Системы, обеспечивающие топливную экономичность, снижение дымности и токсичности транспортных двигателей внутреннего сгорания

Совершенствование способов снижения расхода топли­ва и количества вредных выбросов. Для обеспечения ресурсосбережения и уменьшения выбросов загрязняющих веществ транспортными энергосиловыми установками применяются альтернативные рабочие процессы, устройства и технические системы, например, обеспечивающие поддержание оптималь­ного температурного режима работы двигателя, физико-хими­ческую обработку ОГ на выпуске и т.д. Пока не существует уни­версального способа значительного снижения расхода топлива и количества вредных выбросов с ОГ. Эта задача может быть решена только с применением комплексных подходов.

Современная стратегия решения проблемы уменьшения ток­сичности ОГ бензиновых двигателей основана на применении трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов. Для дизе­лей предполагается использовать окислительные каталитиче­ские нейтрализаторы и регенерируемые сажевые фильтры, обес­печивающие определенное улучшение гигиенических характеристик двигателей. Так, правилами Госгортехнадзора России при эксплуатации дизелей в условиях ограниченного воздухообмена (например, в рудниках горнодобывающей промышленности) применение каталитических и жидкостных нейтрализаторов обязательно, хотя данные устройства не обеспечивают ощутимого снижения выбросов NO_х.

Ряд адсорбентов, например цеолиты, позволяют эффективно очищать ОГ от NO_х. Однако для обеспечения процесса очистки необходимо обезвоживание ОГ и снижение их температуры до 20... 30 °С. Весьма эффективным способом снижения выбросов оксидов азота можно признать и их каталитическое вое становление аммиаком. Отметим, что применение обоих способов требует наличия в выпускной системе двигателя дополнительного оборудования и организации в условиях эксплуатации весьма сложного и трудоемкого обслуживания систем автоматического регулирования процесса каталитического восстановления.

В последние десятилетия для дизелей разрабатывались способы снижения токсичности, преимущественно основанные на совершенствовании рабочего процесса двигателей. В настоящее время это направление исследований практически исчерпано В связи с ужесточением требований к двигателям с точки зрения выбросов вредных веществ наблюдается возрастание интереса к системам обезвреживания отработавших газов и боле(широкому применению альтернативных энергосиловых установок, например водородных двигателей, в том числе работающих; на топливных элементах.

На автомобилях и энергосиловых установках находят приме­нение термические дожигатели, каталитические и жидкостные нейтрализаторы, регенерируемые сажевые фильтры, устройств; улавливания топливных испарений и другие системы снижения токсичности (ССТ) и ресурсосбережения.

Основные требования к системам снижения токсичнос­ти отработавших газов. ССТ в общем случае должны обеспе­чивать эксплуатацию техники в различных климатических усло­виях при температуре окружающего воздуха -60... +50 °С, отно­сительной влажности 20... 98 % и соблюдении общетехнических требований, например, к противодавлению выпуска, обеспечи­вающему соответствующие мощностные и топливно-экономические показатели энергосиловой установки, или ее шумности

Ресурс ССТ и ее отдельных элементов при отсутствии меха­нических повреждений и соблюдении правил эксплуатации дол­жен составлять 80... 160 тыс. км пробега машины или 2...4 тыс. моточасов наработки двигателя. Действие системы снижения токсичности не должно приводить к ухудшению основных тех­нических характеристик трактора или автомобиля. Необходимо чтобы она была дешевой, относительно простой в обслужива­нии и имела оптимальные габариты и массу.

Установка ССТ на транспортном средстве должна обеспечи­вать требования технической и противопожарной безопаснос­ти в соответствии с условиями его эксплуатации, что может быть достигнуто, например, введением защитных экранов, огражде­ний, тепловой изоляции и т. п.

Улавливание паров бензина. Выброс паров бензина в атмо­сферу связан в первую очередь с его испарением из топливного бака и карбюратора. Уменьшение выброса паров из бака можно обеспечить ослаблением его нагрева элементами выпускной си­стемы двигателя и солнечным излучением, применением топ­ливного бака специальной конструкции с минимальным отноше­нием площади поверхности испарения топлива к объему бака, установкой в нем перегородок, уменьшающих смачивание его внутренней поверхности при разгоне и торможении автомобиля, и т.п.

Интенсивность испарения топлива из карбюратора опреде­ляется площадью неэкранированной поверхности, температу­рой поплавковой камеры, конструкцией главной дозирующей системы, наличием или отсутствием термоизолирующих про­кладок и экранов, защищающих поплавковую камеру от тепло­вого облучения горячими деталями двигателя. За рубежом кор­пус поплавковой камеры часто выполняют из материала с ма­лой теплопроводностью, например из пластмассы.

