Для уменьшения токсических веществ в выхлопных газах автомобилей необходимо
Добавил пользователь Евгений Кузнецов Обновлено: 04.10.2024
Сравнительный анализ токсичности выхлопных газов автомобилей и пути ее снижения
Произведен анализ загрязнения атмосферы выбросами выхлопных газов автомобилей, описаны их вредные воздействия на окружающую среду и человека, предложено использование природного газа как альтернативного вида топлива в решении экологических проблем.
ABSTRACT
The analysis of atmospheric pollution emissions of exhaust gases of automobiles, described their harmful effects on the environment and humans, there is provided the use of natural gas as the alternative fuel in solving environmental problems.
Ключевые слова: экологические проблемы; отработавшие газы; вредные компоненты; автомобильный транспорт; загрязнение; природный газ; пассажирские перевозки.
Keywords: ecological problems; exhaust gases; harmful components; automobile transport; pollution; natural gas; passenger transportation.
В отработавших газах может содержаться свинец, который опасен для умственного развития людей и особенно губителен для детей, поскольку дети более чувствительны к воздействию токсичного металла. Он опасен еще тем, что накапливается в организме.
Содержащаяся в выбросах сера окисляется и образуются два соединения - диоксид серы (SO2) и триоксид (SO3) серы. При растворении в воде диоксид серы образует кислотные дожди, которые губят растения, увеличивают кислотность озер. Даже при среднем содержании оксидов серы в воздухе (100 мкг/м3), что нередко имеет место в больших городах, растения приобретают желтоватый оттенок. Повышение уровня оксидов серы в воздухе приводит к учащению заболевания дыхательных путей. При совместных концентрациях диоксида серы и взвешенных частиц (в виде сажи и пыли) в у взрослых и детей могут наблюдаться изменения в работе легких.
Химические элементы попадают в организм с выхлопными газами и с выбросами промышленных объектов. Доля загрязняющих веществ, попадающих в атмосферу от автомобилей составляют 75-90 %. Опасности от выхлопных газов превалируют в крупных городах. Выхлопные газы влияют на демографию, рост инвалидности, на здоровье населения. Стремительное развитие автомобильной промышленности, потоки машин в мегаполисах, многочасовые пробки, все это в конечном итоге наносит огромный вред здоровью населения. Загрязнение окружающей среды отрицательно влияет на организм, если физические и химические параметры превышают предельно допустимые концентрации (ПДК) [1].
В настоящее время мировой автомобильный парк насчитывает более 750 млн единиц и продолжает расти. По статистике каждые две секунды с конвейеров автомобильных заводов сходит новый автомобиль, что приводит к резкому повышению автомобилизации населения мира. В 2005 г. на 1000 человек в мире приходилось около 120 автомобилей, а в 2025 г. эта цифра увеличится до 160 единиц [2].
По оценкам зарубежных специалистов, если сегодняшний темп прироста автомобилей сохранится в ближайшие 20 лет, то уже к 2025 г. в мире будет свыше 1,5 млрд автомобилей. Естественно, что столь интенсивное развитие автотранспорта стало оказывать серьёзное негативное воздействие на все компоненты биосферы, причем наибольшая доля загрязнения атмосферы выхлопными газами приходится легковому автомобилю (рис.1).
/Karimxodjayev.files/image001.jpg)
Рисунок 1. Структурные доли загрязнения окружающей среды различными видами автомобилей, %
Так, только один легковой автомобиль поглощает из атмосферы за год в среднем больше 4 т кислорода, выбрасывая с отработавшими газами примерно 800 кг окиси углерода, около 40 кг окислов азота и почти 200 кг различных углеводородов.
Только в России общее количество вредных веществ, ежегодно выбрасываемых автомобильным транспортом в атмосферу, превышает цифру в 30 млн т.[ 2 ].
Состав и объёмы выбросов во многом зависят от типа двигателя автотранспортного средства. В табл. 1 показан состав вредных веществ в отработавших газах карбюраторных и дизельных двигателей.
Таблица 1.
Состав вредных веществ в отработавших газах карбюраторных и дизельных двигателей. [ 2 ].
Устройство автомобилей
Резкое повышение концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе, особенно в крупных мегаполисах, связанное с интенсивным ростом автомобильного парка, не могло остаться без внимания специалистов и экологов. Очевидно, что без автомобильного транспорта невозможно представить динамичное развитие человеческого общества, но и смириться с тем, что ежечасно миллионы людей отравляют свой организм, вдыхая отраву, выбрасываемую из автомобильных глушителей, конечно же, нельзя.
Поэтому разработкам, связанным с уменьшением вредного влияния транспорта на окружающую среду, ученые, специалисты и инженеры в последние годы уделяют все более пристальное внимание.
Конечно же, наиболее привлекательным методом исключения пагубного влияния техники на условия среды обитания человека является внедрение технологий и разработок, позволяющих использовать экологически чистые и безвредные энергоресурсы.
К таковым, безусловно, можно отнести электрическую энергию и энергию, выделяемую при химических процессах, конечным продуктом которых являются безвредные для человека и природы вещества, например, вода, образуемая при соединении водорода и кислорода. Эта химическая реакция сопровождается значительным выделением тепловой энергии, которую можно было бы использовать для преобразования в механическую энергию посредством тепловых двигателей, однако в окружающей нас природе мало свободного водорода, который можно было бы использовать в виде автомобильного топлива.
Конечно, на нашей планете достаточно большое количество воды, в составе которой водорода более, чем достаточно, но расщеплять воду на составляющие элементы для последующего соединения – все равно, что изобретать вечный двигатель, поскольку затраты превысят эффект.
Электричество – экологически чистый и очень привлекательный источник энергии, но преобразовывать другие энергоресурсы в электроэнергию без значительных затрат человечество пока не научилось, как не научилось и запасать в достаточном объеме эту энергию впрок. Даже самый современный аккумулятор электрической энергии способен обеспечить работу автомобиля лишь в течение нескольких десятков километров пробега. Этого для удовлетворения возрастающих автотранспортных нужд, конечно же, недостаточно.
Привлекательным источником энергии является ядерная (атомная) энергия. Но на современном этапе развития технологий преобразования этого колоссального источника энергии в легкодоступные для практического использования виды говорить очень и очень рано.
По этим причинам в ближайшем будущем достойной замены нефтепродуктам, как основным источникам энергии для автомобильных двигателей, не предвидится.
В настоящее время определено несколько путей снижения токсичности выхлопных газов, выделяемых автомобилями и другой техникой, использующих тепловые двигатели, работающие на нефтяном топливе.
Основные направления снижения содержания вредных веществ в отработавших газах:
- совершенствование процессов сгорания топлива;
- повышение качества топлива;
- применение различных способов очистки отработавших газов от токсичных и вредных компонентов.
Полнота сгорания топлива
Совершенствование процессов сгорания топлива выгодно не только с точки зрения экологии, но и экономичности. Полностью сгоревшее топливо отдает максимум тепловой энергии для работы двигателя и выделяет в отходы значительно меньше вредных веществ, чем топливо, сгоревшее частично.
Совершенствование процессов горения топлива связано с решением многих задач – улучшение смесеобразования, повышение эффективности работы газораспределительного механизма, систем питания и зажигания двигателя.
В последние годы значительную долю этих задач конструкторы решают внедрением компьютерных технологий в процессы управления работой двигателя. Управляемые электроникой системы впрыска и зажигания, безусловно, способствуют повышению качества сгорания горючей смеси, и, конечно же, это благотворно сказывается на экологичности тепловых двигателей.
Повышение качества топлива
Повышение качества используемого для работы двигателей топлива, безусловно, имеет колоссальное значение для улучшения эклогичности автотранспорта. В любом топливе, используемом для извлечения тепловой энергии, лишь два химических элемента представляют энергетическую ценность – водород и углерод. Первый при окислении образует воду, второй – либо оксид углерода (при неполном сгорании), либо двуокись углерода (при полном сгорании).
При идеально отлаженной системе питания и зажигания эти два элемента сгорают полностью и отдают двигателю необходимую для его работы теплоту. Но идеального ничего не бывает, поэтому в выхлопных газах, как правило, присутствует некоторое количество оксида углерода, который в быту называют угарным газом.
Любое топливо, в том числе и получаемое из нефтепродуктов, содержит посторонние примеси, химические вещества и элементы в связанном или свободном состоянии. Безусловно, они тоже участвуют в процессах горения, образуя различные окислы, зачастую очень токсичные.
К таковым относятся, в первую очередь различные соединения серы и азота. Выделяя малое количество теплоты, эти вещества значительно обогащают отработавшие газы вредными примесями, т. е. являются крайне нежелательным топливным балластом.
Поэтому повышение качества топлива напрямую связано с его очисткой от механических, сернистых и азотных примесей в процессе переработки нефти. Очень выгодным в этом плане является применение газообразного топлива для двигателей, поскольку в нефтяных и природных газах посторонних примесей существенно меньше, что положительно сказывается на экологичности отходов сгорания.
Нейтрализация отработавших газов
Для очистки продуктов сгорания от токсичных и вредных веществ на двигателях, использующих в качестве топлива бензин, применяют системы нейтрализации отработавших газов вместе с системой их рециркуляции и системой улавливания паров топлива.
Основным элементом в системе нейтрализации отработавших газов является каталитический нейтрализатор, устанавливаемый в выпускной системе автомобильного двигателя.
Нейтрализатор внешне похож на обычный резонатор и часто устанавливается вместо него. Он представляет собой химический реактор с катализатором – веществом, активизирующим протекание реакций превращения одних веществ в другие.
Главными элементами каталитического нейтрализатора являются один или два каталитических сотовых блока, представляющие собой керамические или листовые гофрированные металлические цилиндры с множеством продольных каналов. На поверхность этих каналов (сот блока) нанесен пористый каталитический состав, содержащий благородные металлы (платина, палладий, родий).
Каталитический блок помещается в корпус из жаростойкой и коррозионно-стойкой стали.
Все современные нейтрализаторы являются трехкомпонентными, т. е. предназначенными для снижения выброса трех основных токсичных компонентов отработавших газов и сочетают в себе сразу две химические функции: окислительную и восстановительную.
Нейтрализатор одновременно дожигает (окисляет) не полностью сгоревшие частички топлива и продукты его неполного сгорания (в первую очередь - оксид углерода), а также восстанавливает очень ядовитые оксиды азота, разлагая их на исходные составляющие – азот и кислород.
При использовании каталитического нейтрализатора нельзя применять этилированный бензин, поскольку содержащийся в нем свинец, осаждаясь на внутренних поверхностях выпускной системы, нарушает газовую проницаемость микропор активного каталитического слоя.
В результате отработавшие газы свободно выходят в атмосферу, не соприкоснувшись с активной поверхностью катализатора.
Нейтрализатор отработавших газов начинает эффективно работать при температуре не менее 300 ˚С, при этом он начинает дополнительно разогреваться в результате происходящих в нем химических процессов. Важно так разместить нейтрализатор в системе выпуска отработавших газов, чтобы его температура во время работы не превышала 900…950 ˚С, иначе возможно разрушение каталитического слоя, сот и даже корпуса нейтрализатора.
В этом случае сгоревший нейтрализатор не только перестает выполнять свою функцию, но и существенно снижает мощность двигателя, оказывая сопротивление выпуску отработавших газов, и ухудшая тем самым наполняемость цилиндров свежим зарядом.
Особенно велика вероятность повреждения нейтрализатора при отказе в работе одного из цилиндров двигателя. При этом несгоревшая в цилиндре горючая смесь загорается в нейтрализаторе, интенсивно разогревая и сжигая активную каталитическую поверхность его сот.
Для обеспечения эффективной работы нейтрализатора отработавших газов и точного дозирования топлива, подаваемого в цилиндры двигателя, используется лямбда-зонд, или кислородный датчик, который отслеживает состав выхлопных газов и корректирует посредством электронного блока управления количество подаваемого в цилиндры топлива.
Токсичность отработавших газов и пути предотвращения загрязнения окружающей среды
Основные компоненты, содержащиеся в отработавших газах двигателя внутреннего сгорания (ДВС) представлены в таблице.
Таблица. Основные компоненты отработавших газов, %
| Двигатели | N2 | О2 | Н2О (пар) | СО2 | СО | NxOy | CxHy | С (сажа) |
| Бензиновые | 74-77 | 0,3-0,8 | 3-5,5 | 5-12 | 5-10 | До 0,8 | 0,2-3 | До 0,4 |
| Дизели | 76-78 | 2-18 | 0,5-4 | 1-10 | 0,02-5 | До 0,5 | До 0,5 | До 1,1 |
Токсичные вещества, содержащиеся в отработавших газах
Окись углерода (СО) — газ без цвета и запаха. Приводит к развитию у человека кислородной недостаточности, нарушению центральной нервной системы, поражению дыхательной системы, ухудшению зрения. Увеличенные среднесуточные концентрации СО способствуют возрастанию смертности лиц с сердечно-сосудистыми заболеваниями. При содержании в воздухе 0,05 % СО слабое отравление наступает через 1 ч, при 1 % человек теряет сознание через несколько вдохов.
Оксиды азота (NxOy) представляют собой смесь N02, N203 и N204 В результате их воздействия нарушается функция бронхов и легких, особенно у людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями.
Сернистый ангидрит — бесцветный газ с резким запахом, становится причиной возникновения бронхитов, астмы и друг их респираторных заболеваний.
Углеводороды — группа соединений СхНу. В результате реакции с окислами азота образуют смог.
Бенз(а)пирен — полициклический ароматический углеводород, попадая в организм человека, накапливается и является причиной образования злокачественных опухолей.
Сажа (С) — твердый фильтрат отработавших газов, сам по себе опасности не представляет, но является накопителем канцерогенных веществ.
Соединения свинца — появляются в отработавших газах в случае применения этилированного бензина, поражают центральную нервную систему и кроветворные органы человека.
Для снижения количества выбрасываемых в окружающую среду вредных веществ разрабатывается ряд мер, которые направлены на достижение как можно более полного сгорания топлива. Для этого необходимо улучшать процессы смесеобразования, обеспечивать приготовление оптимальною состава горючей смеси для каждого режима работы двигателя. С этой целью создают все более совершенные конструкции карбюраторов, обеспечивают подогрев топлива на различных участках впускной системы, используют электронное управление не только системой питания, но и зажиганием, а также планируется полный переход на впрысковую систему питания бензиновых двигателей.
На двигателях, где традиционно применяют карбюраторы, устанавливаются системы автоматического управления экономайзером принудительного холостого хода (САУПХХ), позволяющие отключать непроизводительную подачу топлива на особенно вредных (по содержанию СО) режимах работы.
Применение форкамерно-факельного зажигания позволяет обеспечить работу двигателя на бедных смесях, что приводит к уменьшению токсичных компонентов в составе отработавших газов.
Применение нейтрализаторов отработавших газов в выпускной системе позволяет дополнительно снизить токсичные вещества в отработавших газах.
Закрытая (принудительная) система вентиляции картера устраняет выброс в окружающую среду вредных веществ вместе с картерными газами.
Переход работы ДВС с традиционных топлив на альтернативные также приводит к снижению содержания вредных компонентов в отработавших газах.
На сайте вы найдете информацию о том как сделать качественный ремонт автомобиля своими руками, подробные фото отчеты по ремонту ауди с4, а также много полезной информации о диагностике и профилактике неисправностей.
Вы здесь: Главная />Устройство и принцип действия />Токсичность отработавших газов и способы ее снижения. Катализатор.Меню сайта:
Последние публикации
Перетяжка потолка ауди 100 с4.(Часть 3)
В первой и второй частях мы снимали обшивку потолка, сегодня же мы займемся самой перетяжкой.
Перетяжка потолка ауди 100 с4.(Часть 2)
Продолжим снятие обшивки потолка. В первой части мы сняли обшивку люка и накладки передних стоек. Сегодня мы все-таки снимем потолок.
Перетяжка потолка ауди 100 с4.(Часть 1)
В уже не молодых автомобилях, не редко можно столкнуться с проблемой провисания потолка. Происходит это, как правило, по двум причинам:
Токсичность отработавших газов и способы ее снижения. Катализатор.
Еще в прошлом столетии люди уже были обеспокоены сложившейся экологической обстановкой в мире, а с тем стремительным ускорением с каким автомобили ворвались в нашу жизнь, экологи всех стран начали бить тревогу. Так как количество автотранспорта на дорогах с каждым годом становилось все больше и больше, то и токсичные выбросы в атмосферу увеличились пропорционально. Поэтому уже тогда к автомобилям были предъявлены экологические требования.
В настоящее время еще при проектировании автомобиля в него закладываются экологические нормы, которые в процессе эксплуатации не должны превышаться. Регулировка токсичности в современных автомобилях, либо совсем не требуется (не доступна простому пользователю), так как она уже заложена в программе блока управления двигателя или сильно ограничена. Чего нельзя сказать о предыдущих карбюраторных автомобилях, где токсичность напрямую зависела от регулировки и настройки карбюратора, системы питания и зажигания. Поэтому сейчас нельзя сказать, что ремонтом двигателя был квалифицированным, если вдруг токсичность двигателя после ремонта превысит заданные пределы, заложенные с завода.
Основу токсичности выхлопных газов составляют следующие вещества:
- окиси углерода СО;
- окиси азота NOx;
- углеводороды CH или CnHn;
- углерод C, у дизельных двигателей.
