Методы снижения выбросов токсичных веществ

Каждое из токсичных веществ ОГ имеет свой механизм образования. Это значительно затрудняет поиск методов по их комплексному снижению. Кроме того, ужесточение стандартов приводит к поиску и реализации все более сложных и дорогих мероприятий.

На первом этапе снижение токсичности ОГ базировалось на совершенствовании традиционных процессов смесеобразования и сгорания при одновременном введении электронного управления двигателем.

Следующим шагом стало применение нейтрализации ОГ в системе выпуска, при которой токсичные вещества (СО, СН и NOJ нейтрализуются в системе выпуска после их выхода из цилиндра двигателя.

Кроме этого, для устранения выбросов S02 и ПАУ проводятся мероприятия по улучшению экологических свойств топлив путем ограничения содержания в них серы и ароматических углеводородов.

На современном уровне развития двигателестроения снижение выбросов токсичных веществ связано с улучшением топливной экономичности и переходом к альтернативным топливам.

режимный Европейский тест

Рис. 4.17. 13-режимный Европейский тест

Снижение токсичности ОГ ДсИЗ

Управление составом смеси и углом опережения зажигания. Большое влияние на состав ОГ оказывает состав смеси, выражаемый коэффициентом избытка воздуха а.

По мере снижения а вследствие нехватки кислорода при обогащении смеси возрастает неполнота сгорания топлива. Это способствует росту СО и СН. С другой стороны, на очень бедных смесях концентрация СН увеличивается из-за пропусков воспламенения.

По мере обеднения смеси доа» 1,05 концентрация NOxвозрастает вследствие увеличения количества кислорода и температуры сгорания в процессе сгорания. При дальнейшем обеднении смеси определяющее значение приобретает снижение температуры сгорания и образование NOx начинает снижаться.

Существенное влияние на выбросы NOx и СН оказывает угол опережения зажигания ф0 3. При увеличении ф0 3 возрастает температура процесса сгорания, а вместе с ней и количество образующихся NOx. С уменьшением ф0 3 сгорание все больше переносится на линию расширения, возрастает температура ОГ в конце процесса расширения и в системе выпуска, что обеспечивает более полное окисление СН.

Сегодня возможности снижения токсичности ОГ за счет управления а и ф0 з практически исчерпаны. Это привело к поиску новых, эффективных способов, описанных далее.

Рециркуляция отработавших газов. Применение рециркуляции ОГ необходимо для эффективного снижения выбросов N0^.. Это достигается за счет добавления ОГ в свежий заряд. В результате повышается масса рабочей смеси с соответствующим увеличением ее теплоемкости, что приводит к снижению температуры сгорания и позволяет уменьшить образование N0^ при некотором ухудшении экономичности.

По мере увеличения рециркуляции ОГ затягивается процесс тепловыделения и возрастают выбросы углеводородов (СН).

С увеличением нагрузки возрастает максимальная температура рабочего цикла, а топливовоздушная смесь обедняется. Поэтому количество ОГ посредством рециркуляции следует увеличивать. Однако при полном открытии дроссельной заслонки рециркуляция ОГ не позволит получить максимальную мощность, поэтому на данных режимах ее целесообразно прекращать.

Таким образом, возникает необходимость управления количеством ОГ, которое подается вместе со свежим зарядом, в зависимости от режима работы двигателя.

Схема рециркуляции ОГ показана на рис. 4.18.

Распознавание блоком управления 1 режима работы двигателя ведется по сигналам датчиков положения коленчатого вала, дроссельной заслонки 2, а также расхода воздуха. Кроме этого, учитывается показание датчика кислорода (^-зонд) 4, который оценивает содержание кислорода в ОГ.

На основании полученной информации блок управления воздействует на электрический привод клапана рециркуляции 3 таким образом, что с увеличением его высоты подъема растет проходное сечение отверстия, через которое ОГ из выпускного трубопровода попадают во впускной трубопровод.

Нейтрализация ОГ. Все большее ужесточение норм, регламентирующих предельно допустимые выбросы токсичных веществ в ОГ, привело к необходимости установки в выпускной системе двигателя каталитического нейтрализатора.

Современная схема установки нейтрализатора и устройств, отвечающих за его эффективную работу, показана на рис. 4.19.

Схема рециркуляции отработавших газов

Рис. 4.18. Схема рециркуляции отработавших газов:

1 — блок управления двигателем; 2 — датчик положения дроссельной заслонки; 3 — клапан рециркуляции с электроприводом; 4 — датчик кислорода; 5 — нейтрализатор

Схема управления работой трехкомпонентного каталитического нейтрализатора

Рис. 4.19. Схема управления работой трехкомпонентного каталитического нейтрализатора: 1 — датчик массового расхода воздуха; 2 — двигатель; 3,4 — датчики кислорода;

5 — предварительный нейтрализатор; 6 — основной нейтрализатор; 7 — форсунки; 8 — блок управления двигателем

На сегодняшний день наибольшее распространение получил трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, который позволяет снизить содержание СН, СО (окислить) и NOx (восстановить).

Степень превращения указанных токсичных газов в нейтрализаторе можно оценить коэффициентом преобразования К-.

7 вх

где С, вх, С( ВЫХ — концентрации токсичного компонента ОГ соответственно на входе и на выходе из нейтрализатора соответственно.

Зависимость значений К{ от коэффициента а избытка воздуха для СН, СО и NOx представлена на рис. 4.20. Как видно из данного рисунка, эффективного преобразования всех указанных продуктов сгорания можно достичь только в очень узком диапазоне составов топливовоздушной смеси вблизи а = 1 (стехиометрический состав смеси). В связи с этим возникает необходимость управления составом смеси по замкнутому контуру (см. рис. 4.19) с применением датчика кислорода.

