1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Системы нейтрализации выхлопных газов машины

Системы нейтрализации выхлопных газов машины

Статья о нейтрализации выхлопов на бензине и дизеле: состав выхлопных газов, системы нейтрализации. В конце статьи — видео о том, что делать с запахом выхлопа в салоне.

Содержание статьи:

  • Выхлопные газы
  • Решение для бензиновых двигателей
  • Решение для дизельных двигателей
  • Проблемы системы нейтрализации выхлопных газов
  • Видео о том, что делать с запахом выхлопа в салоне

Проблема загрязнения воздуха и окружающей среды не нова – первые серьезные изменения были отмечены еще в 70-х годах прошлого века. Однако сегодня, спустя почти полвека, ситуация значительно усугубилась: автомобильного транспорта стало значительно больше, вместе с ним возросла концентрация вредных веществ и соединений, попадающих в атмосферу мегаполиса и вызывающих у сограждан серьезные нарушения здоровья.

Борьба за чистоту воздуха привела к созданию так называемых нейтрализаторов для двигателей бензинового и дизельного типа. Сегодня такие системы часто интегрированы в бортовую электронику транспортного средства. Что это за системы и как они работают? Рассмотрим детально.

Выхлопные газы

Во время работы различные системы автомобиля (ДВС, топливная, вентиляционная, а также ходовая часть) выделяют вредные вещества в виде газа и мелкодисперсной пыли. Часть из них – неядовитые соединения, которые содержатся в обычном воздухе. Другая часть является ядовитыми, токсичными и канцерогенными веществами, которые не только негативно влияют на окружающую среду, но и разрушают здоровье человека. Основные загрязнители:

    СО (он же – оксид углерода, или угарный газ) не имеет цвета и запаха, однако приводит к патологии ЦНС, угнетению сердечно-сосудистой и дыхательной системы, и в концентрации 0,3% от объема воздуха приводит к летальному исходу. Возникает он в результате неполного сгорания топлива.

СН (углеводороды) – обширная группа соединений с общей структурой, которые возникают при неполном или недостаточно быстром сгорании топлива. К ним относятся парафин, олефин, альдегид, формальдегид, бензол, толуол, ксилол и прочие полициклические соединения. Эти мутагены и канцерогены разрушают органы дыхания и способствуют росту и развитию раковых клеток, в том числе рака крови – лейкемии.

NОх (окислы азота) – основная причина возникновения кислотных дождей, так как при соединении с водой образуются азотная и азотистая кислоты. Это один из серьезных канцерогенов, вызывающих раковые опухоли. Ядовитый газ разрушает органы дыхания и накапливается в крови. Образуется в момент сгорания топлива.

SОх (оксиды серы) аналогично предыдущему химическому элементу. При контакте с водой образуют серную и сернистую кислоты. В состоянии газа вызывает патологию органов зрения и дыхания.

Н2S (сероводород) — вызывает общее отравление организма, возникает при использовании низкокачественного топлива с высоким содержанием серы.

NH3 – аммиак – вызывает слепоту и ожоги верхних дыхательных путей.

Частицы сажи – продукт неполного сгорания топлива и масла. В основном, проблема возникновения канцерогена характерна для дизельных двигателей.

Мелкодисперсные частицы пыли углеводорода, серы, тяжелых металлов менее опасны, так как способны отфильтровываться непосредственно организмом.

Дым синего или белого цвета – продукт испарения масла дизельных двигателей.

СО2 – углекислый газ – вызывает угнетение ЦНС, сердечно-сосудистой системы и органов дыхания, при содержании в атмосфере 6% от общего объема воздуха приводит к летальному исходу.

  • Прочие, незначительные, но не менее опасные составляющие выхлопных газов: метан, закись азота, фторуглеводород, гексафторид серы.
  • В современном законодательстве проблема экологии и нормы предельно допустимых выхлопных газов для автотранспортных средств регулируются техрегламентом Таможенного союза ТР ТС 018/2011 в поправке от 11.07.2016. Однако с 11 ноября 2018 и в него будут внесены поправки, ну а пока допускаются следующие предельные показатели: СО — 85 г/кВт•ч, НС — 5 г/кВт•ч, NO — 17 г/кВт•ч.

    А к обязательным компонентам автомобилей относятся системы нейтрализации отработавших газов, в том числе сменные каталитические нейтрализаторы (за исключением систем нейтрализации на основе мочевины).

    Решение для бензиновых двигателей

    Системы нейтрализации выхлопных газов автомобиля бывают двухкомпонентными и трехкомпонентными, причем последние появились сравнительно недавно. Как устроена и работает данная система?

    Принцип действия

    Работа нейтрализатора заключается в окислении токсичных веществ при помощи катализаторов, в результате чего продукты неполного сгорания топлива дожигаются или разлагаются на безвредные химические элементы и вещества.

    Активными компонентами (катализаторами) выступают драгоценные металлы — палладий, платина. Популярны и менее затратны катализаторы на основе оксида меди, кобальта, никеля, ванадия, марганца, железа, алюминия. Нередки катализаторы на основе сплавов стали нержавеющей или легированной, бронзы или латуни.

    Конструкция

    Основные элементы нейтрализатора – корпус из нержавеющей жаропрочной стали, внутренняя поверхность которой выстлана терморасширительной прокладкой. Внутри бака — газоподводящий и отводящий цилиндр и ячеистые соты, на которые нанесен слой вещества — катализатора.

