Нейтрализатор отработанных газов автомобильного двигателя

УДК 621.4

Нейтрализатор отработанных газов автомобильного двигателя

, *****@***ru тел.

Научный руководитель –

Ухтинский государственный технический университет, г. Ухта

В настоящее время экологическая обстановка в больших городах России, как и во всём мире, превращается из неблагоприятной в критическую вследствие загрязнения продуктами сгорания от выхлопных газов автомобилей с двигателями внутреннего сгорания.

Загрязнение окружающей среды в значительной степени обусловлено неполным сгоранием топлива и выделением токсичных компонентов – окиси углерода (СО) углеводородов (СН) и твердых частиц сажи. Кроме этого выделяются окислы азота (NOx) и серы, количество которых зависит от качества применяемого топлива и режимов работы двигателя.

Для защиты окружающей среды и здоровья человека от пагубного влияния отработанных газов устанавливаются жесткие допустимые нормы содержания в них вредных примесей (классификация Евро-5).

Евро-5, 6 — экологический стандарт, регулирующий содержание вредных веществ в выхлопных газах. Стандарт обязателен для всех новых грузовых автомобилей продаваемых в Евросоюзе с октября 2008 года. Для легковых автомобилей — с 1 сентября 2009.

В России стандарт Евро-5 действует на все ввозимые автомобили с 1 января 2016 года.

Нормы по выбросам: СН до 0,05 г/км, CO до 0,8 г/км и NOy до 0,06 г/км.

Технический регламент также предусматривает выпуск в обращение автомобильных бензинов и дизельного топлива стандарта не нижеЕвро-2 до 31 декабря 2012 года, Евро-3 — до 31 декабря 2014 года, Евро-4 — до 31 декабря 2015 года, Евро-5 — с 1 января 2016 года.

Нормы выброса для легковых автомобилей.

Этап	Дата	CO	HC	HC+NOx	NOx	PM	PN
г/км	#/km
Дизель
Euro 1	1992.07	2.72 (3.16)	-	0.97 (1.13)	-	0.14 (0.18)	-
Euro 2, IDI	1996.01	1.0	-	0.7	-	0.08	-
Euro 2, DI	1996.01	1.0	-	0.9	-	0.10	-
Euro 3	2000.01	0.64	-	0.56	0.50	0.05	-
Euro 4	2005.01	0.50	-	0.30	0.25	0.025	-
Euro 5a	2009.09	0.50	-	0.23	0.18	0.005	-
Euro 5b	2011.09	0.50	-	0.23	0.18	0.005	6.0x10
Euro 6	2014.09	0.50	-	0.17	0.08	0.005	6.0x10
Бензин
Euro 1	1992.07	2.72 (3.16)	-	0.97 (1.13)	-	-	-
Euro 2	1996.01	2.2	-	0.5	-	-	-
Euro 3	2000.01	2.30	0.20	-	0.15	-	-
Euro 4	2005.01	1.0	0.10	-	0.08	-	-
Euro 5	2009.09	1.0	0.10	-	0.06	0.005 (DI)	-
Euro 6	2014.09	1.0	0.10	-	0.06	0.005 (DI)	-
IDI - дизеля с разделенными камерами сгорания DI - двигатели с непосредственным впрыском

Табл. 1 - Нормы выброса для легковых автомобилей.

Для выполнения этих требований уровня токсичности выхлопных газов разрабатываются весьма эффективные нейтрализаторы отработавших газов, которые устанавливаются на всех выпускаемых автомобилях, как с дизельными, так и с бензиновыми двигателями. В подавляющем большинстве стран введены жесткие нормы по ограничению содержания вредных веществ, попадающих в атмосферу с выхлопными газами (табл.1).

Конструкция каталитического нейтрализатора включает блок-носитель, теплоизоляцию и корпус. Основным элементом каталитического нейтрализатора является блок-носитель, который служит основанием для катализаторов. Блок-носитель изготавливается из специальной огнеупорной керамики. Конструктивно блок-носитель состоит из множества продольных сот-ячеек, которые значительно увеличивают площадь соприкосновения с отработавшими газами.

На поверхность сот-ячеек тонким слоем наносятся вещества-катализаторы. В качестве таких веществ используются дорогостоящие платина, палладий и родий. Катализаторы ускоряют протекание химических реакций в нейтрализаторе.

Платина и палладий относятся к окислительным катализаторам. Они способствуют окислению несгоревших углеводородов (СН) в водяной пар, оксида углерода (угарный газ, СО) в углекислый газ.

Родий является восстановительным катализатором. Он восстанавливает оксиды азота (NOx) в безвредный азот.

Таким образом, три катализатора снижают содержание в отработавших газах трех вредных веществ. Такой нейтрализатор называется трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором.

Блок-носитель помещается в металлический корпус. Между ними обычно располагается слой теплоизоляции. В корпусе нейтрализатора устанавливается кислородный датчик.

Условием эффективной работы каталитического нейтрализатора является температура 300°С. При такой температуре задерживается порядка 90% вредных веществ. С целью быстрого прогрева нейтрализатора при запуске двигателя осуществляются следующие мероприятия:

·  установка нейтрализатора непосредственно за выпускным коллектором;

·  повышение температуры выхлопных газов за счет обогащения топливно-воздушной смеси.

Одним из недостатков каталитических нейтрализаторов является его высокая стоимость, а также отказ («отравление» и разрушение каталитического слоя или керамики) нейтрализующих материалов при нарушении режимов работы (оплавление керамической сердцевины, забивание сот сажей).

Рис. 1 – дефекты блока носителя

В связи с этим предлагается нейтрализатор отработанных газов на базе более дешевых материалов (латуни) располагаемых как непосредственно в цилиндре двигателя, так и в выпускном трубопроводе отработанных газов.

Рис. 2 – Предлагаемый нейтрализатор

Латунные элементы длиной примерно каждая по 600 мм закрепляются на специальной прокладке, которая устанавливается в выхлопную трубу сразу после выпускного коллектора. Такой же элемент устанавливается в начале дополнительного глушителя (резонатора).

Элемент, стоящий после выпускного коллектора, быстро разогреваются после пуска холодного двигателя внутреннего сгорания, тем самым увеличивает скорость прохождения реакции и уменьшает выброс вредных веществ в атмосферу в начале прогрева двигателя..

Нейтрализатор, установленный перед дополнительным глушителем (резонатором), снижает выброс вредных веществ в процессе последующей работы прогретого двигателя.

Испытания нейтрализатора проводили на автомобиле ВАЗ. Проведенные экспериментальные исследования с установкой данных элементов на автомобиль показали, что содержание СО составляет 1.01-1.60 г/км при 900 об/мин (при допустимой норме выброса CO без установки элемента 1.50 г/км). После установки нейтрализатора количество СО снизилось до 0,70 г/км, это примерно на 0.3- 0,6 г/км при 900 об/мин. После установки дополнительного элемента непосредственно за выпускным коллектором результат выброс СО уменьшился ещё на 0,30 г/км. При 900 об/мин результат равен 0,37-0,61 г/км, а при оборотах 3000 об/мин токсичность CO равна примерно 0,45 г/км.

Проверка состояния нейтрализатора через 2 месяца эксплуатации показала отсутствие разрушений элементов нейтрализатора при постоянном высокотемпературном нагреве в выхлопной трубе.