23.2. Обезвреживание отработавших газов

Мероприятия по сокращению вредных примесей в отработавших газах основываются на использовании в конструкции и системе управления карбюраторных двигателей известных зависимостей между составом рабочей смеси и вредных компонентов в отработавших газах. Оптималь­ным по большинству показателей (рис. 14) является стехиометрическое соотношение S=14,7, при котором процесс сгорания рабочей смеси про­исходит наиболее эффективно. При S=14,7 значительно сокращается со­держание в отработавших газах оксида углерода — СО (1) и углеводоро­дов — СН (3) при незначительном ухудшении экономичности (2) и мощ­ности (4). Недостатком является возрастание содержания оксидов азота - NOх (5). В общем мероприятия по улучшению экологических характеристик карбюраторных двигателей сводятся к следующему.

• Во-первых, обеспечение их работы в зоне стехиометрического состава рабочей смеси в комбинации с различными мерами по сокращению состава N0_Х в отработавших газах (катализаторы).

• Во-вторых, конструктивные изменения двигателей, обеспечивающие работу при сверхбедных смесях при S=19—21.

• В-третьих, различные конструктив­ные изменения, связанные с исключением испарения топлива, выбро­сов картерных газов и т.д.

Существенное улучшение экологических характеристик двигателей основывается на их конструктивном усовершенствовании, оборудовании средствами контроля управления составом отработавших газов, управлении впрыском топлива. В США в течение почти 30 лет последовательно применялись конструктивные решения и методы, сокращающие загрязнение окружающей среды отработавшими газами.

Контроль выхлопных газов как элемент конструкции автомобилей получил распространение с 1966 г. и включал следующие основные способы. Подача с помощью специального насоса дополнительного воздуха в выхлопной коллектор с целью дожигания вредных примесей. Этот способ сокращает содержание СН и СО в отработавших газах. Конструктив­нее изменения двигателя улучшают процесс сгорания: изменение камеры сгорания и поршня, автомата подогрева всасываемого воздуха при холодном двигателе, сокращение степени сжатия, применение свечей со сдвоенным электродом и др. Регулирование продолжительности зажигания, влияющей на температуру в камере сгорания. Понижение температуры сокращает количество NO₂ в отработавших газах. Сокращение испаряемости топлива из бака конструктивно решалось путем отбора паров бензина из бака и направления их через обратный клапан и фильтр в карбюратор.

Улучшение контроля по N0х сводится в основном к рециркуляции части отработавших газов. При этом часть отработавших газов после их охлаждения в змеевике направлялась во всасывающий коллектор, в котором смешивалась с рабочей смесью. Это снижало температуру в каме­ре сгорания и количество N0х в отработавших газах. Особенностью этой системы было применение простейшего бортового компьютера, который получал сигналы о скорости автомобиля и температуре охлаждающей жидкости,

Применение каталитических преобразователей — нейтрализаторов. При этом весь объем отработавшего газа проходит через нейтрализатор, который выполняет следующие функции:

А) дожигание, в процессе кото­рого сокращается количество СН и СО;

Б) каталитическое окисление (пла­тина, палладий) при температуре 480°С, при которой вредные примеси превращаются в Н2О (пар) и СО2. В ряде схем каталитические преобра­зователи объединяются с системой подачи воздуха в выхлопной коллек­тор, что улучшает качество очистки.

При преобразовании СН и СО ней­трализатор называется двухступенчатым.

В) При дополнительном воздей­ствии на N0х (с использованием катализатора на основе соединений родия) это соединение разлагается на кислород и азот. Такие нейтрали­заторы называются трехступенчатыми и практически обеспечивают без­вредный состав отработавших газов.

Таблица 8 – Физико-химические свойства сжиженного газа и бензина

Показатель	Пропан	Бутан	Бензин
Молекулярная масса	44	58	114
Плотность жидкой фазы, кг/м3, при температуре кипения и давлении 101,4 кПа	510	580	720
Плотность газовой фазы, кг/м3, при нормальных условиях при температуре 15°С	2 1.9	2,7 2,55	-
Теплота испарения, кДж/кг	484	395	397
Теплота сгорания низшая: в жидком состоянии, кДж/л	65608	26417	62700
Октановое число	120	93	72-98
Пределы воспламеняемости в смеси с воздухом при нормальных условиях	2,1-9,5	1,5-8,5	1,0-6,0
Температура самовоспламенения, оС	466	405	255-370
Теоретически необходимое для сгорания 1м3 количество воздуха, м3	23,8	30,9	14,7
Температура кипения при давлении 101,4кПа,°С	-42,1	-0,5	27

Переход на газовое топливо позволит улучшить энергообеспечение страны, поскольку запасы газа на несколько порядков превышают за­пасы нефти. В России для этого созданы все предпосылки. Так, строи­тельство автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС) было начато еще в 50-е годы. В настоящее время по СНГ введено в действие 400 станций, способных обеспечить заправку 250 тыс. автомобилей. Созданы предприятия по выпуску газобаллонной аппаратуры нового поколения с электронным управлением впрыска топлива.

Р исунок - Влияние соотношения воздуха и топ­лива в рабочей смеси (S) на показате­ли работы двигателя: 1 — содержание СО; 2—расход топлива; 3 — содержа­ние СН; 4 — мощность; 5 — содержа­ние NОx.