3. Методи знезаражування відпрацьованих газів

Нейтралізатор – це невеликий прилад, призначений для спалювання токсичних відпрацьованих газів шляхом допалювання продуктів непов­ного згорання (СО, СН, SО) і розкладання окислів азоту на складові елементи – азот і кисень. Відомі рідинні, каталітичні, термічні та комбіновані нейтралізатори.

Принцип дії рідинних нейтралізаторів ґрунтується на розчиненні або хімічній взаємодії токсичних компонентів відпрацьованих газів при пропусканні їх через рідину певного складу: воду, водний розчин сульфіту натрію, водний розчин двовуглекислої соди.

На рис. 1 наведена схема рідинного нейтралізатора, яка застосовується з двотактним дизельним двигуном. Відпрацьовані гази надходять в нейтралізатор  трубою 1 і через колектор 2 потрапляють в бак 3, де вступають в реакцію з робочою рідиною. Очищені гази про­ходять через фільтр 4, сепаратор 5 і викидаються я атмосферу. При  випаровуванні рідину доливають в робочий бак з додаткового бака 6.

Рисунок 1 – Схема рідинного нейтралізатора:1 – впускна труба; 2 – колектор; 3 – робочий бак з рідиною; 4 – фільтр; 5 – сепаратор; 6 – додат­ковий бак

Пропускання відпрацьованих газів через воду приводить до змен­шення запаху, альдегіди поглинаються з ефективністю до 5%, а ефек­тивність очищення від сажі досягає 60…80%. При цьому трохи змен­шується вміст бенз(а)пирену у відпрацьованих газах. Температура газів після рідинного очищення складає 40...80°С, приблизно до цієї ж температури нагрівається і робоча рідина. При зниженні температури процес очищення протікає інтенсивніше.

Рідинні нейтралізатори не вимагають часу для виходу на робочий режим після пуску холодного двигуна. Недоліки рідинних нейтралізаторів:

-  велика маса і габарити;

- необхідність частої заміни робочого розчину;

- неефективність відносно до СО;

- мала ефективність (50%) відносно до NO2;

- інтенсивне випаровування рідини.

Проте використання рідинних нейтралізаторів в комбінованих системах очи­щення може бути раціональним, особливо для установок, відпрацьовані гази яких повинні мати низьку температуру при надходженні в атмосферу.

При розрахунку рідинного нейтралізатора визначають його основні розміри і необхідну кількість розчину для роботи на протязі певного часу. Нейтралізатор, який застосовується для дизельних автосамоскидів МАЗ, – це металева стальна конструкція прямокутної форми висотою     530 мм, шириною 608 мм з вмістом у робочому бакові 55 л розчину.

Середні значення концентрацій шкідливих компонентів відпрацьо­ваних газів до і після рідинного нейтралізатора, одержані на само­скиді МАЗ-5335,   наведені в табл. 1.

Таблиця 1 – Ефективність очищення газів рідинними нейтралізаторами

Речовина	Концентрація , частки, %		Ступінь очищення, %
	До іонізації	Після іонізації
CO	0,06	0,06	0
NO2	0,002	0,001	50
Альдегіди	0,0144	0,003	98
SO2	0,008	0	100

 

Каталітична нейтралізація відпрацьованих газів ДВЗ на поверхні твердого каталізатора відбувається за рахунок хімічних перетворень (реакції окислення чи відновлення), внаслідок яких утворюються не­шкідливі або мало шкідливі для навколишнього середовища і здоров’я людини з’єднання.

Каталізатори на основі благородних металів (платина, паладій, рутеній, радій тощо) найбільш широко використовують для очищення відпрацьованих газів ДВЗ. Ці каталізатори характеризуються хорошою селективністю в реакціях нейтралізації токсичних компонентів, низь­кими температурами початку ефективної роботи, достатньою температуро­стійкістю, довговічністю і здатністю стійко працювати при високих швидкостях газового потоку. Основний недолік каталізаторів цього ти­пу – їх висока вартість.

Для нейтралізації відпрацьованих газів NOx, CO і CnHm застосовують двоступеневий каталітичний нейтралізатор (рис. 2).

