Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор что это
Трёхкомпонентный каталитический нейтрализатор
Трёхкомпонентный каталитический нейтрализатор устанавливается в системах регулирования эмиссии вредных веществ с отработавшими газами как двигателей с впрыском топлива во впускной коллектор, так и двигателей с непосредственным впрыском бензина.
Назначение
Принцип действия
Преобразование токсичных компонентов осуществляется в две стадии. Сначала происходит окисление оксида углерода и углеводородов (таблица G, уравнения 1 и 2). Кислород, необходимый для процесса окисления, содержится в отработавших газах в виде остаточного кислорода по причине неполного сгорания или отбирается у оксидов азота, количество которых при этом уменьшается (G, уравнения 3 и 4). Концентрация вредных веществ в неочищенных отработавших газах есть функция коэффициента избытка воздуха А (рис. 2а). Для оксида углерода и углеводородов (СН) степень преобразования неуклонно повышается по мере увеличения коэффициента избытка воздуха (рис. 2Ь). При А = 1 концентрация этих вредных веществ в неочищенных отработавших газах очень мала, и при увеличении А (А > 1) остаётся на низком уровне. Преобразование оксидов азота (NOx) в области богатой смеси (А 1, препятствует снижению оксидов азота и вызывает резкий рост их концентрации в отработавших газах. Для того чтобы поддерживать максимально возможный высокий уровень преобразования всех трёх токсичных компонентов в трёхкомпонентном каталитическом нейтрализаторе, они должны находиться в отработавших газах в химическом равновесии. Это означает, что состав топливовоздушной смеси должен быть стехиометрическим ), поэтому «окно» состава смеси, близкое к единице, является очень узким. Состав топливовоздушной смеси должен регулироваться замкнутым контуром управления с кислородным датчиком (обратной связью).
Уравнения химических реакций в трёхкомпонентном каталитическом нейтрализаторе
(1) 2 СО + О2 _х 2 СО,
(3) 2 NO + 2 СО _^ N2 + 2 СО2
Устройство и конструкция
Каталитический нейтрализатор (рис. 3) состоит из стального корпуса 6, носителя (подложки) 5 и активного каталитического покрытия из благородных металлов 4.
Носитель (подложка)
Керамические монолиты
Керамические монолиты представляют собой керамические тела, содержащие тысячи узких каналов, через которые проходит поток отработавших газов. Керамика состоит из термостойкого магниево-алюминиевого силиката. Монолит, который чрезвычайно чувствителен к механическим напряжениям, закрепляется внутри металлического корпуса посредством минерального объёмного материала (типа матов) 2, который при первом нагревании расширяется, надёжно фиксируя монолит в данном положении. В то же самое время этот материал обеспечивает стопроцентное уплотнение для газов. Керамические монолиты наиболее часто используются как основание для каталитических покрытий.
Металлические монолитыМеталлический монолит (металлический каталитический преобразователь) является альтернативой керамическому монолиту. Он изготовляется из гофрированной тонкой металлической фольги толщиной 0,05 мм, которая сворачивается и закрепляется в процессе высокотемпературной пайки. Благодаря тонким стенкам на одной и той же площади может размещаться значительно больше каналов, что означает меньшее сопротивление потоку отработавших газов. Это, в свою очередь, очень важно для мощных современных двигателей.
Покрытие
Керамические и металлические монолиты требуют подложки из оксида алюминия А12О3, абсорбционного слоя («Washcoat») 4. Это покрытие служит для увеличения эффективной каталитической поверхности практически в 7000 раз. В каталитическом нейтрализаторе окислительного типа каталитическое покрытие, наносимое на подложку, содержит благородные металлы платину и/или палладий. В трёхкомпонентных каталитических нейтрализаторах применяется также родий. Платина и палладий ускоряют окисление углеводородов СН и оксида углерода. Родий ускоряет снижение концентрации оксидов азота NOx. В зависимости от рабочего объёма двигателя содержание благородных металлов в каталитическом нейтрализаторе составляет 1. 3 грамма.
Эксплуатационные условия
Рабочая температура
Температура в каталитическом катализаторе играет решающую роль в эффективности процесса снижения вредных выбросов. Реальное преобразование токсичных компонентов в трёхкомпонентном каталитическом нейтрализаторе начинается только после достижения температуры 300° С. Идеальной с точки зрения высокого уровня преобразования и длительного срока службы нейтрализатора является температура 400. 80СГС. В диапазоне температур 8ОО. 1ООО°С ускоряется термическое старение из-за спекания благородных металлов и слоя А12О3, что приводит к уменьшению эффективной поверхности нейтрализатора. Губительное влияние на нейтрализатор оказывает продолжительность работы в этом температурном диапазоне, поскольку при температуре свыше 1000° С термическое старение резко ускоряется и приводит к тому, что каталитический нейтрализатор становится практически полностью неэффективным.
1-Кислородный датчик 2-Объёмный слой минерального материала 3-Теплоизоляционный двойной слой 4-Подложка Al2O3 с покрытием из благородных металлов 5-Монолит 6-Корпус
Нарушения работы двигателя (пропуски зажигания) могут привести к повышению температуры в каталитическом нейтрализаторе больше 1400° С. Поскольку при этой температуре плавится материал подложки и полностью разрушается катализатор, необходимо обеспечить надёжную работу системы зажигания, которая не должна требовать технического обслуживания. Современные системы управления двигателей могут определять пропуски зажигания и нарушения процесса сгорания, и в таких случаях прекращать впрыск топлива в данный цилиндр, чтобы предотвратить поступление несгоревшей топливовоздуш-ной смеси в выпускную систему.
Неэтилированное топливо Другойпредпосылкой долговременной работы является использование неэтилированного топлива. В противном случае соединения свинца осаждаются в порах активной поверхности нейтрализатора и уменьшают их число. «Отравлять» катализатор и полностью повреждать его могут также отложения моторного масла.
Место установки
Строгие законодательные нормы по контролю эмиссии вредных веществ требуют применения специальной концепции нагрева каталитического нейтрализатора при пуске двигателя. Такие концепции (например, подача дополнительного воздуха, уменьшение угла опережения зажигания, то есть позднее зажигание) определяют место установки каталитического нейтрализатора. Место установки каталитического нейтрализатора диктуется также его чувствительностью к температурному пределу его нагрева. Температурные условия, необходимые для обеспечения высокого уровня преобразования токсичных компонентов, делают обязательной установку трёхкомпонентного каталитического нейтрализатора близко к двигателю. Возможна конфигурация с двумя каталитическими нейтрализаторами, в которой первый нейтрализатор («pre-cat») устанавливается рядом с двигателем, а после него под днищем автомобиля устанавливается второй (главный) каталитический нейтрализатор. Каталитические нейтрализаторы, располагаемые близко к двигателю, требуют специальной технологии покрытия, которая должна быть оптимизирована для обеспечения стабильности при высокой температуре. С другой стороны, нейтрализаторы, расположенные под днищем автомобиля, требуют оптимизации при низких пусковых температурах (так называемые «low light-off») и обеспечения высокого уровня очистки от NOx. Альтернативой здесь может быть только «общий» каталитический нейтрализатор, который устанавливается близко к двигателю.
Эффективность
Для бензиновых двигателей, работающих на гомогенной топливовоздушной смеси с Л = 1, в настоящее время наиболее эффективным способом очистки отработавших газов является использование трёхкомпонентного каталитического нейтрализатора. В такую систему включён кислородный датчик с замкнутым контуром управления (с обратной связью), отслеживающий состав топливовоздушной смеси. При использовании трёхкомпонентного каталитического нейтрализатора вредные выбросы оксида углерода, углеводородов и оксидов азота могут быть практически устранены при условии, что двигатель работает на распределённой гомогенной топливовоздушной смеси стехиометрического состава. Несмотря на то, что эти идеальные условия не всегда могут выполняться, можно исходить из того, что средний уровень снижения концентрации вредных веществ при указанных эксплуатационных условиях составляет больше 98%.
Каталитический нейтрализатор NOX аккумуляторного типа
Назначение
При работе двигателя на бедной смеси трёхкомпонентный каталитический нейтрализатор не может полностью преобразовать оксиды азота, которые образовались в процессе сгорания. Именно в таких случаях кислород, который требуется для окисления оксида углерода и углеводородов, не расщепляется из оксидов азота, а используется остаточный кислород, который в большом количестве содержится в отработавших газах. Каталитический нейтрализатор NOx аккумуляторного типа снижает содержание оксидов азота другим способом.
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.
Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).
Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.
Каталитический нейтрализатор — как работает, конструкция, типы
Каталитический нейтрализатор (конвертер) представляет собой устройство контроля выбросов выхлопных газов, которое превращает токсичные газы и загрязняющие вещества в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания в менее токсичные загрязняющие вещества, катализируя окислительно-восстановительную реакцию (реакцию окисления и восстановления).
Катализаторы обычно используются с двигателями внутреннего сгорания, работающими на бензине или дизельном топливе.
Принцип работы
В химии катализатор — это вещество, ускоряющее или вызывающее химическую реакцию, но само при этом не расходующееся. Такими веществами являются золото, никель, палладий, медь, родий, хром и большинство драгоценных и редких металлов.
В процессе работы автомобильного двигателя образуются выхлопные газы. Эти газы попадают в выпускной коллектор и далее — в каталитический преобразователь.
Выхлопной газ, состоящий из токсичных веществ, проходит через структуру нейтрализатора. Вещества-катализаторы в составе конвертера вызывают химические реакции, преобразующие вредные вещества в безвредные.
Современный нейтрализатор использует два катализатора, а именно — катализатор восстановления и катализатор окисления.
Конструкция
Каталитический преобразователь представляет собой металлический корпус из нержавеющей стали, в котором есть сердцевина с сотовой структурой. Она покрыта драгоценными металлами, такими как платина и родий. Эти металлы реагируют с выхлопными газами двигателя. Они уменьшают содержание токсичных газов, превращая их в углекислый газ и воду.
Керамическая конструкция дешевле в производстве, но у неё есть большой минус — хрупкость. Достаточно небольшого удара, чтобы керамические соты треснули и осыпались.
В первую очередь катализатор реагирует с окисью углерода, образующейся при сгорании бензина. Он также реагирует с углеводородами, образованными несгоревшим топливом и оксидами азота. Таким образом, нейтрализатор превращает эти газы в менее вредные побочные продукты, такие как диоксид углерода, водяной пар и азот.
Чтобы катализатор был эффективным, его температура должна быть около 400 °C. Вот почему они обычно соединены с выпускным коллектором. По этой же причине датчики кислорода имеют нагревательные элементы.
Типы каталитических нейтрализаторов
Есть три разных типа автомобильных катализаторов. Первый тип — катализатор окисления. Он уменьшает вредные загрязнения, такие как угарный газ (CO) и углеводороды топлива (HC) в выхлопе. Одновременно часто используется вторичный впрыск воздуха. Однако катализатор окисления уменьшает только часть загрязняющих веществ.
Двухступенчатый
Второй тип — двуступенчатый каталитический нейтрализатор, который является более совершенным. Работает в два этапа. Есть два элемента, которые расположены один за другим.
Двусторонний (или «окислительный») каталитический нейтрализатор имеет две одновременные задачи:
Этот тип автомобильных катализаторов широко используется в дизельных двигателях для снижения выбросов углеводородов и окиси углерода. Они также использовались на бензиновых двигателях в автомобилях американского и канадского рынков до 1981 года. Из-за неспособности контролировать оксиды азота они были заменены трехступенчатыми нейтрализаторами.
Трёхступенчатый
Третий тип — это трёхступенчатый каталитический нейтрализатор. Начал использоваться с 1981 г. Он преобразовывает вредные газы, выходящие из двигателя, в безвредные.
Выхлопные газы двигателя содержат опасные вещества, которые наносят вред окружающей среде. К ним относятся оксиды азота, углеводороды и оксид углерода. Трехступенчатый катализатор превращает их в менее вредный диоксид углерода, воду и азот.
Три ступени очистки выхлопных газов выглядят так:
Эти три реакции происходят наиболее эффективно, когда катализатор получает выхлоп от двигателя, работающего немного выше стехиометрической точки. Для сжигания бензина это соотношение составляет от 14,6 до 14,8 частей воздуха на одну часть топлива. Эффективность преобразования очень быстро падает, когда двигатель работает вне этих пределов.
При бедной смеси выхлоп содержит избыточный кислород и это не способствует реакции восстановления NOx. При богатой смеси избыточное топливо потребляет весь доступный кислород перед нейтрализатором, оставляя для функции окисления только кислород, находящейся в катализаторе.
Трёхступенчатый конвертер является единственным устройством, которое уменьшает количество всех трёх загрязнителей за один раз. Такой способ очистки наиболее экономичный.
