Глава 13 система выпуска

1. СИСТЕМА ОТВОДА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ

Система выпуска предназначена для отвода отработавших газов (ОГ). При ее конструировании учитывается также необходимость снижения токсичности и шума процесса выпуска. Кроме того, в си­стеме могут быть размещены некоторые дополнительные устрой­ства, такие, как моторный тормоз, система эжекции воздухоочисти­теля, сажеуловитель, искрогаситель и др.

Система выпуска должна оказывать минимальное сопротивле­ние движущемуся потоку отработавших газов, не затруднять очист­ку цилиндров при взаимном перекрытии тактов выпуска. Объем системы выпускных трубопроводов должен быть минимальным, с тем чтобы снизить влияние инерционности движущейся массы отработавшего газа и увеличить импульс давления выпуска. От­дельные устройства системы выпуска связаны трубопроводами раз­личного диаметра, сопротивление которых потоку отработавших газов должно быть минимальным. Пульсирующий поток отработа­вших газов движется через систему выпуска с высокими скоростями, с постоянным понижением температуры и переменным сопротивле­нием потоку.

Выбор оптимального диаметра выпускного трубопровода про­изводится в процессе доводки системы выпуска с учетом различ­ных агрегатов, устанавливаемых на линии выпуска, гидродинами­ческое сопротивление которых различно, но нормируется отрас­левыми стандартами. Так, например, каталитический нейтрализа­тор для двигателя с V_h до 1,8 л не может иметь гидродинамиче­ское сопротивление более 250 мм вод. с г. Место расположения нейтрализатора и отдельных элементов шумоглушения ведется с учетом колебательных явлений пульсирующего потока выхлопных газов.

Расчет системы выпуска и системы шумоглушения должен учи­тывать динамический режим их работы.

К системе выпуска предъявляются достаточно жесткие тре­бования по надежности и долговечности. Система работает при больших термических нагрузках и со значительным перепадом

355

температур. Система выпуска современного бензинового двигателя с турбонаддувом представлена на рис. 13.1. В системе размещаются клапаны перепуска отработавших газов, которые изменяют режимы работы турбины.

Система выпуска высокооборотных двигателеЁ для повышения эффективности работы включает в себя приемные трубы, которые подбираются по длине и соединяются в определенном порядке (рис. 13.2).

Рис. 13.1. Система выхлопа бензинового двигателя с турбонаддувом:

1 — радиатор для охлаждения наддувочного воздуха; 2 — клапан перепуска наддувочного воздуха; 3 — поток воздуха; 4 — воздушный фильтр; S — компрессор; б — турбина; 7 — поток отработавших газов; 8 — перепускной канал; 9 — возвратный воздушный канал; 10 — перепуск­ной клапан отработавших газов; 11 — дроссельные заслонки

356

Моторный тормоз состоит из заслонки, перекрывающей поток ОГ из двигателя и приводимой в действие системой рычагов или соленоидом с управлением от педали тормоза. Одновременно прекращается подача топлива в цилиндры двигателя, чго переводит двигатель в режим работы компрессора. В результате затрат энергии на прокручивание двигателя эффективность торможения автомобиля резко возрастает.

Искрогаситель расположен в последней камере глушителя шума выпуска или на конце выхлопной трубы. Наличие искрогасителя для ряда транспортных и специальных двигателей является обязатель­ным. Транспортные средства без искрогасителей не допускаются к эксплуатации в зоны категории А, например нефтяные базы, зоны, содержащие такие взрывоопасные вещества, как древесная и уголь­ная пыль.

Сельскохозяйственная и лесоповалочная техника с системами выхлопа без искрогасителей может быть причиной пожара в сухую погоду при уборке урожая злаковых культур, работе с сеном или в лесу.

Раскаленные частицы сажи, выбрасываемые системой выхлопа дизеля, или пламя при догорании топливовоздушной смеси быстро­ходного двигателя при пропуске зажигания или быстрой смене режима работы являются источником повышенной пожарной опас­ности. Устройства, расположенные в последней камере глушителя, как правило, являются механизмами, использующими центробеж­ный эффект потока газа. Раскаленные частицы отбрасываются вра­щающимся потоком газа на периферию камеры глушителя, а поток

5 786 1342

б

Рис. 13.2. Выхлопная система спортивного двигателя (порядок работы цилйндров: 1 — 5—3 — 7 - 4—8 —2 —6)

357

отработавших газов отводится через выхлопную трубу, располо­женную центрально. В некоторых случаях в концевой трубе на выходе из глушителя устанавливается металлическая сетка, удерживающая на своей поверхности раскаленные частицы сажи. К системам искрогашения предъявляются жесткие требования — 100%-ная гарантия отсутствия искр при любом режиме работы двигателя. Испытания эффективности работы искрогасителей и пла­мегасителей проводится по стандартам: для малых двигателей — SAE J 350в, для средних — SAE J 350 и для дизелей мощностью более 350 кВт — по стандарту SAE J 342.

Выхлопные трубы изготовляются из легированных материалов, которые стойки к коррозии и термошоку. Автомобильная промыш­ленность и двигателестроение в некоторых случаях для изоляции выпускной системы от вибрации дополнительных термических на­грузок и компенсации теплового расширения используют метал­лические гибкие рукава (рис. 13.3).

Процесс выпуска ОГ является наиболее интенсивным источни­ком шума ДВС. Мощность и спектральный состав акустического излучения процесса выпуска характеризуются высокими их значени­ями; основная доля акустической энергии при этом располагается

Рис. 13.3. Компенсационные элементы выпускной системы

3S8

в наиболее акустически неблагоприятной зоне спектра звуковых волн. Уровень звукового давления в приемной выхлопной трубе форсированного двигателя может достигать 180 дБ.