Зависимость значений K для токсичных веществ от коэффициента а избытка воздуха

Рис. 4.20. Зависимость значений Ki для токсичных веществ от коэффициента а избытка воздуха

Помимо а на эффективность работы нейтрализатора оказывает влияние его температура. Так, преобразование токсичных веществ в трехкомпонентном нейтрализаторе начинается при температуре выше 300 °С. Наилучшим с точки зрения степени очистки ОГ и длительности работы трехкомпонентного нейтрализатора является диапазон 400...800 °С. При более высокой температуре наступает выход из строя нейтрализатора.

В современных системах, как показано на рис. 4.19, могут устанавливаться не один, а два трехкомпонентных нейтрализатора.

Предварительный нейтрализатор 5 расположен непосредственно рядом с двигателем и имеет меньшие размеры по сравнению с основным 6. Указанные особенности нейтрализатора 5 позволяют осуществить его быстрый прогрев до рабочих температур после запуска двигателя и обеспечить тем самым еще более эффективное снижение выбросов токсичных веществ.

В этом случае, в современных системах устанавливается и два датчика кислорода. При этом первый датчик 3 управляет изменением состава смеси. Второй датчик 4 необходим для дополнительной коррекции состава смеси.

Совместная работа двух датчиков носит еще и диагностическую функцию, позволяя оценивать эффективность работы нейтрализаторов и состояние первого датчика 3. Будучи расположенным у двигателя, первый датчик подвергается большим тепловым нагрузкам, что может привести к выходу его из строя. В этом случае второй датчик позволит системе перейти на запасной (аварийный) режим работы.

Адсорбция паров бензина. Для предотвращения выброса в атмосферу паров топлива из бака используется адсорбер, который улавливает пары топлива при неработающем двигателе. Адсорбер сообщается с бензобаком, впускным трубопроводом и атмосферой. На входе воздуха в адсорбер установлен запорный клапан, а между адсорбером и впускным трубопроводом — клапан продувки. На неработающем двигателе оба клапана закрыты и пары бензина из бензобака поступают в адсорбер, где происходит их улавливание и конденсация. После запуска двигателя по команде электронного блока управления оба клапана открываются и происходит продувка адсорбера, т.е. конденсат паров бензина удаляется из адсорбера потоком воздуха во впускной трубопровод.

Применение альтернативных топлив. В качестве альтернативных топлив для ДсИЗ перспективными считаются спирты (метиловый и этиловый) и водород.

Как показали исследования, проведенные в НАМИ, добавка к бензину 15% метилового спирта снижает выброс вредных веществ на 25...30%. Работа на чистом метиловом спирте обеспечивает это снижение до 50%.

Существенная трудность при использовании метилового спирта заключается в его ядовитости и большой коррозионной агрессивности относительно металлов, резины и пластмасс. Поэтому все большее внимание стали уделять использованию этилового спирта, который не имеет этих недостатков.

Применение водорода в качестве топлива позволяет исключить углеродосодержащие вещества в ОГ: СО, С02 и СН. При этом, хотя на слегка обедненных смесях из-за высоких температур сгорания Н2 образуется большее количество NOx (до 5000...5500 млн-1), чем при работе на бензине, испытания по Правилам № 83 ЕЭК ООН показывают уменьшение выбросов NOx по сравнению с работой на бензине (из-за использования значительно более бедных водородовоздушных смесей).

Основными сдерживающими факторами при применении водорода являются трудности при организации его хранения на борту автомобиля, а также при производстве водорода, транспортировании и организации заправок. По этим причинам в скором времени, возможно, будут использовать добавки водорода к бензину.

Использование бедных и расслоенных зарядов. Применение обедненных смесей (а = 1,5...1,7) позволяет значительно снизить выбросы N0*., а борьбу с выбросами СН и СО вести с помощью окислительного нейтрализатора.

Работы ДсИЗ на обедненных смесях обеспечивается комплексом мероприятий: управлением интенсивностью движения заряда в цилиндре; увеличением степени сжатия и мощности электрической искры.

В случае использования расслоенных зарядов, получаемых при непосредственном впрыскивании бензина в цилиндр, возникает необходимость эффективной нейтрализации N0^ в ОГ, содержащих кислород. Для этих целей создан адсорбционно-каталитический нейтрализатор типа DENOX. В этом нейтрализаторе носитель из оксида алюминия А1203 покрыт катализатором из платины и оксида металла, например бария, выполняющего функцию адсорбера. При работе на бедных смесях платиновый катализатор способствует окислению N0 в N02, который на оксиде металла адсорбируется (оседает) в виде нитратов.

Когда двигатель будет работать при а < 1,0, нитраты с участием СН, СО и Н2 восстанавливаются на платиновом катализаторе (регенерация) и нетоксичные продукты (N2, С02 и Н20) выбрасываются в атмосферу.

Улучшению условий работы адсорбционно-каталитического нейтрализатора способствует автоматический перевод двигателя на кратковременную работу при а = 1.

Существенным недостатком нейтрализатора DENOX является необходимость снижения в неэтилированном бензине содержания серы до 30 млн-1 и менее. В противном случае из-за сульфатации нейтрализатор не может работать достаточно эффективно.

Использование окислительного нейтрализатора совместно с DENOX вызвано необходимостью снижения выбросов СН и сажи, образование которых при сгорании расслоенных зарядов увеличивается.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >