6.3 Каталітичні системи захисту навколишнього середовища двигунів з комп’ютерним керуванням

Нормами жорстко регламентуються гранично допустимі величини емісії шкідливих речовин, що утворюються при згоранні робочої суміші в двигунах з іскровим запаленням. Для того, щоб можна було дотримуватись цих норм, потрібні заходи по додатковій каталітичній обробці ВГ.

6.3.1 Принцип дії каталітичних систем захисту навколишнього середовища двигунів з комп’ютерним керуванням

Відпрацьовані гази пропускаються через каталітичний нейтралізатор (рис. 6.2), розташований у випускному тракті, перш ніж вони будуть випущені в навколишнє середовище. У каталітичному нейтралізаторі відповідний шар каталітичного покриття забезпечує вступ до хімічної реакції шкідливих речовин, що містяться у ВГ, з перетворенням їх в нетоксичні речовини.

Лямбда-зонди (рис. 6.2) вимірюють вміст залишкового кисню у ВГ. Завдяки цьому склад робочої суміші може регулюватися так, щоб каталітичний нейтралізатор функціонував з максимальною ефективністю. З часом почали застосовуватися каталітичні нейтралізатори з різними принципами роботи. Сучасні двигуни, що працюють на гомогенних сумішах при = 1, вимагають використання трьохкомпонентного каталітичного нейтралізатора. Двигуни, що працюють на збідненій робочій суміші, додатково потребують каталітичного нейтралізатора з накопичувачем N0_х.

6.3.2 Призначення трикомпонентного каталітичного нейтралізатора

Такий нейтралізатор перетворить вуглеводні і оксид вуглецю, що містяться у ВГ у водяну пару і вуглекислий газ шляхом окислення (згорання). Кисень, необхідний для окислення, відбирається за рахунок установки режиму збіднення паливоповітряної суміші ( > 1) або шляхом подачі повітря в потік ВГ перед каталітичним нейтралізатором. Оксиди азоту перетворюватися в малотоксичні речовини цим нейтралізатором не можуть.

Окислювальні каталітичні нейтралізатори вперше почали використовуватись на автомобілях в 1975 р. у зв'язку з введенням в США норм граничної токсичності у ВГ. В даний час каталітичні нейтралізатори, що працюють виключно на принципі реакції окислення застосовуються досить рідко.

Такий нейтралізатор є елементом системи очищення ВГ як в двигунах з вприскуванням палива у впускний трубопровід, так і з безпосереднім вприскуванням палива. Призначення трикомпонентного каталітичного нейтралізатора – перетворення шкідливих речовин, що утворюються при згоранні робочої суміші (вуглеводні СН, оксиди вуглецю СО і оксиди азоту N0_х) в нешкідливі компоненти. Як кінцевий продукт утворюються водяна пара (Н₂О), вуглекислий газ (СО₂) і азот (N₂).

Перетворення шкідливих речовин (очищення ВГ) здійснюється в дві стадії: спочатку оксид вуглецю і вуглеводні перетворюються за рахунок окислення:

2СО + О₂ = СО₂;

1 – двигун; 2 – лямбда-зонд перед каталітичним нейтралізатором; 3 – трьохкомпонентний каталітичний нейтралізатор; 4 – лямбда-зонд після каталітичного нейтралізатора

Рисунок 6.2 - Будова випускного тракту з трьохкомпонентним каталітичним нейтралізатором

2С₂Н₆ + 7О₂ = 4СО₂ + 6Н₂О.

Кисень, необхідний для окислення, міститься або у вигляді залишкового кисню у ВГ за рахунок неповного згорання, або він забирається у оксидів азоту, кількість яких таким чином знижується:

2СО + 2NО = N₂ + 2СО₂;

2СО + 2NО₂ = N₂ + 2СО₂ + О₂.

Концентрація шкідливих речовин в неочищених ВГ залежить від коефіцієнта надлишку повітря . Рівень перетворення вуглеводнів і оксиду вуглецю збільшується із зростанням коефіцієнта надлишку повітря. При = 1 частка цих шкідливих компонентів ще дуже мала. При вищому коефіцієнті надлишку повітря ( > 1) концентрація цих шкідливих речовин залишається на цьому низькому рівні.

Ступінь перетворення оксидів азоту в діапазоні збагаченої суміші ( < 1) являється прийнятною. Найнижча концентрація NО, відповідає стехіометричній суміші ( = 1). Але вже невелике збільшення вмісту кисню у ВГ за рахунок підвищення коефіцієнта надлишку повітря ( > 1) різко підвищує концентрацію оксидів азоту у ВГ. Для того, щоб відсоток перетворення трикомпонентним каталітичним нейтралізатором всіх трьох токсичних компонентів ВГ (СО, СН, N0_х) був якомога вищий, ці компоненти повинні знаходитися у ВГ в хімічній рівновазі. Для цього потрібне стехіометричне співвідношення палива і повітря в робочій суміші ( =1,0). Тому «вікно», що забезпечує значення , дуже близьке до одиниці, вкрай мале. Сумішоутворення повинно регулюватися замкнутим контуром лямбда-керування.