Таким образом, датчик кислорода - это своеобразный переключатель, сообщающий кон­троллеру впрыска о концентрации кислорода в отработавших газах. Контроллер принимает сигнал с лямбда-зонда, сравнивает его со зна­чением, прошитым в его памяти и, если сигнал отличается от оптимального для теку­щего режима, корректирует длительность впры­ска топлива в ту или иную сторону. Таким об­разом, осуществляется обратная связь с кон­троллером впрыска и точная подстройка режи­мов работы двигателя под текущую ситуацию с достижением максимальной экономии топлива и минимизацией вредных выбросов.

Бензиновому двигателю для работы требуется смесь с определен­ным соотношением воздух-топливо. Соотношение, при котором топливо максимально полно и эффективно сгорает, называется стехиометриче­ским и составляет 14,7:1. Это означает, что на одну часть топлива следует взять 14,7 частей воздуха. На практике же соотношение воз­дух-топливо меняется в зависимости от режимов работы двигателя и смесеобразования. Двигатель становится неэкономичным.

Коэффициент избыточности воздуха при работе двигателя посто­янно меняется и диапазон 0,9 - 1,1 является рабочим диапазоном лямбда-регулирования. В то же время, когда двигатель прогрет до рабочей температуры и не развивает большой мощности (например, ра­ботает на холостом ходу), необходимо по возможности более строгое соблюдение равенства для того, чтобы трехкомпонентный катализа­тор смог полностью выполнить свое предназначение и сокра­тить объем вредных выбросов до минимума.

Лямбда-зонды бывают одно-, двух-, трех- и четырехпроводные. Однопроводные и двухпроводные датчики применялись в самых первых системах впрыска с обратной связью (лямбда-регулированием). Одно­проводный датчик имеет только один провод, который является сиг­нальным. Земля этого датчика выведена на корпус и приходит на массу двигателя через резьбовое соединение. Двухпроводный датчик отличается от однопроводного наличием отдельного земляного провода сигнальной цепи. Недостатки таких зондов: рабочий диапазон темпе­ратуры датчика начинается от 300 ºС. До достижения этой темпера­туры датчик не работает и не выдает сигнала. Стало быть, необхо­димо устанавливать этот датчик как можно ближе к цилиндрам двига­теля, чтобы он подогревался и обтекался наиболее горячим потоком выхлопных газов. Процесс нагрева датчика затягивается, и это вно­сит задержку в момент включения обратной связи в работу контрол­лера. Кроме того, использование самой трубы в качестве проводника сигнала (земля) требует нанесения на резьбу специальной токопрово­дящей смазки при установке датчика в выхлопной трубопровод и уве­личивает вероятность сбоя (отсутствия контакта) в цепи обратной связи.

Указанных недостатков лишены трех- и четырехпроводные лямбда зонды. В трехпроводный кислородный датчик добавлен специальный на­гревательный элемент, который включен, как правило, всегда при ра­боте двигателя и, тем самым, сокращает время выхода датчика на ра­бочую температуру. А так же позволяет устанавливать лямбда-зонд на удалении от выхлопного коллектора, рядом с катализатором. Однако остается один недостаток - токопроводящий выхлопной коллектор и необходимость в токопроводящей смазке. Этого недостатка лишен че­тырехпроводный лямбда-зонд - у него все провода служат для своих целей - два на подогрев, а два - сигнальные. При этом вкручивать его можно так как заблагорассудится.

Ресурс датчика содержания кислорода обычно составляет 50 - 100 тыс. км и в значительной степени зависит от условий эксплуата­ции, качества топлива и состояния двигателя. Повышенный расход масла, переобогащенная смесь и неправильно отрегулированный угол опережения зажигания сильно сокращают жизнь лямбда-зонду. Дольше служат, как правило, датчики с подогревом. Рабочая темпера­тура для них обычно 315-320°C. В конструкцию этих датчиков включен нагревающий элемент, имеющий на разъеме свои кон­такты. Проверку работоспособности нагревательного элемента та­ких датчиков можно производить обычным омметром. Сопротивле­ние их обычно составляет от 3 до 15 Ом.

Правильно работающий лямбда-зонд может многое сказать о том, в каком состоянии находится двигатель и его системы. На некоторых автомобилях с помощью датчика можно достаточно точно отрегулиро­вать содержание СО в выхлопных газах. Неисправный лямбда-зонд не­минуемо вызовет повышенный расход топлива и снижение мощностных характеристик двигателя. Следует отметить, что далеко не все неис­правности лямбда-зонда фиксируются блоком управления, а если фик­сируются, то блок управления переходит в режим управления впры­ском по усредненным параметрам, что тоже приводит к перечисленным выше результатам. Поэтому рекомендуется при малейших подозрениях провести диагностику, а при выявлении неисправности заменить лям­бда-зонд.

Условия нормальной работы каталитических нейтрализаторов

В наши дни каталитические нейтрализаторы распространяются по странам и континентам. Докатились они и до российской глубинки. А здесь их часто встречают... свинцом и ломом. Причина в том, что для нормальной работы катализатора необходимо соблюдать пустяковые по европейским понятиям условия. Посмотрим, какие же это "пус­тячки".

Во-первых, как известно, даже случайная заправка бака этилиро­ванным бензином выводит катализатор из строя. Он окончательно "от­равляется" свинцом - остается только выбросить прибор.

Во-вторых, катализатор эффективно работает только при строгом соблюдении состава топливной смеси - 14,7 весовых частей воздуха на одну часть бензина. Любой карбюратор, даже с электронной систе­мой управления, такой точностью и быстродействием для поддержания требуемого состава смеси не обладает.

Таким образом, катализатор эффективен лишь в сочетании с сис­темой впрыска топлива с электронным управлением. На автомобиле появился микропроцессор, который, анализируя данные о температуре, расходе воздуха через коллектор, оборотах и т.п., а главное - сиг­налы, поступающие от каталитического нейтрализатора, регулирует работу электромагнитных форсунок впрыска топлива. Однако в случае выхода из строя свечи зажигания, перебоев в подаче топлива и т.д. мгновенно нарушается тонкое равновесие состава рабочей смеси - ка­тализатор теряет свою эффективность, причем в некоторых случаях навсегда. Поэтому микропроцессор контролирует работу систем и аг­регатов автомобиля, а о неисправностях сообщает водителю.