< Попер   ЗМІСТ   Наст >

Шляхи зменшення шкідливості викидів автомобільного транспорту

Зменшення шкідливого впливу випускних газів на навколишнє середовище може бути досягнено різними методами. Перш за все – вдосконаленням саме двигуна. При використанні високосірчистих продуктів доцільна їх переробка заздалегідь задля зменшення вмісту в них сірчистих сполук. Так, каталітичне гідроочищення дає змогу не тільки знизити вміст шкідливих компонентів у паливах, а й отримувати елементарну сірку, більш чисту й дешеву ніж природна. Для підвищення повноти згоряння палив, зменшення нагароутворення, шкідливого впливу сірки та інших домішок застосовують присадки – речовини, введення яких у палива в невеликих кількостях (до 1%) дозволяє покращити умови згоряння палив.

Використовують такі присадки: органічні, солі жирних кислот, що розчиняються у паливі, або мінеральні, водорозчинні, які при введенні у паливо утворюють з ними емульсії. Розроблені поліфункціональні комплексні присадки, що покращують ряд властивостей палив.

Зниження токсичності відпрацьованих газів може бути досягнуто їх нейтралізацією різними методами.

Дія каталітичних нейтралізаторів ґрунтується на безполум'яно- му окисненні продуктів неповного згоряння – СО та СН в СO2 та Н2О, а також на розташуванні сполук NOx на початкові речовини – N2 та O2. Як каталізатори використовують оксидні каталізатори – суміш марганцю та оксиду міді, хрому, заліза (при t < 150°С) або кераміку, покриту платиною або паладієм, V2O5 (при t > 300°С).

Розроблені двоступеневі каталітичні нейтралізатори, які складаються з послідовно з'єднаних відновлювальної та окиснювальної секцій. У світі триває пошук нових недефіцитних каталізаторів.

У плазменних нейтралізаторах СО, альдегіди СxНн, суспензії палив окиснюються до СO2, та Н2O при згорянні в полум'ї, отриманому при спалюванні додаткового палива або при вмиканні електричного нагрівана. Однак при цьому у відпрацьованих газах залишаються оксиди азоту.

Принцип дії рідинних нейтралізаторів полягає в пропусканні відпрацьованих газів через прошарок рідини, частіше всього – воду. При цьому знешкоджуються лише розчинені шкідливі речовини: альдегіди, оксиди сірки, вищі оксиди азоту; затримуються сажа, рідкі аерозолі (масло, паливо), недоліком є наявність у газах N0" CO, CxHy. Більш повне поглинання домішок може бути досягнене використанням розчинів NH3, NaOH, NaCO3, МпO4, етаноламінів або твердих сорбентів.

Карбюратор – головний елемент паливної системи двигуна, призначений для розпилення, часткового випарювання та утворення суміші з палива і повітря; встановлення складу паливоповітряної суміші відповідно до режиму роботи двигуна; відповідно до навантаження зміни кількості паливоповітряної суміші, яка надходить у циліндри двигуна.

Неповне випаровування палива в карбюраторі викликає утворення паливної плівки на стінках впускного трубопровода. Це призводить до нерівномірного розподілу палива по циліндрах двигуна, зменшує його економічність та потужність, збільшує токсичність газів, що випускаються.

Для запобігання потраплянню паливної плівки в циліндри застосовується підігрів паливоповітряної суміші в трубопроводі, що впускає суміш, випускними газами або підігрітою в системі охолодження двигуна водою. Також вживають інші заходи для того, щоб уникнути утворення паливної плівки.

Нейтралізація газів двигунів внутрішнього згоряння

Зниження рівня викидів токсичних речовин випускними газами двигунів можна досягти впливом на робочий процес задля зменшення утворення цих речовин у процесі згоряння, обладнанням двигуна системами нейтралізації випускних газів та застосуванням палив, у продуктах згоряння яких міститься менше токсичних речовин у припустимих межах без шкоди для потужності та економічності двигуна за мінімального подорожчання силової установки з двигуном.

Способи впливу на робочий процес для зниження токсичності двигуна, що застосовуються сьогодні, призводять, як правило, до зменшення його потужності та збільшення витрат палива і, крім того, в двигунах з примусовим займанням не забезпечують поки що припустимого рівня токсичності. Тому установки з двигунами обладнуються системами нейтралізації, в яких передбачається зниження концентрації токсичних речовин впливом на робочий процес та застосуванням приладів для нейтралізації і очищення газів у випускному трубопроводі нейтралізаторів та очищувачів.

У термічних та каталітичних нейтралізаторах проходять хімічні реакції, в результаті чого зменшується концентрація газових компонентів токсичних речовин. Механічні та водяні очищувачі застосовуються для очищення випускних газів від механічних частинок (сажі) та краплинок масла. Останні використовуються рідко.

Термічний нейтралізатор є камерою згоряння, яка розміщується у випускному тракті двигуна для допалювання продукту неповного згоряння палива – СН та СО. Він може встановлюватися на місці випускного трубопроводу та виконувати його функції. Реакції окиснення СО та СН протікають достатньо швидко при температурі вище 830°С та за наявності в зоні реакцій незв'язаного кисню. Термічні нейтралізатори застосовуються на двигунах з примусовим займанням, в яких необхідна для ефективного протікання термічних реакцій окиснення температура забезпечується без подання додаткового палива. Й без того висока температура випускних газів у цих двигунах підвищується у зоні реакції в результаті догоряння частини СН та СО, концентрація якого значно вища ніж у дизелів.

Термічний нейтралізатор (рис. 18.1) складається з корпуса з випускними патрубками та однієї чи двох жарових труб-вставок з жароміцної листової сталі. Добре перемішування додаткового повітря,

Термічний нейтралізатор-допалювач

Рис. 18.1. Термічний нейтралізатор-допалювач:

1 – випускні патрубки двигуна; 2 – вихід газів з нейтралізатора; 3 – підведення додаткового повітря

яке необхідне для окиснення СН та СО, з випускними газами досягається інтенсивним вихроутворенням та турбулізацією газів при перетіканні через отвори в трубах і в результаті зміни напрямку їх руху системою перегородок. Для ефективного догоряння СО та СН потрібно дещо більше часу, тому швидкість газів у нейтралізаторі задається невисокою, внаслідок чого обсяг його отримується порівняно великим. Щоб уникнути падіння температури випускних газів у результаті тепловіддачі у стінки, випускний трубопровід та нейтралізатор покривають тепловою ізоляцією, встановлюють теплові екрани у випускних каналах, розміщують нейтралізатор якомога ближче до двигуна. Незважаючи на це, для прогріву термічного нейтралізатора після пуску двигуна потрібен значний час. Для скорочення цього часу підвищують температуру випускних газів, що досягається збагаченням горючої суміші та зменшенням кута випередження запалювання, хоча й те, й інше підвищує витрати палива. До таких самих заходів вдаються для підтримання стабільного полум'я на перехідних режимах роботи двигуна. Зменшенню часу до початку ефективного окиснення СН та СО сприяє також жарова вставка.

У каталітичних окиснювальних нейтралізаторах (за наявності надлишкового кисню у випускних газах) із каталізаторами з коштовних металів – платини, платини та паладію, платини та родію – достатньо висока швидкість окиснення СО та СН забезпечується при порівняно високих температурах, значно менших ніж у термічному нейтралізаторі. Окис вуглецю окиснюється в СО при 250– 300°С, вуглеводні, бензапірен, альдегіди – при 400–450°С; при цьому у випускних газів майже зникає неприємний запах. За температури 580°С згоряє сажа. Каталізатори на базі звичайних металів для активації процесів окиснення при невисоких температурах в двигунах не застосовують.

Для збільшення поверхні контакту з газами каталізатор наноситься тонким шаром на поверхню носія з кремнезему або глинозему у вигляді кульок або на поверхню монолітного носія з чарунками (рис. 18.2). Носій з каталізатором помішують у корпус, який може бути об'єднаний з глушником шуму випуску. Випускні трубопроводи та корпус каталітичного нейтралізатора теплоізолюють, щоб, як і в термічних нейтралізаторах, зменшити тепловіддачу від випускних газів.

Комбінований каталітичний нейтралізатор із чарункуватим монолітним носієм

Рис. 18.2. Комбінований каталітичний нейтралізатор із чарункуватим монолітним носієм

У нейтралізаторах для легкових автомобілів застосовується платина та паладій. У разі використання етильованого бензину активність каталізатора швидко падає через відкладання свинцю.

У каталітичному та термічному допалювачах для окиснення СН та СО потрібен незв'язаний кисень у випускних газах, тому в системи нейтралізації двигунів із примусовим займанням, які можуть працювати на багатих сумішах, входить пристрій для підведення додаткового повітря до випускних газів. Кількість додаткового повітря становить приблизно 25% витрат повітря двигуном.

За наявності кисню у випускних газах та при їх достатньо високій температурі окиснення СН та СО проходить у випускному трубопроводі. Тому додаткове повітря доцільно підводити у випускний канал у головці циліндра. Підведення додаткового повітря та теплова ізоляція випускних трубопроводів дають змогу помітно зменшити викиди СН та СО і тоді, коли нейтралізатор не застосовується.

У разі застосування термічного або окиснювального каталітичного нейтралізатора викиди СН та СО вдається зменшити до встановлених норм. Концентрація окисів азоту не змінюється або змінюється дуже мало. Для зменшення концентрації окиснів азоту в системах з окиснювальними нейтралізаторами застосовується рециркуляція випускних газів. З цією метою випускні гази в кількості до 10% обсягу свіжого заряду відбираються з випускного трубопроводу, охолоджуються та спрямовуються у впускну систему.

Тепер двигуни з примусовим займанням на легкових автомобілях обладнуються частіше системами нейтралізації, які включають каталітичний окиснювальний нейтралізатор, систему подання додаткового повітря та систему рециркуляції випускних газів. Ступінь нейтралізації СН досягне в окиснювальному нейтралізаторі з платино-паладієвим каталізатором 85%, СО – 93%. Ступінь нейтралізації оцінюється відношенням різниці концентрацій токсичних компонентів на вході в нейтралізатор та на виході з нього до їх концентрації на вході.

Каталітичні нейтралізатори з відновлювальним середовищем використовуються іноді у системах для зменшення викидів окисів азоту. Відновлення NO з утворенням N2 стає можливим за наявності достатньо високого вмісту СО у випускних газах.

Каталітичний нейтралізатор з відновлювальним середовищем доцільно застосовувати в комбінації з окиснювальним каталітичним нейтралізатором для окиснення СН та СО. Додаткове повітря підводиться у такому разі в окиснювальний нейтралізатор, який встановлюється після відновлювального.

У каталітичному нейтралізаторі з каталізатором із коштовних металів можна зменшити до встановлених норм викиди всіх трьох токсичних газових складників – СН, СО та NOx, але лише за умови, що склад горючої суміші відрізняється від стехіометричного (при α = 1) не більше ніж на 1%. Такі нейтралізатори звуться трикомпонентними. Найкращі результати отримані з платино-родієвими каталізаторами. Сучасні карбюратори та системи вприску бензину з паливними насосами (інжекторні системи) не забезпечують такого вузького діапазону складу суміші на всіх робочих режимах, тому потрібна спеціальна система регулювання подачі палива. Сьогодні вона перебуває на стадії розробки.

Можливі також комбінації термічного нейтралізатора з каталітичним у двох варіантах. Першим встановлюється каталітичний для нейтралізації, а другим термічний для опалювання СН та СО (рис. 18.3).

Комбінований нейтралізатор випускних газів

Рис. 18.3. Комбінований нейтралізатор випускних газів:

1 – термічний нейтралізатор; 2 – каталітичний нейтралізатор; 3 – клапан; 4, 5 та 6 – датчики; 7 – випускний канал

Додаткове повітря для окиснення СН та СО підводиться у другий нейтралізатор.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >