Каталитическая нейтрализация. Каталитическое действие нейтрализаторов основано на беспламенном поверхностном окислении токсичных веществ в присутствии катализатора, ускоряющего химическую реакцию. Процесс окисления происходит во время прохождения отработавших газов через слой носителя с нанесенным на него катализатором, причем скорость реакции сгорания зависит oт температуры носителя. Применение каталитических нейтрализаторов позволяет дожигать продукты неполного сгорания СН и СО и разлагать оксиды азота.
В качестве активных компонентов каталитических нейтрализаторов для СИ и СО применяют благородные металлы (до 1…2 г палладия, платины) а также оксиды переходных металлов (меди, кобальта, никеля, ванадия, хромата железа, марганца). Для нейтрализации могут применяться, кроме выше названных элементов, катализаторы на основе меди с добавкой ванадиевого ангидрида и оксида хрома, на основе оксида железа или алюминия, на основе металлических сплавов (нержавеющая сталь, бронза, латунь, легированные стали с хромоникелем).
Общая схема системы очистки отработавших газов бензинового двигателя показана на рис. 8.11.
Каталитический нейтрализатор с лямбда-зондом 1 (рис. 8.12) представляет собой металлический корпус 6 из жаропрочной нержавеющей стали толщиной около 1,5 мм, внутри которого находится керамический носитель 5. Наибольшее распространение получили гранулированные и блочные (монолитные) носители, которые пронизаны многочисленными мелкими сотами, создающими максимальную поверхность контакта с отработавшими газами. Чтобы обеспечить необходимый массоперенос между отработавшими газами и каталитической поверхностью, площадь последней увеличивают путем нанесения на нее гамма-оксида алюминия с пористой структурой, в виде сферических гранул, которые укладываются в металлический цилиндр, закрытый по торцам сетками 2. Гранулы из оксида алюминия покрываются непосредственно каталитическим материалом. Поверх гранул алюминия нанесен тонкий слой катализаторов 4 – платины и родия. Задача этих редких металлов – ускорять окисление углеводородов и окиси углерода до углекислого газа, а токсичные оксиды азота восстанавливать до азота. Между блоком-носителем и корпусом ставится специальная терморасширяющаяся прокладка 3.
Альтернативой керамическому монолитному блоку является металлический каталитический нейтрализатор. Он изготавливается из гофрированной металлической фольги толщиной 0,05 мм, намотка и пайка которой твердым припоем осуществляется при высокой температуре. Поверхность фольги покрывается эффективно действующим катализатором. Благодаря тонким стенкам фольги в тех же габаритах, что и у керамического нейтрализатора, может быть размещено большее число каналов. Это приводит к меньшему сопротивлению прохождения отработавших газов.
Нейтрализатор вступает в работу после разогрева до 300°С. Оптимальный рабочий диапазон температур от 400 до 800°С. Чем ближе нейтрализатор к двигателю, тем быстрее разогревается до рабочей температуры. Поэтому на смену нейтрализаторам под днищем кузова пришли нейтрализаторы, совмещенные с приемной трубой.
В целях уменьшения вибрационных нагрузок со стороны двигателя нейтрализатор присоединяется к выпускному трубопроводу или к приемной трубе через шарнирное соединение или через компенсатор колебаний.
Для работы системы с каталитическим окислительным нейтрализатором при использовании в двигателе обогащенных смесей необходимо к отработавшим газам добавлять воздух. Для этого используются специальные воздушные насосы ими специальные клапанные устройства (виброклапаны или пульсаторы), функционирующие под действием волн разрежения, возникающих в системе выпуска.
Наилучшую очистку отработавших газов дают двухсекционные каталитические нейтрализаторы, позволяющие после прохождения первой секции уменьшать содержание NOx, а после ввода во вторую секцию дополнительного воздуха – содержание СО и СН.
В последнее время наибольшее распространение нашли трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы, оборудованные системой обратной связи, позволяющие одновременно при восстановлении NOx окислять СО и СН.
Дополнительно можно посмотреть фильм 8.2.
Сажевые фильтры. Снижение выброса сажевых частиц является сегодня одной из сложнейших задач в области очистки отработавших газов дизелей. Помимо мероприятий, направленных на снижение выбросов СО, СН и NOх и образования сажи при сгорании топлива непосредственно в двигателе, особое внимание уделяется фильтрации газов на выпуске из него. Одним из эффективных способов очистки газов от сажевых частиц является их задержание посредством специальных фильтров: фильтры с «металлической шерстью», фильтры с керамическими фильтрующими элементами, спиральные фильтры с керамическим наполнителем и другие.
Общая схема системы выпуска отработавших газов дизельного двигателя с сажевым фильтром показана на рис. 8.13.
Катализатор окисления 8 преобразует большую часть углеводородов CH и CO в водяной пар и диоксид углерода (углекислый газ).
В качестве сажевых фильтров 11 наибольшее распространение нашли керамические фильтры. Сажевый фильтр состоит из сотообразных керамических модулей 1 из карбида кремния в металлическом корпусе 2 (рис. 8.14, а). Керамический модуль разделен на множество мелких каналов, закрытых попеременно с одной или другой стороны, которые создают лабиринт. Тем самым образуются впускные 6 и выпускные каналы 4, разделенные стенками фильтра 5 (рис., 8.14, б).
Стенки фильтра из карбида кремния имеют поры и покрыты слоем из оксида алюминия и окиси церия. На этот слой напылен драгоценный металл платина, который и служит катализатором. Покрытие из окиси церия в сажевом фильтре снижает температуру воспламенения сажи и ускоряет термическую реакцию с кислородом.
По сравнению с каталитическим нейтрализатором со свободным проходом отработавших газов, в сажевом фильтре каналы установлены с чередованием открытых и закрытых концов. Так как каналы фильтра закрыты попеременно со стороны впуска и выпуска, содержащие частицы сажи газы вынуждены проходить через пористые стенки из карбида кремния. При этом частицы сажи задерживаются во впускных каналах, а газ свободно проходит через поры стенок каналов. В зависимости от пористости керамического тела эти фильтры могут задерживать от 70 до 90% твердых частиц.
Для нормальной работы при длительных условиях эксплуатации сажевые фильтры должны подвергаться регенерации через определенные промежутки времени, при этом осуществляется дожигание сажевых частиц. Частицы сажи, участвую в реакции с двуокисью азота, превращаются в углекислый газ.
Процесс регенерации сажевого фильтра с каталитическим покрытием разделяют на пассивную и активную регенерацию. Пассивная регенерация осуществляется при высоких температурах рабочего процесса двигателя порядка 350 … 500 °C. Для осуществления пассивной регенерации в топливо добавляются специальные присадки, уменьшающие температуру воспламеняемости сажевых частиц отработавших газов.
При небольших нагрузках на двигатель температура отработавших газов слишком низка для пассивной регенерации. Сгорание сажевых частиц становится невозможным, поэтому происходит их скопление в фильтре. В таком случае применяется активная регенерация. Активная регенерация осуществляется с помощью нагревательного элемента, или системой управления двигателя, повышающих температуру отработавших газов приблизительно до 600…700°С. В этом температурном диапазоне скопившаяся сажа окисляется в фильтре до углекислого газа. Процесс регенерации длится примерно 10 … 15 минут.
При регенерации с помощью системы управления двигателя в систему выпуска подается воздух, рециркуляция отработавших газов отключается, чтобы увеличить температуру сгорания и долю кислорода в камере сгорания. Дополнительно для увеличения температуры сгорания производятся дополнительные впрыски, причем основная фаза впрыска происходит с запаздыванием. Топливо, подаваемое в цилиндры двигателя, не сгорает, а испаряется в камере сгорания. Несгоревшее топливо горит в катализаторе окисления. Вырабатываемая при этом теплота обеспечивает повышение температуры отработавших газов перед сажевым фильтром до температуры сгорания сажевых частиц.
Для расчета дополнительно впрыскиваемого количества топлива блок управления двигателя использует сигналы датчиков температуры отработавших газов.
Необходимость регенерации определяется датчиком давления.
Дополнительно можно посмотреть фильм 8.3.
Селективное каталитическое восстановление. В процессе очистки ОГ по принципу SCR (Selective Catalytic Reduction, т. е. селективное каталитическое восстановление) в ОГ добавляется восстановитель, например, раствор мочевины с концентрацией 32,5% по массе.
В данной технологии очистки ОГ целенаправленно снижается только содержание оксидов азота. Содержащиеся в ОГ оксиды азота (NOx) в катализаторе восстановления превращаются в азот (N2) и воду (H2O). Для этого в поток отработавших газов перед катализатором непрерывно впрыскивается восстановитель (мочевина). Аммиак в чистом виде раздражает кожу и слизистые оболочки и, кроме того, имеет крайне неприятный запах, поэтому необходимый для восстановления оксидов азота аммиак применяется не в чистом виде, а в виде водного 32,5 % раствора мочевины, которому автомобильная промышленность дала наименование adblue. Данная концентрация мочевины имеет наиболее точку замерзания равную –11°C. Для снижения температуры замерзания в раствор добавляют большее количество мочевины.
