Нейтралізатори відпрацьованих газів
У термічних і каталітичних нейтралізаторахвідпрацьованихгазів(14.6) відбуваються
хімічні реакції, у результаті чого зменшується концентрація газових компонентів токсичних
речовин. Механічні і водяні очисники застосовують для очищення випускних газів від
механічних часток (сажі) і крапельок масла (як правило, у стаціонарних двигунах).
Термічнийнейтралізатор (14.7) являє собою камеру згоряння, що розміщається у
випускному тракті для допалювання продуктів неповного згоряння палива (CnHmі СО). Він може
встановлюватися на місці випускного трубопроводу і виконувати його функції. Реакції
окислювання СО і CnHmпротікають при температурах понад 830°С і при наявності кисню.
Термічні нейтралізатори застосовують на двигунах із примусовим запалюванням. Висока
температура газів у цих двигунів забезпечує догорання частини CnHm і СО, концентрація яких
вище, ніж у дизелів. Викиди CО і CnHmзнижуються на 60ч80%. Власне кажучи, термічний
нейтралізатор являє собою жарову трубу, у якій організовано процес інтенсивного
вихроутворення з подачею додаткового повітря. Концентрація оксидів азоту у ВГ у разі
застосування термічних нейтралізаторів може дещо зростати в окремих режимах роботи двигуна
чи залишатися незмінною.
Підвищити температуру ВГ в нейтралізаторі можна зменшуючи теплові втрати
застосуванням екранів, теплоізоляцією корпусу нейтралізатора, використанням теплоти реакції
окислення. Для двигунів, які працюють на збагачених сумішах, додаткове повітря перед
подаванням в реакційну камеру нейтралізатора, рекомендується підігрівати від гарячих стінок
системи випуску ВГ.
У дизелях окислення продуктів неповного згоряння, як правило, здійснюється під час
перепускання відпрацьованих газів крізь допалювачі, в яких підтримується постійне горіння.
Застосування полум’яних допалювачів, як і усієї термічної нейтралізації, є причиною
деякого зменшення потужності і підвищення питомої витрати палива двигунами через зростання
протитиску в системі випуску, а також призводить до порушення їх акустичної настройки.
Каталітичнінейтралізатори (14.8) прискорюють перебіг окислювальних і
відновлювальних реакцій за допомогою різних каталізаторів (прискорювачів реакцій) з платини,
родію, палладія. Вони бувають декількох типів.
Каталітичний окисний нейтралізатор прискорює перебіг реакції окислення оксиду
вуглецю і вуглеводнів.
Каталітичний відновлювальний нейтралізатор прискорює перебіг реакції
відновлювання оксидів азоту.
Трикомпонентний каталітичний нейтралізатор (TWC – Three Way Catalyst) одночасно
активізує окислювальні і відновлювальні реакції.
Накопичувальний нейтралізатор NOx використовують у дизельних ДВЗ для зниження
кількості оксидів азоту.
Селективний каталітичний нейтралізатор (SCR) відновлює NOxшляхом впорскування
у потік ВГ каталізатора.
Широке поширення в практиці очищення автомобільних відпрацьованих газів отримали
каталізатори на основі благородних металів – палладія (Pl) і платини (Pt). Вони мають хорошу
селективність, низькі температури початку ефективної роботи, досить довговічні. Платина –
універсальний каталізатор. Каталізаторами у реакціях відновлення NOx можуть виступати також
родій (Ro) і рутеній (Ru).
Будову каталітичних нейтралізаторів зображено на рис. 14.49. Активний каталітичний
прошарок нанесено на інертне тіло-носій. Найпоширеніші гранульовані і блочні (монолітні)
носії. Гранульовані носії виготовляють з оксиду алюмінію чи алюмосилікатів. Гранули
діаметром 2ч5 мм мають розвинену, крупнопорувату площу поверхні – 50ч100 м2/г.
Рисунок 14.49. Двошаровий трикомпонентний каталітичний нейтралізатор:
1 – датчик концентрації кисню; 2 – монолітний блок-носій; 3 – монтажний елемент (сітка
з проволоки); 4 – двооболонкова теплоізоляція
У системі подвійного очищення є два нейтралізатори, розташовані в одному блоці – для
окислювальних та відновлювальних реакцій.
У каталітичних нейтралізаторах оксид вуглецю окислюється в СО2при температурі
250ч300°С, вуглеводні, бенз(α)пірен та альдегіди – при температурі 400ч450°С. При температурі
понад 580°С згоряє сажа. Тому для якісної роботи нейтралізатор треба швидко прогрівати.
Сполуки свинцю дезактивують каталізатори протягом 100 годин роботи на етилованому
бензині. Постановою Кабінету Міністрів України від 01.10.1999 р. № 1825 “Про затвердження
Програми поетапного припинення використання етилованого бензину в Україні” реалізацію
етилованого бензину в Україні з 01.01.2003 р. заборонено. Ефективність роботи нейтралізаторів
в умовах експлуатації погіршується і через сульфатацію носія двооксидом сірки (SО2) за роботи
двигунів на паливах з високим вмістом сірки. Сульфат алюмінію, який утворюється під час
хімічних реакцій, зменшує активну порувату поверхню носія каталізатора і цим самим погіршує
його ефективність роботи.
