Проблема токсичности отработавших газов автомобилей.

Общее описание

Катализатор топлива - устройство, предназначенное для снижения токсичности выхлопных газов и улучшения условий работы двигателя внутреннего сгорания за счет предварительной обработки углеводородного жидкого топлива, подаваемого в цилиндры двигателя. Обработка топлива в катализаторе топлива позволяет повысить полноту его сгорания, снизить образование вредных веществ при работе двигателя (снизить токсичность выхлопных газов), снизить удельный расход топлива, улучшить условия работы двигателя по критериям износа. Катализатор выхлопных газов - это элемент выхлопной системы автомобиля, который предназначен для дожигания выхлопной смеси до экологически чистых. Катализатор расположен либо на приемной трубе, либо сразу после нее. Внутри корпуса каталитического нейтрализатора находятся керамическая сотовая конструкция. Соты нужны для того, чтобы увеличить площадь контакта выхлопных газов с поверхностью, на которую нанесен тонкий слой платиноиридиевого сплава. .Недогоревшие остатки (CO, CH, NO) касаясь поверхности каталитического слоя, окисляются до конца кислородом, присутствующим так же в выхлопных газах. В результате реакции выделяется тепло, разогревающее катализатор и, тем самым, активизируется реакция окисления. В конечном итоге на выходе из катализатора (исправного) выхлопные газы имеют концентрацию СО2.

 

Принцип действия

Известно, что полнота сгорания топлива во многом определяется его состоянием. Бензин, заливаемый в бак при заправке, всегда не соответствует марке, которую он имел в хранилище завода изготовителя. Любые операции с бензином, инициируют ухудшение элементного состава топлива, поступающего в камеру сгорания.

Обработка топлива в катализаторе топлива позволяет повысить полноту его сгорания, снизить образование вредных веществ образующихся при работе двигателя (снизить токсичность выхлопных газов), снизить удельный расход топлива, улучшить условия работы двигателя по критериям износа, и даже восстановить геометрию поверхностей трения и зазоры в цилиндропоршневой группе двигателя.

В отличие от катализаторов - дожигателей, которые устанавливаются в выхлопном тракте и снижают выбросы вредных веществ за счет нейтрализации газов при контакте с нагретой поверхностью катализатора, КТ устанавливается в тракте подачи топлива и путем активного воздействия на топливо, предотвращает образование вредных веществ, повышает технические показатели работы двигателя внутреннего сгорания.

Использование разработанной технологии каталитической подготовки топлива (ступенчатое улучшение качественного молекулярного состава топлива каталитической обработкой и насыщение его солями плакирующих металлов) обеспечивает следующие отличительные особенности и преимущества “катализатора топлива”:

снижение износа двигателя за счет снижения трения и восстановления геометрии поверхностей цилиндропоршневой группы двигателя;

снижение расхода топлива;

улучшение технической характеристики двигателя без изменения его конструкции;

снижение массы загрязняющих веществ в выхлопных газах;

возможность использования в качестве топлива этилированных бензинов;

увеличение срока службы моторного масла;

способность работать в широком температурном диапазоне от – 40 0 до + 85 0С.

повышение мощности и КПД двигателя;

простоту его установки в тракте подачи топлива перед двигателем;

универсальность конструкции устройства для разных моделей транспортных средств;

возможность блочной компоновки для работы на мощных двигателях.

Эволюция катализаторов выхлопных газов.

В конце 60-х годов, когда мегаполисы Америки и Японии стали буквально задыхаться от смога, инициативу взяли на себя правительственные комиссии. Именно законодательные акты об обязательном снижении уровня токсичных выхлопов новых автомобилей вынудили промышленников усовершенствовать двигатели и разрабатывать системы нейтрализации.

В 1970 году в Соединенных Штатах был принят закон, в соответствии с которым уровень токсичных выхлопов автомобилей 1975 модельного года должен был быть в среднем наполовину меньше, чем у машин 1960 года выпуска: СН — на 87%, СО — на 82% и NOх — на 24%. Аналогичные требования были узаконены в Японии и в Европе.

Первым делом инженеры бросились совершенствовать системы питания и зажигания. Но было очевидно, что добиться столь существенного улучшения ситуации с токсичностью без применения дополнительных устройств просто невозможно.

В 1975 году на американских машинах появились первые катализаторы отработавших газов — тогда еще двухкомпонентные, так называемого окислительного типа. Двухкомпонентными они назывались потому, что могли нейтрализовать только два токсичных компонента — СО и СН. Окислительными — потому, что происходившие реакции представляли из себя окисление (то есть фактически дожигание) молекул СО и СН с образованием углекислого газа СО2 и воды Н2О.