Відпрацьовані гази надходять до відновлюваного каталізатора 3, на якому нейтралізація окислів азоту відбувається за реакцією (для ДВЗ з іскровим запалюванням NOx на 99% складається з NO).

;

;

Для забезпечення відновлювального середовища перед першим ступенем нейтралізатора двигун повинен бути відрегульованим для роботи з α (кутом випередження запалювання суміші), близьким до стехіометричного. При α > 1,05 активність каталізатора різко зменшується (середовище стає окислювальним).

Після відновлювального каталізатора до відпрацьованих газів для створення окислювального середовища підводиться через патрубок 4 вторинне повітря. На окислювальному каталізаторі відбувається нейтра-лізація продуктів неповного згоранняСО іCnHm. Основними процесами є окислення окису вуглецю і вуглеводнів:

;

;

Рисунок 2 – Схема двокамерного каталітичного нейтралізатора: 1 – впускний патрубок; 2 – корпус; 3 – каталізатор нейтралізації окислів азоту; 4 – патрубок для додаткового повітря; 5 – каталізатор окислення   CO і CnHm; 6 – випускний патрубок

Результати випробувань автомобіля з двоступеневим каталітичним нейтралізатором (в 1-му ступені – мідно-нікелевий сплав, у 2-му – платина) наведені  в табл. 2.

Таблиця 2 – Ефективність роботи каталітичного двокамерного нейтралізатора

Автомобіль	Концентрація токсичних речовин
	NOx, мг/м3	CnHm, %	СO, мг/м3
Без нейтралізатора	1759	100	9100
З нейтралізатором	283	46	3500
Ефективність, %	83,9	54	61,5

 

Каталітичні нейтралізатори конструктивно складаються з вхідного і вихідного пристроїв,корпуса і поміщеного в ньому реактора. Розроблені каталітичні нейтралізатори (рис. 3) для відпрацьованих газів ДВЗ транспортних засобів з бензиновими і дизельними двигунами.

Каталітичні нейтралізатори знижують у відпрацьованих газах (ВГ) вміст СО на 70...90%,CnHm – на 50...85%. Основніпараметрикаталітичнихнейтралі-заторівдляавтобусаЛІАЗ-5256 такі: об’ємреактора2,5 дм3; довжина      553 мм; ширина307 мм; висота 243 мм; маса15 кг.

Рисунок 3 – Каталітичний нейтралізатор для бензинового ДВЗ:1 – вхідний патрубок; 2 – реактор; 3 – корпус; 4 – вихідний патрубок

Схема встановлення каталітичного нейтралізатора в системі ДВЗ наведена на рис. 4. Відпрацьовані гази від двигуна 1 надходять  випускною трубою 2 до каталітичного нейтралізатора 3, після чого викидаються в атмосферу. Для підтримання необхідної температури газів у нейтралізаторі використовується електронний блок 4, який регулює клапаном 5 подачу по­вітря через ресивер6 ізворотнийклапан7 з ат­мосфери в нейтралізатор.

Рисунок 4 – Схема встановлення каталітичного нейтралізатора: 1 – двигун; 2 – випускна труба; 3 – каталітичний нейтралізатор; 4 – елек-тронний блок; 5 – регулювальний клапан; 6 – ресивер;7 – зворотний клапан

 

Термічні нейтралізатори, встановлені за випускним трубопрово­дом, здійснюють полум’яне допалювання окису вуглецю СО і перетво­рення його у вуглекислий газ СО2   а також спалювання неспалених в циліндрі вуглеводнів і альдегідів. Для інтенсифікації допалювання в камеру термореактора подається додаткове повітря. Реакція окислення проходить при температурі 500...600°С і зменшує наявність вуглевод­нів приблизно в         2 рази, а окису вуглецю – в 2...З рази.

Рисунок 5 – Схема термічного реактора:1 – жарова труба; 2 – повітряний прошарок; 3 – шар азбесту; 4 – трубопровід для повітря.

На нових автомобілях термореактори розміщують у випускній сис­темі двигуна з відповідними змінами в цій частині конструкції дви­гуна для нейтралізації картерних газів.