Останнім часом поширення набули блочні або моноблочні каталітичні нейтралізатори без
додаткового подавання повітря (рис. 14.50). В таких нейтралізаторах відпрацьовані гази
проходять поздовжнім чи радіальним каналами, які виконано в тілі блоку нейтралізатора. Канали
виконуються трикутними чи прямокутними з гідравлічним діаметром близько 1 мм. Матеріалом
блоку є оксид алюмінію, кордієрит і інші, що мають велику питому поверхню від 20 до 25 м2/г.
На поверхню матеріалу блоку наноситься окислювально-відновлювальний каталізатор.
Рисунок 14.50. Конструкції каталітичних нейтралізаторів
Трикомпонентні каталітичні нейтралізатори мають один відновлювальний (родій) і два
окисних (платина і палладій) каталізатори.
У системах живлення з електронним керуванням подачею палива ефективність очистки
відпрацьованих газів значно вища, ніж у карбюраторних системах. Досягається це стабілізацією
складу суміші, що надходить в двигун, до стехіометричного (рис. 14.51). Щоб досягти цього,
регулювання складу суміші здійснюється за складом відпрацьованих газів (за вмістом кисню у
ВГ). Як сигнал зворотного зв’язку використовується електричний сигнал кисневого датчика (λ-
зонду). Датчик встановлюють як до нейтралізатора, так і після нього.
Рисунок 14.51. Залежність ефективності роботи трикомпонентного нейтралізатора від
коефіцієнта надлишку повітря
Накопичувальний нейтралізатор NOx (NSC – NOx Storage Catalyst або NOx Trap Type)
(рис. 14.52) використовують у дизелях і бензинових ДВЗ з безпосереднім впорскуванням. Вони
працюють на бідних сумішах, тому трикомпонентний нейтралізатор працювати на відновлення
азоту не може, оскільки СО реагує з вільним киснем до утворення СО2і не може здійснити
реакцію відновлення
.
NO + CO → N2+ CO2
Тому концентрацію азоту зменшують у інший засіб: збирають їх, а потім відновлюють.
Накоплення здійснюється при роботі дизеля на бідній суміші (від 30 секунд до декількох
хвилин), відновлення – при роботі на багатій суміші (від 1,2 до 10 секунд), на яку короткочасно
переходить двигун за командою блоку керування. Вони чуттєві до вмісту сірки у паливі, тому їх
використовують у районах, де використовують низькосірчасті палива (Японія, штат Каліфорнія
у США).
Рисунок 14.52. Принципова схема системи випуску з накопичувальним нейтралізатором NOx:
1 – ДВЗ; 2 – система підігріву ВГ; 3 – окислювальний нейтралізатор; 4 – датчик температури; 5 –
датчик кисню; 6 – накопичувальний нейтралізатор NOx; 7 – датчик NOxабо кисню; 8 – блок
керування
Рисунок 14.53. Принципова схема системи випуску з селективним нейтралізатором:
1 – ДВЗ; 2 – датчик температури; 3 – окислювальний нейтралізатор; 4 – форсунка впорскування
відновлювача; 5 – датчик NOx; 6 – гідролізний нейтралізатор; 7 – селективний нейтралізатор; 8 –
загороджувальний нейтралізатор NH3; 9 – датчик NH3; 10 – блок керування; 11 – насос
відновлювача; 12 – бак для відновлювача; 13 – датчик рівня відновлювача
Селективний каталітичний нейтралізатор (SCR – Selective Catalytic Reduction або
Selective Reduction Type). У ньому відновлення NOxздійснюється додаванням у ВГ
відновлювачів, наприклад, водяного розчину сечовини (комерційна назва AdBlue) з
концентрацією 32,5% за масою. У гідролізному нейтралізаторі з розчину утворюється аміак (рис.
14.53, 14.54), який у селективному нейтралізаторі реагує з NOx, утворюючи азот і воду. У
сучасних системах гідролізний і селективний нейтралізатори об’єднані у один.
Загороджувальний нейтралізатор попереджує можливий викид NH3.
Фільтр твердих часток (сажовий фільтр) використовують у дизелях, часто у одному
корпусі з окисним нейтралізатором (рис. 14.55, 14.56). Сажовий фільтр виготовляють з кераміки,
металокераміки чи з перфорованих металічних трубок, вкритих керамічними волокнами.
Середня ефективність очищення ВГ від твердих часток може становити 45ч60%. Разом з цим
зменшується концентрація бенз(α)пірену у ВГ на 80ч99%.
Рисунок 14.54. Система випуску з SCR (Mercedes-Benz, технологія BlueTec):
1 – окисний нейтралізатор; 2 – фільтр твердих часток; 3 – форсунка відновлювача; 4 –
селективний нейтралізатор; 5 – бак відновлювача
Рисунок 14.55. Система випуску з окисним нейтралізатором, фільтром твердих часток і
системою додавання присадок:
1 – блок керування каталітичної присадки; 2 – блок керування ДВЗ; 3 – насос додавання
каталітичної присадки; 4 – датчик рівня каталітичної присадки; 5 – бак з рідкою каталітичною
присадкою; 6 – клапан дозування каталітичної присадки; 7 – паливний бак; 8 – ДВЗ; 9 – окисний
нейтралізатор; 10 – фільтр твердих часток; 11 – датчик температури; 12 – диференційний датчик
тиску; 13 – сажовий датчик
Рисунок 14.56. Окисний нейтралізатор із фільтром твердих часток
У процесі роботи двигуна пропускна спроможність фільтроелементів зменшується. Для
поновлення необхідна їх періодична регенерація. Здійснити регенерацію можна шляхом
випалювання. Для цього необхідна температура вища за 550°С. Отримати таку температуру за
нормальної роботи дизеля досить складно.
Додавання у паливо каталітичних присадок (рис. 14.56) дозволяє знизити температуру
допалювання на 100°С. Іншими засобами зниження температури є каталізатори (мідь чи залізо),
які наносять на поверхню фільтроелемента. При об’єднанні окисного нейтралізатора та фільтра
твердих часток у одному корпусі можна зменшити температуру згоряння до 250°С, оскільки у
нейтралізаторі буде проводитися окиснення NO до NO2, а у присутності NO2 сажа згоряє саме
при такій температурі.
Із застосуванням керамічних фільтроелементів виникає потреба в їх розігріванні.
Здійснити його можна подаванням додаткового палива у спеціальну камеру перед фільтром.
Розігрівання струмопровідного металокерамічного фільтру здійснюється, як правило,
електричним струмом від бортової електричної системи автомобіля.
Особливістю роботи бензинового ДВЗ є необхідність підтримання збагаченого складу
суміші при прогріві. Робота системи випуску ускладнюється тим, що нейтралізатор для
ефективної роботи має бути швидко прогрітим до робочої температури. Для зниження викидів
CО і CnHm оптимізують процеси пуску ДВЗ (регулюванням моментів впорскування і
запалювання), застосовують прогрів на збідненій суміші, подачу додаткових порцій повітря у
випускний трубопровід. Для швидкого прогріву нейтралізатори встановлюють як можливо
ближче до випускного колектора, встановлюють підігрівач, зменшують кут випередження
запалювання, подають невелику порцію повітря у нейтралізатор (електронасосом), застосовують
подвійне впорскування палива у ДВЗ з безпосереднім впорскуванням бензину.
Зниження вмісту шкідливих речовин у ВГ двигунів будівельних машин, поряд з
каталітичними нейтралізаторами, досягається використанням каталітичнихфільтрів-
перетворювачівпалива (КФПП). Ці пристрої призначені для активації палива перед подачею у
циліндри для того, щоб збільшити повноту його згоряння, і, крім того, для очищення палива від
механічних забруднень, води і смолистих з'єднань. Паливо у фільтрі піддається фізичній
обробці, протікаючи через лабіринтові пори титанового фільтроелемента. Відбувається його
гомогенізація та активація молекул, підготовка палива перед подачею у циліндри до стану
однорідної суспензії з активними молекулами. У результаті цього значно менше енергії
затрачується на процес окислювання молекул, що істотно збільшує повноту згоряння палива.
Використання КФПП на дизельних двигунах дозволяє значно поліпшити їхні екологічні
показники, а також властивості палива. Так, зміст СО і сірки зменшується більш ніж на 50%, NOх
– на 5ч7%.
Рідиннінейтралізатори відносяться до найпростіших пристроїв, в яких здійснюється
фізико-хімічна обробка відпрацьованих газів під час перепускання їх крізь шар води чи
хімічного розчину. Принцип роботи рідинних нейтралізаторів ґрунтується на розчиненні чи
хімічному зв’язуванні шкідливих речовин, уловлюванні дрібнодисперсних частинок і фільтрації
відпрацьованих газів.
Компоненти ВГ, які розчиняються у воді – альдегіди, оксиди сірки, вищі оксиди азоту –
нейтралізуються, сажа і інші дисперсні частинки уловлюються рідиною, послабляється
інтенсивність запаху ВГ, оксид вуглецю і оксид азоту не знезаражуються.
В рідинних нейтралізаторах ВГ охолоджуються до температури 40ч80оС, що важливо
якщо роботи проводяться у вибухонебезпечних середовищах. Окрім того, за таких температур
бенз(α)пірен переходить у твердий стан і уловлюється. Щоб підвищити ефективність
нейтралізації, застосовують розчини хімічних реактивів. В багатьох випадках застосовують
технічну воду, забезпечуючи її часту заміну в нейтралізаторі.
Недоліком рідинних нейтралізаторів є те, що розчин може замерзати. Крім того,
експлуатація рідинного нейтралізатора дорожча через більшу трудомісткість технічного
обслуговування, яке потребує щозмінного видалення і утилізації спрацьованої рідини і шламу,
промивання системи і заповнювання свіжою рідиною. Рідині нейтралізатори мають велику масу
і габаритні розміри, високу вартість хімічних реактивів.