Процесс выпуска начинается в момент начала открытия выпуск- ного клапана во время свободного выпуска Ъ'Ъ (рис. 13.4) за 30...70⁰ до НМТ и характеризуется надкритическим истечением ОГ. Второй период bq продолжает процесс отвода ОГ после НМТ. Температура T_v и давление p_v в момент начала открытия клапана в значительной мере определяют характер акустического излучения при процессе выпуска. Максимальная мощность генерируется в период наиболь- шей турбулизации ОГ, когда градиент средней скорости в клапан- ной щели достигает наибольшей величины. Суммарная акустичес- кая мощность, излучаемая на участке выпуска bfq, определяется на основании постоянной Лайтхилла, которая пропорциональна вось- мой степени скорости газового потока.

Спектральный состав турбулентного шума газового потока определяется как статистическая величина. Суммарная его интен- сивность /_£ (Вт/м²) и спектральная плотность I/ связаны между собой соотношением

СО

h=^G(f)df-

о

Наиболее интенсивное излучение акустической энергии системой выпуска происходит на низких частотах; при этом звуковое поле формируется на больших расстояниях от клапана.

В начальный период выпуска струя ОГ распространяется в не- подвижной среде и не занимает все сечение вследствие сжатия струи, поэтому действительная скорость газа на коротком участке

за клапанной щелью может сущест- венно превышать скорость звука.

Третий период выпуска ОГ — qa'

(период выталкивания) — происхо- дит практически при постоянном да- влении в цилиндре. Интенсивность вихревого шума на этом участке пропорциональна шестой степени ско- рости потока (постоянная Е. Я. Юди- на).

Четвертый и пятый этапы выпус- ка — а’г и rb' — происходят в пе- риод перекрытия клапанов. Процесс шумообразования в этих зонах га-

Рис. 13.4. Индикаторная диаграмма с характерными участками шумо­образования при выпуске отработа­вших газов

359

зообмена определяется фазами газораспределения и в настоящее время изучен недостаточно.

Интенсивность акустического излучения в процессе газообмена определяется как параметрами рабочего процесса, так и особен­ностями конструкции ПДВС. В частности, на характеристики шума влияют плотность газа на выпуске р^, противодавление среды р^, в которую происходит истечение, и температура ОГ.

Суммарная акустическая мощность процесса выпуска W (Вт) определяется как

w=w_mjv_x+w^,

где W_m„ — мощность шума, возбуждаемого импульсом давления; W_z — мощность шума от обтекания элементов клапана; W^_v — мощность шума газовой струи.

2. ГЛУШИТЕЛИ ШУМА ВЫПУСКА

Система шумоглушения (рис. 13.5) состоит из двух или трех отдельных резонаторных или комбинированных глушителей для легковых автомобилей и моноблочного глушителя для грузовых. В легковых автомобилях в систему выпуска включается каталити­ческий нейтрализатор, характеристики которого учитываются при оценке заглушающих свойств всей системы. Сажевый фильтр, который устанавливается на дизеле, обычно компонуется с глуши­телем.

Развитие автомобильной электроники позволяет использовать для снижения шума выпуска полуактивные системы, в конструк­ции которых используются подвижные элементы, изменяющие геометрические размеры системы шумоглушения, а именно актив­ную длину выхлопной трубы. Это позволяет наилучшим образом согласовать заглушающие свойства системы с характером силово­го возбуждения колебаний в ней. Так, система шумоглушения с наибольшей длиной более эффективна на режимах малых частот вращения коленчатого вала двигателя, короткая — на высоких. В качестве подвижного элемента используются пневматический или электромагнитный клапан либо управляемая заслонка или золотник.

Применение полуактивной системы поволяет повысить эффек­тивность шумоглушения на 10 дБ на режимах малых частот враще­ния.

Работа более эффективной активной системы шумоглушения основана на принципе подавления шумового излучения акустичес­ким сигналом равнозначного спектрального состава, но поданного в противофазе. Работа такой системы требует значительных энерго- 360

Рис. 13.5. Глушители шума выпуска легкового автомобиля (а) и автобуса (б)

затрат, поэтому целесообразно использовать ее в зоне, где звуковые давления малы, т. е. ближе к хвостовой трубе. Система эффективно работает в широком дипазоне частот и позволяет добиться сниже­ния шума выпуска на 30...35 дБ.

Эффективность работы активной системы шумоглушения зави­сит от чувствительности и быстроты действия датчика и элект­ронного блока управления шумоподавляющей системой.

Трубы, соединяющие отдельные элементы системы выпуска для легковых автомобилей, к которым предъявляются белее жесткие требования по уровням акустического излучения, выполняются с двойными стенками.

Системы автомобилей высшего класса имеют специальное тер­мостойкое покрытие из синтетических смол с наполнителем, кото­рое защищает их от коррозийного и абразивного износов. Однако

361

расположение глушителя в системе выпуска не может быть произ­вольным, оно зависит от конструкции двигателя, расположения двигателя на автомобиле и допустимого сопротивления выпуску ОГ. Волна давления, перемещаясь по выпускному трубопроводу, падает на экран (глушитель), обладающий импедансом Z, и отража­ется. Отраженная от глушителя волна давления возбуждает колеба­тельный процесс в системе с узлами и пучностями давления, рас­положения которых в выпускной системе определяются частотой вращения коленчатого вала двигателя, тактностью и количеством цилиндров, подключенных к этой выхлопной трубе.

Выпускную систему двигателя внутреннего сгорания можно счи­тать трубой, открытой с одного конца и закрытой клапаном с дру­гого конца. Тогда для давления имеем

p=p₀sinkx=p₀(2v 4- 1)я/2/,

а собственная частота определится выражением /_л=(2v+1 )с/4/, от­куда /=(2v+l)A/4, где к=2паз — волновое число; ш=2nf—круго­вая частота; v — порядок гармоники; к — длина волны; / — часто­та; / — длина трубы.

Распространение давления по длине трубы для основного тона и обертона представлено на рис. 13.6.

Когда вход в камеру глушителя расположен в узле, т. е. в зоне наименьшего давления, отраженная волна имеет наименьшую амп­литуду и глушитель работает более эффективно по сравнению со случаем расположения его в пучности давления. Анализируя резуль­таты эксперимента перемещения глушителя по длине трубы, прове­денные на двигателе мощностью ISO кВт (табл. 13.1), видим, что вторая позиция наиболее эффективна по снижению шума и создает небольшое противодавление. Пятая позиция также заслуживает внимания. Это положение глушителя создает наименьшее проти-

Рис. 13.6. Колебания давления газа в трубе (в сечении х=0 труба имеет открытый конец, в сечении х=1 — закрытый):

1 — основной тон; 2 — первый тон; 3 — второй тон

362

водавление. Следует помнить, что изменение скоростного режима работы двигателя повлечет за собой изменение частоты вынужден­ных колебаний газа в трубопроводе и, как следствие, потребует изменения положения глушителя в системе.

Таблица 13.1

1« п/п	Длит выхлопной трубы до глушителя, мм	Длина концевой трубы, мм	Противо­ давление, бар	At, дБ (А)
1	1200	4800	0,95	13,0
2	2100	3900	0,71	16,5
3	3000	3000	0,83	7,5
4	3900	2100	1,01	10,5
5	4800	1200	0,73	13,5
6	5700	300	0,72	8,0

Расчет глушителей шума выпуска включает в себя три этапа: 1) определение характеристки источника шума; 2) расчет передаточ­ной функции систем выпуска; 3) определение излучения.

Основным содержанием расчета передаточной функции является определение амплитудно-частотных характеристик шумоглушащих элементов типа расширительных камер, резонаторов и звукопог­лощающих элементов.

В глушителях в основном используются элементы двух типов: 1) активные (диссипативные); 2) реактивные. Диссипативные эле­менты преобразуют акустическую энергию в тепловую за счет рассеяния энергии при перетекании ОГ через поры в волокнистых материалах.

Основную долю энергии, поглощаемую реактивными элемен­тами, составляют отражение волн и их интерференции.

Характеристики источников шума выпуска соотносятся с мас­совым расходом ОГ через систему, характеристика заглушения которой зависит от объема глушителя. Его объем определяется по основным параметрам двигателя:

V=K-y/l[i,

п

где К= 5 ■ 10³ — для тракторов; U=10* — для внедорожников; Ar=3,5'10⁴ — для грузовых автомобилей; АГ=5‘10⁴' — для легко­вых автомобилей.

Характеристика заглушения зависит от частоты пульсаций, сгла­живанию которых способствуют увеличение количества цилиндров и возрастание частоты вращения п. При частотах вращения выше 3000 мин^-1 объем глушителя мало сказывается на его характери­стике заглушения, что характерно для двигателя с количеством

363

цилиндров более четырех. При этом шум выхлопа в основном формируется потоком ОГ.

Геометрические размеры глушителей определяют исходя из воз­можного компоновочного пространства. При этом учитывают, что глушители минимального диаметра, как правило, выполняются по однотрубной прямоточной схеме с резонансными камерами.

В случае применения звукопоглощающей набивки возможно уменьшение длины резонансного глушителя, но невысокая эффек­тивность в низкочастотной области сохраняется. Для повышения величины заглушения необходимо применять многокамерный глу­шитель с увеличенным диаметром.

Отношение длины глушителя к его диаметру оказывает сущест­венное влияние на величину заглушения шума и на диапазон заглу­шаемых частот. Короткий глушитель большего диаметра дает большую величину заглушения, но в относительно узком диапазоне частот, в то время как глушитель с малым диаметром заглушает составляющие шума в более широком диапазоне частот, при этом уменьшается величина заглушения.

Комбинированные глушители представляют собой систему резо­нансных камер, в конструкции которых используются звукопог­лощающие материалы, такие, как стекловолокно, путанка (стальная проволока, спрессованная брикетами) и металлокерамика.

При расчете глушителей все элементы системы полагают одно­мерными. Простейшим одномерным элементом является труба по­стоянного диаметра с жесткими стенками. Параметры матрицы, описывающей акустические свойства простейшего одномерного эле­мента, определяются из рис. 13.7 как совокупность параметров прямых и отраженных волн:

/ _{ч r}x ik+x , — ik—x

p(x)=F е +р е ;

v(x)=—\р⁺е

рс

-Л+

%

гдер⁺,р~ — звуковое давление прямой и обратной волн соответст- венно; к=со/с — волновое число; со — круговая частота; М — чис- ло Маха; S — площадь поперечного сечения.

Для вычисления звукового давле- ния р (х) и объемной акустической ско- рости v (х) используют следующие ура- внения:

*=о

Рис. 13.7. Прямая труба

A=F COS

Ш

364

В=Fipc sin \

где

^с“^я*%(ггЬ)

^j>=jrcc,(i=b)

( Mkl\ . . / Mkl \ jF=cos( )—isinl ; J.

