Зменшення шкідливих викидів автомобілів їх нейтралізацією та уловлюванням

Для прискорення перебігу окисних і відновних реакцій в ней­тралізаторах застосовують різні каталізатори (прискорювачі ре­акцій). Залежно від здатності активізувати ті або інші реакції ката­лізатори поділяють на: окисні, які прискорюють перебіг реакції окис­лення оксиду вуглецю і вуглеводнів; відновні - для відновлення ок­сидів азоту; двофункціональні, які одночасно активізують окисні та відновні реакції.

Широкого поширення у практиці очищення автомобільних відпрацьованих газів (ВГ) набули каталізатори на основі благородних металів - паладію (Р/) і платини (Рг). Вони мають хорошу селек­тивність, низькі температури початку ефективної роботи, досить довговічні. Платина - універсальний каталізатор. Але каталізато­рами, в реакціях відновлення АЮ_х, можуть виступати також родій (Ро) і рутеній (Ри). Широкого поширення ці нейтралізатори не набу­вають через їх високу вартість. В окисних і відновних реакціях мож на застосовувати відносно дешеві каталізатори на основі міді, мар­ганцю, нікелю, хрому і т. д. (СиО, МпО_г ЛЮ, Сг₂0₂, Рв₂О_г ІпО). Але ці каталізатори недовговічні, і їх ефективність значно менша за платино-паладієві. Тому, незважаючи на високу вартість, частіше застосовують каталізатори на основні благородних металів.

Будова каталізаторів така: активний каталітичний прошарок нанесено на інертне тіло-носій. Найпоширенішими є гранульовані і блочні (монолітні) носії.

Гранульовані носії виготовляють з оксиду алюмінію чи алюмо­силікатів. Гранули діаметром 2-5 мм мають розвинену, крупно-по­рувату поверхню - 50-100 м²/г.

У двигунах із звичайною системою живлення один і той самий каталітичний нейтралізатор може виконувати роль прискорювача окисних чи відновних реакцій. Через те, що в одному нейтраліза­торі важко досягти ефективного очищення відпрацьованих газів від найпоширеніших трьох шкідливих речовин (СО, С_тН_п і ЛЮ_Х), як пра­вило, застосовують подвійну систему очищення. В першу чергу, це стосується бензинових двигунів, які живляться збагаченими сумі­шами. В системі подвійного очищення є два нейтралізатори, розта­шовані в одному блоці.

В першому нейтралізаторі відбувається відновлення NО_х до N₂ в результаті реакцій

У другому нейтралізаторі для створення окисного середовища, тобто для окислення СО і С_тН_п додатковим патрубком підводять повітря. На окисному каталізаторі нейтралізуються продукти непов­ного згоряння:

У каталітичних нейтралізаторах окислення оксиду вуглецю в С0₂ відбувається при температурі 250-300 °С, вуглеводнів, бенз(а)пірена, альдегідів - при температурі 400-450 °С. При тем­пературі понад 580 °С вигорає сажа.

На рис. 6.1 показана конструктивна схема гранульованого ка­талітичного нейтралізатора.

Відпрацьовані гази патрубком 2 надходять у верхню частину нейтралізатора 3, де при нестачі кисню відбуваються реакції віднов­лювання NO_х до N₂.

Далі відпрацьовані гази надходять у нижню частину нейтралі­затора 5, де відбуваються реакції окислення СО і С_тН_п з подавання патрубком 1 додаткового повітря.

Хороших результатів досягають застосуванням подвійних ней­тралізаторів у разі регулювання двигунів на стехіометричні чи дещо збагачені суміші.

Випробування автомобіля, оснащеного каталітичного нейтра­лізатора за їздовим циклом довели зменшення концентрації СО і С Н на 40 %, NO - на 75 %.

Широке застосування каталітичних нейтралізаторів у нашій країні гальмується їх високою вартістю, недовговічністю, а також використанням етилованих бензинів. Окрім того, застосування ка­талітичних нейтралізаторів дещо зменшує потужність і погіршує па­ливну економічність двигуна.

Подавання додаткового повітря у випускний трубопровід

Для бензинових двигунів навіть у разі живлення збідненими сумішами (а= 1,05-1,1) характерна низька концентрація вільного кисню у відпрацьованих газах, а у разі збагачених сумішей (з кое­фіцієнтом надміру повітря а< 1) вільн.ий кисень майже відсутній. Саме коли а < 1, утворюються продукти неповного згоряння палива СО і СН.

Для їх нейтралізації необхідно у впускну трубу подати додатко­ву кількість повітря з таким розрахунком, щоб сумарний коефіцієнт надміру повітря (з урахуванням повітря, яке подають у циліндри дви­гуна) був не меншим за а = 1,05.

В результаті, за високої температури (700 °С) відбувається ре­акція окиснення. Такі системи практично не впливають на вміст ок­сидів азоту у відпрацьованих газах.

Найпоширенішим типом пристроїв, які забезпечують подаван­ня повітря, є нагнітач ротаційного типу з приведенням від колінчас­того вала. В автомобілі ГАЗ-24 з карбюратором, який виконано з граничним відхиленням у сторону збагачення суміші, подача нагніта­ча, що дорівнює 60 м³, забезпечує умови для очищення ВГ від ок­сидів вуглецю на 90-95 %, від вуглеводнів - на 70-85 %.

Простішим пристроєм, який з достатньою для практичних цілей точністю дозує подавання додаткового повітря на усіх режимах ро­боти двигуна, є ежектор (рис. 6.6).

Ежектор складається із сопла 1, змішувальної камери 2, дифузо­ра 3. Недолік ежектора - підвищений газодинамічний опір при мак­симальних витра­тах ВГ і викиданні ВГ патрубком впус­ку додаткового по­вітря в режимах хо­лостого ходу, який можна усунути вста-новлюванням у цьому патрубку ма-лоінерційного зво­ротного клапана типу пульсара.

Рис. 6.6. Схема ежектора

Термічна нейтралізація

При термічній нейтралізації продуктів неповного згоряння па­лива СО і С_тН_п, які містяться у ВГ двигунів, відбувається їх окис­лення до кінцевих продуктів С0₂ і Н₂0 у випускній системі. Цей про цес інтенсифікує створення в системі випуску умов, сприятливих для окислення, тобто підвищення температури і збільшення часу реакції та подавання в зону окислення додаткового повітря.

Термічний нейтралізатор - це теплоізольований об'єм зі спе­ціальною організацією перетікання ВГ, який вставляють у випускну систему двигуна, що здійснює термічне доокислення токсичних ком­понентів завдяки теплоті ВГ (рис. 6.7). Термічна нейтралізація не залежить від виду палива, яке спалюють, наявності присадок і доз­воляє застосовувати у двигунах етилований бензин. Підвищити температуру ВГ у нейтралізаторі можна, зменшуючи теплові втра­ти застосуванням екранів, теплоізоляцією корпусу нейтралізато­ра, використанням теплоти реакції окислення. Для двигунів, які живляться збагаченими сумішами, додаткове повітря перед пода­ванням у реакційну камеру нейтралізатора рекомендують підігріва­ти від гарячих стінок системи випуску ВГ.

Концентрація оксидів азоту у ВГ у разі застосування термічних нейтралізаторів може дещо зростати в окремих режимах роботи двигуна чи залишатися незмінною

Трубами (які на схемі не показані) у випускні патрубки головки циліндрів подають додаткове повітря.

У внутрішню камеру реактора патрубками 5 надходить суміш теріалу, і складається вона із двох частин - 2 і 4. В середині камери є перегородка 6, яка сприяє кращому перемішуванню повітря з відпрацьованими газами. Камера ізольована прошарком азбесту і вставлена в металічний корпус 1 і 3. Відпрацьовані гази після каме­ри термічного реактора спрямовують у глушник крізь вікно 7.

В дизелях окислення продуктів неповного згоряння, як прави­ло, здійснюється під час перепускання відпрацьованих газів крізь допалювачі, в яких підтримують постійне горіння.

Застосування полум'яних допалювачів, як і усієї термічної ней­тралізації, є причиною деякого зменшення потужності та підвищен­ня питомої витрати палива двигунами через зростання протитиску в системі випуску, а також призводить до порушення їх акустичної настройки.

Рідинні нейтралізатори відпрацьованих газів

Рідинні нейтралізатори - найпростіші пристрої, в яких здійс­нюється фізико-хімічна обробка відпрацьованих газів під час пере­пускання їх крізь шар води чи хімічного розчину.

Принцип роботи рідинних нейтралізаторів ґрунтується на роз­чиненні чи хімічному зв'язуванні шкідливих речовин, уловлюванні дрібнодисперсних частинок і фільтрації відпрацьованих газів.

Компоненти ВГ, які розчиняються у воді, - альдегіди, оксиди сірки, вищі оксиди азоту - нейтралізуються, сажа й інші дисперсні частинки уловлюються рідиною, послаблюється інтенсивність за­паху ВГ, оксид вуглецю й оксид азоту не знезаражуються.

В рідинних нейтралізаторах ВГ охолоджуються до температу­ри 40-80 °С, що важливо, якщо роботи проводяться у вибухонебез­печних середовищах. Окрім того, за таких температур бенз(а)пірен переходить у твердий стан і вловлюється.

Щоб підвищити ефективність нейтралізації, застосовують роз­чини хімічних реактивів. Найефективніші водяні розчини сульфату натрію Na₂S0₃, соди Na₂С0₃ з додаванням гідрохінону C5H₈0₂ з ме­тою запобігання передчасному окисленню основних хімреагентів. Складні розчини застосовувати непрактично через швидкоплинність процесу очищення, великої витрати розчину під час роботи в режи­мах максимальних навантажень. У багатьох випадках застосову­ють технічну воду, забезпечуючи її часту заміну в нейтралізаторі.

Відпрацьовані гази з випускної труби 1 надходять у колектор 8 і крізь отвори в ньому виходять у ємність з нейтралізуючою рідиною, в якій відбувається очищення газу від токсичних компонентів. Після того як гази проходять фільтруючий прошарок 6 і сепаратор 5, де затримується волога, яку гази захопили при проходженні нейтралі­зуючого розчину, вони надходять у атмосферу Розчин у робочий бак 7 добавляють з додаткового баку 3.

Недоліком рідинних нейтралізаторів є те, що розчин може за­мерзати. Крім того, експлуатація рідинного нейтралізатора дорож­ча через більшу трудомісткість технічного обслуговування, яке по­требує щозмінного видалення й утилізації спрацьованої рідини і шла­му, промивання системи і заповнювання свіжою рідиною. Рідинні нейтралізатори мають велику масу і габаритні розміри, високу вартість хімічних реактивів.