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 вспышки несгоревшего топлива в катализаторе, которые грозят оплавлением керамики.

В 1977-м к нему добавили "противоазотную" секцию, а еще через пару лет объединили все в едином корпусе, дав неправильное название "трехступенчатый" катализатор. На самом деле речь идет не о ступенях, а о трех подавляемых классах вредных веществ.

К 1990 году катализатор переехал вплотную к выпускному коллектору, чтобы быстрее нагреваться до рабочих температур (300?С) – тем самым уменьшить вредные выбросы на стадии прогрева.

В 1995 году фирма ”Эмитек” разработала технологию подогрева катализатора мощным электрическим сопротивлением. Основанная на этом принципе модель катализатора ”6С”(или ”Эмикэт”) была установлена на ”БМВ-Альпина В12”.

В 2000 году появилась цеолитовая ловушка углеводородов (СН), задерживающая их при пуске мотора и лишь после нагрева до 220°С отдающая на "съедение" готовому к работе катализатору.

 

Очищение выхлопных газов.

Это происходит за счет прохождения выхлопов с высокой температурой через решетку каталитического преобразователя, изготовленную из драгоценных металлов, в результате чего вредные выхлопы либо окисляются, либо распадаются на менее вредные химические вещества. Работа катализатора основана на внутреннем элементе, который представляет собой керамическую решетку, покрытую драгметаллами. Керамическая решетка имеет огромное количество проходов и при прохождении выхлопных газов максимальное количество отработанных газов соприкасается с поверхностью этой решетки — происходит каталитическая реакция. При условии, что керамическая решетка внутри катализатора забивается несгоревшими отходами топлива (такими, например, как свинец, масло), тогда эффективность катализатора значительно снижается. Поэтому применение топлива с содержанием тетраэтилсвинца недопустимо для автомобилей, оснащенных катализаторами за счет дополнительного сопротивления, создаваемого конвертором на пути следования отработанных газов автомобиля

 

Сравнительная характеристика катализатора выхлопных газов и катализатора топлива.

Использование низкооктановых этилированных бензинов ведет к пассивации рабочей поверхности сот конвертора и выхода из строя (неэффективная работа по нейтрализации токсических веществ в газах). При каждом запуске холодного двигателя и прогревании его на протяжении 5 минут, количество выброшенных веществ эквивалентно их количеству, что выбрасываются за время пробега автомобиля на расстояние 300 км.

Способы нейтрализации отработавших газов в выпускной системе.

Существует несколько способов нейтрализации отработавших газов в выпускной системе автомобиля: Окисление отработавших газов путем подачи к ним дополнительного воздуха в термических реакторах. Термические реакторы устанавливают на многих японских и американских двигателях. Термический реактор представляет собой теплоизолированный объем со специальной организацией течения отходящих газов, устанавливаемый в выпускной системе двигателя и осуществляющий термическое доокисление токсичных компонентов за счет собственного тепла отходящих газов. Термическая нейтрализация не зависит от вида сжигаемого топлива, наличия присадок и позволяет использовать в двигателях этилированный бензин. Повысить температуру отработавших газов в реакторе можно, уменьшив теплопотери применением проставок-экранов, теплоизоляцией корпуса реактора, использованием тепла реакции окисления, а также кратковременным уменьшением угла опережения зажигания. Реакторы особенно эффективны на режимах богатой смеси при больших нагрузках, не выходят из строя со временем, однако не дают полного окисления СО и СН и не восстанавливают NOx, поэтому применяются как дополнительные устройства перед катализатором.

Поглощение токсичных компонентов жидкостью в жидкостных нейтрализаторах. Этот способ не получил широкого распространения из-за малой эффективности и необходимости частой замены жидкости.

Применение катализаторов и сажевых фильтров (на автомобилях с дизельными двигателями) – в настоящее время наиболее актуальный.

 

Список литературы:

Система управления двигателем ВАЗ-2110-2112 Контролер МР7. ОН BOSCH (EURO 2)

Руководство по техническому обслуживанию и ремонту.-М.: Издательство Дом Третий Рим,2003.-192 с.

Журнал Автосервис №1 2008 г.

Журнал Авто Транспорт №2 2008 г.

ВАЗ 2110-12 с двигателем 1,5; 1,5i; 1,6i. Устройство, обслуживание, диагностика и ремонт. Иллюстрированное руководство.-М.: ООО «Книжное издательство «За рулём», 2007.-296 с.: ил.-(Серия «Своими силами»).