Трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы

Для нейтрализации образующегося в процессе сгорания смеси оксида азота NO используются реакции его восстановления до азота N₂ и аммиака NH₃. В качестве восстановителей используются находящиеся в ОГ СО, СН и Н₂. При работе двигателя на стехиометрической смеси ( =1) основным продуктом восстановления NO является N₂, а на богатых смесях больше образуется NH₃.

Для того, чтобы после восстановления NO образовывалось больше N₂ и меньше NH₃ катализатор помимо платины должен содержать родий (Rh). Соотношение в катализаторах количества Рt и Rh близко к 5, а в некоторых случаях достигает 12. Ряд фирм для снижения стоимости нейтрализатора применяют триметаллический катализатор: платина, палладий, родий в соотношении 1:16:1 или 1:28:1. На один нейтрализатор расходуется от 1,5 до 3 г платины. Применение этилированного бензина при использова­нии системы с трехкомпонентным нейтрализатором недопустимо.

Степень каталитического превращения различных газов в нейтрали­заторе оценивают коэффициентом преобразования

(2),

где К_i - коэффициент преобразования i-гo компонента; С_iвх, С_iвых - концентрация этого компонента на входе и на выходе из нейтрализатора соответственно.

Рисунок 8 – Зона эффективной работы трехкомпонентного нейтрализатора

Как следует из рис. 8, наи­большая величина K_i одновре­менно по трем нормируемым компонентам достигается при работе двигателя на слегка обогащенной смеси вблизи ее стехиометрического состава ( =0,98...0,99), так как в этом случае количество кислорода, освобождающегося при восста­новлении NО оказывается доста­точным для окисления Н₂, СО и СН. Вблизи стехиометрической смеси коэффициенты преобразования изменяются очень резко, поэтому для эффективной рабо­ты нейтрализатора требуется обеспечить поддержание состава смеси ( = 1) с высокой точностью, что удается достичь только путем использования систем дозирования топлива с электронным управлени­ем с отрицательной обратной связью.

Рисунок 9 - Управление топливоподачей по сигналу .-зонда: 1 - электронный блок управления; 2 - трехкомпонентный нейтрализатор; 3 - -зонд; 4 - электромагнитная форсунка; 5 - измеритель расхода воздуха

Принципиальная схема такой системы с впрыскиванием бензина по­казана на рис. 9. Количество впрыскиваемого форсункой 3 топлива зависит от длительности впрыскивания под постоянным перепадом меж­ду давлением топлива на входе и выходе из форсунки. Длительность впрыскивания задается электронным блоком управления 1 в зависимости от сигналов измерителей расхода воздуха и частоты вращения, а также ,от сигнала кислородного датчика ( -зонд), показывающего отклонение состава смеси от стехиометрического и включённого в контур обратной связи системы регулирования. На режимах пуска и прогрева длительность впрыскивания (доза топлива) корректируется в зависимости от температурного состояния двигателя и температуры воздуха.

Такая система управления явля­ется замкнутой, так как поддержание стехиометрического состава смеси обеспечивается по сигналу -зонда. Любое отклонение состава смеси от заданной величины, необходимой для эффективной работы нейтрализатора, вызывает появление сигнала рассогласования, который использу­ется для соответствующего измене­ния (увеличения или уменьшения) длительности управляющего им­пульса форсунок, что приводит к со­ответствующему изменению подачи топлива.

Рисунок 10 - Схема циркониевого -зонда: 1 - электропроводное уплотне­ние; 2 - корпус; 3 - твердый элек­тролит; 4, 5 - внешний и внутрен­ний электроды

Рисунок 11 - Характеристика циркониевого -зонда при температуре 600°С

Принципиальная схема -зонда показана на рис.10, а его характе­ристика приведена на рис. 11.

Внешний 4 и внутренний 5 элек­троды -зонда (рис.10) выполнены из пористой платины или ее сплава и разделены слоем твердого электролита 3 из диоксида цирконии. Внешний электрод покрыт тонким защитным слоем керамики, внутренний электрод 5 находится в воздухе с постоянным парциальным давлением кислорода, а внешний 4 омывается отработавшими газами в выпускной системе двигателя. Ионная проводимость твердого электролита, возникающая в результате разности парциальных давлений кислорода на внешнем и внутреннем электродах, обусловливает появление разности потенциалов между электродами.

При переходе состава смеси через стехиометрическое значение в область обедненных смесей напряжение на выходе датчика резко сни­жается от 700...1000 мВ до 50...100 мВ (рис.11). Характеристика -зонда позволяет определить стехиометрический состав смеси с по­грешностью не более ±0,5%.

Система нейтрализации ОГ на базе трехкомпонентного нейтрализатора сейчас получила повсеместное распространение как основной путь удовлетворения нормам Евро II и Евро III. Например, в Германии в 1995 г. эта система была установлена на 50% всех легковых автомобилей, тогда как окислительными нейтрализаторами были оборудованы только 6%.