Принцип действия системы нейтрализации SCR (рис. 8.15) заключается в следующем. При нагреве примерно до 200°C 22 достигает рабочей температуры. Блок управления двигателем 2 получает данные о температуре ОГ перед восстановительным катализатором от датчика температуры ОГ 28. При достижении рабочей температуры мочевина забирается включаемым в работу насосом мочевины 9 из бака мочевины 17 и под давлением 5 кгс/см2 прокачивается через обогреваемый трубопровод 27 мочевины к форсунке мочевины 26. Форсунка мочевины управляется блоком управления двигателем 2 и впрыскивает мочевину в дозируемом количестве в трубопровод системы выпуска ОГ. Впрыснутая мочевина подхватывается потоком ОГ и равномерно распределяется микшером 25 в отработавших газах.
Процесс восстановления соотношение оксидов NO и NO2 в отработавших газах начинается в окислительном катализаторе 30, покрытие которого адаптировано под систему нейтрализации SCR.
NO + NO2 → NO2,
На участке к восстановительному катализатору 23, так называемом гидролизном участке, мочевина распадается на аммиак (NH3) и углекислый газ (CO2). Гидролизный участок находится между форсункой мочевины и восстановительным катализатором. Там из восстановителя (водного раствора мочевины) образуется необходимый для восстановления оксидов азота аммиак (NH3). Это происходит в результате реакции термолиза и гидролиза впрыснутой мочевины. Когда мочевина впрыскивается в поток горячих ОГ, вначале испаряется вода. При термолизе (химическая реакция, при которой в результате нагревания исходное вещество распадается на несколько веществ) восстановитель (водный раствор мочевины CO(NH2)2) распадается на аммиак NH3 и изоциановую кислоту HNCO.
CO (NH2)2 → NH3 + HNCO
За этим следует реакция гидролиза (распад химического соединения в результате реакции с водой), при которой изоциановая кислота реагирует с содержащейся в ОГ водой. При этом возникает ещё одна молекула аммиака и углекислый газ.
HNCO + H2O → NH3 + CO2
В восстановительном катализаторе 23 происходит восстановление оксидов азота.
NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O
Это означает, что в процессе восстановления оксид азота (NOx) отдаёт молекулы кислорода или, другими словами, у оксида азота забираются молекулы кислорода, при этом оксиды азота (NO + NO2) вступают в реакцию с аммиаком (NH3) с образованием азота (N2) и воды (H2O).
После процесса восстановления в отработавших газах содержатся углекислый газ вода кислород азот.
Мочевина всасывается насосом мочевины из так называемого стакана подогревателя через всасывающую трубу и фильтр 18. Подогрев мочевины в стакане подогревателя нагревательным элементом 16 обеспечивает работу системы SCR и при низких температурах окружающей среды. Возвращающаяся от насоса мочевина по наружной стороне всасывающей трубы стекает обратно в стакан подогревателя. Через переливные щели мочевина попадает из бака в стакан подогревателя. При низких температурах, благодаря выплёскиванию мочевины из стакана подогревателя, замерзшая в баке мочевина оттаивает.
Насос 9 мочевины мембранный. Его привод осуществляется бесщёточным двигателем постоянного тока. Насос мочевины интегрирован в корпус модуля подачи мочевины и управляется блоком управления двигателем. Датчик давления системы дозирования 14 мочевины определяет фактическое давление подачи мочевины и передаёт сигнал напряжения блоку управления двигателем.
Клапан обратной перекачки 8 мочевины представляет собой четырёхходовой двухпозиционный клапан. При отключении дизельного двигателя клапан обратной перекачки мочевины переключает направление подачи мочевины. Вследствие этого мочевина из трубопровода подачи мочевины возвращается в бак мочевины. Эта профилактическая мера позволяет предупредить замерзание мочевины в трубопроводе подачи мочевины и форсунке мочевины при низких температурах.
Датчик уровня мочевины 15 определяет уровень наполнения бака и предупреждения о необходимости дозаправки мочевины.
Нагревательные элементы 16 и 7 соответственно бака мочевины и насоса мочевины представляет собой нагревательные элементы с положительным температурным коэффициентом. Резисторы элементов в холодном состоянии обладают максимальной проводимостью. Нагревательный элемент 6 трубопровода мочевины представляет собой проволочное сопротивление из нержавеющей стали. Проволочное сопротивление навито на трубопровод подачи мочевины по спирали и защищено снаружи с помощью трубы из пластика. Подогрев трубопровода 27 подачи мочевины управляется блоком управления двигателем через блок управления системы подогрева мочевины. При низкой наружной температуре, если температура окружающей среды ниже –5°C, блок управления системы подогрева мочевины включает ток нагрева для спирали 5 нагревательного элемента трубопровода мочевины.
Датчик температуры мочевины 19 представляет собой датчик с отрицательным температурным коэффициентом. Блок управления двигателем использует сигнал этого датчика для включения подогрева бака и насоса мочевины.