Большинство автопроизводителей используют в своих транспортных средствах именно трехступенчатые нейтрализаторы, которые соответствуют строгим нормам выбросов.
Где и как расположен катализатор
В большинстве транспортных средств каталитический нейтрализатор расположен рядом с выпускным коллектором двигателя. Преобразователь быстро нагревается благодаря воздействию очень горячих выхлопных газов, что позволяет снизить вредные выбросы во время прогрева двигателя. Это достигается путем сжигания избыточных углеводородов, которые образуются в результате обогащенной смеси, необходимой для холодного пуска.
В некоторых трехкомпонентных катализаторах есть системы впрыска воздуха, который подается между первой (восстановление NOх) и второй (окисление углеводородов и СО) ступенью преобразователя.
Как и в двухступенчатых преобразователях, этот нагнетаемый воздух обеспечивает кислород для реакций окисления. Также иногда присутствует точка впрыска воздуха выше по потоку, перед каталитическим нейтрализатором, чтобы обеспечить дополнительный кислород только во время прогрева двигателя.
Это приводит к тому, что несгоревшее топливо воспламеняется в выхлопном тракте, тем самым предотвращая его попадание в каталитический конвертер. Этот метод сокращает время работы двигателя, необходимое для достижения рабочей температуры катализатора.
Большинство новых автомобилей имеют электронные системы впрыска топлива и не требуют впрыска воздуха в своих выхлопных трубах. Вместо этого они обеспечивают точно контролируемую топливовоздушную смесь, которая быстро и непрерывно переключается между обеднённым и обогащённым состоянием.
Датчики кислорода контролируют содержание кислорода в отработавших газах до и после каталитического нейтрализатора, и блок управления двигателем использует эту информацию для регулировки впрыска топлива.
Смотрите также видео о том, как устроен автомобильный катализатор:
Катализатор дизельного двигателя
Для двигателей с воспламенением от сжатия (то есть для дизельных двигателей) наиболее часто используемым каталитическим нейтрализатором является катализатор окисления дизельного топлива (diesel oxidation catalyst — DOC).
DOC содержат палладий, платину и оксид алюминия, которые окисляют углеводороды и оксид углерода кислородом с образованием углекислого газа и воды.
Эти преобразователи часто работают с 90-процентной эффективностью, фактически устраняя запах дизельного топлива и помогая уменьшить видимые частицы (сажу).
Эти конверторы не уменьшают NOx, потому что любой присутствующий восстановитель будет реагировать в первую очередь с высокой концентрацией O2 в выхлопных газах дизельного топлива.
Раньше сокращение выбросов NOx от дизельных двигателей решалось путем добавления выхлопных газов во впускной коллектор, известное как рециркуляция выхлопных газов (EGR).
В 2010 году большинство производителей дизелей добавили каталитические системы в свои автомобили, чтобы соответствовать новым требованиям по выбросам.
Дизельный выхлоп содержит высокий уровень твердых частиц (ТЧ). Каталитические нейтрализаторы не удаляют ТЧ, поэтому они очищаются сажевым фильтром (diesel particulate filter — DPF).
Все транспортные средства, работающие на дизельном топливе и изготовленные после 1 января 2007 года, должны соответствовать ограничениям на выбросы дизельных частиц, что означает, что они должны быть оснащены двухсторонним каталитическим преобразователем и иметь сажевый фильтр.
Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор что это
Каталитическая очистка отработавших газов
Каталитическая нейтрализация отработавших газов основана на повышении скорости протекания химических процессов за счет использования специальных катализаторов. При прохождении газов вдоль поверхностей, покрытых активным каталитическим слоем, происходят три основных процесса: адсорбция, собственно сами химические реакции и десорбция.
Такие системы классифицируют по следующим признакам:
· по типу – окислительные (окисляют СО и СН до СО2 и Н2О), восстановительные (восстанавливают азот из N Ох) и трехкомпонентные (окисляют СО, СН и восстанавливают N Ох);
· по назначению – главные и пусковые;
· по исполнению – одно- и двухкамерные;
· по типу носителя катализатора – с насыпным или монолитным носителем;
· по материалу носителя – с керамическим или металлическим носителем;
· по материалу активного каталитического слоя – с благородными или обычными материалами.
2.Окислительный каталитический нейтрализатор
В окислительных нейтрализаторах увеличиваются скорости протекания реакций преобразования СН и СО в СО2 и Н2О, Н2 при наличии О2. Для работы такого нейтрализатора необходим свободный кислород. Поэтому в двигателе с искровым зажиганием при a (с вторичным воздухом) (рис.16). Они работают при температуре 300. 800°С, а в качестве катализаторов (веществ, ускоряющих протекание реакций окисления) в них применяют платину и палладий. Оксиды азота преобразовываться в малотоксичные вещества этим нейтрализатором не могут.
Окислительные каталитические нейтрализаторы впервые начали использоваться на автомобилях в 1975 году в связи с введением в США норм предельной токсичности отработавших газов. В настоящее время каталитические нейтрализаторы, работающие исключительно на принципе реакции окисления, применяются весьма редко.
Рисунок 16 – Схема системы выпуска отработавших газов с окислительным каталитическим нейтрализатором:
1 – дозатор топлива; 2 – насос подачи дополнительного воздуха; 3 – окислительный каталитический нейтрализатор
3.Восстановительный каталитический нейтрализатор
В нейтрализаторах восстановительного типа происходят реакции превращения СН, СО и N О в СО2, Н2О, N 2. Для восстановления NOX необходимо создать восстановительную среду, т.е. химически связать кислород, находящийся в отработавших газах. Поэтому в восстановительном каталитическом нейтрализаторе 4 (рис.17) оксид азота под действием катализатора превращается в аммиак, который подвергается разложению в окислительном нейтрализаторе 3. В нем же происходит дожигание оксида углерода и углеводородов.
1 – дозатор топлива; 2 – насос подачи дополнительного воздуха; 3 – окислительный каталитический нейтрализатор; 4 – восстановительный каталитический нейтрализатор
Нейтрализаторы этого типа в настоящее время не используются, поскольку для их эффективного применения необходима работа двигателя при a
4.Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор
Перед трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором стоит задача преобразовывать в безвредные компоненты образующиеся при сгорании рабочей смеси вредные вещества — углеводороды (СН), оксид углерода (СО) и оксиды азота < NOX ). В качестве конечного продукта образуются водяной пар (Н2О), углекислый газ (СО2) и азот ( N 2 ).
Преобразование вредных веществ (очистка отработавших газов) осуществляется в две стадии: сначала оксид углерода и углеводороды преобразуются за счет окисления. Кислород, необходимый для окисления, имеется либо в виде остаточного кислорода в отработавших газах за счет неполного сгорания, либо он забирается у оксидов азота, количество которых таким образом снижается.
Степень преобразования оксидов азота в диапазоне обогащенной смеси ( a NO Х соответствует стехиометрической смеси ( a = 1). Но уже небольшое увеличение содержания кислорода в отработавших газах за счет повышения коэффициента избытка воздуха ( a > 1) препятствует снижению количества оксидов азота и резко повышает их концентрацию в отработавших газах.
1 – дозатор топлива; 2 – электронный блок управления; 3 – трехкомпонентный каталитический нейтрализатор
Каталитический нейтрализатор (рис.19) состоит из стального корпуса 6, подложки-носителя 5 и активного каталитического покрытия из благородных металлов 4. Каталитическое покрытие само не вступает в химические реакции, но одним своим присутствием ускоряет их течение.
Рисунок 19 – Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор:
Распространены два типа подложки-носителя: керамические и металлические монолиты.
Керамические монолиты представляют собой керамические тела, пронизанные несколькими тысячами мелких каналов, по которым перепускаются отработавшие газы (рис.20). Керамика изготавливается из термостойкого магниево-алюминиевого силиката. Монолит, чрезвычайно чувствительно реагирующий на механические напряжения, закреплен в металлическом корпусе. Для этого применяются минеральные расширяющиеся маты (2, рис.19), которые при первом нагревании расширяются, надежно фиксируя монолит в требуемом положении.
Керамические монолиты являются наиболее часто применяемыми в настоящее время подложками-носителями каталитического покрытия.
Рисунок 20 – Каталитический нейтрализатор с керамической подложкой
Металлический монолит, являющийся альтернативой керамическому, изготовлен из мелкогофрированной металлической фольги толщиной 0,05 мм (рис.21) и закреплен методом высокотемпературной пайки. Благодаря тонкостенной структуре, размещается больше газовых каналов на одной и той же площади. Это позволяет увеличить площадь рабочей поверхности, получить меньшее противодавление, ускорить разогрев каталитического нейтрализатора до рабочей температуры и, главное, расширить температурный диапазон до 1000…1050ºС.