Для уменьшения испарения топлива современные автомоби­ли оснащаются системами улавливания паров бензина (СУПБ). На практике нашли применение способы улавливания паров бензина из указанных систем двигателя с последующим накоп­лением их в адсорберах, содержащих поверхностно-активные вещества. По достижении в адсорбере избыточного давления, соответствующего накопительному режиму, пары бензина пода­ются в цилиндры двигателя либо направляются в каталитиче­ский нейтрализатор.

В экологическом отделении ФГУП «НАМИ» были разрабо­таны СУПБ для базовых отечественных моделей легковых и грузовых автомобилей, а также автобусов с бензиновыми дви­гателями (рис. 1). СУПБ включает в себя адсорбер 8, запол­ненный активированным углем, блоки 1 и /клапанов, а также жиклер 9 паропроводящей магистрали.

Адсорбер заполнен поверхностно-активным веществом с высокой поглотительной способностью. Он должен иметь дос­таточно стабильные характеристики при изменении температу­ры окружающей среды и обеспечивать эффективную десорбцию (выделение накопленных паров при нагреве) и многократное повторение циклов адсорбция - десорбция. Он также должен обладать невосприимчивостью к атмосферной влаге и высокой механической прочностью.

Рис. l. Схема системы улавливания паров бензина:

1 - блок клапанов карбюратора; 2 - клапан для перекрытия балансировоч­ного канала карбюратора; 3 - карбюратор; 4 - пароотделитель; 5 - герме­тичная пробка; 6 - топливный бак; 7 - блок клапанов топливного бака; 8 - адсорбер с активированным углем; 9 - жиклер паропроводящей магистрали

При работе двигателя происходит регенерация адсорбента за счет продувки его воздушным впускным зарядом. Отвод паров бензина в этот период осуществляется либо в диффузор карбю­ратора, либо во впускной трубопровод. При работе автомобиля в теплое время года температура бензина в системе питания по­вышается до 70 °С, что приводит к образованию паровых про­бок. Для их устранения впускной клапан блока регулируют на открытие при избыточном давлении 1,5 кПа.

Пароотделитель 4 предотвращает попадание жидкой фазы в пароотводящую магистраль. Перекрывание балансировочно­го канала поплавковой камеры необходимо для исключения по­падания паров в атмосферу и их скапливания в горловине кар­бюратора и впускном трубопроводе.

Такие системы СУПБ почти полностью улавливают топливные испарения. Установка СУПБ на серийные автомобили не оказы­вает влияния на показатели их топливной экономичности.

В СУПБ только выпускной клапан, отрегулированный на давление открытия в 1,5 кПа, обеспечивает снижение количе­ства образующихся паров бензина в 3 - 5 раз (бензин остается в топливном баке автомобиля). Использование СУПБ на лег­ковом автомобиле позволяет экономить в среднем около 36г бензина в сутки, а на грузовом - до 100г. Согласно современ­ным требованиям испарение паров бензина и других видов топ­лива и масла на автомобиле должно быть сведено к минимуму.

Термические нейтрализаторы. Это устройства окислитель­ного типа, в которых за счет остаточного или дополнительно вводимого кислорода осуществляется дожигание продуктов не­полного сгорания топлива. Процесс дожигания проводится в специальной реакционной камере, где температура должна под­держиваться в пределах 650...850°С. В дизелях дожигание СО, С_nН_m и других горючих веществ обеспечивается кислородом, содержащимся в отработавших газах.

Сущность каталитической очистки ОГ заключается в бес­пламенном окислении продуктов неполного сгорания топлива или восстановлении оксидов азота в присутствии катализатора. Так, догорание СО на поверхности катализатора описывается уравнением

2СО + О₂ → 2СО.

Каталитический гетерогенный процесс (например, про­цесс окисления СО и С_nН_m) обычно представляют в виде не­скольких стадий: диффузии реагентов из потока ОГ к поверхно­сти активного слоя пористого катализатора; адсорбции (хемосорбции) реагентов с образованием промежуточных химических комплексов типа реагент - катализатор; перегруппировки ато­мов исходных компонентов ОГ с образованием промежуточных соединений типа продукт - катализатор; десорбции образовав­шихся продуктов (например, СО₂ и Н₂О) с поверхности катали­затора в поток ОГ.

Таким образом, скорость нейтрализации ОГ определяется как диффузией, так и химической гетерогенной реакцией на поверхности катализатора. При этом скорость и завершен­ность процесса нейтрализации лимитируются самой медленной стадией.

Для очистки от NO_X возможно применение восстановитель­ных катализаторов. Селективное восстановление NO_X может происходить при добавлении в ОГ реагентов-восстановителей (Н₂, СО, NH₃). При использовании СО осуществляются реак­ции

2СО + 2NO → 2СО₂ + N₂,

4СО + 2NO₂ → 4CO₂ + N₂.

Восстановление NO_x аммиаком происходит при температурах
200...400 ^оС:

6NO + 4NH₃ → 5N₂ + 6Н₂О,
6NO₂ + 8NH₃ → 7N₂ + 12Н₂О.

Возможно также неселективное восстановление NO_x
добавлении в ОГ метана, протекающее при температурах 350...
450 °С в соответствии с уравнениями

СН₄ + 4NO₂ → 4NO + СО₂ + 2Н₂О,

СН₄ + 4NO → 2N₂ + СО₂ + 2Н₂О.

Трудности практической реализации данных методов восста­новления NO_x состоят в сложности поддержания относительно узкого диапазона температур ОГ, при которых осуществляются реакции, и состава реагентов. Кроме того, при несовершенстве системы автоматического поддержания оптимальной температу­ры и состава реагентов в нестационарном режиме работы дви­гателя не прореагировавшие СО, СН₄ и другие вещества сами по себе представляют опасность, так как являются вредными со­единениями. По этой причине восстановительные процессы применительно к дизелям получили весьма ограниченное рас­пространение.

Каталитический гетерогенный процесс очистки ОГ совре­менных бензиновых двигателей осуществляется в две стадии. Первая (окислительная) протекает при наличии свободного кислорода в ОГ. Вторая (восстановительная) заключается в ка­талитическом преобразовании оксидов азота в отсутствии кис­лорода.

Жидкостная нейтрализация ОГ. Этот процесс может эф­фективно применяться для очистки ОГ от мелкодисперсных ча­стиц (сажа, смолистые вещества, окалина и др.), связываемых водой, а также хорошо растворимых в воде химических веществ (NO₂, SO₂, H₂, CO₂ и др.). Жидкостная очистка позволяет умень­шить общий уровень токсичности двигателя, неприятный запах, слезоточивое воздействие, а также понизить температуру ОГ. Очистка с помощью жидкостного нейтрализатора (ЖН) отрабо­тавших газов включает в себя следующие основные процессы: улавливание мелкодисперсных частиц жидкой фазой реактора, их поверхностную адсорбцию, конденсацию и фильтрацию.

Первая стадия - улавливание мелкодисперсных частиц - обеспечивается жидкостью, которая их поглощает. Второй стадией (адсорбцией) является процесс поглощения газовых компонентов ОГ жидкостью, в которой эти компоненты рас­творяются.

Третья стадия (конденсация и фильтрация) происходит в ЖН при температуре ОГ, более низкой, чем порог насыщения каждого из нейтрализуемых газообразных компонентов. Затем следует коагуляция аэрозольной смеси (слипание жидких и твердых частиц ОГ) и улавливание их с помощью фильтроэлементов.

Растворение СО₂ сопровождается диссоциацией образую­щейся Н₂СО₃ согласно уравнению

H₂CO₃ → Н⁺ + НСО₃.

при растворении CО₂ в щелочах происходит химическая ад­сорбция, скорость которой определяется концентрацией не про­реагировавших веществ. Поглотительная способность щелочно­го раствора по отношению к СО₂ достаточно велика.

Оксид азота практически нерастворим в воде, тогда как аль­дегиды достаточно хорошо растворяются в ней. При растворе­нии в воде сернистокислого натрия и гидрохинона поглотитель­ная способность раствора значительно возрастает. В таком ра­створе поглощение альдегидов составляет 90 % и более.

В современных ЖН реализуются различные физические ме­ханизмы улавливания полидисперсных частиц, основными из которых являются гравитационное оседание, соударение частиц при тангенциальной закрутке газового потока, их инерционное соударение в процессах турбулентного перемешивания потока, захват частиц путем поверхностной или диффузионной адсорб­ции, электростатическое оседание и т.п.

Непосредственная фильтрация ОГ находит все более широ­кое применение для улавливания частиц дизельного выпуска. Фильтр, как правило, представляет собой пористую структуру из моноблочного, гранулированного или волокнистого материала, в котором происходит механическое отделение твердых частиц от ОГ. Применяются также регенерируемые каталитические фильтры, в которых осуществляется процесс сжигания сажи и других сконденсированных углеводородных продуктов на по­верхности пористого катализатора при температурах 300... 600 ^оС, чаще в присутствии катализатора из оксида меди.