Внутреннего сгорания автомобилей

Загрязнение воздуха вредными выбросами автомобилей в конце 20 века стало одной из глобальных экологических проблем. В отработавших газах автомобилей обнаружено около 280 компонентов, которые по своим химическим свойствам, характеру воздействия на организм человека вещества, подразделяют на несколько групп:

1.Нетоксичные: азот, кислород, водород, водяные пары, а также диоксид углерода (при невысоких концентрациях).

2.Токсичные: оксид углерода, оксиды азота, углеводороды, альдегиды.

3.Сажа, нетоксична, но адсорбирует на своей поверхности канцерогенные полициклические углеводороды (наиболее токсичный бенз(а)пирен).

4. При сгорании сернистых топлив образуются диоксиды серы и сероводород.

Токсичные компоненты составляют 0,2−5% от объема отработавших газов в зависимости от типа двигателя и режима его работы.

Разработаны следующие управленческие и инженерные методы уменьшения количества выхлопов или снижения их токсичности:

● Законодательные акты об обязательном снижении уровня токсичных выхлопов новых автомобилей стимулировали работы по усовершенствованию двигателей и разработке систем нейтрализации;

●совершенствование системы питания и зажигания;

●нейтрализация (обезвреживание токсичных компонентов) отработавших газов в системе выпуска до выброса их в атмосферу.

В 1975 году на американских машинах появились первые каталитические нейтрализаторы отработавших газов − тогда еще двухкомпонентные, так называемого окислительного типа. Двухкомпонентными их называли потому, чтоони могли нейтрализовать только два токсичных компонента СО и СН_х. путем окисления их до СО₂и воды.

На американских автомобилях 1975 года появились транзисторные системы зажигания с высокой энергией искры и свечи с медным сердечником центрального электрода - это свело к минимуму пропуски зажигания и последующие вспышк и несгоревшего топлива в нейтрализаторе, которые грозят оплавлением керамики.

В 1977-м к нейтрализатору добавили «противоазотную» секцию, а еще через пару лет соединили всё в едином корпусе с неправильным названием «трехступенчатый нейтрализатор». На самом деле речьидет не о степенях, а о трех подавляемых классах вредных веществ. К 1990 году нейтрализатор разместили вплотную к выпускному коллектору двигателя, чтобы он быстрее нагревался до рабочих температур. Температура активации катализатора находится в пределах 250-350°С. Время, необходимое для разогрева, может достигать нескольких минут и зависит от типа автомобиля, способа его эксплуатации и температуры воздуха. Холодный катализатор практически неэффективен, Поэтому необходимо уменьшить время достижения температуры активации.

К 1995 году фирма «Эмитек» разработала технологию подогрева катализатора мощным электрическим сопротивлением. Подогреватель на металлической опоре крепится внутри катализатора. Его мощность − 0,5-2, иногда 4 кВт, в зависимости от величины сопротивления (от 0,05 до 0,35 Ом). Элемент 1,5 кВт разогревает катализатор до 400°С за 10 сек.

Чтобы снизить вредные выбросы при пуске холодного двигателя, иногда применяют также встроенный в катализатор цеолитовый адсорбер углеводородов, адсорбирующий отходящие газы при пуске мотора и лишь после нагрева до 220°С десорбирующий их для окисления на катализаторе. К таким устройствам относятся нейтрализатор «Эдкэт» фирмы «Делфай» или «Пума» фирмы «Корнинг».

Компания «ЭСИА» предложила пусковой катализатор, размещенный в специальном ответвлении выпускной системы. Он имеет меньшие, чем основной катализатор, размеры и, соответственно, прогревается быстрее, после чего приводит в рабочее состояние основной катализатор.

Современные каталитические нейтрализаторы - это трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы. В настоящее время ими оснащены все автомобили, которые производят предприятия цивилизованных стран.

Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор внешне напоминает глушитель, представляет собой корпус из нержавеющей стали, включенный в систему выпуска до глушителя, В корпусе располагается блок носителя с многочисленными продольными порами, покрытыми тончайшим слоем вещества катализатора, которое само не вступает в химическиереакции, но одним своим присутствием ускоряет их течение.

Отработавшие газы, проходя через каталитический нейтрализатор,сильно его нагревают. Попадание большого количества несгоревшего топлива в каталитический нейтрализатор может привести к его возгоранию.