      Ячеистые соты, на которые наносится катализирующий состав, могут быть выполнены из керамики. Такие нейтрализаторы в качестве катализатора используют тонкий слой из драгоценных редких металлов. Это самый дорогостоящий вид систем нейтрализации отработанных газов.

  • Менее дорогой вариант – ячеистые соты, выполненные методом пайки из тонкой металлической фольги с покрытием из одного из видов вышеназванных составов. Такая система более эффективна, ведь площадь ячеистых сот значительно больше, чем у керамических, а следовательно, способно обработать больший объем отработанных газов.
  • Устройство в автомобильных системах и порядок работы

    Системы нейтрализации выхлопных газов располагаются в непосредственной близости от ДВС, под днищем транспортного средства. Через шарнирное соединение нейтрализатор подсоединяется к выпускному коллектору с одной стороны, и выхлопной системе – с другой.

    Для обеспечения качественной химической реакции с участием кислорода системы нейтрализации используют воздушные насосы или виброклапаны. При разогреве системы нейтрализации до 400-800 градусов CO (оксид углерода) и CH (углеводороды) под действием катализаторов превращаются в углекислый газ и воду. Близкое расположение нейтрализаторов к ДВС позволяет снизить количество NОх (окисла азота) сразу после запуска двигателя.

    Обратную связь с блоком управления автомобиля нейтрализатору обеспечивают лямбда-зонды, специальные кислородные датчики, или четырехгазовые анализаторы, которые на входе и выходе из системы определяют уровень кислорода и качество очистки выхлопных газов.

    Решение для дизельных двигателей

    Аналогично бензиновым двигателям, дизели имеют системы нейтрализации выхлопных газов. Однако главной проблемой остается сажа: не до конца сгоревшее топливо под действием химических процессов превращается в твердые мелкодисперсные частицы — канцерогены.

    Нейтрализаторы решить эту проблему не способны. Поэтому перед тем, как выхлопной газ попадет в систему нейтрализации, он проходит очистку сажевым фильтром.

    Конструкция

    Аналогично нейтрализатору, фильтр имеет ячеистые соты, которые в шахматном порядке закрыты накопительными перегородками-фильтрами частиц. Для каждого производителя автомобиля с дизельным двигателем используется своя система контроля данного параметра. Среди видов таких фильтров можно выделить:

    • DPF – накопительные фильтры;
    • DPNR – фильтры, дожигающие твердые частицы;
    • FAP – фильтры с цериевыми присадками для очистки от сажи;
    • DPF или SCR – фильтры с присадкой AdBlue, разлагающие NOx (окислы азота) на безвредный азот и водяной пар.

    Проблемы системы нейтрализации выхлопных газов

    Все вышеописаные системы характерны для автомобилей импортного производства и моделей последнего поколения. Для отечественного автопрома с карбюраторами установка нейтрализатора не популярна, не пользуется спросом, а также может быть весьма накладна.

    Существенная стоимость систем нейтрализации выхлопных газов при их выходе из строя на импортных автомобилях чаще всего приводит к попытке избавиться от такой «нужной» детали. А выйти из строя он может по ряду причин:

    • Использование некачественного или «улучшенного» присадками топлива;
    • Попадание в рабочую полость топлива или масла;
    • Нестабильная работа двигателя;
    • Механические повреждения корпуса;
    • Резкий перепад температур на корпусе.

    Предугадать точный пробег нейтрализатора невозможно: на одних машинах он едва ли переваливает за 100 тыс. км, на других отлично ведет себя при пересечении отметки в 200 тысяч.

    Как решить проблему системы нейтрализации выхлопных газов? Не стоит спешить и демонтировать нейтрализаторы, ведь борьба за экологию только началась. Кроме того, что могут возникнуть непредвиденные поломки, которые не сможет диагностировать «обманутая» электроника, требования к выхлопам при прохождении ТО ужесточаются, а значит, не все владельцы смогут его пройти. Да и токсичные выхлопы и канцерогены смогут в большой концентрации попасть в салон и нанести непоправимый вред здоровью водителя и пассажиров.

    Гораздо целесообразнее проводить своевременную профилактическую проверку состояния нейтрализатора и сажевого фильтра и при возникновении критической для работы поломки или неисправности – заменить на новый. Ведь суммарная стоимость устранения возникших по причине отсутствия этого важного элемента неполадок может быть существенно выше.

    Видео о том, что делать с запахом выхлопа в салоне:

    Нейтрализатор отработанных газов. Устройство и принцип действия

    Назначение

    Нейтрализатор отработанных газов предназначен для нейтрализации вредных веществ, находящихся в отработанных газах выпускной системы.

    Принцип работы

    Постоянные усилия разработчиков по улучшению процессов сгорания, оптимизации управления системами двигателя достигли определённой точки, при которой требовались новые методы и способы для уменьшения выбросов вредных веществ в атмосферу многочисленными автомобилями. Разработаны и применяются т.н. нейтрализаторы отработанных газов, которые устанавливаются в выпускной системе. В настоящее время используются нейтрализаторы нескольких типов:

    В каталитических процесс нейтрализации интенсифицируется за счёт применения катализаторов, а в термических — за счёт высокой температуры с добавлением воздуха к отработанным газам.

    Читать еще:  Новый концепт Mercedes

    Каталитические нейтрализаторы

    Каталитические нейтрализаторы называют окислительными, т.к. они предназначены для окисления СО и СН, находящихся в отработанных газах. За короткое время, пока газы проходят через нейтрализатор, все реакции должны завершиться при температуре 250 — 800 град.

    При температуре менее 250 град, эффективность нейтрализатора мала, а при температуре выше 1 000 гр. происходит «спекание» мелких кристаллов платины и разрушение активной поверхности, т.е. дезактивация нейтрализатора.

    Рис. Окислительный нейтрализатор

    На рисунке представлена конструкция каталитического нейтрализатора. 1 — керамическая пористая основа с нанесённым покрытием из платины и родия, 2 — изоляционные и теплоотводящие компоненты, 3 — датчик содержания кислорода в отработанных газах. Дезактивация катализатора особенно велика в первые 20 тыс.км. Особенно быстро дезактивация наступает при использовании этилированного бензина. Повторим, что рабочая температура в нейтрализаторе 400-700 гр., поэтому для быстрого прогрева и эффективной работы нейтрализатор располагают ближе к выпускному коллектору. Такое расположение является положительным фактором при холодном пуске и прогреве двигателя — нейтрализатор быстрее начинает работать, но при этом повышается его эксплуатационная температура, а это может способствовать дезактивации катализатора.

    Блок-носитель каталитического нейтрализатора делают из керамики сотовой структуры, гофрированной фольги из нержавеющей стали или в виде сферических гранул из оксида алюминия, которые укладывают в металлический цилиндр, закрытый по торцам сетками. На поверхность носителя наносится каталитический материал и помещают внутрь корпуса из нержавеющей жаропрочной стали. Между блоком-носителем и корпусом ставится терморасширяющаяся прокладка. Для уменьшения вибрационных нагрузок нейтрализатор присоединяется шарнирными соединениями или компенсаторами колебаний.

    Рис. Эффективная зона работы нейтрализатора

    На рисунке показана зона эффективной работы нейтрализатора. Заштрихованная область — зона «стехиометрической» смеси, по оси абсцисс (В) отображено отношение «воздух-топливо», по оси ординат (А)-эффективность работы нейтрализатора.

    В зоне «богатых» смесей — от 10 до 14,6 преобладают высокие концентрации оксида азота(NОх) и низкие СО и СН. Нейтрализаторы, преобразующие СО, СН, N0, называют трёхкомпонентными или бифункциональными. Для нейтрализации смеси оксида азота, получающегося в процессе сгорания смеси, используются реакции его восстановления до азота N2 и аммиака NH3. В материалах, служащих катализатором при нейтрализации вредных веществ, используются платина, палладий, родий и др.

    Трёхкомпонентные нейтрализаторы являются окислительными и восстановительными. В связи с тем, что состав вредных веществ резко меняется в зависимости от «обогащения» или «обеднения» топливовоздушной смеси, необходимо поддерживать работу двигателя в районе «стехиометрической» смеси.

    Для выполнения такой задачи используется электронное управление работой двигателя с системой обратной связи (замкнутая система). Датчики, обеспечивающие работу обратной связи, называются: лямбда зондами (отношение «воздух-топливо») и устанавливаются до и после нейтрализатора, а также термометры газов в зоне процессов нейтрализации и окисления вредных веществ.

    Термические нейтрализаторы

    Термические нейтрализаторы представляют собой камеру, в которой при высокой температуре окисляются СО и СН. При работе двигателя на обогащенной смеси, требуется подача воздуха перед нейтрализатором. При работе на обеднённой смеси температура будет не высокой и требуется дополнительный прогрев нейтрализатора. Термический нейтрализатор начинает работать при температуре 600 гр, что существенно выше, чем у каталитических нейтрализаторов. Кроме этих требований, нужны более прочные и жаростойкие материалы, стойкость к высокой коррозионной агрессивности. Не получили широкого распространения.

    Ранее отмечалось, что нейтрализатор не работает на режимах прогрева двигателя, т.к. температура в нём не достаточно высока, кроме того, двигатель в это время работает на обогащенных смесях и в отработанных газах нет достаточного количества кислорода, необходимого для окисления СН в нейтрализаторе.

    Для ускоренного прогрева нейтрализатора уменьшается угол опережения зажиганием, или электрическим подогревом нейтрализатора путём сжигания перед ним топлива в горелке, или подачи воздуха в, поток отработанных газов с помощью специального насоса.

    Рис. Методы подогрева нейтрализатора: 1 — топливная форсунка, 2 — нейтрализатор, 3 — свеча для поджигания смеси, 4 — воздушный насос

    В некоторых системах используют «стартовый» нейтрализатор, который устанавливается перед или параллельно основному При параллельном расположении весь поток отработанных газов направляется в стартовый нейтрализатор, который быстро прогревается и начинает эффективно работать.

    После прогрева двигателя поворотом заслонки поток газов направляется в основной нейтрализатор. На рисунке приведена одна из схем построения системы с параллельным и основным нейтрализаторами.

    Рис. Система со стартовым нейтрализатором: 1 — двигатель, 2 — стартовый нейтрализатор, 3 — глушитель, 4 — основной нейтрализатор, 5 — кислородный датчик (лямбда-зонд), 6 — заслонка

    При очистке отработанных газах дизельных двигателей внимание уделяется сокращению содержания твёрдых частиц и оксидов азота (NOx). Приведём краткое описание некоторых способов очистки ОГ, применяемых в дизельных двигателях.

    Фильтр твёрдых частиц используется для сбора и их дальнейшей регенерации. Используется с окислительным нейтрализатором. Перед и после нейтрализатора и фильтра твёрдых частиц устанавливаются датчики давления и температуры, по которым косвенным способом определяется загрязнение элементов. Далее ЭБУ двигателем переводит работу двигателя на разные режимы для запуска системы регенерации твёрдых частиц.

    Накопительный нейтрализатор NOx

    Накопительный нейтрализатор NOx собирает на своей поверхности оксиды азота, а затем конвертирует их в азот (N2). При холодном пуске отработанные газы нагреваются для сокращения количества NOx. ЭБУ двигателем периодически обогащает, а затем обедняет рабочую смесь и, тем самым, создаёт условия для разложения оксидов азота.

    Расположение

    После выпускного коллектора сразу в подкапотном пространстве или под днищем автомобиля. Обычно снизу дополнительно защищен металлической сетчатой пластиной.

    Неисправности

    Засоряется от некачественных (или несгоревших) топлив и масел. Разрушается при уларах. Обычно двигатель не запускается при правильности всех параметров, т.к. отработанным газам некуда выходить — выпускная система забита.

    Методика проверки

    Если возникли подозрения на неисправность нейтрализатора, необходимо проверить давление газов перед нейтрализатором. Холостой ход — не более 0,9 bar и режим нагрузок (примерно 3000 оборотов) не более 2,5 bar. Если нет измерительного манометра — просто выкрутить кислородный датчик для выпуска отработанных газов. Если двигатель запустился, значит нейтрализатор «забит». Признаком неисправности нейтрализатора служат раскалённые газы, идущие из выпускной системы; перегрев двигателя и «хлопки» во впускной коллектор.

    Ремонт

    Нейтрализатор отработанных газов ремонту не подлежит. Пробивать отверстие в нейтрализаторе нельзя, можно разрезать и удалить все внутренности, что не приветствуется по причине нарушения экологических норм выброса отравляющих веществ. Лучше заменить на новый, как обычный сменный элемент со своим сроком службы (примерно 150 тыс.км.).

    Системы нейтрализации выхлопных газов

    При современном уровне развития техники наиболее эффективным способом снижения токсичности выхлопа является нейтрализация токсичных компонентов отработавших газов с использованием химических реакций окисления и (или) восстановления. С этой целью в выпускную систему двигателя устанавливают специальный термический реактор (каталитический нейтрализатор). Постоянное повышение экологических требований к выбросам вредных веществ заставляет автопроизводителей совершенствовать системы нейтрализации.

    Как работает каталитический нейтрализатор

    Системы нейтрализации бензиновых двигателей

    Еще при введении норм Евро-3 в методику испытаний добавили режим холодного пуска: измерения производятся сразу же после запуска двигателя при температуре -7 градусов. При отрицательных температурах смесь нужно сильно обогащать – количество СО и СН при этом в выхлопных газах резко возрастает. А не успевший прогреться до рабочей температуры каталитический нейтрализатор практически бездействует.

    Для решения этой проблемы было найдено несколько способов. Первый, сравнительно простой – расположить нейтрализатор не под днищем автомобиля, а поближе к выпускному коллектору. Так появились катколлекторы, в которых два узла объединены в один. Для более быстрого прогрева их изготавливают не из чугуна, а из тонкой стали. Чтобы уменьшить потери тепла предусматривается теплоизоляция.

    Ускорить прогрев нейтрализатора можно и другим способом – добавить в выхлопные газы воздуха с одновременным обогащением топлива. Таким образом «лишняя» горючая смесь, догорая вне цилиндра, повышает температуру отработанных газов, а они, в свою очередь, быстрее нагревают нейтрализатор. В двигателях с непосредственным впрыском того же эффекта добиваются подачей дополнительной порции бензина во время рабочего хода. Есть и третий способ – разогрев нейтрализатора электрическим термоэлементом.

    Повысить точность работы системы нейтрализации удалось добавлением второго датчика кислорода. Первый предназначен для контроля качества смеси – богатая она или бедная. А по показаниям второго контроллер более точно корректирует работу системы топливоподачи. Еще более совершенными являются широкополосные датчики – они способны определять, насколько соотношение воздуха и бензина отличается от стехиометрического.

    Произошли изменения и в материале изготовления сот нейтрализатора. Мы привыкли к тому, что их изготавливают из керамики. Но она имеет ряд недостатков – в силу своей хрупкости не переносит тряски и ударов, быстро разрушается некачественным топливом или в случае нарушений в работе ЭСУД. В настоящее время все больше применяются соты из металлической проволоки. Они медленнее прогреваются и имеют меньшую рабочую поверхность, зато легко переносят механические воздействия и высокие температуры. Очень важно также то, что металлические соты создают намного меньшее сопротивление потоку выхлопных газов.

    Еще одну проблему пришлось решать для современных двигателей с непосредственным впрыском, которые способны работать на бедных смесях. При этом достигается заметная экономия топлива, однако количество оксидов азота в выхлопных газов также значительно возрастает. Обычный нейтрализатор не в состоянии с ними справиться. Поэтому в выпускную систему дополнительно вводится NO-накопитель. Конструктивно он практически не отличается от обычного нейтрализатора, за исключением веществ, которыми покрываются его соты. Оксиды калия, стронция, циркония, кальция, лантана, бария задерживают оксиды азота. Периодически рабочая смесь обогащается, и накопленные вредные вещества выжигаются, разлагаясь при этом на азот и углекислый газ. Располагается накопитель после нейтрализатора, так как для его работы нужна более низкая температура (около 400 градусов).

    Читать еще:  Обзор Лада Иксрей

    Системы нейтрализации дизельных двигателей

    Другой подход нужен к дизелям. Здесь приходится бороться с углеводородами, оксидами азота и сажей (твердыми частицами). Сажевые фильтры придуманы давно. В первых конструкциях накопившуюся сажу периодически выжигали при температуре около 600 градусов, кратковременно обогащая смесь. Но при этом увеличивался выброс других вредных веществ. Поэтому в современных конструкциях сажевый фильтр объединили с окислительным нейтрализатором. Одно устройство и оксиды азота разлагает, и сажу сжигает, причем при более низкой температуре (около 250 градусов).

    Для очистки выхлопа грузовиков дополнительно применяется технология SCR (Selective Catalitic Reduction). Ее суть – периодический впрыск в нейтрализатор раствора мочевины (AdBlue). Там она превращается в аммиак и вступает в реакцию с оксидами азота. В результате образуются безвредные азот и вода.

    Однако возможности ученых и изобретателей не безграничны. Нормы Евро-6, по всей видимости, – предел, достижимый современными ДВС. А дальше придется искать другие экологически чистые источники энергии.

    Практические рекомендации

    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.

    Следует соблюдать основные правила, направленные на предупреждение ситуации, когда в нейтрализатор может попасть значительное количество несгоревшего топлива. В этом случае возможная вспышка может привести к его разрушению.

    Наиболее общие рекомендации таковы:

    • не следует бесполезно крутить двигатель стартером длительное время;
    • нельзя пускать двигатель путем буксировки. Следует использовать метод “прикуривания” от другого автомобиля;
    • запрещается проверять работу цилиндров, отключая свечи зажигания.
    • при перебоях в работе системы зажигания не допускайте работы двигателя с высокой частотой вращения коленвала до устранения неисправности;
    • не заливайте моторное масло сверх максимального уровня. Излишки масла, попав в каталитический нейтрализатор, могут повредить покрытие или полностью разрушить его.

    Разработка системы нейтрализации выхлопных газов при сервисном обслуживании автомобилей Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

    Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Изместьева Анастасия Владимировна, Якушев Андрей Евгеньевич

    Текст научной работы на тему «Разработка системы нейтрализации выхлопных газов при сервисном обслуживании автомобилей»

    РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ПРИ СЕРВИСНОМ ОБСЛУЖИВАНИИ АВТОМОБИЛЕЙ

    Загрязнение воздуха вредными выбросами автомобилей в конце ХХ века стало одной из глобальных экологических проблем. Путь ее решения только один — автомобиль должен стать экологически чистым. Важное место здесь принадлежит системам нейтрализации, способным в несколько раз снизить токсичность выхлопных газов.

    Всего в отработавших газах обнаружено около 280 компонентов. Вещества, содержащиеся в отработавших газах, по своим химическим свойствам, характеру воздействия на организм человека подразделяются на несколько групп:

    1) нетоксичные: азот, кислород, водород, водяные пары, а также диоксид углерода;

    2) токсичные: оксид углерода, оксиды азота, многочисленная группа углеводородов, альдегиды, сажа. Причем сажа сама по себе нетоксична, но она адсорбирует на поверхности частиц канцерогенные полициклические углеводороды, в том числе наиболее вредный и токсичный бенз(а)пирен. При сгорании сернистых топлив образуются неорганические газы — диоксиды серы и сероводород.

    Состав отработавших газов бензиновых и дизельных двигателей

    Компоненты отработавших газов Концентрация, %

    Бензиновый двигатель Дизель

    Азот 74 — 77 74 — 78

    Кислород 0,3 — 8,0 2,0 — 18

    Изместьева Анастасия Владимировна, студентка 4 курса СПбГТИ (ТУ); Якушев Андрей Евгеньевич, студент 4 курса ИСАКиБТ СПбГУСЭ; науч.рук. к.х.н., доц. А.А.Боряев

    Водяной пар 2,0 — 5,5 0,5 — 9,0

    Оксиды углерода 0,5 — 12 0,005 — 0,4

    Оксиды азота 0,01 — 0,8 0,004 — 0,6

    Диоксид серы — 0,002 — 0,02

    Углеводороды 0,2 — 3,0 0,01 — 0,3

    Альдегиды 0 — 0,2 0,001 — 0,009

    Сажа, г/м3 0 — 0,04 0,01 — 1,1 и более

    Токсичные компоненты составляют 0,2-5% от объема отработавших газов, в зависимости от типа двигателя и режима его работы.

    За долгое время существования проблемы автомобильных выбросов и загрязнения ими атмосферного воздуха было разработано множество методов и способов, позволяющих уменьшить количества выхлопов или снизить их токсичность. В настоящее время разрабатываются и претворяются в жизнь мероприятия по снижению загрязнения атмосферы выбросами автомобильных двигателей, включающие в себя:

    ^усовершенствование конструкций двигателей и повышение качеств изготовления;

    2)поиск новых видов топлива, применение различных присадок к нему;

    3)создание энергосиловых установок для автомобилей, выбрасывающих меньшее количество вредных веществ;

    4)разработка устройств, снижающих содержание вредных компонентов в отработавших газах.

    Практика показала, что при этом достичь уровня токсичности отработавших газов, требуемого законодательством развитых стран, первыми тремя способами нельзя. Поэтому получила широкое распространение нейтрализация отработавших газов в системе выпуска. В этом случае токсичные пары, вышедшие из цилиндров двигателя, нейтрализуются до выброса их в атмосферу.

    Существует несколько методов нейтрализации отработавших газов в выпускной системе автомобиля:

    1)окисление отработавших газов путем подачи к ним дополнительного воздуха в термических реакторах;

    Разработка системы нейтрализации выхлопных газов при сервисном обслуживании

    2)поглощение токсичных компонентов жидкостью в жидкостных нейтрализаторах;

    3)применение каталитических нейтрализаторов и сажевых фильтров (на автомобилях с дизельными двигателями) — в настоящее время наиболее актуальный.

