Системы нейтрализации отработавших газов дизельных двигателей

Нейтрализация отработавших газов дизельных двигателей

При очистке отработавших газов дизелей особое внимание уделяется сокращению содержания двух компонентов:

· твердых частиц, которые возникают из-за неоднородного распределения смеси в камере сгорания;

· оксидов азота ( NO _х ), которые образуются при высоких температурах сгорания топливовоздушной смеси в дизеле.

В последние годы, благодаря совершенствованию систем впрыска топлива дизельных двигателей, уровень эмиссии этих компонентов отработавших газов значительно снизился.

Чтобы быстрее достигнуть рабочей температуры, окислительный нейтрализатор 9 (рис. 1) должен располагаться в системе выпуска как можно ближе к двигателю. Он уменьшает уровень эмиссии углеводородов (СН), оксида углерода (СО) и летучих составляющих твердых частиц, превращая все это в воду (Н₂О) и диоксид углерода (СО₂).

Рисунок 1 – Система выпуска отработавших газов с окислительным нейтрализатором, фильтром твердых частиц и системой добавления присадок:

1 – блок управления добавлением жидкой каталитической присадки; 2 – блок управления работой двигателя; 3 – насос для добавления жидкой каталитической присадки; 4 – датчик уровня жидкой каталитической присадки; 5 – бак с жидкой каталитической присадкой; 6 – клапан дозирования жидкой каталитической присадки; 7 – топливный бак; 8 – двигатель; 9 — окислительный нейтрализатор; 10 – фильтр твердых частиц; 11 – датчик температуры; 12 — дифференциальный датчик давления; 13 – сажевый датчик

Окислительные нейтрализаторы уже выпускаются серийно. Особыми версиями (т. н. «трехкомпонентными») можно одновременно сократить уровни эмиссии оксидов азота ( NO_x ), CH и СО, причем содержание NO_x снижается на 5. 10%.

2.Фильтр твердых частиц

В фильтре 10 (рис. 1) собираются содержащиеся в ОГ твердые частицы. Падение давления за фильтром твердых частиц — это возможный индикатор его загрязнения сажей, и в этом случае фильтр нуждается в очистке и регенерации. Необходимая для дожигания этой сажи температура (свыше 600°С) при нормальных режимах работы дизеля не возникает. С помощью некоторых регулировок аппаратуры подачи топлива и воздуха, например, установкой позднего момента начала впрыскивания и дросселированием воздуха на впуске, можно повысить температуру ОГ.

К настоящему времени разработаны специальные фильтры из пористой керамики, которые уже применяются серийно на легковых автомобилях.

Добавлением в топливный бак каталитических присадок обеспечивается снижение температуры дожигания твердых частиц в фильтре на 100°С. Разумеется, противодавление ОГ будет постепенно увеличиваться во время работы дизеля, так как негорючие отложения (пепел каталитических присадок) задерживаются фильтром. Это повышает расход топлива и ограничивает срок службы фильтра.

Система регенерации фильтра

При наличии системы регенерации фильтр твердых частиц подсоединяется к окислительному нейтрализатору, который окисляет содержащийся в ОГ оксид азота NO в диоксид азота NO ₂ . В этом случае собранная в фильтре сажа непрерывно сжигается при подаче сюда N О₂ уже при температуре 250°С, что значительно ниже температуры сгорания твердых частиц в обычных фильтрах, где происходит сгорание с подачей обычного кислорода О₂.

Датчики температуры, дифференциальный датчик давления и датчик сажи за фильтром твердых частиц контролируют функционирование системы регенерации фильтра. Для длительной работы окислительных нейтрализаторов, из-за их чувствительности к сере, требуется топливо с низким ее содержанием.

Окислительный нейтрализатор и фильтр твердых частиц могут быть интегрированы в один конструктивный элемент с каталитическим покрытием фильтра. Этот фильтр сокращенно именуется CSF ( Catalyzed Soot Filter , т. е. фильтр с каталитическим покрытием) или CDPF ( Catalyzed Diesel Particulate Filter , т. е. каталитический дизельный фильтр твердых частиц).

3.Накопительный нейтрализатор NO_x

Дизель всегда работает с избытком воздуха (бедная смесь), поэтому трехкомпонентный нейтрализатор, применяемый на бензиновых двигателях со впрыском топлива во впускной трубопровод, не может использоваться для снижения количества оксидов азота ( NO_x ). При избытке воздуха СО и СН реагируют с остаточным кислородом ОГ до образования СО₂ и Н₂О и, таким образом, не могут быть использованы для превращения NO_x в азот ( N ₂ ).Для снижения концентрации оксидов азота в ОГ дизелей легковых автомобилей разработан накопительный нейтрализатор NO_x , который уменьшает содержание оксидов азота другим способом: собирает их, а затем конвертирует. Этот процесс протекает в два этапа:

· накопление NO_x из ОГ при работе дизеля на бедной смеси ( a > 1; от 30 секунд до нескольких минут);

· выделение NO_x и восстановление (конверсия) в ОГ при работе дизеля на богатой смеси ( a

Оксиды азота при избытке кислорода в ОГ превращаются с помощью металлических окислительных нейтрализаторов на поверхности накопительного нейтрализатора NO_x в нитраты. При этом к накопительному нейтрализатору добавлен окислительный нейтрализатор 3 (рис. 2), который окисляет NО в N О₂.

Рисунок 2 – Схема системы выпуска отработавших газов с накопительным нейтрализатором NO_X :

1 – двигатель; 2 – система электрического подогрева отработавших газов; 3 – окислительный нейтрализатор; 4 – датчик температуры; 5 – широкополосный лямбда-зонд; 6 – накопительный нейтрализатор NO_X ; 7 – датчик NO_X или лямбда-зонд; 8 – блок управления работой двигателя

С возрастанием количества накопленных оксидов азота уменьшается способность нейтрализатора их связывать.

Имеются две возможности узнать, когда нейтрализатор нагружен так, что фазу накопления необходимо завершить:

· количество накопленных оксидов азота рассчитывается смоделированным процессом с учетом температуры нейтрализатора;

· датчик N О _X за накопительным нейтрализатором измеряет концентрацию оксидов азота в ОГ.

Начиная с определенной степени загрузки, накопительный нейтрализатор NO_x должен регенерироваться, т. е. накопленные оксиды азота должны снова высвобождаться и преобразовываться в азот и кислород. Для этого двигатель кратковременно переключается на режим работы с недостатком воздуха ( a = 0,95). При двухступенчатой регенерации (рис. 2) возникают диоксид углерода (СО₂) и азот ( N ₂ ).

Существуют два различных способа определить конец фазы восстановления:

· смоделированный процесс рассчитывает количество оставшихся на нейтрализаторе оксидов азота;

· лямбда-зонд 7 (рис. 2), установленный за нейтрализатором, измеряет концентрацию кислорода в ОГ, и изменение напряжения с состава ОГ с недостатком воздуха ( a a > 1) указывает на то, что процесс восстановления закончен (отсутствие СО).

Чтобы и при холодном пуске достичь значительного сокращения уровня содержания NO_x , можно применить систему 2 электрического подогрева ОГ.

В процессе очистки ОГ по принципу SCR ( Selective Catalytic Reduction , т. е. селективное каталитическое восстановление) в ОГ очень точно добавляется восстановитель, например, раствор мочевины с концентрацией 32,5% по массе. В гидролизном нейтрализаторе из раствора мочевины добывается аммиак (рис. 3).

Рисунок 3 – Система выпуска отработавших газов с селективным каталитическим восстановлением:

1 – двигатель; 2 – датчик температуры; 3 – окислительный нейтрализатор; 4 – форсунка для впрыскивания восстановителя; 5 – датчик NO_X ; 6 – гидролизный нейтрализатор; 7 — нейтрализатор SCR ; 8 – заграждающий нейтрализатор NH ₃ ; 9 – датчик NH ₃ ; 10 – блок управления работой двигателя; 11 – насос восстановителя; 12 – бак для восстановителя; 13 – датчик уровня восстановителя

Аммиак реагирует в нейтрализаторе SCR с NO_x , в результате чего образуются азот и вода. Современные нейтрализаторы SCR могут исполнять функции гидролизного нейтрализатора так, что последний становится не нужен.

Окислительный нейтрализатор перед добавлением восстановителя увеличивает эффективность системы. Окислительный нейтрализатор (заграждающий нейтрализатор NH ₃ ),установленный за нейтрализатором SCR , предотвращает возможный выброс NH ₃ .

Благодаря высокой степени снижения NO_x возможна регулировка двигателя, оптимальная по расходу топлива. Таким образом, с этой системой можно сэкономить до 10% топлива.

Для соблюдения будущих норм состава ОГ для многих дизельных автомобилей необходимо будет наличие систем очистки ОГ, которые делают возможным как фильтрацию твердых частиц, так и максимально эффективное снижение уровня эмиссии NO_x . Такие системы называются четырехкомпонентными, поскольку наряду с NO_x и твердыми частицами они снижают также содержание СН и СО.

Комбинация систем требует эффективного управления работой дизеля. К настоящему времени разработаны комбинации накопительного нейтрализатора NO_x и фильтра твердых частиц, а также нейтрализатора SCR и фильтра твердых частиц.

Пример комбинированной системы

Сажа непрерывно окисляется фильтром с каталитическим покрытием ( CDPF ), установленная далее система SCR снижает уровень эмиссии NO_x . Добавка восстановителя осуществляется в зависимости от режима и температуры или от концентрации NО_х в ОГ перед нейтрализатором. За функционированием комплексной системы наблюдают газовые датчики ( NO _х и/или NH ₃ ) и датчики температуры.

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).

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.