Статья СИСТЕМЫ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ СОВРЕМЕННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Приложение № 1

СИСТЕМЫ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ СОВРЕМЕННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Ежегодно в атмосферу нашей планеты более 500 млн. автомобилей, самолетов и других транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) выбрасывают порядка 300 млн. т оксида углерода (СО), 60 млн. т углеводородов (C_nH_m), 30 млн. т оксидов азота (NO_x) [1]. Дальнейший рост урбанизации и огромное увеличение парка транспортных средств с ДВС порождает опасность загрязнения воздушного бассейна, в первую очередь густонаселенных районов. Поэтому проблема охраны окружающей среды столь же важна, как обеспечение человечества продуктами питания или энергией. Она приобретает острый глобальный характер, привлекая внимание мировой общественности, государственных органов, международных организаций.

Целью данного исследования является анализ составных компонентов отработавших газов двигателей внутреннего сгорания автомобилей на предмет их токсичности, влияния на окружающую среду и способов снижения их выбросов.

Известно, что одним из основных методов обезвреживания ОГ ДВС автомобилей является их каталитическая нейтрализация, осуществляемая путем пропускания ОГ через каталитический нейтрализатор (КН). В настоящее время в большей части применяются окислительновосстановительные КН, обеспечивающие нейтрализацию одновременно по трем компонентам - СО, C_nH_m, NO_x.

Нами исследованы методы снижения токсичности отработавших

газов.

Для уменьшения вредных выбросов оксидов азота и была создана EGR (Exhaust Gas Recirculation) - система рециркуляции выхлопных газов. Она не предназначена для улучшения технических характеристик мотора, а устанавливается исключительно из экологических соображений. Идея заключается в том, чтобы на определенных режимах работы двигателя подавать некоторую часть отработанных газов из выпускного коллектора во впускной.

Повышенное содержание окислов азота в выбросах ДВС вызывается высокой температурой в камере сгорания. Катализатором реакции горения является кислород: чем больше кислорода - тем выше температура. А если подмешать к воздуху выхлопные газы, то содержание кислорода в нем уменьшится. В результате температура сгорания смеси и, соответственно, токсичность выхлопных газов понижаются. EGR устанавливается и на бензиновые (кроме турбированных), и на дизельные двигатели.

За счет избытка воздуха в дизеле образуется большее количество оксидов азота. Кроме улучшения экологических показателей (выброс NO_x снижается до 50%), имеются еще некоторые «побочные» положительные последствия.

5

Приложение 1 газета «Экомир» № 17-18 (80-81), 2014

В бензиновых моторах порция выхлопных газов, снижая разряжение во впускном коллекторе, уменьшает насосные потери, что способствует снижению расхода топлива на 2-3%. Работа при пониженной температуре в бензиновых двигателях снижает риск возникновения детонации, а работа дизельных моторов становится более мягкой. Выброс сажи у дизелей с системой EGR уменьшается на 10%.

Измеритель массового расхода воздуха Датчик температуры воздуха на впуске

Основным элементом каталитического нейтрализатора является блок- носитель, который служит основанием для катализаторов. Блок-носитель изготавливается из специальной огнеупорной керамики. Конструктивно блок-носитель состоит из множества продольных сот-ячеек, которые значительно увеличивают площадь соприкосновения с отработавшими газами.

На поверхность сот-ячеек тонким слоем наносятся вещества- катализаторы. В качестве таких веществ используются платина, палладий и родий. Катализаторы ускоряют протекание химических реакций в нейтрализаторе.

Платина и палладий относятся к окислительным катализаторам. Они способствуют окислению несгоревших углеводородов (СН) в водяной пар, оксида углерода (угарный газ, СО) в углекислый газ.

Родий является восстановительным катализатором. Он восстанавливает оксиды азота (NO_x) в безвредный азот.

В более новых системах применяются 2 нейтрализатора: первый

трехкомпонентный, выполняющий преобразование HC, СО и NOx, второй накопительный - способствует дополнительному уменьшению содержания №Эх.

Последней разработкой, применяемой для снижения содержания NO_x в отработавших газах является карбамид - специальный раствор, вступающий в реакцию с оксидами азота и восстанавливающий из них чистый азот. Примером такой системы служит система BlueTec.