Из вышеперечисленных веществ CO,CH и C являются продуктами не полного сгорания топлива, NOx образуется при взаимодействии азота и кислорода при высокой температуре сгорания, чем выше температура, тем больше будет выбросов окиси азота. Температура сгорания топлива зависит от многих факторов, но в ее основе лежат конструктивные факторы (степень сжатия) и режим работы двигателя. Если говорить о бензиновых моторах, то в них в большей степени все зависит от состава топливной смеси. При горении топлива, когда смесь обедненная, λ= 1,05-1,10 выбросы вредных веществ CO и CH минимальны. Чего нельзя сказать об окиси азота NOx его значения при таком составе смеси будет максимально большим.
Поэтому чтобы достичь минимальных выбросов в атмосферу всех токсичных веществ нужно использовать несколько мероприятий одновременно. Ряд мероприятий может включать в себя следующее:
- это специальные формы камер сгорания, предназначенные для работы на бедных смесях; ; ; , для лучшего наполнения цилиндров на всех режимах работы двигателя.
Но уже давно нормы по токсичности выбросов стали настолько жесткими, что даже ряд мероприятий по их снижению не дает нужного результата, поэтому чтобы выйти из этого положения на автомобилях в дополнении ко всему стали устанавливаться каталитические нейтрализаторы.
Каталитический нейтрализатор состоит из керамического материала, сотовой структуры, покрытой тонким слоем катализатора состоящего из благородных металлов (платина, родий), заключенный в металлический корпус. Его не малая цена обусловлена наличием благородных металлов.
При разогреве каталитического нейтрализатора до температуры 250-300ºC, происходит доокисление окиси углерода CO и его концентрация в выхлопных газах значительно снижается. Что касается углеводорода CH, то для его окисления требуется более высокая температура 400 градусов.
Такие реакции характерны для обедненной смеси, где λ > 1, но, несмотря на это диапазон изменения состава смеси остается довольно широким.
Такие каталитические нейтрализаторы стали устанавливаться еще в 80-х годах и даже на карбюраторные двигатели.
Но с течением времени жесткость по токсическим нормам не стояла на месте, а с каждым готом все ужесточалась и ужесточалась. Со временем таких нейтрализаторов стало недостаточно, так как они не снижали концентрацию окиси азота в выхлопных газах и на смену им пришли новые нейтрализаторы трехкомпонентные.
Особенностью отличия предыдущего вида нейтрализаторов состоит в том, что в нем шла реакция окисления, а для понижения концентрации окиси азота здесь требуется совершенно противоположная реакция – восстановление.
2NO + 2СО → N2 + 2С02;
Для одновременного снижения всех выбросов NOx,CH,CO обязательно выполнение одного условия, нужно чтобы состав смеси всегда был строго одинаковым λ=1, отклонение может быть не более +/- 1%. За обеспечение такой точности в подачи смеси отвечает электронный блок управления двигателя, который руководствуется показаниями датчика кислорода.
Системы подачи топлива с каждым годом становятся все сложнее и сложнее, все это направлено только на снижения токсичности из-за ужесточения экологических норм, но ни как не из-за борьбы за экономичность и мощность двигателя.
Еще стоит отметить, что каталитический нейтрализатор очень придирчив к качеству топлива. При использование этилированного бензина нейтрализатор быстро выйдет из строя.
На американских и японских автомобилях можно увидеть помимо каталитического нейтрализатора дополнительно установленный термический реактор. Он позволяет доокислять CO и CH, за счет подмешивания к отработавшим газам воздуха и все это происходит при температуре свыше 500ºC. Одной из особенностей реакторов является, то, что они эффективны на богатых смесях при больших нагрузках и со временем они не выходят из строя. В то же время они обладают большим минусом, он заключается в том, что в реакторах доокисление происходит не полностью. Они не способны выступать как самостоятельный элемент, а идут только в дополнение к каталитическому нейтрализатору и устанавливаются перед ним.
Что касается дизельных двигателей, то здесь дела обстоят немного по-другому. Из-за разного процесса воспламенения и горения смеси у дизельного двигателя, концентрация выбросов NOx,CH,CO гораздо ниже, чем бензинового. При средних нагрузках наблюдается самый низкий выброс CH и CO. Из-за низкого уровня выбросов, какое-то время на дизельных двигателях установка каталитического нейтрализатора была не обязательной. Но с приходом более ожесточенных экологических норм установка нейтрализатора стала обязательной, также помимо этого на дизельных двигателях стали появляться системы снижения токсичности, как и на бензиновых. Одна из них это рециркуляция отработавших газов.
При сгорании топлива в дизельном двигателе выделяется значительное количество углерода, если говорить простым языком, то это не что иное как сажа. Это происходит из-за наличия зон богатой смеси в струе распыляемого топлива. Все это приводит к характерному черному дыму из выхлопной трубы. Для снижения выделения углерода приходится делать впрыск более ранним (вследствие чего колоссально возрастает нагрузка на детали двигателя) и ограничивать подачу насоса. Но, несмотря на это полностью избавится от выделения углерода невозможно, а он также классифицируется по норме токсичности. Поэтому в дополнении к каталитическому нейтрализатору на дизельных двигателях устанавливаются сажевые фильтры.
Содержание, каких вредных веществ в отработанных газах снижает катализатор.
Каталитический нейтрализатор отработанных газов устанавливается в выпускной системе и служит для снижения выброса вредных веществ, которые образуются при сгорании топливо воздушной смеси в цилиндрах двигателя.
Состав отработанных газов бензинового двигателя может быть следующим ( без катализатора):
СО (угарный газ) 0,4-0,8 %.
СО2 ( углекислый газ) 10-15%.
СН (углеводороды) 150-250 частей на миллион.
О2 ( кислород) не более 2 %.
NO ( оксид азота) не более 100 частей на миллион.
Из этих компонентов СО, СН и NO это вредные вещества. Именно содержание этих веществ и снижает катализатор. СО он окисляет до СО2, а СН разлагает на воду и тот же СО2. Оксид азота NO он восстанавливает до обычного азота N.
После катализатора содержание этих веществ становится в несколько раз меньше. Но для правильной его работы, нужен определенный состав отработанных газов. Поэтому вместе с катализаторами в выпускной системе двигателя всегда устанавливаются один или два датчика кислорода. С помощью этих датчиков, контролер поддерживает оптимальный состав бензовоздушной смеси в цилиндрах это 14,7 грамм воздуха на 1 грамм бензина. Считается, что при таком составе бензин сгорает практически полностью, а катализатор работает с наибольшей эффективностью.
Для правильной работы катализатора в отработанных газах должно присутствовать определенное количество кислорода. Кислород нужен именно для того, что бы вещества, которые нанесены на сотовую структуру катализатора могли с помощью него до окислять СО ( угарный газ) до СО2 и разлагать СН на СО2 И Н2О. Но кислорода должно быть оптимальное количество, если его не будет хватать, то катализатор не сможет полностью окислить вещества, а если его будет слишком много, то полностью восстановить оксид азота NO до азота N не получиться, лишний кислород будет вступать в реакцию и мешать этому.
В выпускной системе устанавливается два датчика кислорода. Первый датчик, который устанавливается, до катализатора, нужен именно для того, что бы поддерживать оптимальный состав смеси. С помощью второго датчика кислорода, который располагается после катализатора, контролер постоянно отслеживает его работу. В том случае если состав отработанных газов на выходе катализатора практически не отличается, от того состава, который поступает в него из цилиндров двигателя, то это говорит о том, что катализатор износился и эффективность его работы снизилась. В этом случае в память контролера заносится код ошибки эффективность катализатора ниже требуемой, а на панели приборов загорается лампа индикации неисправностей.
Сам же катализатор представляет собой керамический фильтр, который имеет сотовую структуру. На поверхность этих сот нанесены вещества, с помощью которых и происходят, процессы окисления и восстановления вредных веществ.
Системы нейтрализации выхлопных газов
При современном уровне развития техники наиболее эффективным способом снижения токсичности выхлопа является нейтрализация токсичных компонентов отработавших газов с использованием химических реакций окисления и (или) восстановления. С этой целью в выпускную систему двигателя устанавливают специальный термический реактор (каталитический нейтрализатор). Постоянное повышение экологических требований к выбросам вредных веществ заставляет автопроизводителей совершенствовать системы нейтрализации.
Как работает каталитический нейтрализатор
Системы нейтрализации бензиновых двигателей
Еще при введении норм Евро-3 в методику испытаний добавили режим холодного пуска: измерения производятся сразу же после запуска двигателя при температуре -7 градусов. При отрицательных температурах смесь нужно сильно обогащать – количество СО и СН при этом в выхлопных газах резко возрастает. А не успевший прогреться до рабочей температуры каталитический нейтрализатор практически бездействует.
Для решения этой проблемы было найдено несколько способов. Первый, сравнительно простой – расположить нейтрализатор не под днищем автомобиля, а поближе к выпускному коллектору. Так появились катколлекторы, в которых два узла объединены в один. Для более быстрого прогрева их изготавливают не из чугуна, а из тонкой стали. Чтобы уменьшить потери тепла предусматривается теплоизоляция.
Ускорить прогрев нейтрализатора можно и другим способом – добавить в выхлопные газы воздуха с одновременным обогащением топлива. Таким образом «лишняя» горючая смесь, догорая вне цилиндра, повышает температуру отработанных газов, а они, в свою очередь, быстрее нагревают нейтрализатор. В двигателях с непосредственным впрыском того же эффекта добиваются подачей дополнительной порции бензина во время рабочего хода. Есть и третий способ – разогрев нейтрализатора электрическим термоэлементом.
Повысить точность работы системы нейтрализации удалось добавлением второго датчика кислорода. Первый предназначен для контроля качества смеси – богатая она или бедная. А по показаниям второго контроллер более точно корректирует работу системы топливоподачи. Еще более совершенными являются широкополосные датчики – они способны определять, насколько соотношение воздуха и бензина отличается от стехиометрического.
Произошли изменения и в материале изготовления сот нейтрализатора. Мы привыкли к тому, что их изготавливают из керамики. Но она имеет ряд недостатков – в силу своей хрупкости не переносит тряски и ударов, быстро разрушается некачественным топливом или в случае нарушений в работе ЭСУД. В настоящее время все больше применяются соты из металлической проволоки. Они медленнее прогреваются и имеют меньшую рабочую поверхность, зато легко переносят механические воздействия и высокие температуры. Очень важно также то, что металлические соты создают намного меньшее сопротивление потоку выхлопных газов.
Системы нейтрализации дизельных двигателей
Другой подход нужен к дизелям. Здесь приходится бороться с углеводородами, оксидами азота и сажей (твердыми частицами). Сажевые фильтры придуманы давно. В первых конструкциях накопившуюся сажу периодически выжигали при температуре около 600 градусов, кратковременно обогащая смесь. Но при этом увеличивался выброс других вредных веществ. Поэтому в современных конструкциях сажевый фильтр объединили с окислительным нейтрализатором. Одно устройство и оксиды азота разлагает, и сажу сжигает, причем при более низкой температуре (около 250 градусов).
Для очистки выхлопа грузовиков дополнительно применяется технология SCR (Selective Catalitic Reduction). Ее суть – периодический впрыск в нейтрализатор раствора мочевины (AdBlue). Там она превращается в аммиак и вступает в реакцию с оксидами азота. В результате образуются безвредные азот и вода.
Практические рекомендации
Во время и после работы двигателя корпус нейтрализатора имеет достаточно высокую температуру. В связи с этим, во избежание пожара, не следует парковать автомобиль над легко воспламеняющимися предметами, например сухими листьями, травой, бумагой и т.д.
Следует соблюдать основные правила, направленные на предупреждение ситуации, когда в нейтрализатор может попасть значительное количество несгоревшего топлива. В этом случае возможная вспышка может привести к его разрушению.
