Нейтрализация отработавших газов дизельных двигателей
ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ №23
Изучение устройства и работы приборов и систем выпуска отработавших газов дизельных двигателей
1.Цели работы:
1) закрепить знания по устройству и принципу работы приборов выпуска отработавших газов дизельных двигателей;
2) научиться анализировать особенности устройства и работы приборов выпуска отработавших газов дизельных двигателей.
Задание
Выполнить анализ устройства и работы приборов выпуска отработавших газов дизельных двигателей.
3. Оснащение работы:
1. Выпускной коллектор
2. Сажевый фильтр.
3. Каталитический нейтрализатор
4. Глушитель
Основные сведения
4. 1 Выпускной коллектор
Выпускные трубы и выпускной коллектор обеспечивают объединение всех выпускных окон в головке блока цилиндров в один или большее число выпускных коллекторов, а также соединяют между собой каталитический нейтрализатор и глушители;
Выпускной коллектор (рисунок 1) предназначен для сбора выхлопных газов с нескольких цилиндров в одну трубу. В основном выпускные коллекторы изготавливаются из чугуна. Большинство выпускных коллекторов выполнено из нержавеющей стали или керамики. Хотя коллекторы из керамики и получаются гораздо более лёгкими, но при сильном нагреве, с последующим охлаждением, они дают трещины, что моментально отражается на качестве выполняемой функции.
С одной стороны коллектор крепится непосредственно к двигателю внутреннего сгорания, с другой – к катализатору (рисунок 1) или, если катализатор не установлен, к выхлопной трубе. В связи со специфичностью расположения коллектора он работает в достаточно экстремальных условиях. Температура выхлопных газов может достигать нескольких тысяч градусов. Таким образом, после глушения двигателя происходит достаточно быстрое охлаждение с последующим неминуемым выпадом конденсата. Как результат, основная проблема коллектора – быстрое появление ржавчины.
|
|
|
Рисунок 1 – Выпускной коллектор
Дополнительно к своей основной функции – удаление выхлопных газов из камеры сгорания, выпускной коллектор помогает в продуве камеры сгорания и её наполнении. Это происходит в результате резонирующих волн выхлопа. Во время открытия выпускного клапана, в камере сгорания газ находится под давлением, тогда как в коллекторе давление нормальное. Сразу после открытия выпускного клапана из-за разницы давлений создаётся волна. Отражаясь от ближайшего препятствия (которым в обычных автомобилях является резонатор или катализатор), она идёт обратно к цилиндру и, в некотором диапазоне оборотов (как правило, средних), подходит к цилиндру ко времени очередного такта выпуска, "помогая" следующей порции отработанных газов покидать цилиндр.
|
|
|
Стоячие волны (резонанс) возникают в трубе в достаточно широком диапазоне оборотов, так как волна распространяется не со скоростью звука, а со скоростью выхода из цилиндра, соответственно чем больше обороты двигателя, тем быстрее выходят газы из цилиндра, тем быстрее движется и возвращается волна, и как раз успевает вернуться к более короткому (по времени, для больших оборотов) очередному циклу.
Для создания одинаковых и благоприятных условий работы (выпуска) каждого цилиндра, выпускные трубы должны быть, во первых, персональны для каждого цилиндра (для разделения цилиндров и создания стоячих волн на определённых оборотах), и во-вторых, должны быть одинаковой длины, что и является причиной применения "паука" или "штанов" из труб.
На тракторных дизелях, в силу низкой номинальной частоты вращения (до 2000 об/мин), применяют общие коллекторы из чугуна.
Как правило, для избегания случайных ожогов, уменьшения пожарной опасности и повреждения других деталей от высокой температуры, в большинстве случаев коллектор (приёмные трубы) огораживают металлическим экраном.
|
|
|
На некоторых гоночных автомобилях выпускной коллектор отсутствует вовсе – у каждого цилиндра установлена своя выхлопная труба чётко определённой длины, без катализатора и без глушителя.
4.2 Сажевый фильтр
Сажевый фильтр предназначен для снижения выброса сажевых частиц в атмосферу с отработавшими газами.
В выпускной системе дизельного двигателя сажевый фильтр обычно объединен с каталитическим нейтрализатором окислительного типа. Такой фильтр имеет название сажевый фильтр с каталитическим покрытием. Сажевый фильтр с каталитическим покрытием устанавливается за выпускным коллектором в непосредственной близости от двигателя.
Основным конструктивным элементом сажевого фильтра является матрица, которая изготавливается из керамики (карбида кремния) (рисунок 1). Керамическая матрица имеет ячеистую структуру, состоящую из каналов малого сечения, попеременно закрытых с одной и с другой стороны. Стенки каналов имеют пористую структуру и выполняют роль фильтра. На поверхность стенок нанесен тонкий слой катализатора – титана. Матрица помещена в металлический корпус.
Рисунок 1 – Сажевый фильтр
При прохождении отработавших газов через сажевый фильтр, частицы сажи задерживаются на поверхности стенок матрицы. Нанесенный на стенки матрицы катализатор способствует окислению несгоревших углеводородов и угарного газа.
|
|
|
Очистка сажевого фильтра (промывка сажевого фильтра) от накопившейся сажи происходит путем регенерации. Различают активную и пассивную регенерацию сажевого фильтра.
При пассивной регенерации происходит непрерывное окисление сажи за счет действия катализатора и высокой температуры отработавших газов (350…500°С). Цепочка химических преобразований при пассивной регенерации имеет следующий вид:
- оксиды азота вступают в реакцию с кислородом в присутствии катализатора с образованием диоксида азота;
- диоксид азота вступает в реакцию с частицами сажи (углеродом) с образованием оксида азота и угарного газа;
- оксид азота и угарный газ вступают в реакцию с кислородом с образованием диоксида азота и углекислого газа.
4.3 Каталитический нейтрализатор
- каталитический нейтрализатор осуществляет очистку отработавших газов двигателей с искровым зажиганием (может устанавливаться и на дизелях). Содержит керамические блочные носители с покрытием из активного каталитического вещества.
Каталитический нейтрализатор (англ. catalytic converter – конвертер) – устройство в выхлопной системе, предназначенное для снижения токсичности отработавших газов посредством восстановления оксидов азота и использования полученного кислорода для дожига угарного газа и недогоревших углеводородов.
Задачей автомобильного каталитического нейтрализатора является снижение количества вредных веществ в выхлопных газах. Среди них: окись углерода (СО) — ядовитый газ без цвета и запаха (угарный газ); углеводороды (CH), также известные как летучие органические соединения – один из главных компонентов смога, образуется за счет неполного сгорания топлива; оксиды азота (NO и NO2, которые часто объединяют под обозначением NOx) – также являются компонентом смога, а также кислотных дождей, оказывают влияние на слизистую человека.
Каталитический нейтрализатор расположен либо на приемной трубе, либо сразу после нее. Внутри корпуса каталитического нейтрализатора (рисунок 2) находится 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 также 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 содержат в основном N2 и СО2.
Рисунок 2 – Каталитический нейтрализатор
Каталитические преобразователи дизельных двигателей плохо справляются с сокращением выбросов NOx. Одна из причин в том, что дизельные двигатели сами по себе функционируют в более низком температурном режиме, чем бензиновые, а преобразователи работают лучше при нагреве. Некоторые ведущие эксперты в области «зеленого» автомобилестроения придумали новую выхлопную систему, которая помогает исправить этот недостаток. Они впрыскивают водный раствор мочевины в выхлопную трубу до того, как газы достигнут преобразователя. При этом возникает химическая реакция, которая уменьшает количество NOx. Карбамид, также известный как мочевина — органическое соединение углерода, азота, кислорода и водорода. Его можно обнаружить в моче млекопитающих и земноводных, что и объясняет такое название. Мочевина реагирует с NOx с получением азота и водяного пара, снижая количество оксидов азота в выхлопных газах более чем на 90%.
4.4 Глушитель
- глушители сглаживают пульсаций в потоке отработавших газов и максимально возможного снижают шум на выпуске.
В глушителях применяются в основном два физических эффекта – звукопоглощение (рисунок 3, а) и резонанс (рисунок 3, b). Большинство глушителей используют комбинацию этих эффектов (рисунок 3, с).
Рисунок 3 – Глушители
Резонаторные глушители состоят из камер различной длины, соединенных между собой трубами. Различия в площадях поперечных сечений труб и камер, отклонения потока отработавших газов и наличие резонаторов, образованных соединительными трубами и камерами обеспечивают эффективное глушение шума, особенно на низких частотах Чем больше камер, тем эффективнее процесс глушения шума, но такой глушитель имеет большую массу и приводит к большим потерями мощности.
Шумопоглощающие глушители имеют одну камеру, заполненную звукопоглощающим материалом, через которую проходит перфорированная труба. Звуковые колебания через отверстия в перфорированной трубе взаимодействуют со звукопоглощающим материалом и преобразуются в теплоту. Звукоизолирующий материал обычно состоит из длинноволокнистой минеральной ваты (на основе базальта или силикатов), плотность которой составляет от 120 до 150 г/л. Степень глушения шума зависит от плотности, звукопоглощающих свойств материала, а также длины и толщины стенки камеры. Глушение происходит в широком диапазоне звуковых частот.
2.2.2 Описание системы SCR
Для обеспечения соответствия нормативным требованиям по выбросам вредных веществ применяется технология SCR (Selective Catalytic Reduction -избирательное каталитическое восстановление).
Технология SCR основывается на очистке отработавших газов за счет добавления раствора AdBlue.
Раствор AdBlue в распыленном виде впрыскивается в отработавшие газы перед их поступлением в каталитический нейтрализатор. Управление тонкой регулировкой впрыска осуществляет система ЕМС (система управления двигателем), обеспечивающее оптимальное сокращение выбросов при любых режимах работы. Под воздействием высокой температуры в системе выпуска раствор AdBlue распадается на аммиак и углекислоту. Активным элементом является аммиак – самый важный компонент химического процесса, протекающего в каталитическом нейтрализаторе, где окислы азота (NOx) превращаются в безвредную смесь азота и водяного пара. Химическая реакция протекает при температурах свыше 200 °C.
1 – форсунка с хомутом крепления; 2 – труба; 3 – подающий модуль с блоком управления; 4 – нейтрализатор; 5 – датчик температуры отработанных газов; 6 – датчик NOх в отработанных газах
Рисунок 4 - Схема SCR
Нейтрализация отработавших газов дизельных двигателей
При очистке отработавших газов дизелей особое внимание уделяется сокращению содержания двух компонентов:
· твердых частиц, которые возникают из-за неоднородного распределения смеси в камере сгорания;
· оксидов азота (NOх), которые образуются при высоких температурах сгорания топливовоздушной смеси в дизеле.
В последние годы, благодаря совершенствованию систем впрыска топлива дизельных двигателей, уровень эмиссии этих компонентов отработавших газов значительно снизился.
Окислительный нейтрализатор
Чтобы быстрее достигнуть рабочей температуры, окислительный нейтрализатор 9 (рис. 1) должен располагаться в системе выпуска как можно ближе к двигателю. Он уменьшает уровень эмиссии углеводородов (СН), оксида углерода (СО) и летучих составляющих твердых частиц, превращая все это в воду (Н2О) и диоксид углерода (СО2).
Рисунок 1 – Система выпуска отработавших газов с окислительным нейтрализатором, фильтром твердых частиц и системой добавления присадок:
1 – блок управления добавлением жидкой каталитической присадки; 2 – блок управления работой двигателя; 3 – насос для добавления жидкой каталитической присадки; 4 – датчик уровня жидкой каталитической присадки; 5 – бак с жидкой каталитической присадкой; 6 – клапан дозирования жидкой каталитической присадки; 7 – топливный бак; 8 – двигатель; 9 - окислительный нейтрализатор; 10 – фильтр твердых частиц; 11 – датчик температуры; 12 - дифференциальный датчик давления; 13 – сажевый датчик
Окислительные нейтрализаторы уже выпускаются серийно. Особыми версиями (т. н. «трехкомпонентными») можно одновременно сократить уровни эмиссии оксидов азота (NOx), CH и СО, причем содержание NOx снижается на 5...10%.
Фильтр твердых частиц
В фильтре 10 (рис. 1) собираются содержащиеся в ОГ твердые частицы. Падение давления за фильтром твердых частиц — это возможный индикатор его загрязнения сажей, и в этом случае фильтр нуждается в очистке и регенерации. Необходимая для дожигания этой сажи температура (свыше 600°С) при нормальных режимах работы дизеля не возникает. С помощью некоторых регулировок аппаратуры подачи топлива и воздуха, например, установкой позднего момента начала впрыскивания и дросселированием воздуха на впуске, можно повысить температуру ОГ.
К настоящему времени разработаны специальные фильтры из пористой керамики, которые уже применяются серийно на легковых автомобилях.
Каталитические присадки
Добавлением в топливный бак каталитических присадок обеспечивается снижение температуры дожигания твердых частиц в фильтре на 100°С. Разумеется, противодавление ОГ будет постепенно увеличиваться во время работы дизеля, так как негорючие отложения (пепел каталитических присадок) задерживаются фильтром. Это повышает расход топлива и ограничивает срок службы фильтра.
Система регенерации фильтра
При наличии системы регенерации фильтр твердых частиц подсоединяется к окислительному нейтрализатору, который окисляет содержащийся в ОГ оксид азота NO в диоксид азота NO2. В этом случае собранная в фильтре сажа непрерывно сжигается при подаче сюда NО2 уже при температуре 250°С, что значительно ниже температуры сгорания твердых частиц в обычных фильтрах, где происходит сгорание с подачей обычного кислорода О2.
Датчики температуры, дифференциальный датчик давления и датчик сажи за фильтром твердых частиц контролируют функционирование системы регенерации фильтра. Для длительной работы окислительных нейтрализаторов, из-за их чувствительности к сере, требуется топливо с низким ее содержанием.
Окислительный нейтрализатор и фильтр твердых частиц могут быть интегрированы в один конструктивный элемент с каталитическим покрытием фильтра. Этот фильтр сокращенно именуется CSF (Catalyzed Soot Filter, т. е. фильтр с каталитическим покрытием) или CDPF (Catalyzed Diesel Particulate Filter, т. е. каталитический дизельный фильтр твердых частиц).
3.Накопительный нейтрализатор NOx
Дизель всегда работает с избытком воздуха (бедная смесь), поэтому трехкомпонентный нейтрализатор, применяемый на бензиновых двигателях со впрыском топлива во впускной трубопровод, не может использоваться для снижения количества оксидов азота (NOx). При избытке воздуха СО и СН реагируют с остаточным кислородом ОГ до образования СО2 и Н2О и, таким образом, не могут быть использованы для превращения NOx в азот (N2).Для снижения концентрации оксидов азота в ОГ дизелей легковых автомобилей разработан накопительный нейтрализатор NOx, который уменьшает содержание оксидов азота другим способом: собирает их, а затем конвертирует. Этот процесс протекает в два этапа:
накопление NOx из ОГ при работе дизеля на бедной смеси ( > 1; от 30 секунд до нескольких минут);
выделение NOx и восстановление (конверсия) в ОГ при работе дизеля на богатой смеси ( < 1; 2...10 секунд).
Накопление NO х
Оксиды азота при избытке кислорода в ОГ превращаются с помощью металлических окислительных нейтрализаторов на поверхности накопительного нейтрализатора NOx в нитраты. При этом к накопительному нейтрализатору добавлен окислительный нейтрализатор 3 (рис. 2), который окисляет NО в NО2.
Рисунок 2 – Схема системы выпуска отработавших газов с накопительным нейтрализатором NOX:
1 – двигатель; 2 – система электрического подогрева отработавших газов; 3 – окислительный нейтрализатор; 4 – датчик температуры; 5 – широкополосный лямбда-зонд; 6 – накопительный нейтрализатор NOX; 7 – датчик NOX или лямбда-зонд; 8 – блок управления работой двигателя
С возрастанием количества накопленных оксидов азота уменьшается способность нейтрализатора их связывать.
Имеются две возможности узнать, когда нейтрализатор нагружен так, что фазу накопления необходимо завершить:
количество накопленных оксидов азота рассчитывается смоделированным процессом с учетом температуры нейтрализатора;
датчик NОX за накопительным нейтрализатором измеряет концентрацию оксидов азота в ОГ.
Восстановление N О X
Начиная с определенной степени загрузки, накопительный нейтрализатор NOx должен регенерироваться, т. е. накопленные оксиды азота должны снова высвобождаться и преобразовываться в азот и кислород. Для этого двигатель кратковременно переключается на режим работы с недостатком воздуха (= 0,95). При двухступенчатой регенерации (рис. 2) возникают диоксид углерода (СО2) и азот (N2).
Существуют два различных способа определить конец фазы восстановления:
смоделированный процесс рассчитывает количество оставшихся на нейтрализаторе оксидов азота;
лямбда-зонд 7 (рис. 2), установленный за нейтрализатором, измеряет концентрацию кислорода в ОГ, и изменение напряжения с состава ОГ с недостатком воздуха ( < 1) на состав ОГ с избытком воздуха ( > 1) указывает на то, что процесс восстановления закончен (отсутствие СО).
Чтобы и при холодном пуске достичь значительного сокращения уровня содержания NOx , можно применить систему 2 электрического подогрева ОГ.