Форсунка (рис. 8.16, а) дозирует подачу мочевины в поток отработавших газов. Управление форсункой осуществляет блок управления двигателем с помощью сигнала с широтно-импульсной модуляцией.
Мочевина в форсунке находится под давлением, создаваемым насосом мочевины. В положении покоя игла форсунки 6 перекрывает выходное отверстие за счёт усилия пружины форсунки 7. Для впрыска мочевины блок управления двигателя посылает управляющий сигнал на катушку электромагнита 3. При этом возникает магнитное поле, которое вытягивает якорь форсунки и иглу форсунки, производя впрыск мочевины в поток отработавших газов. Если управляющий сигнал на электромагнитную катушку не подается магнитное поле исчезает, и игла форсунки перекрывает отверстия распылителя 5 под действием пружины форсунки.
Для более качественного распыления мочевины в системах очистки ОГ дизельных двигателей по принципу SCR может применяться микшер (рис. 17.11, б). Положение пластинчатого микшера выбрано так, что конус распыла впрыснутой мочевины по возможности полностью попадает на отражающую поверхность.
При соударении с отражающей поверхностью пластин микшера распылённые капли мочевины дробятся, а геометрическая форма микшера придаёт потоку ОГ вращательное движение. Впрыснутая мочевина в результате этого быстрее испаряется и переходит в газообразное состояние. Кроме того, исключается попадание крупных капель распылённой мочевины на восстановительный катализатор.
Для распыления мочевины может применяться смеситель, который устанавливается между окислительным и восстановительным нейтрализаторами (рис. 8.17). В такой системе мочевина впрыскивается в выпускной тракт через два отверстия в распылителе форсунки. При попадании на пластины смесителя отдельные капли взвешенной в газах мочевины измельчаются. Это способствует быстрому испарению мочевины, то есть полному переходу ее в газообразное состояние. Плюс к этому, форма смесителя вызывает завихрения в проходящем через него потоке ОГ, дополнительно способствуя равномерному распределению мочевины.
Нейтрализаторы, работающие по принципу SCR, применяются как на легковых, так и грузовых автомобилях. Благодаря высокой степени снижения NOx (до 90% в европейском ездовом тестовом цикле для грузовых автомобилей) возможна регулировка двигателя, оптимальная по расходу топлива. Таким образом, с этой системой можно сэкономить до 10% топлива.
Мочевина хранится в отдельном баке (рис. 8.18). Бак восстановителя выполняется из пластмассы и располагается обычно под днищем автомобиля.
На случай, если при заправке с высокой скоростью мочевина начнёт подниматься по вентиляционному трубопроводу, в этом трубопроводе предусмотрена компенсационная полость для восприятия и успокоения мочевины.
Бак мочевины можно заправлять с помощью пистолетов европейской сети заправочных станций AdBlue для грузовых автомобилей.
В концевой трубке заправочного пистолета AdBlue для грузовых автомобилей находится магнитный выключатель (рис., б), который выполняет функцию предохранительного клапана, предотвращая неправильную заправку. Он открывается только при приложении снаружи определённого магнитного поля. Чтобы сделать возможной заправку восстановителя из колонок AdBlue для грузовых автомобилей, в заливной горловине бака восстановителя установлено соответствующее магнитное кольцо. При вставлении заправочного пистолета это магнитное кольцо открывает магнитный выключатель.
Расход мочевины для грузовых автомобилей составляет 15…17 литра на 100 км или 6% от потребляемого топлива.
На автомобилях, оборудованных нейтрализаторами, следует соблюдать определенные меры безопасности их эксплуатации. Для обеспечения эффективной работы нейтрализатора необходимо использовать только качественное неэтилированное топливо, так как содержащийся в бензине тетраэтилсвинец необратимо обволакивает поверхность, покрытую слоем редкоземельных элементов.
Во время и после работы двигателя корпус нейтрализатора имеет достаточно высокую температуру. В связи с этим, во избежание пожара, не следует парковать автомобиль над легко воспламеняющимися предметами, например, сухими листьями, травой, бумагой и т.д.
При эксплуатации автомобиля следует соблюдать условия, при которых в нейтрализатор не должно попасть значительное количество несгоревшего топлива, что приводит к его вспышкам и дальнейшему разрушению нейтрализатора. К общим рекомендациям можно отнести следующие:
— не следует длительное время пользоваться стартером;
— в холодное время года, если двигатель не запустился с первой попытки, необходимо избегать повторных включений стартера через короткие промежутки времени;
— нельзя запускать двигатель путем буксировки;
— запрещается проверять работу цилиндров, отключая свечи зажигания.
Дополнительно можно посмотреть фильм 8.4.