Способы снижение токсичности отработавших газов автомобильного двигателя

Дата публикации: 20 декабря 2017 г.

Продолжим разговор об отработавших газах автомобильного двигателя, начатый на этой странице.

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).

Рис. 1. Впускные трубопроводы фирмы Зенит Дуплекс обеспечивают снижение концентрации токсичных веществ в отработавших газах автомобильного двигателя

При частичных нагрузках двигателя заслонки Е закрыты и смесь из карбюратора А проходит через заслонки D к участку В подогрева смеси. Здесь большая часть топлива испаряется и по трубопроводам С поступает в цилиндры двигателя. В случае необходимости получения максимальной мощности заслонки Е открывают и смесь поступает в цилиндры при более низкой температуре, что приводит к существенному увеличению коэффициента наполнения, а значит и мощности двигателя.

Существенное влияние на образование токсичных веществ отработавших газов автомобильного двигателя оказывает также форма камеры сгорания. Уже было сказано о преимуществах камеры сгорания в виде тела вращения Герона, расположенной в головке поршня. Некоторые мероприятия, направленные на снижение образования окислов азота, приводят к увеличению тепловых потерь. Так, например, выяснилось, что кольцеобразная форма камеры сгорания выгодна с точки зрения снижения эмиссии окислов азота; но при этом возрастают тепловые потери и эмиссия углеводородов. Неудачная на первый взгляд плоская форма камеры сгорания двигателей Ванкеля характеризуется образованием малого количества окислов азота, поэтому интерес к ней снова повышается.

Исследования процессов горения топлива в двигателях внутреннего сгорания с точки зрения образования токсичных веществ находятся в полном разгаре, и делать окончательные выводы пока преждевременно.

Токсичные продукты неполного сгорания топлива в цилиндрах двигателя удается также нейтрализовать в выпускном трубопроводе методом дожигания или с помощью окислительных катализаторов . Простейшим способом дожигания является подача дополнительного воздуха к выпускному клапану. На рис. 2 хорошо видна такая трубка подачи воздуха от компрессора с приводом от двигателя.

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 NO_х 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 NO_х 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.

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 С_mН_n к нему добавляется чистый воздух, необходимый для окисления этих веществ. Такой каталитический реактор изображен на рис. 4.

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

Главная
Новые материалы на сайте.

Автосамоделки
Самодельные автомобили, прицепы, дачи, вездеходы, тюнинг авто.

Мотосамоделки
Самодельные мотоциклы, мопеды, скутеры, снегоходы.

Автосервис
Ремонт и обслуживание автомототехники. Советы по ремонту автомобиля.

Гараж
Гаражное оборудование, обустройство гаража.

Разное, советы автомобилистам
Советы бывалых и опытных автолюбителей.

Методы снижения токсичности отработавших газов автомобилей

Методы, используемые для снижения токсичности отработавших газов двигателей с искровым зажиганием, делятся на две основные категории: конструктивные методы и очистка отработавших газов. Основные промышленно развитые страны стремятся внедрить у себя (или уже приняли) строгие нормы предельной токсичности отработавших газов. Выполнение этих норм требует использования систем снижения токсичности, включающих трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, который уже доказал свою эффективность в США, Европе и Японии

Снижение токсичности методом дозирования топлива

Рабочая смесь, качество которой определяется коэффициентом избытка воздуха λ, оказывает решающее влияние на состав отработавших газов.

Двигатель обеспечивает получение максимального крутящего момента при λ = 0,9 – эта величина обычно программируется для режима полной нагрузки двигателя. Оптимальная топливная экономичность достигается при смесях, характеризующихся λ = 1,1. Это совпадает с возможностью получения низких выбросов CO и CH. Однако выбросы оксидов азота (NO_x) при этом оказываются максимальными. Коэффициент избытка воздуха λ = 0,9 … 1,05 выбирается для режима холостого хода двигателя.

Слишком обедненная смесь приводит к появлению пропусков воспламенения, а так как смесь постепенно обедняется и далее, это влечет за собой быстрое увеличение выбросов СН.

Для предотвращения работы двигателя на сверхвысоких оборотах, когда требуется постоянное использование богатой смеси, осуществляется полное прекращение подачи топлива к двигателю.

Системы впрыска топлива позволяют добиться более точного контроля за составом смеси и значительно снизить количество выбросов отработавших газов.

Снижение токсичности отработавших газов точным смесеобразованием

Однородность смеси, ее послойное распределение и температура в зоне свечи являются основными факторами при определении способности смеси к воспламенению и последующему сгоранию с соответствующим влиянием на состав отработавших газов.

Однородные смеси и регулируемое послойное смесеобразование (богатая смесь у свечи зажигания и бедная смесь вблизи стенок камеры сгорания) представляют два пути совершенствования процесса смесеобразования.

На двигателях с одноточечным впрыском топлива для предотвращения отложения пленки топлива на стенках впускного трубопровода используется предварительный нагрев воздуха и впускного трубопровода.

Равномерное распределение

Максимальный коэффициент полезного действия (к.п.д.) двигателя может быть достигнут только при одинаковом коэффициенте избытка воздуха в каждом цилиндре.

Рециркуляция отработавших газов как способ снижения токсичности отработавших газов

Отработавшие газы направляются обратно в камеру сгорания для снижения максимальной температуры сгорания с целью снижения образования NO_x. Оптимизация системы EGR может также приводить к снижению расхода топлива. Система EGR используется любым из двух способов:

— внутренней рециркуляцией отработавших газов, обеспечиваемой соответствующей установкой фаз газораспределения (перекрытия клапанов);

— внешней рециркуляцией отработавших газов с применением управляемых клапанов.

Изменение фаз газораспределения

Большой угол перекрытия клапанов (при раннем открытии впускного клапана) позволяет увеличить внутреннюю рециркуляцию отработавших газов и поэтому может помочь в снижении выбросов NO_x. Однако, так как рециркулирующие отработавшие газы вытесняют свежую топливовоздушную смесь, то раннее открытие впускного клапана также ведет к уменьшению максимального крутящего момента. Кроме того, чрезмерная рециркуляция отработавших газов, особенно при работе двигателя на холостом ходу, может стать причиной перебоев в зажигании, что, в свою очередь, приводит к увеличению выбросов углеводородов (НС). Оптимальным решением является применение изменяемых фаз газораспределения, когда фазы газораспределения варьируются для оптимального приспосабливания процесса сгорания к условиям работы двигателя.

Влияние степени сжатия на количество токсичных компонентов отработавших газов

Ранее считалось, что повышение термического коэффициента полезного действия (к.п.д.) путем роста степени сжатия представляется эффективным мероприятием для улучшения топливной экономичности. Однако при этом одновременно увеличивается и максимальная температура сгорания, которая вызывает более высокую концентрацию выбросов NO_x.

Конструкция камеры сгорания

Снижение выбросов CH обеспечивается компактной камерой сгорания, имеющей минимальную площадь поверхности с отсутствием выемок. Центральное расположение свечи зажигания обеспечивает короткий путь распространения пламени, позволяя получить быстрое и относительно полное сгорание рабочей смеси, что приводит, кроме низких выбросов CH, к пониженному расходу топлива. Турбулизация рабочей смеси в камере сгорания обеспечивает более быстрое сгорание. Кроме создания двигателей, способных работать на обедненных смесях, оптимизация формы камеры сгорания дает возможность снизить концентрацию CH при λ = 1.

Создания вихревого движения смеси во впускном канале и оптимизация формы камеры сгорания позволяют использовать переобедненные рабочие смеси (λ = 1,4…1,6). Такие двигатели характеризуются низкой токсичностью и очень хорошей экономичностью, они не нуждаются в каталитической очистке отработавших газов. Разработки в области снижения выбросов NO_x у двигателей, работающих на переобедненных смесях, еще находятся в начальной стадии. Такие двигатели вплоть до настоящего времени с успехом применялись в Европе и Японии. Имелось только несколько моделей, использующих концепцию обедненных смесей, когда достигался компромисс между токсичностью отработавших газов и расходом топлива.

Система зажигания автомобилей

Конструкция свечи зажигания, ее положение в камере сгорания, а также энергия и продолжительность искрового разряда – все эти параметры оказывают существенное влияние на воспламенение смеси, продолжительность ее сгорания, а поэтому и на токсичность компонентов отработавших газов. Важность этих факторов возрастает в прямой зависимости от обеднения смеси (λ > 1,1). Установка момента зажигания оказывает решающее влияние как на токсичность, так и на расход топлива. При выборе момента зажигания приходится (иногда в ущерб расходу топлива) для снижения выбросов CH и NO_x выбирать более поздние углы опережения зажигания. Вместе с подачей в избытке кислорода это поднимает температуру в выпускной системе и позволяет дожигать СО и СН.

Этот метод приводит к снижению выбросов NO_x и несгоревших углеводородов, но за счет увеличенного расхода топлива. С другой стороны, если выбирается слишком большое опережение зажигания, это приводит к увеличению расхода топлива и выбросов NO_x и СН.

Вентиляция картера двигателя

Концентрация углеводородов в картере двигателя может во много раз превышать регистрируемую в отработавших газах. Система регулирования вентиляции картера перепускает картерные газы во впускной тракт двигателя, откуда они попадают в камеру сгорания для дожигания. Раньше эти газы выпускались неочищенными непосредственно в атмосферу; сейчас наличие системы снижения токсичности картерных газов является обязательным требованием.