Снижение токсичности отработавших газов двигателей с зажиганием от искры

 

Состав смеси. При эксплуатации автомобилей важно под­держивать правильные регулировки карбюратора, аппаратуры впрыскивания бензина, газового редуктора, так как состав смеси оказывает очень большое влияние на токсичность ОГ.

Как следует из рис.54, при a < 1 существенно воз­растает концентрация СО и СН, при этом, даже когда для двигателя в целом a = 1,0, в ОГ содержится некоторое количество этих токсичных компонентов, что объясняет­ся неравномерностью состава смеси по цилиндрам, нали­чием в камере сгорания зон с обогащенной смесью.

При обеднении смеси выход NO_х cначала растет, что связано с увеличением концентрации в продуктах сгорания атомарного кисло­рода, затем при a > 1,05 - 1,10 в результате падения температуры сгорания образование NO_х умень­шается.

При работе на сжатом или сжиженном газовом топливе кривые СО и СН близки, а кривые NO_х сильно различаются. Для сжатого газа концентрация NO_х примерно в два раза меньше, чем для бензина, а вся кривая смещается в зону более бедных смесей.

На режиме холостого хода состав смеси существенно влияет не только на концентрацию в ОГ токсичных СО и СН. Одновременно от а сильно зависит и стабильность работы двигателя, в частности его колебания на подвеске. При чрезмерном обеднении; смеси возрастает концентрация СН и увеличиваются колебания двигателя на подвеске.

Угол опережения зажигания. Вблизи его оптимального значения (с точки зрения экономичности работы двигателя) он почти не влияет на концентрацию СО и СН, однако с ростом угла опере­жения зажигания концентрация NO_х возрастает, особенно замет­но при a > 1,0.

Отступление от рекомендуемых для данного двигателя углов опережения зажигания в сторону более поздних способствует снижению выбросов оксидов азота, но при этом одновременно ухудшаются и экономические показатели. Работа с чрезмерно ранним зажиганием недопустима, так как при этом увеличивается выброс NO_х и ухудшаются другие показатели.

Рециркуляция отработавших газов. Если часть ОГ из системы выпуска направить во впускной трубопровод, то концентрация топлива в заряде уменьшается. Это вместе с относительно высокой теплоемкостью ОГ приводит к понижению максимальной температуры цикла и концентрации кислорода в заряде, а значит, способствует уменьшению образования оксидов азота и понижает их концентрацию в ОГ на 40 - 50%. Опыты показывают, что для такого снижения концентрации NO_х во впускную систему необходимо подавать ОГ в количестве около 20% от количества воздуха.

Чрезмерно большая рециркуляция вызывает увеличение выбросов СН и заметное ухудшение топливной экономичности. Следовательно, рециркуляцию необходимо регулировать в зависимости от нагрузки двигателя, для чего служит специальный дозатор ОГ.

Рециркуляция ОГ более эффективна на режимах средних нагрузок, когда максимальная температура при сгорании смеси достаточно высока и в заряде имеется избыток кислорода. При полном открытии дроссельной заслонки рециркуляция не используется, так как она снижает мощность двигателя. На холостом ходу и при малых нагрузках рециркуляция также не используется, поскольку в ней нет необходимости.

В карбюраторных двигателях ОГ подаются во впускной трубопровод за дроссельной заслонкой, чтобы не нарушать дозирования смеси и избегать образования в карбюраторе отложений.

Нейтрализация отработавших газов - радикальный способ уменьшения токсичности ОГ. Для автомобильных двигателей наибольшее применение получили каталитические нейтрализаторы, в которых специальные вещества (катализаторы) ускоряют протекание реакций окисления СО и СН, а также восстановления NO_х.

Нейтрализатор (рис.55) с корпусом из нержавеющей стали устанавливают в системе выпуска между впускным коллекто­ром и глушителем. В качестве катализатора, наносимого тонким слоем на так называемый носитель, как правило, используются благородные металлы (платина, палладий, родий и др.). Если нейтрализатор предназначен только для окисления СО и СН до СО₂ и Н₂O, то его называют окислительным. Необходимый для окисления СО и СН кислород подается на вход в нейтрализатор с воздухом специальным насосом или эжектором. Таким образом, в нейтрализатор отработавшие газы поступают вместе с добавкой воздуха.

Каталитический нейтрализатор, применяемый для нейтрализации трех компонентов (СО, СН и NO_х), называют трехкомпонентным или бифункциональным: его эффективность сильно зависит от состава смеси, на которой работает двигатель. На рис.56 показано изменение степени преобразования К_i токсичных компонентов ОГ от состава смеси:

K_i = (C_i – C’_i)/C_i

где С_i и С’_i - соответственно концентрации i-го компонента на входе и на выходе из нейтрализатора.

Существует очень узкий диапазон составов смеси вблизи a = 1,0, когда имеет место высокая степень преобразования одновре­менно всех трех основных токсических компонентов, т.е. когда количество кислорода, освобождающегося при восстановлении NO_х, достаточно для окисления СО и СН.

Поддержание состава смеси в таком узком диапазоне возможно только при применении систем впрыскивания топлива с электронным управлением[1] по сигналу кислородного датчика (l-зонд), характеристика которого показана на рис.57. Как видно, в требуемом диапазоне состава смеси сигнал датчика изменяется почти ступенчато, что позволяет электронному блоку управления впрыскиванием бензина поддерживать состав смеси при a = 1,0 с точностью ±1%.

Принципиальная схема управления топливоподачей в двигателе с трехкомпонентным нейтрализатором показана на рис.58.

Если в системе выпуска установлен каталитический нейт­рализатор, то использование этилированного бензина недопустимо, так как свинец очень быстро выводит катализатор из строя, т.е. нейтрализатор перестает выполнять свои функции.