Снижение токсичности ОГ двигателей с искровым зажиганием

Для снижения токсичности ОГ используется большое количество различных мероприятий, включая применение специальных антитоксичных устройств и целых систем. Выбор той или иной стратегии зависит от уровня токсичности ОГ, который требуется обеспечить. Другими словами, все зависит от законодательных норм на допустимые выбросы токсичных веществ, которые необходимо выполнить.

1. Совершенствование систем топливоподачи и зажигания.

Определяющее влияние на состав ОГ оказывает состав смеси, характеризуемый коэффициентом избытка воздуха (α) (см. п. 2.7).

Рециркуляция осуществляется посредством перепуска отработавших газов из системы выпуска во впускную систему (рис.3.3). В двигателях с переменными фазами газораспределения при раннем закрытии выпускного клапана больше отработавших газов остаётся в цилиндре, благодаря чему обеспечивается так называемая “внутренняя рециркуляция”. В результате этого для получения требуемой мощности необходимо сильнее открыть дроссельную заслонку, то есть возрастает масса рабочей смеси (с соответствующим увеличением ее теплоемкости), что обусловливает уменьшение температуры сгорания, а значит и уменьшение образования оксида азота. Следовательно, рециркуляция ОГ используется для уменьшения выбросов NOx.

Рис.19 — Схема системы рециркуляции ОГ:

1 — электронный блок управления; 2— датчик положения дроссельной заслонки; З— клапан рециркуляции с электроприводом; 4- λ — зонд (индикатор состава смеси); 5– нейтрализатор

При рециркуляции несколько уменьшаются насосные потери в процессе впуска, что создает предпосылки для улучшения топливной экономичности двигателя. Кроме того, при рециркуляции снижаются потери на диссоциацию и теплоотдачу, а термический кпд цикла воз растает (из-за снижения удельной теплоемкости вследствие уменьшения температуры и соответствующего увеличения показателя адиабаты продуктов сгорания).

С другой стороны, по мере увеличения рециркуляции ОГ затягивается процесс тепловыделения, усиливается невоспроизводимость последовательных циклов и возрастает выброс СН.

Вследствие совместного действия перечисленных факторов с ростом рециркуляции ОГ экономичность двигателя сначала несколько улучшается, а затем ухудшается, что и ограничивает целесообразную степень рециркуляции R_с.

где М_R, М_Т, М_В — масса рециркулирующих газов, топлива и воздуха, соответственно.

Практика показала, что при R_с =15. 20% уменьшение выброса может достигать б0. 80% (рис.20).

Рис.20 — Влияние степени рециркуляции на выброс NОх и СН

Ухудшение топливной экономичности наблюдается обычно при Е > 10%. При этом в двигателях с быстрым сгоранием увеличение gе начинается при больших значениях Rc.

Чтобы избежать значительного увеличения де И выброса СН, обычно Rc не превышает 20%.

В зависимости от нагрузки двигателя оптимальную степень рециркуляции необходимо изменять: с увеличением нагрузки возрастает максимальная температура цикла и обедняется горючая смесь, поэтому R_с — следует увеличивать.

При полном открытии дроссельной заслонки рециркуляция ОГ не позволит получить максимальную мощность, поэтому целесообразно на этих режимах обеспечить R_с = О.

Изменение R_с в зависимости от нагрузки осуществляется специальным клапаном рециркуляции. В простейшем варианте клапан рециркуляции представляет собой дозатор мембранного типа.

2. Нейтрализация ОГ.

Многочисленные работы показали, что улучшение процесса сгорания, оптимизация управления составом смеси и углом опережения зажигания не позволяют снизить токсичность ОГ, образующихся в цилиндре двигателя, до уровня, который обеспечил бы выполнение норм Евро II.

В связи с этим для снижения выбросов токсичных веществ широко используется специальная обработка (нейтрализация) отработавших газов в выпускной системе двигателя. Устройства, предназначенные для обработки ОГ, называются нейтрализаторами.

Сейчас используются нейтрализаторы двух типов: каталитические и термические. В первых процессы нейтрализации интенсифицируются за счет применения катализаторов, а во вторых — за счет высокой температуры с

1) Окислительные каталитические нейтрализаторы

Эти нейтрализаторы предназначены для окисления СО и СН:

Чтобы эти реакции успели завершиться за короткое время, в течение которого ОГ проходят через нейтрализатор, в последнем необходимо создать окислительную среду и поддерживать температуру в пределах 250 . 800 0 С.При t 0 С эффективность катализатора невелика, а при t>1000 0 Снаступает дезактивация нейтрализатора в результате спекания мелких кристаллов платины, что приводит к разрушению участков платиновой поверхности. Дезактивация катализатора особенно велика в течение первых 20 тыс. км. пробега, а далее до 80 тыс. км пробега она, как правило, мала. Особенно быстро дезактивация наступает при использовании этилированного бензина, поэтому работа на нем недопустима. При эксплуатации температура в нейтрализаторе находится в пределах 400.. .600 0 С, для чего его располагают вблизи выпускного коллектора.

Катализаторы, используемые для ускорения окисления СО и СН, обычно содержит 1..2 г платины и палладия. Каталитическое превращение СО при t>400 0 C может достигать 95. 99%.

Углеводороды можно разделить на быстро и медленно сгорающие. К последним относятся предельные углеводороды малой молекулярной массы и, в первую очередь, метан. Если быстро сгорающие углеводороды окисляются примерно на 95%, то метановые углеводороды окисляются приблизительно на 10.. .70%. Окисление медленно сгорающих углеводородов достигается в основном вследствие действия платины.

Что же касается палладия, то он особенно активен при окислении СО и быстро сгорающих углеводородов.

2) Трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы

Для нейтрализации образующегося в процессе сгорания смеси оксида азота NO используются реакции его восстановления до азота N₂и аммиака NН₃. В качестве восстановителей используются находящиеся в ОГ СО, СН и Н₂. При работе двигателя на стехиометрической смеси (α=1) основным продуктом восстановления NO является N₂, а на богатых смесях больше образуется NН₃.

Для того, чтобы после восстановления NО образовывалось больше N₂и меньше NН₃ катализатор помимо платины должен содержать родий (Rh). Соотношение в катализаторах количества Рt и Rh близко к 5, а в некоторых случаях достигает 12. Ряд фирм для снижения стоимости нейтрализатора применяют триметаллический катализатор: платина, палладий, родий в соотношении 1:16:1 или 1:28:1. На один нейтрализатор расходуется от 1,5 до З г платины. Применение этилированного бензина при использовании системы с трехкомпонентным нейтрализатором недопустимо.

При восстановлении NO возможны следующие реакции:

Таким образом, при восстановлении NO одновременно происходит окисление СО и СН. Такой нейтрализатор называется трехкомпонентным или биофункциональным. т.е. восстановительным и окислительным.

Степень каталитического превращения различных газов в нейтрализаторе оценивают коэффициентом преобразования

где K_i – коэффициент преобразования i-го компенента;

C_iвх, C_iвых – концентрация этого компонента на входе и на выходе из нейтрализатора соответственно.

3) Снижение выброса СН при пуске и прогреве двигателя

При использовании каталитических нейтрализаторов дальнейшее снижение выброса ГО может быть получено путем применения рециркуляции, а уменьшение выброса СО — путем исключения режимов работы на богатых смесях.
Сложнее обеспечить выполнение перспективных норм на выброс СН. В первую очередь это связано с большой эмиссией СН на режимах пуска и прогрева. Например, современный двигатель с каталитическим трехкомпонентным нейтрализатором при испытаниях по американскому циклу в течение первых 100 с выбрасывает примерно 80% СН от общего количества (за все испытание). Это количество СН превосходит весь разрешенный выброс по нормам ТLЕV, LЕV или ULЕV. По нормам Евро III полагается начинать отбор газов для анализа сразу после запуска двигателя, т.е. без предварительного прогрева в течение 40 с.

В первой фазе испытаний по циклу ЕСЕ+ЕUDС каталитический нейтрализатор в течение первых 100-120 с не работает, так как температура в нем недостаточно высока, кроме того, двигатель в это время работает на обогащенных смесях и в ОГ нет кислорода, необходимого для окисления СН в нейтрализаторе.

Такие известные способы уменьшения образования СН в цилиндре, как, например, уменьшение защемленных объемов, увеличение S/D, повышение температуры в системе охлаждения, оптимизация смесеобразования и скорости сгорания при несколько пониженной степени сжатия недостаточны для решения этой проблемы.

Поэтому все большее значение приобретает использование “воздушных” форсунок, улучшающих распыливание бензина на малых нагрузках путём использования для этого энергии просасываемого через них добавлением к ОГ воздуха.

атмосферного воздуха, и различных методов ускоренного прогрева нейтрализатора, а также подачи воздуха в поток ОГ до нейтрализатора с помощью специального насоса с электрическим приводом.

Ускоренный прогрев нейтрализатора достигается путем его установки ближе к двигателю, термоизоляцией системы выпуска между выпускным клапаном и нейтрализатором электрическим подогревом нейтрализатора подогревом нейтрализатора путем сжигания перед ним топлива в горелке, уменьшением опережения зажигания с целью увеличения температуры ОГ.

4) Термические нейтрализаторы

Термический нейтрализатор представляет собой реакционную камеру, в которой при высокой температуре (порядка 900 0 С) происходит окисление СО и СН. Если двигатель работает на обогащенной смеси, то требуется подача воздуха перед нейтрализатором с помощью довольно мощного компрессора. Топливная экономичность двигателя в этом случае будет невысокой.

При использовании термического нейтрализатора для двигателя, работающего на обедненных смесях, не требуется применение воздушного компрессора. Однако в этом случае возникает проблема поддержания достаточной температуры в реакторе.

3. Перспективные методы снижения токсичности ОГ двигателей с искровым зажиганием.

Необходимость поиска новых методов снижения токсичности ОГ связана с двумя основными задачами: выполнение жестких перспективных норм (Евро IV, ULEV), повышение топливной экономичности двигателя. Из известных способов с этой целью предполагается использовать: каталитический нейтрализатор, стартовый нейтрализатор и быстродействующий клапан рециркуляции. Однако этого далеко недостаточно, поэтому широким фронтом ведётся поиск новых путей.

1) Новые топлива

В настоящее время автомобильные двигатели с искровым зажиганием работают на бензине, сжатом и сжиженном газах. Ближайшие перспективы связаны с улучшением свойств бензина оказывающих влияние на токсичность ОГ. Это относится к уменьшению содержания в бензине свинца, серы и ароматических углеводородов (для снижения выброса канцерогенных веществ). Сравнительные испытания автомобилей при использовании двух бензинов — стандартного и модифицированного показали, что при использовании последнего снизились выбросы: СН на 10%, СО на 20% и NOx на 33%.

2) Расслоение смеси. Двигатели с впрыскиванием бензина в цилиндр.

Теоретически при расслоении заряда в двигателях с искровым зажиганием можно осуществить качественное регулирование нагрузки
(изменение нагрузки только за счёт изменения состава смеси). Отказ
дросселирования двигателя позволит значительно уменьшить насосные потери (потери на газообмен), которые на холостом ходу примерно в 5 раз

больше, чем при полной нагрузке. Кроме того, при дросселировании из-за значительного ослабления турбулентности и увеличения концентрации в заряде остаточных газов уменьшаются скорость и полнота сгорания.

3) Использование бедных смесей. Отключение части цилиндров.

В настоящее время многие фирмы уже широко используют управление интенсивностью движения заряда в цилиндре в сочетании с увеличением степени сжатия и мощности электрической искры, что дает возможность эффективно сжигать смеси, обедненные до α = 1,5…1,7. Выброс NOx при работе с большим обеднением смеси становится малым, а борьба с выбросами СН и СО ведется с помощью окислительного нейтрализатора.

4) Адсорбционно-каталитический нейтрализатор.

Многие фирмы большие надежды связывают с применением нового нейтрализатора адсорбционно-каталитического типа (DENOX). Этот нейтрализатор рассчитан на то, что двигатель будет работать как на бедных смесях, так и при α≤1,0.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Снижение токсичности отработавших газов двигателей с зажиганием от искры

Состав смеси. При эксплуатации автомобилей важно под­держивать правильные регулировки карбюратора, аппаратуры впрыскивания бензина, газового редуктора, так как состав смеси оказывает очень большое влияние на токсичность ОГ.

Как следует из рис.54, при a 1,05 — 1,10 в результате падения температуры сгорания образование NO_х умень­шается.

При работе на сжатом или сжиженном газовом топливе кривые СО и СН близки, а кривые NO_х сильно различаются. Для сжатого газа концентрация NO_х примерно в два раза меньше, чем для бензина, а вся кривая смещается в зону более бедных смесей.

На режиме холостого хода состав смеси существенно влияет не только на концентрацию в ОГ токсичных СО и СН. Одновременно от а сильно зависит и стабильность работы двигателя, в частности его колебания на подвеске. При чрезмерном обеднении; смеси возрастает концентрация СН и увеличиваются колебания двигателя на подвеске.

Угол опережения зажигания. Вблизи его оптимального значения (с точки зрения экономичности работы двигателя) он почти не влияет на концентрацию СО и СН, однако с ростом угла опере­жения зажигания концентрация NO_х возрастает, особенно замет­но при a > 1,0.

Отступление от рекомендуемых для данного двигателя углов опережения зажигания в сторону более поздних способствует снижению выбросов оксидов азота, но при этом одновременно ухудшаются и экономические показатели. Работа с чрезмерно ранним зажиганием недопустима, так как при этом увеличивается выброс NO_х и ухудшаются другие показатели.

Рециркуляция отработавших газов. Если часть ОГ из системы выпуска направить во впускной трубопровод, то концентрация топлива в заряде уменьшается. Это вместе с относительно высокой теплоемкостью ОГ приводит к понижению максимальной температуры цикла и концентрации кислорода в заряде, а значит, способствует уменьшению образования оксидов азота и понижает их концентрацию в ОГ на 40 — 50%. Опыты показывают, что для такого снижения концентрации NO_х во впускную систему необходимо подавать ОГ в количестве около 20% от количества воздуха.

Чрезмерно большая рециркуляция вызывает увеличение выбросов СН и заметное ухудшение топливной экономичности. Следовательно, рециркуляцию необходимо регулировать в зависимости от нагрузки двигателя, для чего служит специальный дозатор ОГ.

Рециркуляция ОГ более эффективна на режимах средних нагрузок, когда максимальная температура при сгорании смеси достаточно высока и в заряде имеется избыток кислорода. При полном открытии дроссельной заслонки рециркуляция не используется, так как она снижает мощность двигателя. На холостом ходу и при малых нагрузках рециркуляция также не используется, поскольку в ней нет необходимости.

В карбюраторных двигателях ОГ подаются во впускной трубопровод за дроссельной заслонкой, чтобы не нарушать дозирования смеси и избегать образования в карбюраторе отложений.

Нейтрализация отработавших газов — радикальный способ уменьшения токсичности ОГ. Для автомобильных двигателей наибольшее применение получили каталитические нейтрализаторы, в которых специальные вещества (катализаторы) ускоряют протекание реакций окисления СО и СН, а также восстановления NO_х.

Нейтрализатор (рис.55) с корпусом из нержавеющей стали устанавливают в системе выпуска между впускным коллекто­ром и глушителем. В качестве катализатора, наносимого тонким слоем на так называемый носитель, как правило, используются благородные металлы (платина, палладий, родий и др.). Если нейтрализатор предназначен только для окисления СО и СН до СО₂ и Н₂O, то его называют окислительным. Необходимый для окисления СО и СН кислород подается на вход в нейтрализатор с воздухом специальным насосом или эжектором. Таким образом, в нейтрализатор отработавшие газы поступают вместе с добавкой воздуха.

Каталитический нейтрализатор, применяемый для нейтрализации трех компонентов (СО, СН и NO_х), называют трехкомпонентным или бифункциональным: его эффективность сильно зависит от состава смеси, на которой работает двигатель. На рис.56 показано изменение степени преобразования К_i токсичных компонентов ОГ от состава смеси:

где С_i и С’_i — соответственно концентрации i-го компонента на входе и на выходе из нейтрализатора.

Существует очень узкий диапазон составов смеси вблизи a = 1,0, когда имеет место высокая степень преобразования одновре­менно всех трех основных токсических компонентов, т.е. когда количество кислорода, освобождающегося при восстановлении NO_х, достаточно для окисления СО и СН.

Поддержание состава смеси в таком узком диапазоне возможно только при применении систем впрыскивания топлива с электронным управлением[1] по сигналу кислородного датчика (l-зонд), характеристика которого показана на рис.57. Как видно, в требуемом диапазоне состава смеси сигнал датчика изменяется почти ступенчато, что позволяет электронному блоку управления впрыскиванием бензина поддерживать состав смеси при a = 1,0 с точностью ±1%.

Принципиальная схема управления топливоподачей в двигателе с трехкомпонентным нейтрализатором показана на рис.58.

Если в системе выпуска установлен каталитический нейт­рализатор, то использование этилированного бензина недопустимо, так как свинец очень быстро выводит катализатор из строя, т.е. нейтрализатор перестает выполнять свои функции.