    Вышеперечисленные методы применяются непосредственно на автомобиле. Мы же предлагаем метод нейтрализации отработавших газов на станциях технического обслуживания автомобилей. Суть метода заключается в каталитическом доокислении токсичного угарного газа СО до нетоксичного углекислого газа СО2 с помощью гопкалита (гопкалит (англ. ^рсаШе) -катализатор, на котором окись углерода окисляется кислородом воздуха до двуокиси углерода; состоит из смеси окислов марганца, меди и серебра).

    Недостатком гопкалита является его отравляемость парами воды. Для предотвращения отравления гопкалита нами предлагается использование фильтра на основе силикагеля ^Ю2).

    Характеристика режимов движения автомобиля

    Режим работы двигателя Параметры работы двигателя в %

    Время работы Расход топлива Объем отработавших газов Выбросы

    Холостой 40 15 10 20 17 0

    Разгон 18 35 45 30 30 80

    Установившийся 30 37 40 38 28 19

    Замедление 12 13 5 12 25 1

    Полный цикл 100 100 100 100 100 100

    В результате проведенных исследований в официальном дилерском центре «Автоцентр Аврора» мы выяснили, что при техническом

    обслуживании автомобиля, длительностью 2,5 часа, время работы двигателя составляет 10-12 минут. Так же мы выяснили, что преобладающий режим работы двигателя — холостой ход. При данном режиме работы двигателя в отработавших газах преобладает угарный газ (СО), поэтому наш метод направлен именно на нейтрализацию СО.

    Нами были проведены предварительные расчеты количества активного вещества и силикагеля в предлагаемом устройстве. Для получения исходных данных был проведен опыт по определению расходного объема отработавших газов на автомобиле ГАЗ-3110 с двигателем ЗМЗ-406.2.

    Устройство для нейтрализации угарного газа в отработавших газах, будет представлять собой патрон постоянного диаметра 12 см. Он будет разделен на секции, в которых будут находиться силикагель, силикагель-индикатор, гопкалит и силикагель соответственно. Силикагель-индикатор необходим для своевременного определения насыщения основного слоя силикагеля парами воды.

    Очистка отработавших газов на предприятиях автосервиса (СТОА) -это совершенно новый подход к решению глобальной экологической проблемы. На сегодняшний день в СТОА не используется вообще никаких систем очистки отработавших газов или используется только система удаления ОГ в атмосферу, что совершенно не решает экологической проблемы загрязнения окружающей среды.

    Предлагаемое устройство призвано решить проблему очистки отработавших газов на предприятиях автосервиса, поэтому наша разработка актуальна и своевременна.

    1. Кельцев, Н.В. Основы адсорбционной техники/Н.В.Кельцев. — М.: Химия.

    2. Кольцов, С.И. Силикагель, его строение и химические

    свойства/С.И.Кольцов, В.Б.Алесковский. — Л.: ГосХимИздат. 1963.

    3. Сернионова, Е.Н. Промышленная адсорбция газов и паров/Е.Н.Сернионова. — М.: Высшая школа. 1969.

    4. Путинов, А.В. Адсорбционно-каталитические методы очистки газовых средств в химической технологии/А.В.Путинов, С.Л.Кудрявцев, Н.В.Петрухин. — М.: Химия. 1989.

    Реактор для нейтрализации токсичных выхлопных газов автомобилей

    Реактор состоит из УФ-лампы длиной 50-150 см, имеющей сплошной спектр излучения в интервале 190-420 нм, вмонтированной в корпус из кислотостойкого материала. Очищаемый газ проходит в кольцевом пространстве между УФ-лампой и корпусом со скоростью 0,1-0,5 м/с. При этом происходит атомизация молекул газа с последующей рекомбинацией, приводящей к образованию стабильных молекул N2, CO2, PbO2. Реактор снабжен направляющими лопатками, создающими спиралеобразное движение, приводящее к возникновению центробежных сил, отбрасывающих твердые частицы (PbO2) на стенки корпуса, улавливаемые в ловушке. Изобретение позволяет повысить эффективность очистки при меньшем расходе материалов. 2 ил., 1 табл.

    Изобретение относится к системам обезвреживания токсичных выхлопных газов автомобилей, а также может быть использовано для очистки токсичных газов стационарных двигателей внутреннего сгорания.

    Известны термические нейтрализаторы, в которых осуществляются процессы пламенного дожигания оксида углерода до диоксида, а также окисление несгоревших в цилиндре углеводородов и альдегидов [1]. Реакция окисления проводится при температуре 500-600 o C с подачей дополнительного воздуха и снижает концентрацию углеводородов примерно в 2 раза и оксида углерода в 2-3 раза. Термореакторы встраивают в выхлопную систему двигателя.

    Недостатками известных термореакторов является неполная очистка выхлопных газов.

    Читать еще:  Автоконцерн Chery вытеснит конкурентов из Украины

    Известны каталитические реакторы, в которых нейтрализация токсичных выбросов достигается благодаря использованию каталитических процессов [2], которые позволяют не только уменьшить содержание оксида углерода и углеводородов, но одновременно осуществлять восстановление азота. Использование каталитических нейтрализаторов U-13, U-32 позволило снизить концентрацию CO на 80%, углеводородов — на 70%, NOx — на 50%. В качестве катализаторов используют платину, палладий, родий, рутений и другие металлы. Каталитические реакторы выполняются в виде двухкамерного аппарата, в первой камере нейтрализуются оксиды азота, во второй — оксиды углерода и углеводороды.

    Недостатками известных каталитических реакторов являются необходимость их смены или очистки из-за отравления катализатора осаждающимся свинцом и другими веществами, выгорание катализатора и недостаточная эффективность очистки газов.

    Известен каталитический нейтрализатор [3], содержащий корпус с входными и выходными патрубками и каталитический блок, соосно устанавливаемый в корпусе, в котором газ проходит по каналам, образованным навитыми по спирали плоской и гофрированной лентами, поверхность которых покрыта катализатором.

    Недостатком известного каталитического реактора является быстрый износ катализатора и недостаточная эффективность очистки отработанных газов.

    Известен реактор для нейтрализации токсичных выхлопных газов [4], устанавливаемый в начале выхлопной системы, содержащий корпус, ультрафиолетовый излучатель в виде УФ-лампы из кварцевого стекла, вмонтированной в корпус (прототип).

    Недостатками известного реактора являются неполная очистка выхлопных газов и малый срок службы реактора из-за окислительной коррозии металла, из которого изготовлен реактор.

    Целью настоящего изобретения является повышение эффективности очистки выхлопных газов от токсичных веществ и увеличение срока службы реактора.

    Поставленная цель достигается путем использования в качестве источника высокой энергии импульсной ультрафиолетовой лампы (УФ-лампы) длиной в зависимости от мощности автомобиля от 50 до 150 см, излучающей сплошной спектр УФ-излучения (фиг. 1) в интервале 190-420 нм. Реактор имеет 2 ступени: в первой происходит атомизация молекул (А), во второй — рекомбинация (Р) с образованием новых нетоксичных молекул.

    В первой ступени под действием УФ-излучения происходит атомизация, т.е. распад молекул веществ, содержащихся в выхлопных газах, с появлением большого количества активных атомов: N , O , C , Pb , Cl , H и других (разложение оксидов: N2O 2N + O ; и т.п.). УФ-реактор с непрерывным спектром излучения имеет набор частот, удовлетворяющий перечисленные реакции.

    Во второй ступени происходит рекомбинация атомов, приводящая к образованию наиболее устойчивых прочных молекул: N2, CO2, PbO2, H2O. Итогом этих двух процессов является детоксикация выхлопных газов автомобилей. Схема реактора изображена на фиг. 2. Первая ступень содержит следующие элементы: корпус реактора 1, изготовленный из кислотостойкого материала, в качестве которого используют нержавеющую сталь, кислотостойкую пластмассу, внутреннее кислотостойкое покрытие обычной стали и другие, необходимые для защиты корпуса от окислительной коррозии кислотообразующими оксидами, например NO2, N2O3, и атомарными окислителями, например кислородом, хлором и другими; патрон для электропроводки 2; цилиндрический ксеноновый УФ-излучатель 3. Очищаемый газ проходит по кольцевому пространству между корпусом и УФ-излучателем со скоростью 0,1-0,5 м/с. Более низкая скорость необходима в случае присутствия в выхлопных газах смолистых веществ. Вторая ступень также имеет корпус 4 (меньшего диаметра) из кислотостойкого материала, цилиндрический фильтр 5, предназначенный для очистки выхлопных газов от твердых частиц и ловушки для них 6. Струи газа, направляемые лопатками 8, двигаются спиралеобразно по касательной, благодаря чему возникают центробежные силы, фильтруются в газопровод 7 и одновременно очищают фильтр, что улучшает его производительность. Твердые частицы диоксида свинца и других твердых веществ центробежными силами отбрасываются на стенки корпуса и попадают в ловушку 6 для твердых частиц. Очищенный газ далее проходит через выхлопную систему автомобиля и выпускается в атмосферу.

    Пример. УФ-реактор длиной 0,5 м был установлен в газоходе автомобиля ВАЗ-2108 перед глушителем. Для обеспечения потребности в кислороде выхлопные газы разбавлялись воздухом при температуре 22 o C в объеме 10-15% от количества выхлопных газов двигателя. Результаты анализа составов газов приведены в табл. 1, согласно которой эффективность очистки от формальдегида, тетраэтилсвинца (ТЭС), бензпирена (C20H12) и смолистых веществ составила 100%. Эффективность очистки от NO2 — 99,8%, от CO — 99,9%.

    Полученные результаты свидетельствуют о высокой эффективности очистки выхлопных газов при помощи УФ-реактора.

    Основными преимуществами очистки выхлопных газов автомобилей с помощью УФ-реактора являются высокая эффективность очистки при меньшем расходе материалов, низкая стоимость реактора и увеличение межремонтного периода.

    Список литературы 1. Herrin, R.I Lean. Thermal Reactor Performance Characteristics — A Society Study, SAE Paper 760319 (1996).

    2. Путилов А.В. Адсорбционно-каталитические методы очистки газовых сред. — М.: Химия, 1984.

    3. Патент Великобритании N 1450799, кл. B 1 F, опубл. 1977.

    4. Заявка Франции N 2481945, кл. B 01 D 53/34, опубл. 1981.

    Реактор для нейтрализации токсичных выхлопных газов автомобилей, устанавливаемый в начале выхлопной системы, содержащий ультрафиолетовый излучатель в виде УФ-лампы из кварцевого стекла, вмонтированной в корпус, отличающийся тем, что длина лампы составляет в зависимости от мощности автомобиля от 50 до 150 см, лампа имеет сплошной спектр УФ-излучения в интервале 190 — 420 нм, лампа вмонтирована в корпус из кислотостойкого материала так, что очищаемый газ проходит со скоростью 0,1 — 0,5 м/с в кольцевом пространстве между УФ-лампой и корпусом, причем твердые частицы отбрасываются к стенкам корпуса и далее в ловушку для сбора твердых частиц.

