Нейтрализаторы для бензиновых двигателей
Окислительные каталитические нейтрализаторы дожигают в присутствии платины и избытке кислорода оксид углерода и углеводороды. Недостаток заключается в том, что в этих условиях невозможно нейтрализовать окислы азота.
Двухступенчатые нейтрализаторы применяют для преобразования всех трех токсичных компонентов. Они состоят из двух частей, установленных последовательно. Первая ступень восстанавливает окислы азота при дефиците кислорода, а вторая окисляет оксид углерода и углеводороды при принудительной подаче в нее воздуха. Двухсекционные нейтрализаторы имеют относительно сложную конструкцию. Использование смесей с избытком топлива, что необходимо для восстановления окислов азота, приводит к повышенному расходу топлива.
Трехкомпонентные нейтрализаторы способны одновременно поддерживать реакции окисления и восстановления токсичных компонентов, содержащихся в выхлопных газах. В качестве катализаторов для преобразования окислов азота в азот применяют платину и родий. Для снижения температуры дожигания оксида углерода и углеводородов, кроме платины, иногда используют рутений. Реакции нейтрализации в присутствии катализаторов начинаются при температуре 250°С. Преобразование наиболее эффективно в диапазоне температур от 400 до 800°С. Для обеспечения работы трехкомпонентного нейтрализатора необходим стехиометрический состав топливо-воздушной смеси. При этом на 1кг топлива должно подаваться 14,7—14,9кг воздуха, что обеспечивает наиболее полное сгорание. Система подачи топлива с электронным блоком управления обеспечивает стехиометрический состав горючей смеси на всех режимах работы двигателя. Управление осуществляется с использованием сигнала, генерируемого специальным датчиком кислорода (рис.5), установленным в системе выпуска.
Лямбда-Зонд (Датчик кислорода) выдает электрический импульс в зависимости от наличия или отсутствия кислорода в отработавших газах. Если кислород появился, смесь содержит избыток воздуха (обеднена), если кислород исчез, смесь содержит избыток топлива (обогащена). По сигналу датчика электронная система управления двигателем постоянно поддерживает смесь стехиометрического состава.
Рис. 4. Каталитический реактор для обезвреживания токсичных веществ в отработавших газах
Для обезвреживания токсичных веществ в отработавших газах применен редукционный катализатор 1, затем в выпускную систему подводится чистый воздух по патрубку 2 и в работу вступает окислительный катализатор 3.
Наилучшими катализаторами являются благородные металлы, например, платина, палладий и др.; хорошо себя проявили также окислы меди, сплавы никеля и меди и др.
Вероятнее всего в будущем будут использоваться комбинации различных способов нейтрализации отработавших газов. Испарения из картера двигателя и топливного бака будут пропускаться через камеру сгорания, где они под воздействием высоких температур в процессе сгорания будут полностью окисляться и разлагаться.
Поделитесь этой страницей в соц. сетях или добавьте в закладки: |
Другие материалы на сайте об автомобильных двигателях: | |
---|---|
Двухтактный двигатель — принцип действия и устройство, преимущества и недостатки |
Уход за двигателем автомобиля: главные моменты |
Ремонт и диагностика дизельного двигателя |
Причины перегрева двигателя автомобиля |
Типы и сферы применения автомобильных газоанализаторов
Современные комбинированные автомобильные газоанализаторы, кроме определения состава отработавших газов, способны диагностировать и предоставлять дополнительную информацию о технических параметрах двигателя (температура масла, число оборотов двигателя, начало работы ТНВД, момент зажигания, коэффициент избытка воздуха и др.). Газоанализаторы могут дополнительно оснащаться печатающим устройством, интерфейсом для передачи данных на компьютер или синхронизируемый принтер.
В зависимости от условий использования автомобильные газоанализаторы подразделяются на:
- стационарные — предназначены для работы в стационарных помещениях;
- транспортируемые — используются в передвижных лабораториях;
- переносные — для работы вне помещений;
- блочно-модульные — системы, перемещаемые на специальных тележках и не привязанные к определённому месту.
Переносной и транспортируемый газоанализатор автомобильный имеет возможность выполнять анализы и измерения на ходу. Автомобильные газоанализаторы используются на станциях техобслуживания, пунктах инструментального контроля при техосмотрах, в автопарках и автохозяйствах — везде, где необходим контроль и регулировка бензиновых и дизельных ДВС.
Каталитический преобразователь и лямбда-зонды
Для снижения количества вредных выбросов в атмосферу в систему выпуска ОГ встроен трехфункциональный каталитический преобразователи. Система управления впрыском топлива имеет обратную связь, в которую включены лямбда-зонды, постоянно информирующие блок управления о составе ОГ. В зависимости от полученных данных, блок управления корректирует качество смеси, подаваемой в камеры сгорания и, таким образом, оптимизирует условия сгорания топлива.
Рабочая поверхность лямбда-зондов чувствительна к изменению содержания кислорода в ОГ. В зависимости от его концентрации меняется выходное напряжение датчика. Если смесь переобогащена (содержание кислорода в ОГ очень низкое), лямбда-зонд подает сигналы с низким напряжением. Напряжение увеличивается по мере обеднения смеси и увеличения содержания кислорода в газах. Наиболее эффективно преобразователь работает при оптимальном составе горючей смеси (14.7 частей воздуха на 1 часть топлива).
Сбрасывание давления в системе питания Nissan Micra 3, Система питания и выхлопа Принцип функционирования системы управления двигателем Nissan Micra 3, Система питания и выхлопа
Устройство и принципы работы автомобильных газоанализаторов
Простой автомобильный однокомпонентный газоанализатор предназначен для измерения содержания в выхлопных газах только оксида углерода СО, главным образом использует способ дожигания не полностью сгоревших компонентов в выхлопных газах. Дожигание СО выполняется в измерительной камере прибора при помощи специальной нагретой нити, при этом изменение температуры нити и характеризует содержание СО в газах. Точность показаний такого газоанализатора невелика и зависит во многом от содержания ещё одного компонента — углеводорода СН.
Определение содержания вредных веществ в отработанных газах современными многокомпонентными газоанализаторами для автомобиля производится без использования химических реактивов, в основном тепловым (инфракрасным) способом измерения. Метод основан на принципе измерения величины поглощения теплового излучения различными составляющими выхлопных газов. В конструкцию газоанализаторы встроены инфракрасные излучатели и приёмники излучения. Между ними расположены измерительные элементы, в которые подаётся анализируемая смесь. По величине снижения интенсивности инфракрасных лучей, проходящих через газ и поступающих на приёмник, можно определить концентрацию какого-либо компонента в составе газовой смеси.
Помимо измерительных, в газоанализаторе имеются трубки с образцовой газовой смесью. Они служат для непрерывного сравнения степени поглощения теплового излучения в образцовой смеси и в анализируемом газе. Значение этой разницы преобразуется в цифровой или аналоговый вид и передаётся на показывающее или регистрирующее устройство. Перед началом измерений, во избежание появления дополнительных погрешностей газоанализатор необходимо прогреть. Отбор газа производится газозаборной трубкой (зондом). Для очистки поступающих на анализ отработанных газов от сажи, твёрдых частиц и капель воды в трубке предусмотрена установка сменных фильтров и влагоотделителей. Для принудительного прокачивания исследуемых газов по измерительным трубкам используется встроенный насос. Градуировка шкал автомобильных газоанализаторов для О2, СО и СО2 обычно выполняется в процентах, для СН — в миллионных долях (ч.н.млн, ppm), т.е. 1000 ч.н.млн = 0.1%. Таким образом, опытный мастер, используя газоанализатор автомобильных выхлопов, на основании полученной полной информации о процессе сгорания топлива в двигателе сможет сделать правильные выводы о возможных причинах его нарушения.
Дизельные модели
Типичная система вентиляции картера — модели F8Q 620
1 — Впускной трубопровод; 2 — Шланг к впускному трубопроводу; 3 — Маслоотделитель; 4 — Возвратная трубка к поддону
Чтобы уменьшить выбросы несожженных углеводородов из картера в атмосферу, двигатель герметичен и картерные газы и пары масла оттягиваются из внутренней части картера через маслоотделитель с проволочной сеткой во впускной канал, и далее сжигаются двигателем в течение нормального сгорания (обратитесь к иллюстрациям).
Шланги системы не должны быть засорены, так как минимальное разрежение во впускном трубопроводе останется постоянным на всех эксплуатационных режимах двигателя.
Отслеживание токсичности отработавших газов
Чтобы сократить количество загрязнителей, выбрасываемых в атмосферу, в выпускной системе установлен неуправляемый каталитический преобразователь. Каталитический преобразователь работает в выпускной системе автономно, и в нем нет Лямбда-датчика, как в бензиновых моделях.
Система рециркуляции отработавших газов — двигатель F8Q
1 — Впускной трубопровод; 2 — Выпускной коллектор; 3 — Клапан рециркуляции отработавших газов; 4 — Воздушный фильтр; 5 — Электромагнитный канал рециркуляции отработавших газов; 6 — Микровыключатель топливного насоса; 7 — Вакуумный насос; 8 — Рычаг нагрузки на топливном насосе; 9 — Вакуумный усилитель тормоза
Система рециркуляции отработавших газов (EGR)
1 — Клапан EGR; 2 — Термоклапан; 3 — Вакуумный активатор оборотов быстрого холостого хода; 4 — Вакуум между вакуумным насосом и усилителем тормозов; 5 — Э/м клапан оборотов быстро-го холостого хода; 6 — Э/м клапан EGR
Эта система возвращает небольшое количество отработавших газов во впускной воздуховод, и далее он вовлекается в процесс сгорания (обратитесь к сопроводительной иллюстрации), в результате уменьшается уровень окисей азота в отработавшем газе, который выбрасывается в атмосферу.
Объем циркулирующих отработавших газов управляется вакуумом, полученным от вакуумного насоса усилителя тормоза, через электромагнитный блок, управляемый системой преднакала. Клапан с вакуумным управлением установлен на выпускном коллекторе.
На двигателе F8Q 620, электромагнитный клапан управляется микро-выключателем (который также используется для отключения функции преднакала), установленным на топливном насосе (обратитесь к Главе Электрооборудование двигателя). Питание на обмотку клапана подается через термовыключатель, вмонтированный в датчик температуры охлаждающей жидкости.
На двигателях F8Q с турбокомпрессором, электромагнитный клапан управляется электронным модулем управления, который также регулирует момент впрыска и обороты быстрого холостого хода. На двигателе F9Q электромагнитный клапан управляется системой управления двигателем.
Термоклапан в вакуумном подающем шланге, или сигнал управления от ECU, прекращает подачу вакуума до тех пор, пока двигатель не прогреется до нормальной рабочей температуры.
На двигателях F8Q с турбокомпрессором, действие электромагнитного клапана зависит от следующих параметров: температура воздуха, температура охлаждающей жидкости, высота, положение акселератора, ускорение автомобиля и обороты двигателя. Подача питания на клапан прекращается в следующих случаях: температура воздуха — ниже 10°С, температура охлаждающей жидкости — ниже 40°С, обороты двигателя — более чем 3000 об/мин. Подача питания на электромагнитный клапан прекращается через 35 секунд работы двигателя в режиме холостого хода (при нулевой скорости автомобиля). Как только скорость превысит 40 км/час, система рециркуляции отработавших газов начинает работать снова.
На двигателях F9Q, система управляется непосредственно системой управления двигателем.
Похожие патенты RU2643277C1
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ РАБОТЕ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 2007 |
|
RU2457893C2 |
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ГАЗООБРАЗНОЙ СМЕСИ | 2007 |
|
RU2471079C2 |
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ГАЗООБРАЗНОЙ СМЕСИ | 2007 |
|
RU2453351C2 |
АГРЕГАТ ДОЗИРОВОЧНОГО НАСОСА | 2005 |
|
RU2374461C2 |
СПОСОБ ПОДАЧИ ВОССТАНОВИТЕЛЯ В СИСТЕМУ ВЫПУСКА ОТРАБОТАВЫШИХ ГАЗОВ И СООТВЕТСТВУЮЩАЯ СИСТЕМА ВЫПУСКА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ | 2010 |
|
RU2531836C2 |
СПОСОБ ИЗБИРАТЕЛЬНОГО ОБОГРЕВА ПОДВОДЯЩЕГО ТРУБОПРОВОДА ДЛЯ ПОДАЧИ ВОССТАНОВИТЕЛЯ | 2009 |
|
RU2516045C2 |
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ СОДЕРЖАЩИХ ОКСИДЫ АЗОТА (NO) ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 1999 |
|
RU2219354C2 |
СИСТЕМА СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ | 2010 |
|
RU2567331C2 |
ДОЗИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДОЗИРОВАНИЯ ТОПЛИВА | 2009 |
|
RU2490483C2 |
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАПЕЛЬНОЙ ПОДАЧИ ЖИДКОГО ВОССТАНОВИТЕЛЯ В ВЫПУСКНОЙ ТРУБОПРОВОД | 2009 | RU2543087C2 |
Выхлопные газы — источник загрязнения окружающей среды
Продукты окисления и неполного сгорания углеводородного топлива называются выхлопными газами. В атмосферу больших городов поступает большое количество выбросов выхлопных газов, что приводит к превышению допустимых норм канцерогенов и токсичных веществ в воздухе. Эти загрязняющие вещества в массовом количестве выделяются в атмосферу автомобилями.
Состав концентрации кислорода в отработавших газах зависит от содержания воздуха в смеси и топлива, поступающего в двигатель, определяет этот показатель специальный датчик.
Вы не ошибётесь, если назовёте такой датчик кислородным датчиком или датчиком концентрации кислорода в отработавших газах, регулятор «лямбда» и лямбда-зонд — это названия одного и того же приспособления.
Кроме разных названий кислородный датчик бывает разным по типу:
- электрохимическим;
- резистивным.
Электрохимический датчик (название говорит само за себя) работает по принципу вырабатывания электрического тока. Именно этот вид датчиков на сегодняшний день имеет широкое применение. Принцип работы такого датчика следующий: диоксид циркония при разной концентрации кислорода создаёт разность электрического напряжения. В том случае, когда система подачи топлива работает правильно, показатель напряжения, которое вырабатывает датчик в секунду, может меняться неоднократно. Благодаря этому в любом режиме работы двигателя можно приготовить и поддержать нужный состав горючей смеси.
Работа менее распространённого резистивного вида датчика работает по принципу резистора, это значит — в зависимости от условий среды меняет своё направление блок управления впрыском или использует информацию, выдаваемую датчиком напряжения, для коррекции используемого топлива. Температура выхлопной газообразной смеси замеряется специальным датчиком, называемым датчиком перегрева выхлопных газов или датчиком перегрева катализатора.
Выпускной коллектор, соединённый с группой частей глушителя, — это выпускная система выхлопных газов.
Катализатор отработавших газов можно установить в резонатор и разрыв приёмной трубы. Для чего необходима такая система? Чтобы уменьшить шумы выхлопа и для очищения выбросов.
Кислородный датчик для определения количества кислорода
Рис. 3. Реактор Зенит для бескаталитического дожигания отработавших газов
Отработавшие газы с дополнительно поданным свежим воздухом поступают в хорошо изолированную камеру, где они задерживаются на некоторое время, более продолжительное, чем если бы они были просто выведены из системы выпуска.
Но более совершенную очистку отработавших газов удается получить только с помощью катализаторов. В этом случае газы сначала обрабатываются катализатором, который восстанавливает окислы азота, а перед поступлением отработавших газов в окислительный катализатор для дожигания СО и СmНn к нему добавляется чистый воздух, необходимый для окисления этих веществ. Такой каталитический реактор изображен на рис. 4.
Пути снижения токсичности автомобильных выхлопов
Основной задачей для снижения токсичности автомобильного выхлопа является обеспечение равномерного распределения топлива по всем цилиндрам. Это требует очень тщательной отработки и изготовления впускного трубопровода с отдельным выводом патрубков внутри головки к каждому цилиндру. В случае разветвления каналов вблизи клапанных отверстий наибольшее количество топлива получает тот цилиндр, впускной клапан которого раньше откроется, оставляя смесь, поступающую в другой цилиндр обедненной. Неравномерное распределение топлива особенно сильно проявляется при частичных нагрузках двигателя, поэтому целесообразно смесь подогревать, поскольку пары топлива распределяются по цилиндрам гораздо равномернее, чем пассивные капли топлива. В связи с этим заводская инструкция по эксплуатации карбюратора Зенит рекомендует устанавливать впускные коллекторы системы Дуплекс (рис. 1).
Экология и автомобиль
Давайте выясним, вследствие чего образовываются вредные примеси в выхлопных газах автомобиля.
Как уже всем известно, топливо при взаимодействии с кислородом сгорает в камере, в результате чего интенсивно выделяется тепло, которое превращается в работу. По теории 14,7 кг воздуха необходимо для сгорания 1 кг бензина, но на самом деле воздуха нужно больше. Связано это с воспламенением и сгоранием бензиново-воздушной смеси (горючей), которая не готова на достаточном уровне к сгоранию в тысячные доли секунд. От предыдущего цикла в смеси остаются вещества, которые оказывают препятствие соединению кислорода с топливом. На переходных режимах и при непрогретом двигателе не получается осуществить по объёму цилиндра идеальное перемешивание смеси. Такой процесс приводит к неполному окислению топлива, правильный процесс сгорания нарушается и топливо требуется добавлять. Смесь называется богатой, если содержит количество топлива, превышающее допустимую норму, если эта норма понижена, горючая смесь считается бедной.
