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.

В раздел «Автосервис — устройство, ремонт, обслуживание и эксплуатация автомототехники»

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