B трехкомпонентном нейтрализаторе на Pt-Pd катализаторе окисляют СО и СН_х, а на Rh –катализаторе − восстанавливает NO_х до N₂:

В нейтрализаторе одним из эффективных носителей для катализатора служит специальная керамика, представляющая собой монолит со множеством продольных сот-ячеек, на которые нанесена специальная шероховатая подложка с эффективной поверхностью до 20 тыс.м²(рис.6.7), на которой

Рис.6.7. Керамические соты - носители катализатора нейтрализации вредных компонентов выбросов двигателя внутреннего сгорания автомобиля

нанесено всего 2-3 г дорогих благородных металлов (Pd, Pt).Керамика достаточно огнеупорна и выдерживает температуру до800-850°С. Но при неисправности системы питания и длительной работе на переобогащенной рабочей смеси (избыток топлива по отношению к воздуху) керамический монолит может оплавиться и тогда каталитический нейтрализатор выйдет из строя. Именно поэтому проблемно использование каталитических нейтрализаторов с керамическим носителем на карбюраторных двигателях.

Все шире в качестве носителей каталитического слоя используют тончайшие металлические соты, что увеличивает площадь рабочей поверхности, снижает противодавление, ускоряет разогрев каталитического нейтрализатора до рабочей температуры и, главное, расширяет рабочий температурный диапазон до1000-1050°С.

Соты нейтрализаторов типа Metalit сделаны из тонкостенного (толщина 0,04 мм, а не 0,15 мм, как у керамики) листа хромоалюминиевой стали, легированной редкоземельным металлом иттрием для лучшей адгезии каталитического слоя. Такой нейтрализатор выдерживает пиковые темпера-туры до 1300°С.Это отвечает требованиям к современным двигателям, работающих на переобедненных смесях, и соответственно к каталитическим нейтрализаторам, для которых керамика уже не подходит.

Широкое использование нейтрализаторов стимулировало рост мирового рынка благородных металлов: 35% потребляемой платины, 45% палладия, 90% родия идет на автомобильные каталитические нейтрализаторы.

Трехкомпонентный нейтрализатор наиболее эффективен при определенном составе отработавших газов. Для этого необходимо очень точно выдерживать состав горючей смеси, близкий к стехиометрическому отношения воздух/топливо в узких пределах 14,5 - 14,7. Если горючая смесь будет богаче, то упадет эффективность нейтрализации СО и СН_х, если беднее — NO_х.Данная проблема решена путем автоматизации управления процессом

На рис.6.8 схема современного трехкомпонентного каталитического нейтрализатора. Второй кислородный датчик в новейших системах бортовой диагностики ОВD-П отслеживает эффективность нейтрализации.

Рис. 6.8. Схема трехкомпонентного каталитического нейтрализатора: 1- воздух, 2- бензин, 3 - блок управления, 4 - система впрыска, 5 - двигатель, 6 - каталитический нейтрализатор, 7 - кислородные датчики, 8 - резонатор, 9 - глушитель.

Разработан каталитический нейтрализатор с двумя ячеистыми носителями, каждый из которых составлен из двух металлических лент, гофрированных под изменяющимся углом 0-20 градусов друг к другу от центра к краю носителя. Общий объем сотового нейтрализатора 1,7 л. Нейтрализатор установлен на автомобиль ВАЗ 21102 на базе испытательного оборудования согласно требованиям ЕВРО-2. На носитель нанесена пористая керамическая подложка на основе оксида алюминия и активный компонент, содержащий платину, палладий, родий [48].

Гетерогенные катализаторы относятся к самым давно известным наноматериалам со всеобщим промышленным значением. Они играют ключевую роль в индустрии, обеспечивая сбережение энергии и защиту природы. По сегодняшним оценкам, около 20–30% валового национального продукта в индустриальных странах так или иначе зависят от катализаторов.

Несмотря на то что вопросы гетерогенного катализа интенсивно исследовались все прошлое столетие, многие технические разработки до сих пор основаны на экспериментировании методом проб и ошибок или просто на химической интуиции. Такое положение можно приписать факту, что технические катализаторы обычно являются сложными многокомпонентными структурированными материалами, а исторически было трудно установить четкую зависимость активности от структуры —хотя хорошо известно, что тонкая структура катализаторов имеет решающее значение для их эффективности [26].

Снижение загрязнений от автомобилей достигается усовершенствованием управления мотором во взаимодействии с каталитическим конвертером. Сердце каталитического конвертера — катализатор на основе металлов платиновой группы (МПГ) — наверное, один из самых сложных узлов современного автомобиля, хотя в нем даже нет подвижных частей. Активные центры этих катализаторов основаны на наночастицах МПГ, работающих в комплексном взаимодействии с остальными компонентами катализатора в условиях экстремальной температуры, вариаций состава и скорости поступления веществ. Каталитический конвертер должен быть работоспособен в течение срока службы автомобиля. Главная трудность при разработке катализаторов, таким образом, состоит в сохранении изначальной наноструктуры и предотвращении спекания [61].

Разработан способ очистки воздуха от диоксида углерода в водородно-воздушном матричном топливном элементе с щелочным электролитом[52].

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: