3.3. Рециркуляція відпрацьованих газів

Рециркуляція відпрацьованих газів є одним з ефективних засобів для зменшення викидів оксидів азоту.

Принцип роботи системи рециркуляції ВГ ( EGR system - Exhaust Gas Recirculation system ) заснований на поверненні строго певної кількості відпрацьованих газів назад у впускний колектор у строго певний час. Далі , змішуючись зі свіжою паливо повітряною сумішшю , вони надходять назад у циліндри двигуна.

Оскільки частина свіжої суміші заміщається відпрацьованими газами , остільки це призводить до зниження її теплоти згорання і , як наслідок , температури згоряння. А так як температура згоряння визначає вихід NOx , то її зниження сприяє зменшенню викидів оксидів азоту.

Кількість перепускають ВГ визначається електронним блоком управління 1 (рис. 3.6) по закладеній на заводі-виробнику програмі на підставі показань ряду датчиків ( наприклад , датчика температури охолоджуючої рідини , датчика витрати повітря , датчика кута положення дросельної заслінки , датчика частоти обертання колінчастого вала і др . ) .

Блок управління переводить ці дані в керуючі сигнали на електромагнітний клапан рециркуляції 5 , який і керує безпосередньо перепуском відпрацьованих газів. Використання в системі клапана з електроприводом дозволяє реалізувати оптимальний закон зміни кількості перепускають ВГ залежно від режиму роботи ДВЗ .

Під час запуску холодного двигуна , на холостому ходу , коли обороти менше 900 хв - 1 і при підвищених оборотах понад 3200 ... 4000 хв - 1 клапан рециркуляції закритий і система рециркуляції не працює.

Рис. 3.6. Принципова схема системи рециркуляції ВГ:

1 - ДВЗ; 2 - електронний блок управління; 3 - впускний колектор;

4 - випускний колектор; 5 - клапан рециркуляції з електроприводом

3.4. Нейтралізація відпрацьованих газів у випускній системі двз

Численні дослідження робочого процесу ДВЗ показали, що домогтися виконання сучасних норм токсичності лише за рахунок поліпшення процесу згоряння, управління складом паливо повітряної суміші і кутом випередження запалювання неможливо.

У цьому зв'язку сучасний автомобільний двигун обов'язково має спеціальні пристрої, що дозволяють забезпечити зниження концентрації токсичних компонентів ВГ безпосередньо у випускній системі. Ці пристрої називаються нейтралізаторами ВГ.

В даний час монопольне становище належить каталітичних нейтралізаторів відпрацьованих газів.

Сутність процесів каталітичної нейтралізації полягає у взаємодії відпрацьованих газів між собою або з надмірною киснем у присутності каталізатора , прискорювального хімічні реакції. При цьому продукти неповного згоряння СО і CnHm перетворюються в кінцеві продукти реакції - СО2 і H2O , а оксиди азоту відновлюються до N2. Реакції нейтралізації в присутності каталізаторів починаються при температурі 250 ° С. Перетворення найбільш ефективно в діапазоні температур від 400 до 800 ° С.

Найбільш ефективними каталізаторами є благородні метали - платина , паладій , рутеній , родій .

Каталітичні нейтралізатори складаються з штампованого корпусу 1 , монолітного керамічного або металевого носія 2 і еластичною термоізоляційної прокладки 3 (рис. 3.7) .

Керамічний носій пронизаний поздовжніми порами - сотами , на поверхню яких нанесений активний каталітичний шар. Пори утворюють безліч тонких каналів для пропуску відпрацьованих газів. Завдяки спеціальній підкладці товщиною 20 ... 60 мікрон з розвиненим мікрорельєфом загальна площа поверхні цього шару може доходити до 20000 м2. Маса каталізаторів , нанесених на цю величезну площу , складає всього 2 ... 3 грама.

Металевий носій являє собою найтонші стільники , виготовлені з гофрованої фольги. Це дозволяє збільшити площу робочої поверхні в порівнянні з керамічним носієм , знизити опір руху газів і прискорити розігрів блоку до робочої температури.

Еластична термоізоляційна прокладка служить для компенсації різниці термічного розширення корпусу і носія. Вона також призначена для захисту носія від вібрації, ударів, інших механічних впливів і може виготовлятися:

- У вигляді дротяної сітки з нержавіючої термостійкої сталі;

- Як подушка з волокон силікату алюмінію з добавкою слюди.

Рис. 3.7. Схема каталітичного нейтралізатора

Окислювальні каталітичні нейтралізатори допалюють в присутності платини і надлишку кисню оксид вуглецю і незгорілі вуглеводні (рис. 3.8). Їх недоліком є неможливість здійснення процесів відновлення оксидів азоту.

Рис. 3.8. Схема окисної нейтралізації відпрацьованих газів:

1 - система паливоподачі; 2 - подача додаткового повітря;

3 - окислювальний нейтралізатор.

Двоступеневі каталітичні нейтралізатори застосовують для перетворення всіх трьох токсичних компонентів: СО , CnHm , NOx . Вони складаються з двох частин , встановлених послідовно ( рис. 3.9) . Перший ступінь відновлює оксиди азоту при дефіциті кисню , а друга окисляє оксид вуглецю і незгорілі вуглеводні при примусовій подачі в неї повітря .

Для створення відновлювальної середовища в першій ступені нейтралізатора двигун автомобіля регулюється на злегка збагачену паливо повітряну суміш ( α ≈ 0,98 ) . Відновні реакції протікають за наступною схемою:

Окисна середу в другій секції створюється за рахунок подачі в неї невеликої кількості додаткового повітря. Реакції протікають за наступною схемою:

Рис. 3.9. Схема двоступеневої нейтралізації відпрацьованих газів:

1 - система паливоподачі; 2 - відновлювальна секція;

3 - окислювальна секція; 4 - подача додаткового повітря

Двоступеневі нейтралізатори мають відносно складну конструкцію. До того ж, використання багатих паливо-повітряних сумішей , що необхідно для ефективного відновлення оксидів азоту , призводить до підвищеної витрати палива.

Застосування різних каталізаторів у відповідній комбінації дозволяє забезпечити одночасне окислення оксиду вуглецю та вуглеводнів , а також відновлення оксидів азоту. Нейтралізатор в цьому випадку називається трикомпонентним або біфункціональним . Наприклад , ефективним є три металевий каталізатор : платина , паладій , родій у співвідношенні 1:16:1 або 1:28:1 . Для зниження температури допалювання оксиду вуглецю та вуглеводнів , крім платини , іноді використовують рутеній . При використанні трикомпонентних нейтралізаторів для досягнення високих ступенів очищення одночасно по СО , CnHm і NOx потрібно дуже точне регулювання складу паливо повітряної суміші.

Ефективність очищення ОГ ( у%) оцінюється ступенем перетворення:

де свх, Свих - концентрація токсичних компонентів у ВГ на вході і на виході нейтралізатора.

У зоні α <1 (рис. 3.10) в міру збагачення суміші ефективність нейтралізатора зберігається відносно оксидів азоту і різко знижується відношення СО і CnHm через нестачу окислювача. У зоні α> 1 по міру збідніння суміші ефективність зменшується відносно NOx, внаслідок того, що надлишковий кисень, адсорбує каталізатором, перетворює нейтралізатор потрійної дії в нейтралізатор окислювального типу.

Рис. 3.10. Характеристика триелементного нейтралізатора

Забезпечити підтримку складу суміші α ≅ 1 з високою точністю вдається шляхом використання системи її регулювання із зворотним зв'язком ( рис. 3.11) і системи вприскування палива.

Кисневий датчик ( λ -зонд ) системи з зворотним зв'язком встановлюється у випускній системі ДВЗ перед нейтралізатором . За своєю суттю датчик є гальванічною батареєю , що містить зовнішній 1 і внутрішній 3 електроди з пористої платини або її сплаву , які розділені твердим електролітом 2 з двоокису цирконію (рис. 3.12) .

Зовнішня сторона датчика знаходиться в атмосфері , а внутрішня - у вихлопних газах. Повітря з атмосфери діє як один полюс батареї , а вихлопні гази - як інший . Іонна провідність твердого електроліту , що виникає внаслідок різниці парціальних тисків на зовнішньому і внутрішньому електродах , обумовлює появу різниці потенціалів між ними. Чим вищий вміст кисню в ВГ , тим нижче різниця потенціалів , і нижче напруга на висновках датчика. При низькому вмісті кисню (багата суміш) , різниця потенціалів між електродами висока й вихідна напруга коливається від 450 до 1000 мВ.

Рис. 3.11. Схема системи зі зворотним зв'язком: 1 - ДВЗ;

2 - система уприскування палива; 3 - електронний блок управління;

4 - кисневий датчик; 5 - трикомпонентний нейтралізатор

Рис. 3.12. Схема кисневого датчика:

1, 3 - зовнішній і внутрішній електроди;

2 - твердий електроліт; 4 - випускний колектор

При переході суміші через нормальний склад різко змінюється парціальний тиск кисню в ВГ. Це супроводжується зміною на порядок різниці потенціалів і виникненням у характеристиці датчика стрибка вихідної напруги (рис. 3.13).

Цей стрибок (після посилення) сприймається електронним блоком управління, який коригує тривалість впорскування палива, забезпечуючи нормальне співвідношення палива і повітря в суміші у всьому діапазоні частот обертання і навантажень.

Рис. 3.13. Характеристика кисневого датчика

Датчики кисню працюють тільки при температурі не менше 300 ° С. Тому їх розташовують у випускній трубі якомога ближче до двигуна. Якщо це неможливо , використовують датчики з вбудованим електричним нагрівачем .

Найбільш оптимальне регулювання процесу нейтралізації можна забезпечити при використанні двох датчиків кисню. Один з них , як зазвичай , встановлюють перед нейтралізатором , а інший за ним. Другий датчик призначений для контролю роботи системи нейтралізації .

Щоб зменшити час нагрівання нейтралізатора до робочих температур і , як наслідок , шкідливі викиди на стадії прогріву , з початку 90 -х років нейтралізатор розташовують на автомобілі , як і кисневий датчик , поблизу випускного колектора.

Для цього ж іноді застосовують пусковий каталітичний нейтралізатор , що працює аж до прогріву основного нейтралізатора . Він розміщується в спеціальному відгалуженні випускної системи , має менші , ніж основний , розміри і , стало бути , прогрівається швидше.

Для забезпечення максимально довгої ефективної роботи каталітичного нейтралізатора необхідно дотримуватися ряду правил. По-перше , використовувати тільки рекомендовану заводом-виробником марку палива.

По-друге , щоб уникнути пожежі , не слід паркувати автомобіль над легко займистими предметами , наприклад сухим листям , травою , папером і т. п. , так як під час і після роботи двигуна корпус нейтралізатора має досить високу температуру.

По-третє , слід дотримуватися основних правил , наведених в інструкції з експлуатації автомобілів , спрямовані на попередження ситуації , коли в нейтралізатор може потрапити значна кількість незгорілого палива. У цьому випадку можлива спалах може призвести до руйнування носія каталізатора. Найбільш загальні рекомендації можна викласти наступним чином :

- Не слід марно крутити двигун стартером тривалий час;

- В холодну пору року , якщо двигун не запустився з першої спроби , необхідно уникати повторних включень стартера через короткі проміжки часу;

- Не можна пускати двигун шляхом буксирування ;

- Забороняється перевіряти роботу циліндрів , відключаючи свічки запалювання.

Однак , навіть при виконанні всіх рекомендацій , ефективність дії каталітичного нейтралізатора знижується майже вдвічі при пробігу автомобіля близько 100 тис. км . і він повинен підлягати заміні .

Принцип роботи термічних нейтралізаторів заснований на прискоренні реакцій окиснення продуктів неповного згоряння (СО , CnHm , альдегіди , частинок сажі) у термічному реакторі.

Термічний реактор (рис. 3.14) являє собою деякий обсяг зі спеціальною організацією течії вихлопних газів. Він встановлюється у випускній системі двигуна і здійснює термічне доокислення токсичних компонентів за рахунок власного тепла відпрацьованих газів. Підвищити їх температуру в реакторі можна наступними способами:

- Зменшенням тепловтрат за рахунок тепло-ізолювання корпусу реактора та застосуванням теплових екранів;

- Короткочасним зменшенням кута випередження запалювання;

- Подачею додаткового палива в обсяг реактора;

- Електропідігрівом реактора.

Рис. 3.14. Схема термічного реактора:

1 - корпус, 2 - теплова ізоляція;

3 - тепловий екран

На відміну від каталітичних нейтралізаторів термічні нейтралізатори не виходять з ладу з часом. Крім того , ефективність їх роботи не залежить від виду палива, що спалюється і наявності присадок в паливі. Однак вони не дають повного окислення СО і CnHm і не відновлюють оксиди азоту , тому застосовуються рідко і , звичайно , як додаткові пристрої перед каталітичним нейтралізатором .

Принцип дії рідинних нейтралізаторів (рис. 3.15 ) заснований на пропущенні відпрацьованих газів через шар рідини (зазвичай води). У результаті цього ефективно поглинається сажа , бензапірен , оксиди сірки і формальдегіди . Для посилення ефекту нейтралізації в рідинних нейтралізаторах можуть застосовуватися хімічні розчини ( наприклад , 10 % - ний водний розчин сульфату натрію Na2SO3 ) .

Дані нейтралізатори знаходять обмежене застосування через малу ефективність відносно більшості токсичних компонентів ВГ і необхідності частої заміни рідини. Їх використовують на спеціальних

Рис. 3.15. Схема рідинного нейтралізатора ВГ: 1 - перфорована трубка; 2 - шар рідини; 3 - фільтр; 4 - заливна горловина