    Как работает система выпуска отработавших газов

    При работе двигателя автомобиля образуются продукты сгорания, которые отличаются высокой температурой и токсичностью. Для их охлаждения и отвода из цилиндров, а также для снижения уровня загрязнения окружающей среды в конструкции предусмотрена система выпуска отработавших газов. Другая функция данной системы — уменьшение шума, возникающего при работе двигателя. Выпускная (выхлопная) система состоит из последовательной цепи элементов, каждый из которых выполняет определенную функцию.

    Конструкция системы выпуска

    Основной задачей системы выпуска является эффективный отвод отработавших газов из цилиндров двигателя, снижение их токсичности и уровня шума. Зная, из чего состоит выхлопная система в автомобиле, вы сможете лучше понимать принципы ее работы и причины возможных неполадок. Устройство стандартной выхлопной системы зависит от вида используемого топлива, а также от применяемых экологических стандартов. Выхлопная система может состоять из следующих элементов:

    • Выпускной коллектор — выполняет функцию отвода газов и охлаждения (продувки) цилиндров двигателя. Он выполняется из термостойких материалов, поскольку температура выхлопных газов в среднем варьируется от 700°С до 1000°С.
    • Приемная труба — представляет собой трубу сложной формы с фланцами для крепления к коллектору или турбонагнетателю.
    • Каталитический нейтрализатор (устанавливается в бензиновых двигателях экологического стандарта Евро-2 и выше) — устраняет из отработавших газов наиболее вредные компоненты CH, NOx, СО, преобразуя их в водяной пар, углекислый газ и азот.
    • Пламегаситель — устанавливается в системах выпуска отработавших газов автомобилей вместо катализатора или сажевого фильтра (в качестве бюджетной замены). Он предназначен для снижения энергии и температуры потока газов, выходящих из выпускного коллектора. В отличие от катализатора, не снижает количество токсичных компонентов в отработавших газах, а лишь снижает нагрузку на глушители.
    • Лямбда-зонд — служит для контроля уровня кислорода в составе отработавших газов. В системе может быть один или два кислородных датчика. На современных двигателях (рядных) с катализатором устанавливается 2 датчика.
    • Сажевый фильтр (обязательная часть системы выхлопа дизельного двигателя) — удаляет сажу из выхлопных газов. Может совмещать в себе функции катализатора.
    • Резонатор (предварительный глушитель) и основной глушитель — снижают уровень шума выхлопных газов.
    • Трубопроводы — соединяют отдельные элементы выхлопной автомобильной системы в единую систему.

    Принцип работы системы выхлопа

    В классическом варианте для бензиновых двигателей выхлопная система автомобиля работает следующим образом:

    • Выпускные клапана двигателя открываются, и отработавшие газы с остатками не сгоревшего топлива выбрасываются из цилиндров.
    • Газы из каждого цилиндра попадают в выпускной коллектор, где объединяются в один поток.
    • По приемной трубе отработавшие газы из выпускного коллектора проходят через первый лямбда-зонд (кислородный датчик), который фиксирует количество кислорода в составе выхлопа. На основе этих данных электронный блок управления корректирует топливоподачу и состав топливовоздушной смеси.
    • Далее газы попадают в катализатор, где вступают в химическую реакцию с металлами-окислителями (платиной, палладием) и металлом-восстановителем (родий). Рабочая температура газов при этом не должна быть ниже 300°С.
    • На выходе из катализатора газы проходят второй лямбда-зонд, с помощью которого происходит оценка исправности работы каталитического нейтрализатора.
    • Далее очищенные отработавшие газы попадают в резонатор, а затем в глушитель, где потоки выхлопа преобразуются (сужаются, расширяются, перенаправляются, поглощаются), что снижает уровень шума.
    • Из основного глушителя отработавшие газы уже попадают в атмосферу.

    Система выхлопа дизельного двигателя имеет некоторые особенности:

    • Выходя из цилиндров, отработавшие газы попадают в выпускной коллектор. Температура выхлопных газов дизельного двигателя варьируется в диапазоне 500-700 °С.
    • Далее они попадают в турбокомпрессор, осуществляющий наддув.
    • После этого выхлоп проходит через кислородный датчик и попадает в сажевый фильтр, в котором удаляются вредные компоненты.
    • В завершении выхлоп проходит через автомобильный глушитель и выходит в атмосферу.

    Эволюция системы выхлопа неразрывно связана с ужесточением экологических стандартов эксплуатации автомобиля. Так например, начиная с категории Евро-3, установка катализатора и сажевого фильтра для бензиновых и дизельных моторов обязательна, а их замена на пламегаситель считается нарушением закона.

    Источники:

    http://fastmb.ru/soveti_auto/3153-sistemy-neytralizacii-vyhlopnyh-gazov-mashiny.html
    http://ustroistvo-avtomobilya.ru/sistemy-snizheniya-toksichnosti/nejtralizator-otrabotannyh-gazov/
    http://avtonov.info/sistemy-nejtralizacii-vyhlopnyh-gazov
    http://cyberleninka.ru/article/n/13933226
    http://findpatent.ru/patent/215/2155874.html
    http://techautoport.ru/dvigatel/vypusknaya-sistema/sistema-vypuska-otrabotavshih-gazov.html

    Ссылка на основную публикацию
    Статьи c упоминанием слов:
    Adblock
    detector