Принцип SCR
В процессе очистки ОГ по принципу SCR (Selective Catalytic Reduction, т. е. селективное каталитическое восстановление) в ОГ очень точно добавляется восстановитель, например, раствор мочевины с концентрацией 32,5% по массе. В гидролизном нейтрализаторе из раствора мочевины добывается аммиак (рис. 3).
Рисунок 3 – Система выпуска отработавших газов с селективным каталитическим восстановлением:
1 – двигатель; 2 – датчик температуры; 3 – окислительный нейтрализатор; 4 – форсунка для впрыскивания восстановителя; 5 – датчик NOX; 6 – гидролизный нейтрализатор; 7 - нейтрализатор SCR; 8 – заграждающий нейтрализатор NH3; 9 – датчик NH3; 10 – блок управления работой двигателя; 11 – насос восстановителя; 12 – бак для восстановителя; 13 – датчик уровня восстановителя
Аммиак реагирует в нейтрализаторе SCR с NOx, в результате чего образуются азот и вода. Современные нейтрализаторы SCR могут исполнять функции гидролизного нейтрализатора так, что последний становится не нужен.
Окислительный нейтрализатор перед добавлением восстановителя увеличивает эффективность системы. Окислительный нейтрализатор (заграждающий нейтрализатор NH3),установленный за нейтрализатором SCR, предотвращает возможный выброс NH3.
Благодаря высокой степени снижения NOx возможна регулировка двигателя, оптимальная по расходу топлива. Таким образом, с этой системой можно сэкономить до 10% топлива.
Комбинированные системы
Для соблюдения будущих норм состава ОГ для многих дизельных автомобилей необходимо будет наличие систем очистки ОГ, которые делают возможным как фильтрацию твердых частиц, так и максимально эффективное снижение уровня эмиссии NOx. Такие системы называются четырехкомпонентными, поскольку наряду с NOx и твердыми частицами они снижают также содержание СН и СО.
Комбинация систем требует эффективного управления работой дизеля. К настоящему времени разработаны комбинации накопительного нейтрализатора NOx и фильтра твердых частиц, а также нейтрализатора SCR и фильтра твердых частиц.
Пример комбинированной системы
Сажа непрерывно окисляется фильтром с каталитическим покрытием (CDPF), установленная далее система SCR снижает уровень эмиссии NOx. Добавка восстановителя осуществляется в зависимости от режима и температуры или от концентрации NОх в ОГ перед нейтрализатором. За функционированием комплексной системы наблюдают газовые датчики (NOх и/или NH3) и датчики температуры.
Порядок выполнения
5.1 Изучить основные сведения.
5.2 Изучить устройство и особенности конструкции выпускного коллектора.
5.3 Изучить устройство и принцип работы каталитического нейтрализатора.
5.4 Изучить устройство и принцип работы глушителя.
5.5 Изучить устройство и принцип действия сажевого фильтра.
5.6 Выполнить анализ устройства и работы сажевого фильтра.
5.7 Изучить устройство и принцип действия системы SCR
5.8 Выполнить анализ устройства и работы приборов выпуска отработавших газов дизельных двигателей.
5.9 Оформить отчет по рекомендуемой форме.
Форма отчета
Практическая работа №14
Изучение устройства и работы приборов выпуска отработавших газов дизельных двигателей
Цели работы…
Задание…
Оснащение работы…
Выполнение работы
| 1. Приборы системы выпуска отработавших газов | |||
| 2. Устройство сажевого фильтра | |||
| 3. Принцип работы сажевого фильтра | |||
| 4. Устройство системы SCR | |||
| 5. Устройство каталитического нейтрализатора | |||
| 6. Принцип работы каталитического нейтрализатора | |||
| 7. Устройство глушителя | |||
Контрольные задания
1. Объясните устройство и принцип работы сажевого фильтра.
2. Проанализируйте особенности конструкции и работы сажевого фильтра.
3. Объяснить устройство и особенности конструкции выпускного коллектора.
4. Объяснить устройство и принцип работы каталитического нейтрализатора.
5. Объяснить устройство и принцип работы глушителя.
6. Проанализируйте особенности устройства и работы приборов выпуска отработавших газов бензиновых двигателей.
7. Объяснить устройство и принцип работы системы SCR
8. Проанализируйте особенности устройства и работы приборов системы SCR.
Дата добавления: 2021-05-18; просмотров: 64; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!