6

Приложение 1 газета «Экомир» № 17-18 (80-81), 2014

Система выпуска отработавших газов дизельного двигателя. Сажевый фильтр.

Матрица сажевого фильтра представляет собою ячеистую структуру из керамики на базе карбида кремния. Керамическая матрица заключена в металлический корпус. Она пронизана множеством параллельно

расположенных каналов малого сеченья, закрытых попеременно с одной или другой стороны. Поэтому различают впускные и выпускные каналы, разделенные между собой фильтрующими стенками. Фильтрующие стенки состоят из пористого карбида кремния. Они покрыты смесью оксидов алюминия и церия, выполняющих функцию подложки для катализатора, в качестве которого используется благородный металл - платина. Катализатор - это вещество, которое способствует протеканию химической реакции, но само при этом не изменяется и новых соединений не образует.

Так как каналы фильтра закрыты попеременно со стороны впуска и выпуска, содержащие частицы сажи газы вынуждены проходить через пористые стенки из карбида кремния. При этом частицы сажи задерживаются во впускных каналах, а газ свободно проходит через поры стенок каналов.

Чтобы предотвратить чрезмерное повышение сопротивления фильтра и снижение его работоспособности, необходимо время от времени освобождать его от сажи. В процессе регенерации накопленные в фильтре частицы сажи выжигаются (окисляются). Различают активную и пассивную регенерацию сажевого фильтра с каталитическим покрытием. Для водителя процесс регенерации протекает незаметно.

При пассивной регенерации выжигание сажи производится непрерывно и без специального вмешательства в управление двигателем. При расположении сажевого фильтра вблизи от двигателя температура поступающих в него газов может достигать, например, при движении на автомагистрали порядка 350-500°С. При этом протекают реакции, в результате которых частицы сажи взаимодействуют с диоксидом азота и превращаются в диоксид углерода. Этот многоступенчатый процесс протекает непрерывно над слоем платины, которая выполняет роль катализатора.

При активной регенерации частицы сажи выжигаются в условиях высоких температур, получаемых в результате направленного управления

7

Приложение 1 газета «Экомир» № 17-18 (80-81), 2014

двигателем. Для эксплуатации автомобиля в городе характерны небольшие нагрузки двигателя, а соответствующие им невысокие температуры ОГ не обеспечивают пассивную регенерацию сажевого фильтра. При этом частицы сажи не удаляются из фильтра и забивают его каналы. При скоплении в фильтре определенного количества сажи запускается процесс его активной регенерации, протекающий по командам системы управления двигателем. Процесс активной регенерации длится приблизительно 10 минут. При этом температура ОГ повышается до 600-650°C, что достаточно для окисления сажи до диоксида углерода.

Благодаря стремительному развитию науки и промышленности, рассмотренные системы снижения токсичности отработавших газов, в настоящее время, и в ближайшие годы будут оставаться конкурентоспособными, в плане допустимого количества выброса вредных веществ, стоимости производства и эксплуатации, относительно двигателей, работающих на альтернативных видах топлива.

Рассмотренные выше системы удовлетворяют самым жестким требованиям по выбросу веществ стандарта ЕВРО 5, а в будущем и ЕВРО 6. Следует отметить, что исправность, надежность и долговечность работы данных систем во многом зависит от высококвалифицированного технического обслуживания и ремонта. Именно поэтому в нашем колледже уделяется серьезное внимание изучению экологических проблем на автомобильном транспорте. Мы готовим высококлассных специалистов, способных с глубоким пониманием дела и ответственностью решать проблемы, направленные на снижение токсичности и повышение эксплуатационной экономичности автомобильных ДВС, которые так важны для решения проблемы защиты окружающей среды от загрязнения.

Библиография.

1. Шапошников Ю.А. Методология повышения экологической безопасности двигателей автотранспортных средств в условиях эксплуатации: Диссертация д-ра техн. наук: Барнаул, 2006 г.

2. viamobile.ru

3. systemsauto.ru

4. avtonov.svoi.rnfo

5. auto-remont.at.ua

6. axela-mazda.narod.ru

7. truck-pro.ru

8. auto-profi.com.ua

Надрова И.В., заместитель директора ГБПОУ КАТ № 9

8

Приложение 1 газета «Экомир» № 17-18 (80-81), 2014