При расчете выпускная система делится на участки, на каждом из которых задается средняя температура, вычисляются параметры матрицы, а затем реализуется «сшивка» всех отрезков с использова­нием уравнения

ГА B1JA₄ вЛГа₂ в₂~\ Га_я вЛ 1с d\ [с, dJ|_c₂ dJ

Линеаризованные уравнения сохранения энергии, массы и коли­чества движения при постоянной температуре имеют следующий вид (рис. 13.8):

рс рс Др

Pi +— MiVi =Рг+~т М-р-! —,

S\ u2 ft—1

S\KIiP\ + pcv\=S₂Mjp+pcv2+S₂M₂Ap,

(S₂+S\Mi)pi + 2pcM\v_x=(Si + S₂Mi)p₂+2pcM₂v₂+S₂M₂Ap,

где Ap — необратимые потери давления.

Через импеданс ответвления Z выражается как

м.

pi

Vi

Р2

\Pi

^vl_

~М₂ Му

•Л

Л^г

-М-,

,cJ

М,

„Pi

j Pi.

v, ! v₂

-M-,

a 6 *

Рис. 13.8. Расчетная схема:

a — сужение канала; 6 — распшре&ие канала; в — боковое ответвление

365

где R и Х= apt' — соответственно активное и реактивное удельные акустические сопротивления горловины; S. — площадь поперечного сечения горловины; «_г — объем полости глушителя; t' — эффектив­ная длина горловины.

На средних и высоких частотах расчет по вышеприведенным формулам возможен и для труб малых диаметров. Однако в эле­ментах расширительной камеры на этих частотах может возникнуть

Ряс. 13.9. Принципиальная схема расчета систем выпуска я шумоглушения

366

резонанс поперечных колебаний, что повлияет на условия распрост­ранения плоской одномерной волны. Одномерная модель расчета не будет адекватно описывать совокупность колебательных явлений в реальном объекте. В этом случае применяют либо метод модаль­ного анализа, либо метод конечных элементов. При модальном анализе газовую среду полагают сплошной и задают такие зависи­мости звукового давления от координат, которые соответствуют границам камеры.

Метод конечных элементов применительно к расчету глуши­телей может быть использован для моделирования камер любой формы. Основу метода составляет интерпретация объема как сово­купности множества малых элементарных объемов. Для определе­ния звукового давления в каждом элементарном объеме задается приближенное решение низкого порядка точности в виде полинома, в котором неизвестными являются амплитуды его узлов.

Окончательно данные системы определяются после испытания опытного образца и доводки его конструктивных параметров (рис. 13.9). Лабораторные акустические испытания системы выпуска вы­полняют с помощью искусственных источников звука. Практически акустические и механические свойства системы оцениваются при испытаниях на реальном двигателе. Общий уровень шума авто­мобиля, в том числе и системы выхлопа, оценивается в соответ­ствии со стандартами ГОСТ, SAE и 53 правил ЕЭК ООН. Стан­дарт SAE J 1287 служит для оценки шума выпуска мотоциклов; SAE J 1169 — для легковых автомобилей и SAE J 1207 — для оцен­ки эффективности глушителей шума выпуска.

3. НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ. НЕЙТРАЛИЗАТОРЫ

Содержание токсичных компонентов в ОГ двигателей может быть снижено за счет каталитической и термической нейтрализации.

Общими требованиями, предъявляемыми к антитоксическим устройствам, являются: малые гидравлические сопротивления, ми­нимальные массогабаритные показатели, безотказная работа по крайней мере до 80000 км пробега, технологичность и невысокая стоимость.

Как показала практика, наиболее эффективными оказываются способы каталитической нейтрализации ОГ, основанные на пониже­нии энергетического порога протекания химических процессов.

Системы каталитической нейтрализации и собственно сами ней­трализаторы могут классифицироваться по следующим признакам:

• по типу — окислительные (для окисления СО и СН), вос­становительные (для восстановления азота из NO_x) и бифункци-

367

овальные (трехкомпонентные), в которых нейтрализуются СО, СН и NO_x;

• по назначению — главный и пусковой;

• по исполнению — одно- и двухкамерные;

• по типу носителя — с насыпным или монолитным носителем;

• по материалу носителя — с керамическим или металлическим носителем;

• по материалу активного каталитического слоя — с благород­ными металлами и обычными материалами;

• по возможности работы с различными топливами — для ра­боты на неэтилированных бензинах и для работы на бензинах с ограниченным содержанием в них свинца.

Нейтрализатор конструктивно состоит (рис. 13.10) из метал­лического корпуса 1, изготовленного из жаропрочной стали толщи­ной порядка 1,5 мм, в котором находится покрытый активным каталитическим слоем 3 носитель 2. Для соединения с элементами системы выпуска корпус нейтрализатора снабжен фланцами. В це­лях снижения уровня передаваемых от двигателя вибрационных нагрузок корпус может подсоединяться к выпускному трубопроводу посредством компенсатора колебаний.

В каталитических нейтрализаторах используются носители на­сыпные (обычно гранулы на основе керамики), керамические моно­литные и металлические. В настоящее время насыпные носители не применяются ввиду их повышенных гидравлических сопротивлений, медленного прогрева и небольшого срока службы из-за истирания поверхностей гранул при вибрациях.

Наибольшее распространение в настоящее время получили носи­тели из термостойкой керамики. Монолит, изготовляемый методом экструзии (выдавливания), имеет обычно овальную или круглую форму. Он пронизан квадратными каналами (обычно 31, 46, 62, 93

Рис. 13.10. Устройство каталитического нейтрализатора

368

канала или более на 1 см² поперечного сечения) по направлению протекания OF. В целях увеличения площади активной поверхности носитель покрывается пористым слоем гамма-оксида алюминия, поверх которого наносится каталитический материал.

Недостатками всех каталитических нейтрализаторов на основе неблагородных металлов являются их малая эффективность при пуске холодного двигателя и повышенная чувствительность к загря­знению топлива свинцом и серой. Это является причиной преиму­щественного использования в нейтрализаторах дорогостоящих ма­териалов (платины, палладия и родия). Ранее использовались также рутений и иридий. На один нейтрализатор расходуется от 1,5 до 3 г благородных металлов. На платине протекают окислительные процессы, родий же способствует восстановлению азота из его оксидов. В современных конструкциях нейтрализаторов часто ис­пользуется палладий. Широкое использование палладия объясняет­ся его меньшей по сравнению с платиной стоимостью (приблизите­льно в 4 раза) и более высокой эффективностью при окислении парафинов и ароматических углеводородов.

В целях снижения массы дорогих катализаторов стремятся уве­личить плотность каталитически активных ячеек, что повышает активную поверхность и интенсифицирует протекание химических процессов. Перспективные ультратонкие покрытия открывают но­вые возможности, поскольку приводят к существенному снижению масс и к увеличению активных площадей. Известны технологии, позволяющие наносить 2000...1200 ячеек на квадратный дюйм (при­близительно 310...186 на 1 см²).

Керамический носитель отличается малыми значениями коэф­фициента объемного расширения и благодаря большому суммар­ному проходному сечению каналов характеризуется незначитель­ными величинами гидравлических сопротивлений. Недостатком керамических монолитов является их невысокая устойчивость против механических нагрузок. Поэтому между корпусом и носи­телем (см. рис. 13.10) размещают эластичную металлическую прокладку 3 из высоколегированной проволоки. Другим недостат­ком керамических носителей является относительно большое вре­мя, необходимое для их прогрева до рабочих температур (выше 250 °С).

В настоящее время намечается тенденция к более широкому использованию в качестве носителя жаропрочных аустенитных ста­лей. Их применяют в виде гофрированной фольги толщиной

0. 04...0,05 мм. Фольга свернута в рулон, который припаян к метал­лическому корпусу (рис. 13.11). Первоначально металлические носи­тели использовались лишь в стартовых (пусковых) нейтрализато­рах. В настоящее время они применяются и при изготовлении основных нейтрализаторов. Все более широкое применение металла

369

Рис. 13.11. Пример использования металлической фольги в качестве носителя

в качестве носителя объясняется рядом преимуществ подобных нейтрализаторов:

• быстрым прогревом до рабочих температур;

• высокой прочностью;

• стойкостью к высоким (до 1300°С) температурам и перемен­ным термическим нагрузкам;

• неограниченными возможностями по выбору конструктивных форм и размеров нейтрализаторов;

• малым гидравлическим сопротивлением в связи с небольшой толщиной фольги носителя;

• возможностью при малых габаритных размерах реализовать большие активные поверхности при меньших расходах благород­ных металлов.

Сталь, используемая для изготовления металлической фольги, обычно легируется хромом, алюминием, цирконием и кальцием.

Более широкое применение металлических носителей для основ­ных катализаторов ограничивается в настоящее время их относите­льно высокой стоимостью.

Чтобы обеспечить нормальную работу любого нейтрализатора, следует поддерживать в необходимых пределах следующие вели­чины:

■ коэффициент избытка воздуха;

• достаточно высокую температуру ОГ;

• отношение объемного расхода ОГ к объему нейтрализатора.

При прохождении ОГ вдоль покрытых активным каталитичес­ким слоем поверхностей имеют место три основных процесса: ад­сорбция, собственно сами химические реакции и десорбция.

Керамические монолитные и металлические носители для уве­личения их эффективности покрываются вначале промежуточным слоем из оксида алюминия. Благодаря этому эффективная поверх­ность каталитически активного слоя существенно возрастает. Про- 370

межуточный слой имеет небольшую толщину и содержит так назы­ваемые промоторы, повышающие способность аккумулирования 0₂ и ускоряющие реакции взаимодействия углеводородов и СО с парами воды. В качестве промоторов используются, в частности оксиды церия и циркония. Протекающие при этом в трехкомпонент­ных нейтрализаторах реакции накопления-расхода кислорода в ак­тивном слое могут описываться уравнением

2Се0₂—>Ce₂0₃ -f-1 J2.0₂.

Накапливаемый в активном слое кислород используется затем для окисления продуктов неполного сгорания и углеводородов.

Твердый раствор Се0₂— Zr0₂ не только повышает долю акку­мулируемого активным слоем кислорода, но и ускоряет окисление СО и восстановление NO,.

Первоначально наибольшее распространение нашли нейтрализа­торы окислительного типа, предназначенные для окисления СО и СН в С0₂ и Н₂0, для нормальной работы которых требуется наличие свободного кислорода. В общем случае дополнительные количества кислорода вводятся в поток ОГ перед каталитическим нейтрализатором с вторичным воздухом. Он подается дополни­тельными воздушными насосами или же специальными клапан­ными устройствами, обеспечивающими введение в поток ОГ вто­ричного воздуха в момент прохождения волны разрежения.

Нейтрализатор устанавливается вблизи выпускного коллек­тора. Благодаря этому обеспечивается температура ОГ (обычно

400. .600 °С), необходимая для завершения указанных реакций в течение короткого времени пребывания каждой порции газа в нейтрализаторе. Поскольку эффективность нейтрализации воз­растает пропорционально температуре, скорость протекания хи­мических преобразований зависит от нагрузки, уменьшаясь при ее снижении.

Естественно, каталитический окислительный нейтрализатор имеет смысл использовать лишь в том случае, если каким-либо путем удается понизить содержание в ОГ оксидов азота ниже значений, устанавливаемых действующими нормами на токсич­ность. Поскольку практически невозможно снизить их содержание в ОГ до законодательно предписываемых значений только за счет рециркуляции и изменения угла опережения зажигания, для со­временных автомобилей неизбежно использование специальных нейтрализаторов, обеспечивающих восстановление азота из его ок­сидов.

Нейтрализаторы чисто восстановительного типа в настоящее время не используются, поскольку для их эффективного применения необходима работа двигателя при а<1. Точно так же нецелесооб­

371

разно и использование двухкамерных нейтрализаторов, в которых одна из камер служит для восстановления NO*, а вторая—для окисления СО и СН до С0₂ и Н₂0. В подобных системах необ­ходимый для окислительных процессов кислород должен был бы подаваться перед второй камерой с вторичным воздухом.

Помимо ухудшения экономических показателей двигателя при его работе на обогащенной смеси к недостаткам подобных систем можно отнести и то обстоятельство, что образующийся в первой восстановительной камере аммиак во второй камере вновь окисля­ется с образованием оксидов азота.

Указанных недостатков лишены бифункциональные или трех­компонентные нейтрализаторы. Они обычно выполняются в одном корпусе и способны понижать содержание в ОГ всех трех компонен­тов: СО, СН и N0*. Иногда их используют также в качестве первой камеры двухкамерных систем. Активный слой таких нейтрализато­ров содержит платину, палладий, родий в соотношении 1:16:1 или 1:28:1, алюминий, оксиды церия и циркония, а также и другие вещества, способствующие более эффективному протеканию хи­мических реакций. Реакции восстановления азота из его оксидов протекают при взаимодействии NO* с находящимися в ОГ водоро­дом Н₂, с монооксидом углерода СО и с углеводородами СН. При этом образуются азот и аммиак:

N0+C0->V₂N2+C0₂,

2N0 + 5СО+3H_zO-»2NH₃ + 5CO_z,

no+h₂-»V₂n₂+h₂o,

2NO + 5H₂-*2NH₃+2Н₂0,

NO + (CH)->N₂+Н₂0+С0₂+СО+NH₃.

В результате протекания вышеприведенных реакций происходит не только уменьшение содержания в ОГ токсичных оксидов азота, но и одновременное понижение в отработавших газах долей СО и СН (за счет их окисления в С0₂ и Н₂0).

Если двигатель работает на стехиометрической смеси, в ре­зультате протекания реакций восстановления в основном обра­зуется азот N₂, а при работе на богатых смесях имеют место реакции, приводящие к образованию аммиака NH₃. Наличие в ак­тивном слое родия способствует относительному увеличению доли образующегося азота в результате соответствующего понижения доли NH₃.

Наибольшие значения коэффициента преобразования Ki=(C^— — СП/СГ ^по трем нормируемым компонентам (С,- — концентра­

372

ция компонента в ОГ) имеют место при несколько обогащенной смеси, когда а=0,98...0,99 и для окисления Н₂, СО и СН в смеси оказывается достаточно кислорода, образующегося при восстанов­лении N из его оксидов. Резкое изменение снимаемого с Л-зонда сигнала при а=1 позволяет поддерживать на большинстве эксплу­атационных режимов коэффициент избытка воздуха, необходимый для эффективной работы нейтрализатора. При этом отклонения а от стехиометрического состава укладываются в величину Аа = = ±0,03.

Для нормальной работы системы нейтрализации важен быстрый прогрев Л-зонда после пуска двигателя. Для его ускоренного про­грева до рабочих температур (выше 300 °С) в современных конст­рукциях используется электропрогрев зонда.

Иногда системы питания (и нейтрализации) работают с исполь­зованием двух Л-зондов. Один из них располагается до, а второй — после нейтрализатора. Благодаря этому удается сузить диапазон изменения коэффициента избытка воздуха, что способствует росту коэффициента преобразования, а также увеличить надежность си­стемы и упростить организацию ее диагностирования.

При компоновке системы выпуска стремятся установить нейтра­лизаторы по возможности ближе к двигателю, что позволяет обес­печить необходимый для эффективной работы быстрый прогрев. С этой же целью прибегают к термоизоляции части системы выпус­ка от выпускных клапанов до нейтрализатора.

Чтобы за возможно более короткий отрезок времени поднять температуру системы нейтрализации до рабочих температур, ис­пользуют электроподогрев нейтрализатора и/или сжигание перед ним подаваемого через специальную форсунку топлива. При по­догреве нейтрализатора после пуска непосредственно за двигате­лем в поток ОГ вводится необходимый для реализации окислитель­ных реакций дополнительный воздух. Применение любого типа подогрева приводит к существенному уменьшению содержания СН и СО.

Электроподогрев нейтрализаторов на режимах пуска и прогрева осуществляется использованием специальных элементов. Эти эле­менты могут производиться из металлической фольги (обычно) или изготовляться методом экструзии (подобно нейтрализаторам из керамики) из отличающегося высокой коррозионной стойкостью сплава железа, хрома и алюминия. В последнем случае метал­лический монолит с относительно низким количеством ячеек на единицу поверхности и с высоким электрическим сопротивлением покрывается каталитически активным слоем и устанавливается в корпус перед основным нейтрализатором. Возможно использо­вание подогревательного элемента без каталитического покрытия, но в этом случае теряется анергия, выделяемая при окислении

373

на каталитическом покрытии, что замедляет прогрев основного нейтрализатора. Целесообразно использование предварительного, до включения двигателя, прогрева нейтрализатора при применении металлической фольги в качестве носителя.

При температурах около 1000 °С начинается спекание промежу­точного слоя со слоем каталитически активным, что вызывает сокращение активной поверхности и понижение эффективности ка­тализатора. Дальнейший рост температуры ОГ приводит к сущест­венному ускорению термического старения нейтрализатора и к со­ответствующему понижению его эффективности. В связи с этим нейтрализатор должен размещаться перед глушителем на вполне определенном расстоянии от двигателя, исключающем его пе­регрев.

Поскольку на режимах пуска и прогрева расход ОГ через нейтра­лизатор невелик, в некоторых системах используют специальные стартовые нейтрализаторы. Имея в сравнении с основным меньшие габариты и массу, стартовый нейтрализатор устанавливается перед основным или же параллельно ему.

Считаются перспективными разработки адсорберов СН и со­зданных на их основе гибридных нейтрализаторов. После пуска двигателя в таких устройствах имеет место адсорбция углеводо­родов, которые затем, по достижении нейтрализатором рабочих температур, окисляются на его каталитически активных поверх­ностях.

Как режимы прогрева, так и режимы разгона характеризуются работой двигателя на обогащенных смесях, что сопровождается повышенными выбросами СН и СО с отработавшими газами. В то же время наилучшие экономические показатели двигателя достига­ются при его работе на смесях обедненных. Так называемые адсор- бционно-каталитические нейтрализаторы способны обеспечить по­нижение содержания в ОГ регламентируемых нормами компонен­тов как при а< 1, так и при а> 1. Подобные нейтрализаторы могут использоваться не только на двигателях с искровым зажиганием и с непосредственным впрыскиванием, но также и в системах выпус­ка дизелей.

В нейтрализаторах типа DeNO_x или «ДЕНОКС» (их называют также селективными нейтрализаторами) носитель покрыт ката­лизатором из платины и активным слоем, обеспечивающим в слу­чае работы двигателя на бедных смесях адсорбцию двуокиси азота N0₂, образующейся в присутствии платины из монооксида NO. В случае работы двигателя на обогащенных смесях адсорбиро­ванная в активном слое нейтрализатора двуокись NO2 восста­навливается в результате взаимодействия с СО, СН и Нуг- Посколь­ку двигатель в основном должен работать на обедненных смесях, кратковременное обогащение смеси на режимах разгона не всегда 374

может обеспечить количества СН, СО и Н₂, необходимые для реали­зации последующих восстановительных реакций. Восстановлению баланса может способствовать подача на такте расширения в ци­линдр небольшого количества топлива или же сжигание топлива непосредственно перед нейтрализатором в целях связывания из­быточного кислорода. В то же время при работе на смесях с не­значительным обеднением в ОГ может не хватать кислорода для окисления образующегося в цилиндрах монооксида NO, что при­водит к необходимости подачи в систему дополнительного воз­духа. Эти обстоятельства несколько снижают эффективность ис­пользования нейтрализаторов подобного типа и усложняют систе­му управления двигателем. Препятствием для более широкого использования адсорбционно-каталитических нейтрализаторов является относительно высокое содержание серы в европейских и американских бензинах. Содержание в бензинах даже незначи­тельного (более 30 ppm) количества серы существенно сокращает срок их службы.

Необходимость поддержания а— 1 для эффективной работы би­функциональных нейтрализаторов также приводит к выводу о не­возможности их применения на дизельных автомобилях. Поэтому токсичность ОГ дизелей понижается в основном за счет уменьшения выбросов СО, углеводородов и альдегидов применением окисли­тельных нейтрализаторов.

Процессы дожигания сажи ускоряются катализаторами на ос­нове оксидов ванадия. Образующиеся на поверхности активного слоя свободные радикалы взаимодействуют с ОГ и вызывают об­разование в их объеме новых активных веществ. Последние интен­сифицируют процессы окисления сажи. Процессы окисления сажи могут ускоряться высокочастотными электрическими полями, кото­рые способствуют переносу радикалов с активной поверхности в объем ОГ, а также путем введения в ОГ водорода или ионизиро­ванного газа.

Оксиды азота в условиях дизелей целесообразно восстанавли­вать в присутствии меди, нагретой выше 800 °С. В результате вза­имодействия меди и оксидов азота образуются окалина (оксид меди) и азот. Окалина затем удаляется с активной поверхности потоком ОГ.

Поскольку дизели работают лишь при «i>l, в их ОГ всегда содержится количество кислорода, необходимое для проведения окислительных процессов. Однако относительно высокое содержа­ние серы в дизельных топливах вызывает определенные затрудне­ния в использовании чисто окислительных нейтрализаторов. Как показывает опыт, увеличение температуры ОГ до 450 °С в случае установки окислительного нейтрализатора вызывает увеличение вы­броса с ОГ частиц и сульфатов, что приводит к сокращению срока службы нейтрализатора.

375

Если дизельный автомобиль эксплуатируется в условиях огра­ниченного воздухообмена (например, в закрытых производствен­ных помещениях или в подземных выработках), то для допол­нительной очистки ОГ могут использоваться жидкостные нейтра­лизаторы. В этом случае каталитический окислительный нейтра­лизатор ставится до нейтрализатора жидкостного, поглощающего перед выбросом в атмосферу из ОГ низшие спирты, альдегиды и серную кислоту. В жидкостных нейтрализаторах целесообразно использовать водные растворы КОН и NaOH либо солевые рас­творы. Достаточно эффективным оказывается и использова­ние обычной воды. Прошедшие через жидкостные нейтрализато­ры ОГ проще очищать от содержащейся в них сажи с помощью фильтров.

Определенное применение на дизелях нашли нейтрализаторы DeNO_x (селективные нейтрализаторы). Для этого в систему выпуска (до нейтрализатора) подаются аммиак, мочевина или углеводород­ное топливо, необходимые для связывания содержащегося в ОГ кислорода. В качестве катализаторов в подобных нейтрализаторах используются медь и цеолит. В нейтрализаторе протекают следу­ющие реакции с образованием безвредных паров воды и азота:

4NO+4NH₃+0₂-4N₂+6Н₂0, 6N0₂+8NH₃->7N₂+ 12Н₂0.

Недостатком подобных нейтрализаторов «ДЕНОКС» является необходимость перевозки емкостей с аммиаком или мочевиной, а также использование специальных устройств для их дозировки. В условиях легковых автомобилей использование таких систем нейтрализации представляется малоцелесообразным. Для сниже­ния выбросов СО, СН и альдегидов системы выпуска с DeNO, должны включать в себя дополнительно и окислительный нейтра­лизатор.

Для удаления частиц из ОГ дизелей используются различного типа фильтры и адсорберы. Фильтрующие элементы могут быть сотовыми, патронными (свечными) или состоять из агломерирован­ной металлокерамики. В любом случае фильтрующий элемент'до­лжен обеспечивать высокую степень очистки, достаточную аккуму­лирующую способность, высокую механическую и термическую стойкость, характеризоваться незначительными гидравлическими сопротивлениями и продолжительным сроком службы, а также должен выдерживать заданное количество циклов регенерирования. В случае использования пористой керамики ОГ дизеля проходят по каналам, многократно изменяя направление своего движения, бла­годаря чему твердые частицы осаждаются на пористой поверх­ности. Фильтры из керамической нити или из пористой керамики 376

забиваются отложениями за 10...12 ч работы автомобиля, что при­водит к росту противодавления в системе выпуска. В связи с этим фильтры нуждаются в замене или регенерации через каждые

450. .550 км пробега. Для выжигания осажденных на поверхностях фильтра частиц в активных системах используется их электропо­догрев или подогрев специальной горелкой, а в пассивных использу­ются каталитические покрытия. Применение фильтров позволяет понизить содержание частиц в ОГ на 90%. В настоящее время не существует достаточно надежной и эффективной автоматической системы регенерации фильтров.

На рис. 13.12 приведен пример современной компактной систе­мы выпуска с окислительным нейтрализатором 1, интегрирован­ным в глушитель с фильтром для улавливания сажи 2 и селектив­ным нейтрализатором 5. Если двигатель длительное время рабо­тает на частичных нагрузках, через форсунку б подается топливо, благодаря чему достигаются температуры, необходимые для вы­жигания отложений сажи. Как следует из схемы, ОГ вначале прохо­дят через окислительный нейтрализатор 1, затем через фильтр 2, в котором освобождаются от частиц, после чего в смесительной камере 3 через форсунку 4 в них вводится мочевина. В селективном нейтрализаторе 5 протекают восстановительные реакции с образо­ванием азота.

Кроме каталитических, в практике двигателестроения ограни­ченное распространение получили термические реакторы или тер­мические нейтрализаторы. Речь идет о дожигании СН и СО в С0₂ и Н₂0. Этот метод эффективен лишь при температуре ОГ выше 700 °С и предполагает увеличение времени нахождения каждой порции ОГ в зоне высоких температур. При этом в случае работы

Рис. 13.12. Пример выполнения системы выпуска с интегрированными в глушителе окислительным катализатором, фильтром для улавливания частиц и с селективным

нейтрализатором

377

двигателя на обогащенной до а=0,8...0,9 смеси содержание угле­водородов в ОГ удается понизить приблизительно на 50%. Вто­ричный воздух подается в объем термического реактора специаль­ным насосом или за счет использования волновых яд пений в си­стеме выпуска. Необходимость организации работы двигателя на обогащенной смеси, существенное увеличение противодавления на выпуске (до двух раз), а также затраты энергии на привод насоса приводят к значительному (до 15%) увеличению расхода топлива.

В двигателях, работающих на обедненных смесях, применяются так называемые горячие трубы или бедные реакторы. В них для окисления используется содержащийся в ОГ свободный кислород. Но ввиду относительно невысоких температур процессы окисления протекают медленно, что требует существенного увеличения объ­емов реакторов в целях продления времени пребывания ОГ в зоне высоких температур, а также весьма эффективной их теплоизо­ляции.

Общим недостатком термических реакторов является невозмож­ность нейтрализации токсичных компонентов при пуске и прогреве двигателя, когда температура ОГ меньше 600 °С. Воздействие при высоких температурах содержащихся в ОГ коррозионно-агрессив­ных компонентов на поверхности реактора приводит к ограничению срока службы подобных нейтрализаторов.

Использование каталитических нейтрализаторов накладывает определенные ограничения на условия Эксплуатации двигателя. Как указывалось выше, увеличение температуры ОГ сверх 1000°С мо­жет вызвать спекание поверхностно-активного слоя и тем самым привести к выходу нейтрализатора из строя. Одной из причин чрезмерного повышения температуры ОГ может стать слишком позднее зажигание. Также поднять температуру ОГ до 1400 °С способны неполадки в работе системы зажигания.