Рисунок 21 – Каталитический нейтрализатор с металлической подложкой
Содержание благородных металлов в каталитическом нейтрализаторе составляет около 1…3 г. Эта величина зависит от рабочего объема двигателя.
Рисунок 22 – Процессы, происходящие в трехкомпонентном каталитическом нейтрализаторе с керамической подложкой:
Температура каталитического нейтрализатора играет очень важную роль в обеспечении эффективности очистки отработавших газов.
Преобразование вредных веществ в трехкомпонентном каталитическом нейтрализаторе начинается лишь при рабочей температуре свыше 300°С. Идеальные условия работы, обеспечивающие высокую степень очистки отработавших газов и длительный срок службы нейтрализатора, находятся в диаконе температур 400…800°С.
Время же, необходимое для разогрева, может достигать нескольких минут и зависит от типа двигателя, способа его эксплуатации и температуры воздуха. Холодный катализатор практически неэффективен – следовательно, необходимо уменьшить время достижения температуры активации.
Эту проблему можно решать путем приближения нейтрализатора к двигателю, дополнительным подогревом или установкой специального пускового нейтрализатора.
Каталитическая обработка отработавших газов с помощью трехкомпонентного каталитического нейтрализатора в настоящее время является самым эффективным методом очистки этих отработавших газов для бензиновых двигателей, работающих на гомогенных горючих смесях при a =1. В эту систему включен замкнутый контур лямбда-управления, с помощью которого контролируется состав горючей смеси. Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор может почти полностью очищать отработавшие газы от таких вредных веществ, как оксид углерода, углеводороды и оксиды азота при гомогенном распределении и стехиометрическом составе рабочей смеси. Но эти идеальные режимы работы могут соблюдаться не всегда. Несмотря на это, в среднем можно исходить из снижения количества вредных веществ в отработавших газах более чем на 98%.
5.Каталитический нейтрализатор с накопителем NOX
До настоящего времени система очистки отработавших газов двигателей с непосредственном впрыском была проблематичной. Это связано с тем, что образующиеся при работе на бедных гомогенных и послойных смесях оксиды азота не могут быть восстановлены в обычных трехкомпонентных нейтрализаторах до уровня, допускаемого законодательством.
Поэтому для двигателей с непосредственным впрыском бензина применяют накопительные нейтрализаторы, которые способны удерживать оксиды азота при работе на бедных смесях. При заполнении нейтрализатора до предела производится перевод его на режим регенерации, в процессе которого накопленные в нем оксиды азота выводятся и восстанавливаются до азота.
Система выпуска отработавших газов с накопительным нейтрализатором показана на рис. 24.
Рисунок 24 – Система выпуска отработавших газов с накопительным нейтрализатором
Способность этого накопительного нейтрализатора накапливать NOX в сильной мере зависит от температуры. Она достигает максимума в диапазоне 300…400°С. За счет этого рабочий диапазон температур намного ниже, чем у трехкомпонентного каталитического нейтрализатора. По этой причине для каталитической очистки отработавших газов должны устанавливаться два отдельных каталитических нейтрализатора – трехкомпонентный каталитический нейтрализатор рядом с двигателем (передний) (рис.24) и удаленный от двигателя каталитический нейтрализатор с накопителем NOX в качестве основного.
Еще одним способом снижения температуры отработавших газов является охлаждение выпускного трубопровода направляемым на него потоком свежего воздуха. Кроме того, применение раздвоенного выпускного трубопровода перед накопительным нейтрализатором также позволяет снизить температуру газов за счет увеличения теплоотдачи через развитую поверхность трубопровода. При одновременном использовании обоих мероприятий удается снижать температуру отработавших газов на 30…100°С в зависимости от скорости автомобиля.
Для измерения температуры отработавших газов в выпускной трубопровод после предварительного трехкомпонентного нейтрализатора ввернут датчик температуры отработавших газов. Вырабатываемые им сигналы поступают на вход блока управления двигателем.
По сигналам датчика температуры отработавших газов блок управления двигателем рассчитывает, в частности, температуру в накопительном нейтрализаторе.
Это измерение необходимо, так как:
· накопительный нейтрализатор способен задерживать оксиды азота только при температурах от 250 до 500°С, до которых он должен прогреваться при работе двигателя на бедных смесях;
· место оксидов азота в накопительном нейтрализаторе может занимать сера, для удаления которой необходимо поднять температуру в нейтрализаторе до 650°С и выше.
В датчике находится измерительный резистор с отрицательным температурным коэффициентом. Это значит, что при повышении температуры его сопротивление уменьшается, а напряжение на его выходе соответственно увеличивается. В блоке управления двигателем каждое значение этого напряжения сопоставляется с определенным значением температуры.
Каталитический нейтрализатор с накопителем NOX имеет конструкцию, сходную с трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором. В дополнение к каталитическому покрытию из платины, палладия и родия он имеет еще специальные добавки, которые способны накапливать оксиды азота. Типичными материалами, способными к накоплению, являются, например, оксиды калия, кальция, стронция, циркония, лантана или бария.
Покрытие для накопления NOX и покрытие трехкомпонентного каталитического нейтрализатора могут наноситься на общий носитель-подложку.
За счет имеющегося покрытия из благородных металлов каталитический нейтрализатор с накопителем NOX в режиме a =1 функционирует как трехкомпонентный каталитический нейтрализатор. Дополнительно он преобразует не уменьшившееся в обедненных отработавших газах количество оксидов азота. Но это преобразование не осуществляется непрерывно, как в случае оксида углерода и углеводородов, а протекает в три стадии:
Оксиды азота каталитическим путем окисляются на поверхности платинового покрытия в диоксид азота NO 2. Затем NO 2 вступает в реакцию со специальными оксидами на каталитической поверхности и с кислородом с образованием нитратов. Так, например, NO 2 с оксидом бария ВаО образует химическое соединение нитрат бария Ba ( NO 3)2. Благодаря этому каталитический нейтрализатор с накопителем NO Х при работе двигателя на смеси с избытком воздуха обеспечивает накопление оксидов азота.
Рисунок 26 – Процесс накопления NOX
Существуют два разных способа определения фазы полного заполнения каталитического нейтрализатора:
· способ моделирования, обеспечивающий расчет количества накопленных в нейтрализаторе NOX с учетом температуры нейтрализатора;
Наиболее точным является второй способ.
Датчик оксидов азота ввернут в выпускную трубу непосредственно за накопительным нейтрализатором. Он позволяет определить концентрацию оксидов азота и кислорода в отработавших газах. Сигналы с него передаются на вход блока его управления (рис.24).
По сигналам датчика определяется:
· действует нейтрализатор или нет;
· соответствует ли настройка установленного перед нейтрализатором широкополосного датчика кислорода на стехиометрическую смесь или ее необходимо скорректировать. Для этого в блоке управления датчиком оксидов азота предусмотрена микросхема, обеспечивающая получение на электродах датчика оксидов азота скачкообразного сигнала, подобного сигналу узкополосного датчика кислорода. Этот сигнал позволяет очень точно определять состав смеси, близкой к стехиометрическому составу.
· насколько полно использована накопительная способность нейтрализатора и нужно ли его перевести на режим регенерации не только по оксидам азота, но и по сере.
По мере увеличения количества накопленных оксидов азота (загрузки) снижается способность дальнейшего химического связывания оксидов азота. С определенного их количества должна осуществляться регенерация, т.е. накопленные оксиды азота должны удаляться и преобразовываться. Для этого на короткое время происходит переключение работы двигателя на режим использования обогащенной гомогенной горючей смеси ( a NOX и преобразования их в азот и углекислый газ протекают раздельно (рис.31). В качестве восстановителей используются H 2, СН и СО. Самая низкая скорость реакции регистрируется при использовании СН, самая большая – при Н2. Процесс извлечения (рассмотрен при использовании оксида углерода в качестве восстановителя) осуществляется таким способом, при котором оксид углерода раскисляет нитрат, например, нитрат бария Ba ( NO 3)2, в оксид, например, оксид бария ВаО. При этом образуются углекислый газ и монооксид азота. Затем каталитическое покрытие из родия раскисляет оксиды азота посредством оксида углерода в азот и углекислый газ.
Рисунок 30 – Цикл удаления оксидов азота
Рисунок 31 – Процесс регенерации NOX