Современные системы снижения токсичности отработавших газов двс

6. Современные системы снижения токсичности отработавших газов двс

Все токсичные компоненты,  содержащиеся в отработавших газах ДВС можно  условно разделить по природе их возникновения на две группы:

· продукты неполного окисления исходного углеводородного топлива (монооксид углерода – CO, углеводороды – CH, сажа) 

· продукты окисления элементов, входящих в состав топлива и воздуха (оксиды азота – NO_x).

Основными причинами образования продуктов неполного окисления топлива в ДВС можно назвать локальные обогащения или обеднения топливо-воздушной смеси ввиду несовершенства процесса смесеобразования, диссоциацию двуокиси углерода, происходящую при высоких температурах и холоднопламенные реакции (в дизелях). Кроме того, образование продуктов неполного сгорания возможно в пристеночных слоях, где уровень температур ввиду интенсивного теплообмена, недостаточен для полного окисления углеводородов исходного топлива.

В настоящее время есть представления о четырёх различных способах образования NO_x, каждый из которых по-своему важен в зависимости от состава топлива, особенностей рабочего процесса и других условий, в которых происходит сгорание: 

· термический путь (или механизм Зельдовича),

· «быстрое» образование NO_x (механизм Фенимора),

· образование оксидов азота через N₂O,

Рекомендуемые материалы

· образование оксидов азота из топливного азота.

Механизм образования NO_x через N₂O часто не учитывают, поскольку он даёт незначительный вклад в полный выход NO_x в условиях поршневого ДВС.

Суть механизма Зельдовича заключается в протекании следующих реакций:

О + N₂ → NO + N

N + O₂ → NO + O

N + OH → NO + H

Механизм называется термическим, так как первая из приведённых реакций имеет очень высокую энергию активации (необходимы температуры порядка 1700°С – 2000°С, так как межмолекулярная связь в молекуле азота чрезвычайно сильна); скорость же реакции напрямую зависит от концентрации реагентов и температуры, которой, как известно, пропорциональна константа скорости.

 «Быстрые» NO_x нарабатываются в основном на начальном участке факела, в области фронта пламени, со стороны свежей, ещё несгоревшей смеси, где термическое образование NO_x отсутствует. Механизм наработки «быстрых» оксидов более сложный, поскольку в нём участвуют радикалы CH, выступающие в горении в качестве промежуточного компонента. Радикалы СН, образующиеся во фронте горения, реагируют с азотом и образуют цианисто-водородную кислоту НСN, которая затем сложным образом реагирует с образованием NO_x. Лимитирующей стадией в этом случае является реакция

CH + N₂ →НСN + N

Зависимость интенсивности образования оксидов азота от коэффициента избытка воздуха, представлена на рис. 6.1 [1].

Рис. 6.1.  Зависимость интенсивности образования оксидов азота
по термическому и смешанному (термический и быстрый) механизмам от коэффициента избытка воздуха [1]

Осознание серьезности назревающей экологической опасности привело к введению в развитых странах поэтапно ужесточающихся норм предельно допустимых выбросов для автомобилей (табл. 6.1, 6.2)

В 1964 г. в шта­те Калифорния (США) была впервые введена обяза­тельная система контроля эмиссии отработавших газов автомобилей. Первое законодатель­ное требование в этом плане появилось в США в 1970 г. (так называемый «Акт о чистом воздухе»); тогда же в США было основано Агентство по защите окружаю­щей среды (ЕРА — Environmental Protection Agency). Обусловлено это было большим количеством транс­портных средств в стране, что привело в ряде регионов США, в первую очередь в Калифорнии с ее жарким климатом, к ощутимому воздействию вредных ве­ществ на состояние здоровья населения.

Требования к экологической чистоте, реализуемые в Калифорнии являются одними из самых строгих в мире и предполагают поэтапное внедрение всё более ужесточающихся норм вплоть до достижения нулевой токсичности (табл. 6.1)

Таблица 6.1

Калифорнийский стандарт на легковые автомобили

 и легкие грузовики (г/миля) [3]

(LEV – low emission vehicle, ULEV – ultra low emission vehicle, SULEV– super ultra low emission vehicle – автомобили соответственно с низкой, ультранизкой и суперультранизкой токсичностью). 

В настоящее время практически все страны Амери­ки, Европы и Азии придерживаются требований тех или иных нормативных документов. Ука­занная нормативно-техническая документация не унифицирована для всего мира, но перечень веществ, содержание которых в ОГ ДВС и транспортных средств регламентируется, определен.

До конца 1980-х годов во всех промышленно разви­тых странах мира производили контроль и нормирова­ние содержания в отработавших газах бензиновых и дизельных двигателей трех газообразных токсичных компонентов: оксидов азота, оксида углерода и сум­марных углеводородов; для дизелей также нормирова­ли дымность отработавших газов. С начала 1990-х го­дов в США ввели нормирование неметановых углево­дородов (наряду с суммарными), считая, что метан безвреден, а также — формальдегида (табл. 6.1). В соответствии с требова­ниями Правил ЕЭК ООН №101 введено нормирование содержания диоксида углерода СO₂ в отработавших газах двигателей транспортных средств.

В Европе с начала 90-х годов были разработаны системы нормирования токсичности отработавших газов автомобилей и качества топлива, получившие наименование евро. Евро – одна из самых строгих в мире систем контроля токсичности отработавших газов автомобильных двигателей. Она устанавливает нормы токсичности, которым должны соответствовать продаваемые в странах Евросоюза машины. Первый этап внедрения этой системы начался с введения норм токсичности Евро 1, распространяющихся на новые и подержанные автомобили, которые вступили в силу с 1993 года (табл. 6.2).

Таблица 6.2

Нормы предельно допустимых выбросов, г/км [3]

Для удовлетворения всё более ужесточающихся норм токсичности в современных поршневых ДВС используются системы нейтрализации отработавших газов. Наиболее эффективным для двигателей с количественным регулированием и принудительным воспламенением в настоящее время считается применение электронных систем впрыска топлива и каталитических нейтрализаторов.

 Основными недостатками таких систем являются необходимость применения дорогостоящих материалов в катализаторах и необходимость поддерживания коэффициента избытка воздуха в пределах 1. Объясняется это тем, что для окисления продуктов неполного сгорания СО и С_nН_m необходим избыточный кислород (желательно обеспечить обеднение смеси), а для восстановления NO_x избыточный кислород не нужен. При отклонении состава смеси от стехиометрического, активность нейтрализации по одному типу из видов вредных веществ снижается: в области α < 1 – по продуктам неполного сгорания, а в области α > 1 – по оксидам азота.

Использование каталитических нейтрализаторов налагает дополнительные требования к качеству топлива и технической исправности двигателя. Недопустимо использование этилированного бензина, так как даже случайная заправка этилиро­ванным бензином выводит каталитический нейтрализатор из строя. В случае выхода из строя свечи зажигания, перебоев в подаче топлива и других нештатных режимах работы двигателя, ведущих к отклонению состава смеси от стехиометричексокого или пропускам воспламенения, каталитический нейтрализатор теряет свою эффективность и также может выйти из строя.

Двигатели с качественным регулированием работают в широком диапазоне коэффициентов избытка воздуха (равно как и бензиновые двигатели с системой непосредственного впрыска топлива), что обуславливает невозможность применения на них нейтрализаторов, характерных для двигателей с количественным регулированием. Поскольку методики нейтрализации оксидов азота и продуктов неполного окисления топлива принципиально различаются, система очистки отработавших газов двигателя с качественным регулированием носит комплексный характер. Для нейтрализации продуктов неполного сгорания топлива используется либо дожигатели, либо каталитические нейтрализаторы, аналогичные используемым на двигателях с количественным регулированием, поскольку в отработавших газах таких двигателей всегда присутствует избыточное количество кислорода. 

Для борьбы с выбросами твёрдых частиц в дизельных двигателях используются сажевые фильтры, накапливающие частицы сажи на специальных керамических или стальных блоках с развитой контактной поверхностью. Для очистки этих блоков используют метод выжигания – управляющая аппаратура обогащает топливо-воздушную смесь, что обеспечивает увеличение температуры отработавших газов. Для облегчения процедуры выжигания накопленной сажи контактную поверхность фильтрующих блоков покрывают специальным катализатором, а также осуществляют впрыск реагента, способствующего процессу окисления сажи.

Определённую сложность в двигателях с качественным регулированием представляет нейтрализация оксидов азота. В настоящее время существуют два подхода к решению этой проблемы:

· использование рециркуляции отработавших газов совместно с накопительными фильтрами NO (EGR + NOx trap)

· использование системы избирательной очистки (SCR)

 Катализаторы накопительного типа более эффективны, но чрезвычайно чувствительны к высокосернистым топливам, чему менее подвержены системы избирательной очистки.

Принцип рециркуляции отработавших газов предполагает  частичный перепуск определённого количества отработавших газов с промежуточным охлаждением обратно во впускную систему. Основными недостатками системы рециркуляции отработавших газов являются ухудшение параметров рабочего процесса, повышение выброса частиц и дымности отработавших газов, увеличение тепловой напряженности двигателя. Принципиальная схема системы очистки отработавших газов двигателя посредством использования рециркуляции представлена на рис. 6.2.

Ввиду негативного влияния на рабочий процесс двигателя больших степеней рециркуляции отработавших газов для совершенствования нейтрализации NO_x используют накопительные фильтры. Накопительные фильтры NO_x работают по принципам, аналогичным принципам работы сажевых фильтров – во время работы на обеднённых смесях они аккумулируют оксиды азота, а по достижении определённого уровня заполнения управляющая электроника подаёт сигнал на выжигание накопленного вещества (рис. 6.3, 6.4). Одним из активных элементов в нем является основное покрытие из солей бария, также присутствует покрытие из платины, палладия и родия. При работе на бедной смеси все оксиды азота окисляются до диоксида NO₂ при помощи платинового катализатора, а затем взаимодействуют с покрытием основы и удерживаются на ней в виде нитрата бария. Периодически (обычно раз в минуту на 3 секунды), оксиды азота выводятся из накопителя при помощи обогащения смеси. В этот момент в отработавших газах увеличивается содержание CO и HC, которые взаимодействуют с NO₂ – на родиевом покрытии происходят окислительно-восстановительные реакции, в которых нитрат восстанавливается до чистого азота N₂, а CO и CH окисляются до CO₂ и H₂O (углекислого газа и воды).

Рис. 6.2. Принципиальная схема системы рециркуляции ОГ [9]

Рис. 6.3. Аккумуляция NO на режиме обеднения [9]

Рис. 6.4. Расходование накопленного NO на режимах

 обогащения и выжигания [9]

Нейтрализация NO_x зависит от температуры отработавших газов - после 500°С эффективность накопительного катализатора значительно падает. Поэтому он расположен в зоне, где температура обычно составляет 300 - 450° С (в городском режиме езды). При езде по трасе температура газов превышает 500°С, и блок управления обогащает смесь до того уровня, когда газы смогут быть нейтрализованы в трехкомпонентном каталитическом нейтрализаторе.

Большую угрозу для NO-катализатора представляет высокое содержание серы в топливе. Сера в процессе сгорания окисляется до диоксида SO₂, который также взаимодействует с солями бария, как и NO₂, и образует сульфат бария, который химически более стабилен, чем нитрат, постепенно снижая емкость и эффективность катализатора, вплоть до его полного выхода из строя.

Для борьбы с этим явлением используется режим очистки от серы, в котором блок управления периодически заметно увеличивает температуру отработавших газов и содержание в них содержание CO и CH. В результате - растет расход топлива, который таким образом, напрямую зависит от содержания серы в топливе.

Подобная система нейтрализации отработавших газов установлена на автомобиле Mercedes CLS 350 CGI (рис.6.5). Для снижения выбросов углеводородов предназначен трехкомпонентный каталитический нейтрализатор. Так как он начинает эффективно функционировать при температуре не менее 250°С (максимальная эффективность 400 - 850^оС), то для его быстрого прогрева два трехкомпонентных нейтрализатора расположены близко к двигателю. Накопительный катализатор NO_x смонтирован для защиты от слишком высоких температур в днище. Его активное температурное окно от 250 до 500 °C. Для точного регулирования накопительного катализатора NO_x перед ним установлен датчик температуры, после него – датчик содержания NO_x.

Рис.6.5. Нейтрализатор  двигателя M272 DE, установленного на

Mercedes CLS 350 CGI [15]

Альтернативным способ очищения отработавших газов дизельного двигателя является впрыск в выхлопную систему специального реагента, способствующего нейтрализации токсичных компонентов. Так как он менее подвержен «отравлению» серой, то его применяют преимущественно в дизелях, в топливе которых содержится больше серы, чем в бензине. Принцип действия системы SCR (Selective Catalytic Reduction, что можно перевести как «селектив­ный каталитический преобразователь») заключается в химической реакции аммиака с оксидами азота выхлопных газов, в результате кото­рой образуются безвредный азот и водяной пар. Селективный преобразователь состоит из двух основных узлов: непосредственно каталитического нейтрализатора с сотовой структу­рой, вмонтированного в глушитель автомобиля, и дополнительного бака под аммиачный заменитель AdBlue. Общая схема системы очистки отработавших газов с системой SCR показана на рис. 6.6.

Рис. 6.6. Принцип работы системы SCR

Поэтапное ужесточение норм токсичности, особенно эмиссии оксидов азота, предъявляет всё большие требования к системам нейтрализации отработавших газов. Совершенствование современных систем рециркуляции отработавших газов и каталитической нейтрализации влечёт усложнение конструкции и удорожание энергетической установки. Для удовлетворения перспективных норм токсичности уже не достаточно той эффективности нейтрализации токсичных компонентов, которую могут обеспечить современные системы. По этому при разработке перспективных систем понижения токсичности двигателей внутреннего сгорания особое внимание уделяется подавлению образования токсичных компонентов непосредственно в рабочей камере двигателя. Анализ перспективных методов снижения токсичности продуктов сгорания позволяет выделить двух «лидеров», при реализации которых, например в ГТУ, удалось снизить содержание оксидов азота до  значений менее 10 млн^-1:

1) Организация рабочего процесса со сжиганием бедных предварительно перемешанных смесей с коэффициентом избытка воздуха в зоне горения a ≈ 2;

2) организация рабочего процесса со сжиганием обводненных топливовоздушных смесей.

Снижение выбросов оксидов азота при сжигании бедных предварительно перемешанных смесей (a  ≈ 2) происходит за счет снижения температуры горения до 1400–1500^о С. Поскольку работа на полной нагрузке с такими коэффициентами избытка воздуха ведет к существенному снижению удельной мощности двигателя, то данный метод более целесообразен в стационарных установках.

В поршневых ДВС, где рабочий процесс, в отличие от газотурбинных, носит циклический характер, наряду с проблемами сгорания бедных смесей,  возникают проблемы, связанные с их воспламенением. Для расширения концентрационных пределов воспламенения и сгорания товарных топлив до a ≈ 2 необходимы очень высокие степени сжатия (>20), что опять же влечет повышение температуры в зоне горения, значительное увеличение массы двигателя и, следовательно, дополнительное снижение его удельной мощности. На основе этой концепции в настоящее время производятся работы по совершенствованию дизельных двигателей с гомогенным зарядом (HCCI – Homogeneous Charge Compression Ignition), которые демонстрируют значительные преимущества в плане снижения токсичности.

Этих недостатков лишен процесс со сгоранием обводненных околостехиометрических топливовоздушных смесей. Как для двигателей с внутренним смесеобразованием, так и для двигателей с внешним смесеобразованием впрыск воды может производиться двумя способа­ми:

1. Отдельно от топлива;

2. В цилиндр двигателя в виде смеси с топливом – водотопливной эмульсии (ВТЭ).

В первом случае воду можно вводить как во впускной тракт двигателя, так и непосредственно в цилиндр. Пока нельзя говорить об абсолютном превосходстве какого-либо способа подачи воды, но необходимо отметить, что для эффективного подавления эмиссии NO_x необходимо реализовать значительное обводнение топливо-воздушной смеси (количество воды должно быть равным или даже большим количества топлива). Как показывает анализ опубликованных источников, такие степени обводнения недостижимы при использовании ВТЭ, где максимальное содержание воды не превышает 50%. Это объясняется нестабильностью ВТЭ с высоким содержанием воды, что влечёт необходимость использования большого количества эмульгаторов.

Специфика метода впрыска воды во впускной коллектор заключается в необходимости установки на двигателе дополнительных систем хранения, подвода и распыливания воды. В этом случае, в отличие от метода впрыска воды непосредственно в цилиндр, аппаратура более проста и надежна. Для равномерного распределения воды по цилиндрам многоцилиндрового двигателя специальные форсунки устанавливаются во впускных патрубках напротив каждого цилиндра. Испарение воды начинается во впускном патрубке и заканчивается в цилиндре. Пары воды к концу процесса сжатия образуют в камере сгорания гомогенную смесь с воздушным зарядом. При этом происходит снижение температуры воздушного заряда, что ведёт к снижению температур конца сжатия и горения, а также к увеличению периода задержки воспламенения в дизелях. В последнем случае отмечается рост эмиссии продуктов неполного сгорания и постепенное ухудшение характеристик двигателя вплоть до его останова.

Впрыск воды во впускной тракт позволяет реализовать значительно большие, чем при использовании ВТЭ, соотношения количества воды к количеству топлива (порядка 1,25 – 1,5), что способствует сокращению концентрации NO_x в отработавших газах двигателя на 70%. При этом не наблюдается значительного увеличения эмиссии продуктов неполного окисления топлива и ухудшения мощностных и экономических характеристик. Дальнейшее обводнение, хотя и позволяет продолжить снижение уровня эмиссии NO_x, ведёт к неприемлемому ухудшению эффективных параметров и росту продуктов неполного окисления топлива на обоих современных типах поршневых ДВС. Объяснено это может быть возникновением проблемы воспламенения и смесеобразования. Во втором случае – вследствие недостаточной однородности распределения воды и топлива в объёме камеры сгорания. Неоднородность распределения воды и топлива по объёму камеры сгорания может быть выражена двумя негативными явлениями:

- в областях, где концентрация воды минимальна, будет иметь место простое горение топлива, что повлечёт локальное повышение температуры и, следовательно, локальный очаг образования оксидов азота.

- в областях, где концентрация воды максимальна, воспламенение может вообще не произойти вследствие интенсивного охлаждения, что повлечёт ухудшение характеристик двигателя (вплоть до пропусков зажигания) и повышение выбросов углеводородов.

Таким образом, при осуществлении впрыска воды во впускной трубопровод поршневого ДВС как с внешним, так и с внутренним смесеобразованием, невозможно полноценно использовать эффект понижения эмиссии NO_x без негативного влияния на рабочий процесс двигателя.

Вопросы для самоконтроля

Вам также может быть полезна лекция "1.4 Определение конфликта".

1. Механизм возникновения выбросов продуктов неполного сгорания топлива и оксидов азота в бензиновых ДВС.

2. Механизм возникновения выбросов продуктов неполного сгорания топлива и оксидов азота в дизельных ДВС.

3. В чем заключается сложность устранения нейтрализатором ОГ токсичных выбросов в двигателях с качественным регулированием.

4. Для чего производится рециркуляция ОГ.

5. Механизм снижения концентрации оксида азота при сгорании бедных предварительно перемешанных смесей. Преимущества и недостатки.

6. Механизм снижения концентрации оксида азота при сгорании обводненных околостехиометрических смесей. Преимущества и недостатки.