Схема термічного реактора наведена на рис. 8.5. Це – жарова труба 1, в якій забезпечується збільшення часу перебування відпрацьованих газів шляхом неодноразо­вої зміни їх руху. Ця труба повітряним прошарком 2 і шаром кераміки чи азбесту 3 ізольована від корпуса. Перед тим, як відпра­цьовані гази попадають в термічний реактор, до них в певному співвідно­шенні підмішується повітря через трубопровід 4.

Внаслідок хорошої теплоізоляції   а також виділення тепла на дея­ких режимах при окисленні СО і CnHm в жаровій трубі підтримується темпе-ратура, яка забезпечує ефективне окислення продуктів неповного згорання.

Одна а різновидностей термічних реакторів – полум’яні допалювачі, в яких підтримується горіння шляхом подачі палива і повітря. При попа-данні відпрацьованих газів в такі допалювачі відбувається допалювання продуктів неповного згорання у факелі полум’я.

На бензинових двигунах – перспективні термічні реактори, які працюють на сильно збіднених паливно-повітряних сумішах. В цьому ви­падку виключається необхідність подачі додаткового повітря. Ефективним при цьому є використання також комбінованих нейтралізаторів термічного і каталітичного, при яких забезпечується зниження всіх основних шкідливих речовин бензинових двигунів.

Для вловлювання сажі у відпрацьованих газах дизельних двигунів застосовується декілька конструкцій пристроїв, які використовують як принцип електростатичного очищення, так і метод фільтрації.

Одним з кращих конструктивних рішень вважається установка фільтрів регенеративного типу. Фільтр (рис. 6а) – це сотова конструкція а вічками прямокутного перерізу. Матеріал фільт­ра – пористий кордієрит – має достатню міцність, стійкість до агресивних хімічних речовин, опір до оплавлення і утворення трі­щин при теплових впливах, а також термічну стабільність.

 

Рисунок 6 – Схеми фільтрів-сажовловлювачів з сотовою (а) і багатошаровою(б) насадками Фільтр (рис. 8б), виконаний у вигляді декількох послідовнорозташованих пористих перегородок, має високу ефективність очищення.

Накопичені у фільтрі частинки необхідно видаляти переважно тер­мічним окисленням. Для цього відхідні гази нагрівають до 460°С і більше, що приводить до запалення накопиченої сажі.

Дані, одержані при проведенні експерименту з дизелем робочим об’ємом 2,3 л, для визначення концентрації основних домішок у від­працьованих газах дизеля наведені  в табл. 3.

Таблиця 3 – Ефективність очищення газів керамічним фільтром

Випуск відпрацьованих газів	Концентрація, г/м3
	вуглеводні, CnHm	CO	NO2	тверді частинки
Без фільтра	0,312	0,937	0,784	0,169
З чистим керамічним фільтром	0,237	0,931	0,700	0,031
Ефективність, %	24	6,4	10,7	81,6

Сажовловлювачі дизельних ДВЗ  повинні забезпечувати ресурс 10000 км і більше при незначному збільшенні гідравлічного опору, що забезпечується періодичною (приблизно через 100 км пробігу) реге­нерацією фільтроелементу. Конструктивно фільтроелементи виконують у вигляді багатоканальних моноблоків, об’ємно-дротяних елементів чи у вигляді намотаних на перфоровану трубу склокерамічних ниток, які допускають регенерацію при 600°С.

Рисунок 7 –  Схема вловлювання парів палива бензинового ДВЗ:1 – паливний бак; 2 – кришка паливно-заправної горловини; 3 – компенсувальна ємність; 4 – карбюра­тор; 5 – поворотний клапан;  6 – адсорбер

Для попередження викидів парів бензину з паливної системи, осно­вна частина яких поступає в атмосферу, коли двигун не працює, на автомо­білях установлюють систему  знезаражування випаровувань палива з кар­бюратора і паливного бака, яка складається з трьох основних вузлів (рис. 7):

- герметичного паливного бака 1 зі спеціальною єм­ністю 3 для компенсації теплового розширення палива;

- кришки 2 па­ливно-заправної горловини бака з двостороннім запобіжним клапаном для запобігання надмірного тиску чи розрідження в баку;

- адсорбера 6 для поглинання парів палива при виключеному двигуні з системою повертання 5 парів у впускний тракт двигуна під час його роботи.  В якості адсорбера   використовують активоване вугілля.