Реферат: Системы нейтрализации отработавших газов в выпускной системе ДВС

Но и мотор не остается в долгу. Явный вред катализатору прино­сит так называемое перекрытие клапанов - момент, когда одновре­менно открыты впускной и выпускной клапаны. В цилиндре возникает, так сказать, сквозняк: рабочая смесь вылетает в выхлопную трубу через открытый выпускной клапан и отравляет чувствительный катали­затор. Однако перекрытие клапанов способствует лучшему наполнению цилиндров и повышению мощности мотора, поэтому пока ни один совре­менный двигатель без этого не обходится. Здесь приведены лишь не­которые примеры, показывающие, что в автомобиле все не просто.

3. Нейтрализация отработавших газов в выпускной системе дизель­ных двигателей

В дизельном двигателе (рис.10) топливо впрыскивается в цилиндр, уже наполненный рас­каленным сжатым воздухом и на образование "правильной" горючей смеси просто не остается времени. Даже при тончайшем распылении (для чего и повышают давление) не все микрочастицы топлива успевают обзавестись нужным количест­вом молекул кислорода - вот вам и сажа. Сни­жение температуры в цилиндре по бензиновому рецепту только ухудшает картину. Вообще, ос­новное противоречие дизеля, которое еще никто до конца не разрешил, - между снижением вы­бросов сажи и окислов азота: улучшая один параметр, неизбежно пор­тим второй.

Комплексная очистка отработавших газов дизеля

Современные комплексные системы очистки отработавших газов для дизелей состоят из каталитических и жидкостных нейтрализаторов, а также сажевых фильтров.

Сажевые фильтры

Фирмы, пропагандирующие экономичные легковые дизели, ради эко­логии пускаются во все тяжкие. Например, предлагают устанавливать дополнительные бачки с дорогими реактивами, снижающими темпера­турный порог разложения нако­пившейся в специальном нейтра­лизаторе сажи ("Пежо-607"). Вы­жечь, то есть окислить, нако­пившиеся в порах фильтра час­тицы можно лишь при достаточно высокой температуре, которой выхлопные газы правильно на­строенного дизеля не достигают. Даже если приказать управляю­щему двигателем контроллеру пе­риодически увеличивать подачу топлива, все равно градусов не хватает. Решение видели в до­бавке к солярке мочевины (прямо на АЗС) либо незначительного количества специального реа­гента, хранящегося в отдельном бачке (5 литров хватает на 80 000 км пробега). Это снижало температуру начала реакции гра­дусов на 100 и позволяло, обо­гатив смесь, очищать фильтр. Реализовать эти решения весьма сложно. Неудивительно, что бачки с реагентом прижились в основном на дорогих автомоби­лях, например, «Пежо-607».

В фильтрах нового поколения общий принцип остался прежним: за­держать и уничтожить. Но как добиться нужной для сгорания частиц сажи температуры? Во-первых, фильтр разместили сразу за выпускным коллектором. Во-вторых, через каждые 300-500 км пробега контроллер включает режим многофазного впрыска, увеличивая количество посту­пающего в цилиндр топлива. И, наконец, главное: поверхность фильт­рующего элемента покрыта тонким слоем нового катализатора, который дополнительно повышает температуру выхлопных газов до необходимых 560-600°С. Отдаленно это напоминает работу каталитической бензино­вой грелки для рыболовов.

Фильтрующий элемент состоит, как правило, из керамической (кар­бид кремния) микропористой губки. Толщина стенок между ее каналами не превышает 0,4 мм, так что фильтрующая поверхность очень большая. Иногда эту «губку» делают из сверхтонкого стального волокна, также покрытого но­вым катализатором. Набивка настолько плотная, что задер­живает до 80% частиц размером 20-100 нм.

Новые фильтры стали ак­тивно участвовать в управле­нии работой двигателя. Ведь режим обогащения включается по сигналу от датчиков давле­ния, установленных на входе и выходе фильтра. Когда раз­ность показаний становится значительной, компьютер вос­принимает это как признак за­купоренности «губки» сажей. А выжигание контролируют с по­мощью датчика температуры.

Активные фильтры уже поя­вились на дизельных моторах «мерседес-бенцев» С- и Е-классов (рис.12), в начале 2004 года приживутся в «Опеле-Вектра» (рис.11) и «Сигнум», «Рено-Вель Са-тис» (рис.13)... До 2006 года об экологии легковых дизелей производителям можно не беспокоиться. Но ведь 20% частиц пока попадают в воздух, а есть еще пылинки размером меньше 20 нм... Наверняка производители уже кол­дуют над новыми устройствами.

Система DRNR

"Тойота" разработала свою, не менее эффективную систему очи­стки, названную DPNR (рис.14). Она одно­временно обезвреживает и канцероген­ные частицы сажи, и про­сто вредные окислы азота (о СН и СО сегодня говорить уже стыдно – прой­денный этап). Главную роль играет новый микропористый керамический фильтр, покрытый слоем накапливаю­щего азот материала и катализатором на ос­нове платины. Во время работы дви­гателя на бед­ной смеси частицы сажи окисляются атомарным кисло­родом, освобождаю­щимся при соединении NO и О₂ из выхлопных газов в процессе накопле­ния NO₂ .

Периодически, когда компьютер кратковременно обогащает смесь, эти частицы окисляются кислородом, возникающим теперь уже при раз­ложении накопленных окислов в безвредный азот.

DPNR показала снижение содержания сажи и NO_x на 80% по срав­нению с действующими сегодня нормами, но применима лишь для дизелей последнего поколения, работающих с системой "коммон рейл" высокого давления на топливе с пониженным содержанием серы.

Плазменный нейтрализатор

Один из альтернативных методов нейтрализации отработавших газов – использование низкотемпературной плазмы. Исследования в Японии, США и в... России привели к созданию экспериментальных образцов оборудования, ос­нованного на плазменных технологиях.

Что такое низкотемпературная плазма? Она состоит из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов, получен­ных в специальных устройствах при различных видах импульсных высоковольтных электрических разрядов (коронный, барьерный и др.), а также из нейтральных атомов и молекул.

Принципиальная схема одного из вариантов разрядного устройства показана на рис.15. Оно включает узел подвода отработавшего газа и масла 1, кварцевую стеклянную или керамиче­скую трубку 2, используемую в качестве ди­электрического барьера, и два электрода – центральный 3 и внешний 4 – в виде металличе­ской сетки из нержавеющей стали. В разрядное устройство подается ток от источника, форми­рующего импульс напряжения длительностью 250–350 мкс. Барьерный разряд возникает при элек­трическом напряжении 0,5–35 кВ и частоте сле­дования импульсов 50–2000 Гц.

Как происходит процесс нейтрализации га­зов в системе и очистка их от сажи? Отрабо­тавшие газы дизеля направляются в плазмохими­ческий реактор, предварительно пройдя сушку во влагоотделителе. В плазмохимическом реак­торе к этим газам "подмешивают" масло. Под действием электриче­ского разряда в трубках раз