При запуске холодного двигателя в цилиндры поступает большое количество топлива: в таком случае количество кислорода является недостаточным и топливо полностью не сгорает. Даже если мощность двигателя повышенная, он работает неэкономично, а токсичные продукты неполного сгорания выбрасываются в атмосферу.
Самые распространённые токсичные компоненты отработавших газов, загрязняющие экологию:
- CO — оксид углерода;
- NOx — оксид азота;
- CnHm — углеводород;
- свинец (при использовании этилированного бензина).
Видео о развитии технологий и уменьшении влияния выхлопных газов:
Несколько отличается состав выбросов бензиновых двигателей автомобиля и дизельных. Так как в дизельном двигателе сгорание горючего продукта происходит в большем объёме, несгоревшие углеводороды и окись углерода выбрасываются в атмосферу в меньшем количестве, а вот окись азота за счёт избытка воздуха превышает норму. Сажа — ещё один компонент, который вырабатывают дизельные двигатели. Сернистый ангидрид вырабатывается при сгорании низкокачественного дизельного топлива.
Рис. 2. Подача дополнительного воздуха к выпускному клапану для нейтрализации токсичности выхлопных газов
Воздух от компрессора поступает по патрубку, вставленному в выпускной коллектор, к выпускному клапану, охлаждая его и обеспечивая дожигание отработавших газов.
Воздух подается как можно ближе к тарели клапана, где температура отработавших газов еще достаточно высока для их догорания. При смешивании отработавших газов с воздухом углеводороды при достаточно высокой температуре взаимодействуют с кислородом, в результате чего происходит их дальнейшее окисление и образование безвредных углекислого газа и паров воды.
Окисление отработавших газов происходит более полно при наличии соответствующего катализатора, помещенного в выпускной трубопровод. Испытания, проведенные с катализаторами, дали очень хорошие результаты, однако недолговечность и высокая стоимость препятствуют их распространению.
Свинец, содержащийся в топливе (тетраэтиловый свинец является весьма эффективным антидетонатором), сильно снижает долговечность катализаторов; свинец осаждается на поверхности катализатора, блокируя его каталитические свойства.
Эффективным методом снижения эмиссии NOх является рециркуляция отработавших газов. Охлажденные отработавшие газы подаются во впускной коллектор двигателя и снова проходят через камеру сгорания
На это свойство отработавших газов обратил внимание еще Гарри Рикардо в начале своих исследований в области процессов горения и рабочих процессов. Поскольку, однако, рециркуляция ведет к ухудшению наполнения цилиндров свежей смесью, а значит к снижению мощности двигателя, этому способу долго не уделяла особого внимания
Снижая максимальную температуру цикла, рециркуляция отработавших газов тем самым снижает интенсивность образования окислов азота. Снижение мощности стремятся компенсировать сжиганием более богатых смесей и большим открытием дроссельной заслонки (на частичных режимах), что в свою очередь ведет к более интенсивному образованию СО. Рециркуляция отработавших газов связана со снижением степени сжатия, увеличением перекрытия клапанов, установкой более позднего зажигания и т. д. и позволяет снизить эмиссию NOх до 80%, но такой двигатель становится очень капризным в эксплуатации, в нем часто возникают самовоспламенения, а при прогреве двигатель развивает пониженную мощность.
Неблагоприятное воздействие свинца на долговечность катализаторов привело к попыткам отказаться от применения соединений свинца в качестве присадок бензина. Однако это повлекло за собой ряд серьезных перестроек в производстве высококачественных бензинов, что, естественно, встретило сильное противодействие нефтеперерабатывающих фирм. Кроме того, было обнаружено, что отсутствие свинца в бензине оказывает определенное влияние на износ седел клапанов. Фирмой Зенит был разработан бескаталитический способ дожигания отработавших газов. Было обнаружено, что окисление несгоревших компонентов отработавших газов происходит и без катализаторов, если температура газов достаточно высока и если на дожигание отводится достаточное время. Устройство такого дожигателя показано на рис. 3.