§ 3.5. Нейтралізатори відпрацьованих газів

У термічних і каталітичних нейтралізаторах відпрацьованих газів відбуваються хімічні реакції, у результаті чого зменшується концентрація газових компонентів токсичних речовин. Механічні і водяні очисники застосовують для очищення випускних газів від механічних часток (сажі) і крапельок масла (як правило, у стаціонарних двигунах).

Термічний нейтралізатор являє собою камеру згоряння, що розміщається у випускному тракті для допалювання продуктів неповного згоряння палива (C_nH_m і СО). Він може встановлюватися на місці випускного трубопроводу і виконувати його функції. Реакції окислювання СО і C_nH_m протікають при температурах понад 830°С і при наявності кисню. Термічні нейтралізатори застосовують на двигунах із примусовим запалюванням. Висока температура газів у цих двигунів забезпечує догорання частини C_nH_m і СО, концентрація яких вище, ніж у дизелів. Викиди CО і C_nH_m знижуються на 60–80%. Власне кажучи, термічний нейтралізатор являє собою жарову трубу, у якій організовано процес інтенсивного вихроутворення з подачею додаткового повітря. Концентрація оксидів азоту у ВГ у разі застосування термічних нейтралізаторів може дещо зростати в окремих режимах роботи двигуна чи залишатися незмінною.

Підвищити температуру ВГ в нейтралізаторі можна зменшуючи теплові втрати застосуванням екранів, теплоізоляцією корпусу нейтралізатора, використанням теплоти реакції окислення. Для двигунів, які працюють на збагачених сумішах, додаткове повітря перед подаванням в реакційну камеру нейтралізатора, рекомендується підігрівати від гарячих стінок системи випуску ВГ.

У дизелях окислення продуктів неповного згоряння, як правило, здійснюється під час перепускання відпрацьованих газів крізь допалювачі, в яких підтримується постійне горіння.

Застосування полум’яних допалювачів, як і усієї термічної нейтралізації, є причиною деякого зменшення потужності і підвищення питомої витрати палива двигунами через зростання протитиску в системі випуску, а також призводить до порушення їх акустичної настройки.

Рис.49. Двошаровий трикомпонентний каталітичний нейтралізатор: 1 — датчик концентрації кисню; 2 — монолітний блок-носій; 3 — монтажний елемент (сітка з проволоки); 4 — двооболонкова теплоізоляція

Каталітичні нейтралізатори прискорюють перебіг окислювальних і відновлювальних реакцій за допомогою різних каталізаторів (прискорювачів реакцій) з платини, родію, палладія. Вони бувають декількох типів.

• Каталітичний окисний нейтралізатор прискорює перебіг реакції окислення оксиду вуглецю і вуглеводнів.

• Каталітичний відновлювальний нейтралізатор прискорює перебіг реакції відновлювання оксидів азоту.

• Трикомпонентний каталітичний нейтралізатор (TWC — Three Way Catalyst) одночасно активізує окислювальні і відновлювальні реакції.

• Накопичувальний нейтралізатор NO_x використовують у дизельних ДВЗ для зниження кількості оксидів азоту.

• Селективний каталітичний нейтралізатор (SCR) відновлює NO_x шляхом впорскування у потік ВГ каталізатора.

Широке поширення в практиці очищення автомобільних відпрацьованих газів отримали каталізатори на основі благородних металів — палладія (Pl) і платини (Pt). Вони мають хорошу селективність, низькі температури початку ефективної роботи, досить довговічні. Платина — універсальний каталізатор. Каталізаторами у реакціях відновлення NO_x можуть виступати також родій (Ro) і рутеній (Ru).

Будову каталітичних нейтралізаторів зображено на рис. 49. Активний каталітичний прошарок нанесено на інертне тіло-носій. Найпоширеніші гранульовані і блочні (монолітні) носії. Гранульовані носії виготовляють з оксиду алюмінію чи алюмосилікатів. Гранули діаметром 2–5 мм мають розвинену, крупнопорувату площу поверхні — 50–100 м²/г.

У системі подвійного очищення є два нейтралізатори, розташовані в одному блоці — для окислювальних та відновлювальних реакцій.

У каталітичних нейтралізаторах оксид вуглецю окислюється в СО₂ при температурі 250–300°С, вуглеводні, бенз(α)пірен та альдегіди — при температурі 400–450°С. При температурі понад 580°С згоряє сажа. Тому для якісної роботи нейтралізатор треба швидко прогрівати.

Сполуки свинцю дезактивують каталізатори протягом 100 годин роботи на етилованому бензині. Постановою Кабінету Міністрів України від 01.10.1999 р. № 1825 “Про затвердження Програми поетапного припинення використання етилованого бензину в Україні» реалізацію етилованого бензину в Україні з 01.01.2003 р. заборонено. Ефективність роботи нейтралізаторів в умовах експлуатації погіршується і через сульфатацію носія двооксидом сірки (SО₂) за роботи двигунів на паливах з високим вмістом сірки. Сульфат алюмінію, який утворюється під час хімічних реакцій, зменшує активну порувату поверхню носія каталізатора і цим самим погіршує його ефективність роботи.

Останнім часом поширення набули блочні або моноблочні каталітичні нейтралізатори без додаткового подавання повітря (рис. 50). В таких нейтралізаторах відпрацьовані гази проходять поздовжнім чи радіальним каналами, які виконано в тілі блоку нейтралізатора. Канали виконуються трикутними чи прямокутними з гідравлічним діаметром близько 1 мм. Матеріалом блоку є оксид алюмінію, кордієрит і інші, що мають велику питому поверхню від 20 до 25 м²/г. На поверхню матеріалу блоку наноситься окислювально-відновлювальний каталізатор.

Рис. 50. Конструкції каталітичних нейтралізаторів

Трикомпонентні каталітичні нейтралізатори мають один відновлювальний (родій) і два окисних (платина і палладій) каталізатори.

У системах живлення з електронним керуванням подачею палива ефективність очистки відпрацьованих газів значно вища, ніж у карбюраторних системах. Досягається це стабілізацією складу суміші, що надходить в двигун, до стехіометричного (рис. 51). Щоб досягти цього, регулювання складу суміші здійснюється за складом відпрацьованих газів (за вмістом кисню у ВГ). Як сигнал зворотного зв’язку використовується електричний сигнал кисневого датчика (λ-зонду). Датчик встановлюють як до нейтралізатора, так і після нього.

Рис. 51. Залежність ефективності роботи трикомпонентного нейтралізатора від коефіцієнта надлишку повітря

Накопичувальний нейтралізатор NO_x (NSC — NO_x Storage Catalyst або NO_x Trap Type) (рис. 52) використовують у дизелях і бензинових ДВЗ з безпосереднім впорскуванням. Вони працюють на бідних сумішах, тому трикомпонентний нейтралізатор працювати на відновлення азоту не може, оскільки СО реагує з вільним киснем до утворення СО₂ і не може здійснити реакцію відновлення

Рис. 52. Принципова схема системи випуску з накопичувальним нейтралізатором NO_x:

1 — ДВЗ; 2 — система підігріву ВГ; 3 — окислювальний нейтралізатор; 4 — датчик температури; 5 — датчик кисню; 6 — накопичувальний нейтралізатор NO_x; 7 — датчик NO_x або кисню; 8 — блок керування

Тому концентрацію азоту зменшують у інший засіб: збирають їх, а потім відновлюють. Накоплення здійснюється при роботі дизеля на бідній суміші (від 30 секунд до декількох хвилин), відновлення — при роботі на багатій суміші (від 1,2 до 10 секунд), на яку короткочасно переходить двигун за командою блоку керування. Вони чуттєві до вмісту сірки у паливі, тому їх використовують у районах, де використовують низькосірчасті палива (Японія, штат Каліфорнія у США).

Селективний каталітичний нейтралізатор (SCR — Selective Catalytic Reduction або Selective Reduction Type). У ньому відновлення NO_x здійснюється додаванням у ВГ відновлювачів, наприклад, водяного розчину сечовини (комерційна назва AdBlue) з концентрацією 32,5% за масою. У гідролізному нейтралізаторі з розчину утворюється аміак (рис. 53, 54), який у селективному нейтралізаторі реагує з NO_x, утворюючи азот і воду. У сучасних системах гідролізний і селективний нейтралізатори об’єднані у один.

Загороджувальний нейтралізатор попереджує можливий викид NH₃.

Рис. 53. Принципова схема системи випуску з селективним нейтралізатором: 1 — ДВЗ; 2 — датчик температури; 3 — окислювальний нейтралізатор; 4 — форсунка впорскування відновлювача; 5 — датчик NO_x; 6 — гідролізний нейтралізатор; 7 — селективний нейтралізатор; 8 — загороджувальний нейтралізатор NH₃; 9 — датчик NH₃; 10 — блок керування; 11 — насос відновлювача; 12 — бак для відновлювача; 13 — датчик рівня відновлювача

Рис. 54. Система випуску з SCR (Mercedes-Benz, технологія BlueTec): 1 — окисний нейтралізатор; 2 — фільтр твердих часток; 3 — форсунка відновлювача; 4 — селективний нейтралізатор; 5 — бак відновлювача

Фільтр твердих часток (сажовий фільтр) використовують у дизелях, часто у одному корпусі з окисним нейтралізатором (рис. 55, 56). Сажовий фільтр виготовляють з кераміки, металокераміки чи з перфорованих металічних трубок, вкритих керамічними волокнами. Середня ефективність очищення ВГ від твердих часток може становити 45–60%. Разом з цим зменшується концентрація бенз(α)пірену у ВГ на 80–99%.

Рис. 55. Система випуску з окисним нейтралізатором, фільтром твердих часток і системою додавання присадок: 1 — блок керування каталітичної присадки; 2 — блок керування ДВЗ; 3 — насос додавання каталітичної присадки; 4 — датчик рівня каталітичної присадки; 5 — бак з рідкою каталітичною присадкою; 6 — клапан дозування каталітичної присадки; 7 — паливний бак; 8 — ДВЗ; 9 — окисний нейтралізатор; 10 — фільтр твердих часток; 11 — датчик температури; 12 — диференційний датчик тиску; 13 — сажовий датчик

У процесі роботи двигуна пропускна спроможність фільтроелементів зменшується. Для поновлення необхідна їх періодична регенерація. Здійснити регенерацію можна шляхом випалювання. Для цього необхідна температура вища за 550°С. Отримати таку температуру за нормальної роботи дизеля досить складно.

Рис. 56. Окисний нейтралізатор із фільтром твердих часток

Додавання у паливо каталітичних присадок (рис. 56) дозволяє знизити температуру допалювання на 100°С. Іншими засобами зниження температури є каталізатори (мідь чи залізо), які наносять на поверхню фільтроелемента. При об’єднанні окисного нейтралізатора та фільтра твердих часток у одному корпусі можна зменшити температуру згоряння до 250°С, оскільки у нейтралізаторі буде проводитися окиснення NO до NO₂, а у присутності NO₂ сажа згоряє саме при такій температурі.

Із застосуванням керамічних фільтроелементів виникає потреба в їх розігріванні. Здійснити його можна подаванням додаткового палива у спеціальну камеру перед фільтром. Розігрівання струмопровідного металокерамічного фільтру здійснюється, як правило, електричним струмом від бортової електричної системи автомобіля.

Особливістю роботи бензинового ДВЗ є необхідність підтримання збагаченого складу суміші при прогріві. Робота системи випуску ускладнюється тим, що нейтралізатор для ефективної роботи має бути швидко прогрітим до робочої температури. Для зниження викидів CО і C_nH_m оптимізують процеси пуску ДВЗ (регулюванням моментів впорскування і запалювання), застосовують прогрів на збідненій суміші, подачу додаткових порцій повітря у випускний трубопровід. Для швидкого прогріву нейтралізатори встановлюють як можливо ближче до випускного колектора, встановлюють підігрівач, зменшують кут випередження запалювання, подають невелику порцію повітря у нейтралізатор (електронасосом), застосовують подвійне впорскування палива у ДВЗ з безпосереднім впорскуванням бензину.

Зниження вмісту шкідливих речовин у ВГ двигунів будівельних машин, поряд з каталітичними нейтралізаторами, досягається використанням каталітичних фільтрів-перетворювачів палива (КФПП). Ці пристрої призначені для активації палива перед подачею у циліндри для того, щоб збільшити повноту його згоряння, і, крім того, для очищення палива від механічних забруднень, води і смолистих з’єднань. Паливо у фільтрі піддається фізичній обробці, протікаючи через лабіринтові пори титанового фільтроелемента. Відбувається його гомогенізація та активація молекул, підготовка палива перед подачею у циліндри до стану однорідної суспензії з активними молекулами. У результаті цього значно менше енергії затрачується на процес окислювання молекул, що істотно збільшує повноту згоряння палива. Використання КФПП на дизельних двигунах дозволяє значно поліпшити їхні екологічні показники, а також властивості палива. Так, зміст СО і сірки зменшується більш ніж на 50%, NO_х — на 5–7%.

Рідинні нейтралізатори відносяться до найпростіших пристроїв, в яких здійснюється фізико-хімічна обробка відпрацьованих газів під час перепускання їх крізь шар води чи хімічного розчину. Принцип роботи рідинних нейтралізаторів ґрунтується на розчиненні чи хімічному зв’язуванні шкідливих речовин, уловлюванні дрібнодисперсних частинок і фільтрації відпрацьованих газів.

Компоненти ВГ, які розчиняються у воді — альдегіди, оксиди сірки, вищі оксиди азоту — нейтралізуються, сажа і інші дисперсні частинки уловлюються рідиною, послабляється інтенсивність запаху ВГ, оксид вуглецю і оксид азоту не знезаражуються.

В рідинних нейтралізаторах ВГ охолоджуються до температури 40–80^оС, що важливо якщо роботи проводяться у вибухонебезпечних середовищах. Окрім того, за таких температур бенз(α)пірен переходить у твердий стан і уловлюється. Щоб підвищити ефективність нейтралізації, застосовують розчини хімічних реактивів. В багатьох випадках застосовують технічну воду, забезпечуючи її часту заміну в нейтралізаторі.

Недоліком рідинних нейтралізаторів є те, що розчин може замерзати. Крім того, експлуатація рідинного нейтралізатора дорожча через більшу трудомісткість технічного обслуговування, яке потребує щозмінного видалення і утилізації спрацьованої рідини і шламу, промивання системи і заповнювання свіжою рідиною. Рідині нейтралізатори мають велику масу і габаритні розміри, високу вартість хімічних реактивів.