Снижение токсичности отработавших газов двигателей с искровым зажиганием

Для снижения токсичности ОГ используется большое количество различных мероприятий, включая применение специальных антитоксичных устройств и целых систем. Выбор той или иной стратегии зависит от уровня токсичности ОГ, который требуется обеспечить.

Совершенствование систем топливоподачи и зажигания

Определяющее влияние на состав ОГ оказывает состав смеси. Возрастание концентрации в ОГ таких компонентов, как СО и СН, по мере обогащения смеси объясняется увеличением дефицита кислорода. С другой стороны, на очень бедных смесях концентрация СН увеличивается из-за появляющихся пропусков воспламенения.

Концентрация NO_X по мере обеднения смеси до α~ 1,05 воз­растает вследствие увеличения количества О₂ в ОГ и температуры в процессе сгорания. При дальнейшем обеднении смеси определя­ющее значение приобретает снижение температуры сгорания.

С другой стороны, угол опережения зажигания φ_оз также сильно влияет на выброс N0_х и СН.

Это влияние связано с тем, что при увеличении φ_оз возрастает температура процесса сгорания, а вместе с ней и количество образующихся NO_X. С уменьшением φ_оз сгорание все больше переносится на линию расширения, возрастает температура ОГ в конце процесса расширения и в системе выпуска, что обеспечивает более полное окисление СН,

Рис.51

Рис.52

Рециркуляция отработавших газов

Рециркуляция осуществляется посредством перепуска отработавших газов из системы выпуска во впускную систему.

При рециркуляции несколько уменьшаются насосные потери в процессе впуска, что создает предпосылки для улучшения топливной экономичности двигателя. Кроме того, при рециркуляции снижаются потери на диссоциацию и теплоотдачу, а термический КПД цикла возрастает (из-за снижения теплоемкости вследствие уменьшения температуры и соответствующего увеличения показателя адиабаты продуктов сгорания).

С другой стороны, по мере увеличения рециркуляции ОГ затягивается процесс тепловыделения, усиливается непроизводимость по­следовательных циклов и возрастает выброс СН.

Вследствие совместного действия перечисленных факторов с ро­стом рециркуляции ОГ экономичность двигателя сначала несколько улучшается, а затем ухудшается, что и ограничивает целесообразную степень рециркуляции R_c:

Рис.53. Схема системы рециркуляции отработавших газов:

1 — электронный блок управления; 2 — датчик положения дроссельной заслонки; 3 — клапан рециркуляции с электроприводом; 4 — Л-зонд; 5 — нейтрализатор

R_c= ,

где M_R М_т, М_в— масса рециркулирующих газов, топлива и воздуха соответственно.

Практика показала, что при R_c,= = 15...20% уменьшение выброса NO_X может достигать 60...80% (рис. 65).

Ухудшение топливной экономичности наблюдается обычно при R_c>10%. При этом в двигателях с быстрым сгоранием увеличение g_e начинается при больших значениях R_c.

Чтобы избежать большого уве­личения g_e и выброса СН, обычно R_c не превышает 20%.

Нейтрализация отработавших газов

Устройства, предназначенные для обработки ОГ в выпускной системе двигателя, называются нейтрализаторами.

Окислительные каталитические нейтрализаторы. Эти нейтрализаторы служат для окисления СО и СН, они эффективно работают при температуре 300...800 °С. При более высокой температуре и особенно при использовании этилированного бензина наступает быстрая дезактивация нейтрализатора. В качестве катализаторов используют платину и палладий. Окислительные нейтрализаторы при α< 1 требуют применения специальных воздушных насосов, а также оставляют нерешенной проблему выбросов N0_х.

Трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы. Для нейтрализации NO используются реакции его восстановления до азота N₂ и аммиака NH₃. В качестве восстановителей используются находящиеся в ОГ СО, СН и Н₂. При работе двигателя на стехиометрической смеси основным продуктом восстановления NO является N₂, а на богатых смесях больше образуется NH₃.

При восстановлении NO одновременно происходит окисление СО и СН. Такой нейтрализатор называется трехкомпонентным или бифункциональным, т. е. восстановительным и окислительным.

Степень каталитического превращения различных газов в нейтрализаторе оценивают коэффициентом преобразования

К_i= ,

где К_i — коэффициент преобразования i-гo компонента; С_iвх, С_iвых—концентрация этого компонента на, входе и на выходе из нейтрализатора соответственно.

Рис. 54.

Рис.55

Наибольшая величина K_i (рис. 54.) одновременно по трем нормируемым компонентам (K_i ~0,9) достигается при работе двигателя слегка обогащенной смеси (α=0,98...0,99), так как в этом случае количество кислорода, освобождающегося при восстановлении NO, оказывается достаточным для окисления Н₂, СО и СН. Вблизи стехиометрической смеси коэффициенты преобразования изменяются очень резко, поэтому для эффективной работы нейтрализатора требуется обеспечить поддержание состава смеси (α~ 1) с высокой точностью, что удается достичь только путем использования систем впрыскивания топлива с электронным управлением с отрицательной обратной связью (рис. 55).

При переходе состава смеси через стехиометрическое значение в область обедненных смесей напряжение на выхо­де кислородного датчика резко снижает­ся от 700...1000 до 50...100 мВ (рис. 56). Характеристика λ-зонда позволяет опре­делить стехиометрический состав сме­си с погрешностью не более ±0,5%.

рис.56

Наиболее эффективная работа λ-зонда происходит при t= 850...900 °С. При температуре свыше 900 °С даже кратковременная работа может вызвать начало разрушения защитного слоя электродов. Обычно λ-зонд устанавливают или на выходе из выпускного коллектора, или в начале приемной трубы.

Снижение выброса СН при пуске и прогреве двигателя

При пуске холодного двигателя каталитический нейтрализатор не функционирует, так как температура в нем недостаточно высока.

Ускоренный прогрев нейтрализатора достигается путем его установки ближе к двигателю, термоизоляцией системы выпуска между выпускным клапаном и нейтрализатором, электрическим подогревом нейтрализатора, подогревом нейтрализатора путем сжигания перед ним топлива в специальной горелке, уменьшением опережения зажигания или подачей и сжиганием некоторого количества топлива на такте расширения с целью увеличе­ния температуры ОГ.

Так как λ-зонд начинает работать примерно при t=300 °С, то все чаще применяют его электрический подогрев. В некоторых случаях используется стартовый нейтрализатор (рис. 69), который имеет меньшие размеры, чем основной, и устанавливается перед ним или параллельно. В последнем случае весь поток ОГ направляется

Рис.57

Рис.58

в стартовый нейтрализатор, который быстро прогревается, а затем поток ОГ специальной заслонкой направляется в основной нейтрализатор.

Новые топлива

Определенные перспективы связаны с улучшением свойств бензина, оказывающих влияние на токсичность ОГ. Это относится к уменьшению содержания в бензине свинца, серы и ароматических углеводородов (для снижения выброса канцерогенных веществ). Сравнительные испытания автомобилей при использовании двух бензинов — стандартного и модифицированного (1/3 ароматики заменена эфиром) — показали, что при использовании последнего снизились выбросы: СН на 10%, СО на 20% и N0_х на 33%, во много раз уменьшились выбросы свинца, серы и канцерогенных веществ.

Опыты НАМИ показали, что добавка к бензину 15% метанола (СН₃ОН) снижает выброс вредных веществ на 25...30%, а при работе на одном метаноле это снижение доходит до 50%.

Существенная трудность при использовании метанола заключа­ется в его ядовитости и большой коррозионной агрессивности относительно металлов, резины и пластмасс.

Использование бедных смесей и расслоенных зарядов

Управление интенсивностью движения заряда в цилиндре в сочетании с увеличением степени сжатия и мощности электрической искры дает возможность эффективно сжигать смеси, обедненные до α= 1,5... 1,7. Выброс N0_х при работе с большим обеднением смеси становится несущественным, а борьба с выбросами СН и СО ведется при помощи окислительного нейтрализатора. При значительном обеднении появляются проблемы как с поджиганием смеси искрой, так и с нестабильностью сгорания.

Использование расслоенных зарядов, формируемых, в частности, при впрыскивании бензина в цилиндр, требует эффективной нейтрализации NO_X в ОГ, содержащих кислород. С этой целью разработан адсорбционно-каталитический нейтрализатор типа DENOX. Механизм действия этого нейтрализатора иллюстрирует рис.70

Рис.59.