Выхлопные газы, их состав и действие на организм человека
Выхлопные газы - основной источник токсичных веществ двухтактного и четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, которые загрязняют нашу окружающую среду. Наиболее остро это ощущается в крупных городах. Отработавшие газы - это неоднородная смесь различных газообразных веществ с разнообразными химическими и физическими свойствами, состоящая из продуктов полного и неполного сгорания топлива, избыточного воздуха, аэрозолей и различных микропримесей (как газообразных, так и в виде жидких и твердых частиц), поступающих из цилиндров двигателей в его выпускную систему. В своем составе они содержат около 300 различных веществ, большинство из которых - токсичны.
Основными нормируемыми токсичными компонентами выхлопных газов двигателей являются оксиды углерода, азота и углеводорода. Кроме того, с выхлопными газами в атмосферу поступают предельные и непредельные углеводороды, альдегиды, канцерогенные вещества, сажа и другие компоненты.
| Компоненты выхлопного газа | Содержание по объему, % | Токсичность | |
|---|---|---|---|
| Двигатель | |||
| бензин | дизель | ||
| Азот | 74,0 - 77,0 | 76,0 - 78,0 | нет |
| Кислород | 0,3 - 8,0 | 2,0 - 18,0 | нет |
| Пары воды | 3,0 - 5,5 | 0,5 - 4,0 | нет |
| Диоксид углерода | 5,0 - 12,0 | 1,0 - 10,0 | нет |
| Оксид углерода | 0,1 - 10,0 | 0,01 - 5,0 | да |
| Углеводороды неканцерогенные | 0,2 - 3,0 | 0,009 - 0,5 | да |
| Альдегиды | 0 - 0,2 | 0,001 - 0,009 | да |
| Оксид серы | 0 - 0,002 | 0 - 0,03 | да |
| Сажа, г/м3 | 0 - 0,04 | 0,01 - 1,1 | да |
| Бензопирен, мг/м3 | 0,01 - 0,02 | до 0,01 | да |
При работе двигателя на этилированном бензине в составе выхлопных газов присутствует свинец, а у двигателей, работающих на дизельном топливе - сажа.
Мероприятия по снижению концентрации токсичных веществ в выхлопных газах
В настоящее время Правительства всех стран вводит определенные нормы на концентрацию вредных веществ в выхлопных газах автомобилей. Поэтому производители автомобилей, чтобы попасть на рынок, вынуждены проводить модернизацию систем ДВС с целью снижения уровня токсичных веществ.
Такими системами могут служить каталитические нейтрализаторы, сажевые фильтры, мочевина и многое другое. Так, например, для дизельных двигателей устанавливаются нейтрализаторы выхлопных газов, которые позволяют снизить токсичность на 80%. В системах безниновых двигателй устанавливают антитоксикатор в систему питания, что также позволяет добиться снижения концентрации вредных веществ.
Недоксид или моноксид - он же угарный газ (CO)
Прозрачный, не имеющий запаха ядовитый газ, немного легче воздуха, плохо растворим в воде. Оксид углерода продукт неполного сгорания топлива, на воздухе горит синим пламенем с образованием диоксида углерода (углекислого газа). В камере сгорания двигателя CO образуется при неудовлетворительном распыливании топлива, в результате холоднопламенных реакций, при сгорании топлива с недостатком кислорода, а также вследствие диссоциации диоксида углерода при высоких температурах. При последующем сгорании после воспламенения (после верхней мертвой точки, на такте расширения) возможно горение оксида углерода при наличии кислорода с образованием диоксида. При этом процесс выгорания CO продолжается и в выпускном трубопроводе. Необходимо отметить, что при эксплуатации дизелей концентрация CO в выхлопных газах невелика (примерно 0,1 - 0,2%), поэтому, как правило, концентрацию CO определяют для бензиновых двигателей.
Оксиды азота (NO, NO2, N2O, N2O3, N2O5, в дальнейшем NOx)
Оксиды азота являются одними из наиболее токсичных компонентов отработавших газов. При нормальных атмосферных условиях азот представляет собой весьма инертный газ. При высоких давлениях и особенно температурах азот активно вступает в реакцию с кислородом. В выхлопных газах двигателей более 90% всего количества NOx составляет оксид азота NO, который ещё в системы выпуска, а затем и в атмосфере легко окисляется в диоксид (NO2). Оксиды азота раздражающе воздействуют на слизистые оболочки глаз, носа, разрушают легкие человека, так как при движении по дыхательному тракту они взаимодействуют с влагой верхних дыхательных путей, образуя азотную и азотистую кислоты. Как правило, отравление организма человека NOx проявляется не сразу, а постепенно, причем каких либо нейтрализующих средств нет.
Закись азота (N2O гемиоксид, веселящий газ) газ с приятным запахом, хорошо растворим в воде. Обладает наркотическим действием.
NO2 (диоксид) бледно-желтая жидкость, участвующая в образовании смога. Диоксид азота используется в качестве окислителя в ракетном топливе. Считается, что для организма человека оксиды азота примерно в 10 раз опаснее CO, а при учете вторичных превращений в 40 раз. Оксиды азота представляют опасность для листьев растений. Установлено, что их непосредственное токсичное влияние на растения проявляется при концентрации NOx в воздухе в пределах 0,5 - 6,0 мг/м3. Азотная кислота вызывает сильную коррозию углеродистых сталей. На величину выброса оксидов азота оказывает значительное влияние температура в камере сгорания. Так, при повышении температуры от 2500 до 2700 К скорость реакции увеличивается в 2,6 раза, а при уменьшении от 2500 до 2300 К - уменьшается в 8 раз, т.е. чем выше температура, тем выше концентрация NOx. Ранний впрыск топлива или высокие давления сжатия в камере сгорания также способствуют образованию NOx. Чем выше концентрация кислорода, тем выше концентрация оксидов азота.
Углеводороды (CnHm этан, метан, этилен, бензол, пропан, ацетилен и др.)
Углеводороды органические соединения, молекулы которых построены только из атомов углерода и водорода, являются токсичными веществами. В выхлопных газах содержится более 200 различных CH, которые делятся на алифатические (с открытой или закрытой цепью) и содержащие бензольное или ароматическое кольцо. Ароматические углеводороды содержат в молекуле один или несколько циклов из 6 атомов углерода, соединенных между собой простыми или двойными связями (бензол, нафталин, антрацен и др.). Имеют приятный запах. Наличие CH в отработавших газах двигателей объясняется тем, что смесь в камере сгорания является неоднородной, поэтому у стенок, в переобогащенных зонах, происходит гашение пламени и обрыв цепных реакций Не полностью сгоревшие CH, выбрасываемые с выхлопными газами и представляющие собой смесь нескольких сотен химических соединений, имеют неприятный запах. CH являются причиной многих хронических заболеваний. Токсичны также и пары бензина, которые являются углеводородами. Допустимая среднесуточная концентрация паров бензина составляет 1,5 мг/м3. Содержание CH в выхлопных газах возрастает при дросселировании, при работе двигателя на режимах принудительного холостого хода (ПХХ, например, при торможении двигателем). При работе двигателя на указанных режимах ухудшается процесс смесеобразования (перемешивания топливовоздушного заряда), уменьшается скорость сгорания, ухудшается воспламенение и, как результат, - возникают его частые пропуски. Выделение CH вызывается неполным сгоранием вблизи холодных стенок, если до конца сгорания остаются места с сильным локальным недостатком воздуха, недостаточным распыливанием топлива, при неудовлетворительном завихрение воздушного заряда и низких температурах (например, режим холостого хода). Углеводороды образуются в переобогащенных зонах, где ограничен доступ кислорода, а также вблизи сравнительно холодных стенок камеры сгорания. Они играют активную роль в образовании биологически активных веществ, вызывающих раздражение глаз, горла, носа и их заболевание, и наносящих ущерб растительному и животному миру.
Углеводородные соединения оказывают наркотическое действие на центральную нервную систему, могут являться причиной хронических заболеваний, а некоторые ароматические CH обладают отравляющими свойствами. Углеводороды (олефины) и оксиды азота при определенных метеорологических условиях активно способствуют образованию смога.
Смог от выхлопных газов.
Смог (Smog, от smoke дым и fog - туман) ядовитый туман, образуемый в нижнем слое атмосферы, загрязненной вредными веществами от промышленных предприятий, выхлопными газами от автотранспорта и теплопроизводящих установок при неблагоприятных погодных условиях. Он представляет собой аэрозоль, состоящую из дыма, тумана, пыли, частичек сажи, капелек жидкости (во влажной атмосфере). Возникает в атмосфере промышленных городов при определенных метеорологических условиях. Поступающие в атмосферу вредные газы вступают в реакцию между собой и образуют новые, в том числе и токсичные соединения. В атмосфере при этом происходят реакции фотосинтеза, окисления, восстановления, полимеризации, конденсации, катализа и т.д. В результате сложных фотохимических процессов, стимулируемых ультрафиолетовой радиацией Солнца, из оксидов азота, углеводородов, альдегидов и других веществ образуются фотооксиданты (окислители).
Низкие концентрации NO2 могут создать большое количество атомарного кислорода, который в свою очередь образует озон и вновь реагирует с веществами, загрязняющими атмосферный воздух. Наличие в атмосфере формальдегида, высших альдегидов и других углеводородных соединений также способствует вместе с озоном образованию новых перекисных соединений. Продукты диссоциации взаимодействуют с олефинами, образуя токсичные гидроперекисные соединения. При их концентрации более 0,2 мг/м3 наступает конденсация водяных паров в виде мельчайших капелек тумана с токсичными свойствами. Их количество зависит от сезона года, времени суток и других факторов. В жаркую сухую погоду смог наблюдается в виде желтой пелены (цвет придает присутствующий в воздухе диоксид азота NO2 капельки желтой жидкости). Смог вызывает раздражение слизистых оболочек, особенно глаз, может вызвать головную боль, отеки, кровоизлияния, осложнения заболеваний дыхательных путей. Ухудшает видимость на дорогах, увеличивая тем самым количество дорожно-транспортных происшествий. Опасность смога для жизни человека велика. Так, например, лондонский смог 1952 г. называют катастрофой, так как за 4 дня от смога погибло около 4 тыс. человек. Наличие в атмосфере хлористых, азотных, сернистых соединений и капелек воды способствует образованию сильных токсичных соединений и паров кислот, что губительно сказывается на растениях, а также сооружениях, особенно на исторических памятниках, сложенных из известняка. Природа смогов различна. Например, в Нью-Йорке образованию смога способствуют реакции фтористых и хлористых соединений с капельками воды; в Лондоне присутствие паров серной и сернистой кислот; в Лос-Анджелесе (калифорнийский или фотохимический смог) наличие в атмосфере оксидов азота, углеводородов; в Японии - присутствие в атмосфере частиц сажи и пыли.
Проблема токсичности отработавших газов автомобилей.
Катализатор топлива - устройство, предназначенное для снижения токсичности выхлопных газов и улучшения условий работы двигателя внутреннего сгорания за счет предварительной обработки углеводородного жидкого топлива, подаваемого в цилиндры двигателя. Обработка топлива в катализаторе топлива позволяет повысить полноту его сгорания, снизить образование вредных веществ при работе двигателя (снизить токсичность выхлопных газов), снизить удельный расход топлива, улучшить условия работы двигателя по критериям износа. Катализатор выхлопных газов - это элемент выхлопной системы автомобиля, который предназначен для дожигания выхлопной смеси до экологически чистых. Катализатор расположен либо на приемной трубе, либо сразу после нее. Внутри корпуса каталитического нейтрализатора находятся керамическая сотовая конструкция. Соты нужны для того, чтобы увеличить площадь контакта выхлопных газов с поверхностью, на которую нанесен тонкий слой платиноиридиевого сплава. .Недогоревшие остатки (CO, CH, NO) касаясь поверхности каталитического слоя, окисляются до конца кислородом, присутствующим так же в выхлопных газах. В результате реакции выделяется тепло, разогревающее катализатор и, тем самым, активизируется реакция окисления. В конечном итоге на выходе из катализатора (исправного) выхлопные газы имеют концентрацию СО2.
Известно, что полнота сгорания топлива во многом определяется его состоянием. Бензин, заливаемый в бак при заправке, всегда не соответствует марке, которую он имел в хранилище завода изготовителя. Любые операции с бензином, инициируют ухудшение элементного состава топлива, поступающего в камеру сгорания.
Обработка топлива в катализаторе топлива позволяет повысить полноту его сгорания, снизить образование вредных веществ образующихся при работе двигателя (снизить токсичность выхлопных газов), снизить удельный расход топлива, улучшить условия работы двигателя по критериям износа, и даже восстановить геометрию поверхностей трения и зазоры в цилиндропоршневой группе двигателя.
В отличие от катализаторов - дожигателей, которые устанавливаются в выхлопном тракте и снижают выбросы вредных веществ за счет нейтрализации газов при контакте с нагретой поверхностью катализатора, КТ устанавливается в тракте подачи топлива и путем активного воздействия на топливо, предотвращает образование вредных веществ, повышает технические показатели работы двигателя внутреннего сгорания.
Использование разработанной технологии каталитической подготовки топлива (ступенчатое улучшение качественного молекулярного состава топлива каталитической обработкой и насыщение его солями плакирующих металлов) обеспечивает следующие отличительные особенности и преимущества “катализатора топлива”:
снижение износа двигателя за счет снижения трения и восстановления геометрии поверхностей цилиндропоршневой группы двигателя;
снижение расхода топлива;
улучшение технической характеристики двигателя без изменения его конструкции;
снижение массы загрязняющих веществ в выхлопных газах;
возможность использования в качестве топлива этилированных бензинов;
увеличение срока службы моторного масла;
способность работать в широком температурном диапазоне от – 40 0 до + 85 0С.
повышение мощности и КПД двигателя;
простоту его установки в тракте подачи топлива перед двигателем;
универсальность конструкции устройства для разных моделей транспортных средств;
возможность блочной компоновки для работы на мощных двигателях.
Эволюция катализаторов выхлопных газов.
В конце 60-х годов, когда мегаполисы Америки и Японии стали буквально задыхаться от смога, инициативу взяли на себя правительственные комиссии. Именно законодательные акты об обязательном снижении уровня токсичных выхлопов новых автомобилей вынудили промышленников усовершенствовать двигатели и разрабатывать системы нейтрализации.
В 1970 году в Соединенных Штатах был принят закон, в соответствии с которым уровень токсичных выхлопов автомобилей 1975 модельного года должен был быть в среднем наполовину меньше, чем у машин 1960 года выпуска: СН — на 87%, СО — на 82% и NOх — на 24%. Аналогичные требования были узаконены в Японии и в Европе.
Первым делом инженеры бросились совершенствовать системы питания и зажигания. Но было очевидно, что добиться столь существенного улучшения ситуации с токсичностью без применения дополнительных устройств просто невозможно.
В 1975 году на американских машинах появились первые катализаторы отработавших газов — тогда еще двухкомпонентные, так называемого окислительного типа. Двухкомпонентными они назывались потому, что могли нейтрализовать только два токсичных компонента — СО и СН. Окислительными — потому, что происходившие реакции представляли из себя окисление (то есть фактически дожигание) молекул СО и СН с образованием углекислого газа СО2 и воды Н2О.
На американских автомобилях 1975 года появились транзисторные системы зажигания с высокой энергией искры и свечи с медным сердечником центрального электрода — это свело к минимуму пропуски зажигания и последующие вспышки несгоревшего топлива в катализаторе, которые грозят оплавлением керамики.
В 1977-м к нему добавили "противоазотную" секцию, а еще через пару лет объединили все в едином корпусе, дав неправильное название "трехступенчатый" катализатор. На самом деле речь идет не о ступенях, а о трех подавляемых классах вредных веществ.
К 1990 году катализатор переехал вплотную к выпускному коллектору, чтобы быстрее нагреваться до рабочих температур (300?С) – тем самым уменьшить вредные выбросы на стадии прогрева.
В 1995 году фирма ”Эмитек” разработала технологию подогрева катализатора мощным электрическим сопротивлением. Основанная на этом принципе модель катализатора ”6С”(или ”Эмикэт”) была установлена на ”БМВ-Альпина В12”.
В 2000 году появилась цеолитовая ловушка углеводородов (СН), задерживающая их при пуске мотора и лишь после нагрева до 220°С отдающая на "съедение" готовому к работе катализатору.
Очищение выхлопных газов.
Это происходит за счет прохождения выхлопов с высокой температурой через решетку каталитического преобразователя, изготовленную из драгоценных металлов, в результате чего вредные выхлопы либо окисляются, либо распадаются на менее вредные химические вещества. Работа катализатора основана на внутреннем элементе, который представляет собой керамическую решетку, покрытую драгметаллами. Керамическая решетка имеет огромное количество проходов и при прохождении выхлопных газов максимальное количество отработанных газов соприкасается с поверхностью этой решетки — происходит каталитическая реакция. При условии, что керамическая решетка внутри катализатора забивается несгоревшими отходами топлива (такими, например, как свинец, масло), тогда эффективность катализатора значительно снижается. Поэтому применение топлива с содержанием тетраэтилсвинца недопустимо для автомобилей, оснащенных катализаторами за счет дополнительного сопротивления, создаваемого конвертором на пути следования отработанных газов автомобиля
Сравнительная характеристика катализатора выхлопных газов и катализатора топлива.
Читайте также: