Системы снижения токсичности отработавших газов.

1. Управление дозированием топлива. Контроль над составом смеси осуществляют системы управления подачей топлива. При коэффициенте избытка воздуха λ=0,9 двигатель работает с максимальной мощностью и крутящим моментом. Оптимальная экономичность и минимальные выбросы CO и CH достигаются при работе на смесях с коэффициентом λ=1,1. Однако содержание в отработавших газах оксидов азота при этом оказываются максимальными. Для работы двигателя в режиме холостого хода состав смеси должен характеризоваться коэффициентом λ=0,9 – 1,05.

Режим принудительного холостого хода (торможение двигателем) позволяет полностью отключить подачу топлива в цилиндры. Выбросы токсичных веществ будут отсутствовать.

2. Рециркуляция отработавших газов. Направление части отработавших газов обратно в камеру сгорания (рециркуляция) применяется для уменьшения температуры сгорания смеси с целью снижения образования оксидов азота и расхода топлива. Однако при этом снижается и мощность двигателя.

Рециркуляция отработавших газов (система EGR) реализуется двумя способами: 1) внутренней рециркуляцией, обеспечиваемой управлением фазами газораспределения, и в первую очередь перекрытием клапанов; 2) внешней рециркуляцией, при которой отработавшие газы забираются на выходе из выпускного коллектора и через систему клапанов направляются обратно в камеру сгорания.

3. Вентиляция картера двигателя. Так как токсичность картерных газов многократно выше отработавших, их выпуск в атмосферу запрещён. При работе двигателя картерные газы, системой вентиляции картера, перепускаются во впускной тракт двигателя, где смешиваются с рабочими газами и на такте впуска поступают в цилиндр для последующего дожигания.

4. Термическое дожигание отработавших газов. Термиче­ский реактор представляет собой теплоизолированный объем со специ­альной организацией течения отходящих газов, устанавливаемый в вы­пускной системе двигателя и осуществляющий термическое доокисление токсичных компонентов за счет собственного тепла отходящих газов. Термическая нейтрализация не зависит от вида сжигаемого топлива, наличия присадок и позволяет использовать в двигателях этилирован­ный бензин. Повысить температуру отработавших газов в реакторе можно, уменьшив теплопотери применением проставок-экранов, тепло­изоляцией корпуса реактора, использованием тепла реакции окисле­ния, а также кратковременным уменьшением угла опережения зажига­ния. Реакторы особенно эффективны на режимах богатой смеси при больших нагрузках, не выходят из строя со временем, однако не дают полного окисления СО и СН и не восстанавливают NO_x, поэтому приме­няются как дополнительные устройства перед каталитическим нейтра­лизатором.

5. Поглощение токсичных компонентов жидкостью в жидкостных ней­трализаторах. Этот способ не получил широкого распространения из-за малой эффективности и необходимости частой замены жидкости.

6. Каталитическое дожигание. Дожигание компонентов отработавших газов происходит в специальном приборе – каталитическом нейтрализаторе. Нейтрализатор монтируется в системе выпуска отработавших газов и размещается под днищем автомобиля. В корпусе нейтрализатора имеется керамический блок на который наносится покрытие из каталитического материала (металлы – Pt, Rh, Rd). Нейтрализаторы окислительного типа осуществляют окисление CO и CH за счёт остаточного кислорода в обеднённых смесях или подачи в систему дополнительного воздуха. Нейтрализаторы восстановительного типа восстанавливают NОx до безвредного азота.

Двухкомпонентные нейтрализаторы объединяют в себе нейтрализаторы окислительного и восстановительного типов. Трёхкомпонентные нейтрализаторы (селективные каталитические нейтрализаторы) с λ – зондом на сегодняшний день являются наиболее распространённой и эффективной системой очистки отработавших газов. Кислородный датчик (λ – зонд) данной системы используется для расчёта соотношения воздуха и топлива в горючей смеси.

Так назы­ваемый лямбда-зонд (на Западе принято обозначать греческой буквой λ так называемый коэффициент избытка воздуха, то есть отношение стехиометрического состава смеси к текущему) вступает с раска­ленными выхлопными газами в электрохимическую реакцию и выдает сигнал, уровень кото­рого зависит от количества кислорода в вы­хлопе.

Если кислорода осталось много — значит, смесь слишком бедная, если мало — богатая. А по результатам мгновенного анализа, которым занимается электроника, можно быстро корректировать состав смеси в ту или иную сторону. Напряжение на выходе кислородного датчика при­нимает два уровня. Если смесь бедная, то низковольтный сигнал дает команду на обогащение топливной смеси, и наоборот.

Таким образом, датчик кислорода - это своеобразный переключатель, сообщающий кон­троллеру впрыска о концентрации кислорода в отработавших газах. Контроллер принимает сигнал с лямбда-зонда, сравнивает его со зна­чением, прошитым в его памяти и, если сигнал отличается от оптимального для теку­щего режима, корректирует длительность впры­ска топлива в ту или иную сторону.

Таким об­разом, осуществляется обратная связь с кон­троллером впрыска и точная подстройка режи­мов работы двигателя под текущую ситуацию с достижением максимальной экономии топлива и минимизацией вредных выбросов.

Нейтрализация отработавших газов в выпускной системе дизель­ных двигателей

1. Сажевые фильтры

Фильтрующий элемент состоит, как правило, из керамической (кар­бид кремния) микропористой губки. Толщина стенок между ее каналами не превышает 0,4 мм, так что фильтрующая поверхность очень большая. Иногда эту «губку» делают из сверхтонкого стального волокна, также покрытого но­вым катализатором. Набивка настолько плотная, что задер­живает до 80% частиц размером 20-100 нм.

Новые фильтры стали ак­тивно участвовать в управле­нии работой двигателя. Ведь режим обогащения включается по сигналу от датчиков давле­ния, установленных на входе и выходе фильтра. Когда раз­ность показаний становится значительной, компьютер вос­принимает это как признак за­купоренности «губки» сажей. А выжигание контролируют с по­мощью датчика температуры.

2. Система DRNR

"Тойота" разработала свою, не менее эффективную систему очи­стки, названную DPNR. Она одно­временно обезвреживает и канцероген­ные частицы сажи, и про­сто вредные окислы азота (о СН и СО сегодня говорить уже стыдно – прой­денный этап). Главную роль играет новый микропористый керамический фильтр, покрытый слоем накапливаю­щего азот материала и катализатором на ос­нове платины. Во время работы дви­гателя на бед­ной смеси частицы сажи окисляются атомарным кисло­родом, освобождаю­щимся при соединении NO и О₂ из выхлопных газов в процессе накопле­ния NO₂.

Периодически, когда компьютер кратковременно обогащает смесь, эти частицы окисляются кислородом, возникающим теперь уже при раз­ложении накопленных окислов в безвредный азот.

DPNR показала снижение содержания сажи и NO_x на 80% по срав­нению с действующими сегодня нормами, но применима лишь для дизелей последнего поколения, работающих с системой "коммон рейл" высокого давления на топливе с пониженным содержанием серы.

3. Система SCR

Принцип действия системы SCR (Selective Catalytic Reduction, что можно перевести как «селектив­ный каталитический преобразователь») заключается в химической реакции аммиака с окисью азота выхлопных газов, в результате кото­рой образуются безвредный азот и водяной пар. Селективный преобразователь состоит из двух основных узлов: непосредственно каталитического нейтрализатора с сотовой структу­рой, вмонтированного в глушитель автомобиля, и дополнительного бака под аммиачный заменитель AdBlue. Так что установка системы SCR на автомобили с моторами Евро 3 не потребует кардинального из­менения их конструкции.

Средний расход «голубой» жидкости – около 6% от потребляемого автомобилем дизтоплива: например, для магистрального тягача он со­ставляет около 2 л на 100 км. Таким образом, 100-литрового бака с AdBlue хватит на 5000 км пути.

Двигатель оснащается дополнительным модулем, совмещенным с электронной системой управления мотором, который точно дозирует количество жидкости AdBlue, подаваемой в выпускной коллектор.

Но это еще не все. Очень важно, что моторы с системой SCR су­щественно экономичнее: например, на дальнобойных грузовиках расхо­дуется на 30% меньше топлива. А чем выше экономия – тем меньше со­держание вредных веществ в выхлопных газах.