Конструктивные усовершенствования двигателей

Дожигание ОГ автомобилей относится к особым случаям в области катализа. Автомобильные дожигатели (или реакторы) - единственные каталитические системы, работающие в очень тяжелых условиях (температура изменяется от 20° С до 700 и возможны пики до 1000° С, объемная скорость истечения газов колеблется от 15 000 до 200 000 л/ч). Кроме того, реакции проходят при механических ударах, вибрациях. Это разнообразие и жесткость условий требуют особых свойств от катализатора и его носителей.

В качестве носителей катализатора используются шарики из оксида алюминия с сильно развитой пористостью, обладающие высокой механической прочностью (на стирание, раздавливание, стойкость против термических ударов), оптимальной текстурой, термической выносливостью. Этим требованиям отвечают шариковые оксидоалюминиевые носители, изготовляемые французской фирмой «Рон-Пуленк».

Катализаторы полного окисления несгоревших углеводородов, находящихся в ОГ двигателей, должны отвечать весьма необычным для классического промышленного катализа требованиям: активность при малых температурах (200-300° С), чтобы их действие было гарантировано даже при холодном пуске, когда в ОГ содержится наибольшее количество вредных примесей, обеспечение высокой конверсии (до 95%) газов при объемных скоростях, превышающих 200 000 л/ч; сохранение активности после работы при высокой температуре; стойкость к «отравлению» бензином, маслом, свинцом, галогенами, серой, фосфором и, наконец, - высокая механическая прочность.

Существует два типа катализаторов полного окисления: простые оксиды (ванадия, марганца, хрома, церия) и металлы платиновой группы. Катализаторы из простых оксидов обладают хорошей начальной активностью окисления СО (оксида кобальта и меди) и углеводородов (оксида хрома), но теряют свою активность при низких температурах. Более устойчива активность у катализаторов из сложных оксидов, но и они не выдерживают предъявляемых к ним требований. Для дожигания ОГ лучше подходят катализаторы на основе драгоценных металлов. Палладиевые катализаторы более активны и стойки против термического спекания, чем платиновые, но более чувствительны к отравлению серой, свинцом и фосфором.

Катализаторы «Прокатализ», разработанные Французским обществом продуктов для катализа на основе драгоценных металлов, малочувствительны к старению и после 1000 ч испытания на стенде и 80 000 км пробега сохраняют работоспособность и хорошую механическую прочность.

Особенность работы катализатора в системах дожигания ОГ заключается в том, что к бензинам для повышения их октанового числа добавляют антидетонаторы, в которые входят тетраэтилсвинец и галогеносодержащие органические вещества для выноса осадков свинца с ОГ. Свинец, а главным образом галогены, снижают активность действия катализатора. Поэтому сокращение или упразднение галогеносодержащих веществ из антидетонатора очень полезно при условии, что работа двигателя не будет нарушена (при содержании свинца 0,15 г/л бензина нет необходимости в добавке галогенных присадок). Опыты показали хорошую стойкость катализаторов «Прокатализ» при работе на бензине с содержанием свинца 0,15 г/л.

Однако полное обезвреживание ОГ двигателя не ограничивается дожиганием СО и несгоревших углеводородов. Необходимо удаление всех трех токсичных веществ, включая и оксиды азота (NOx), причем СО и углеводороды нужно окислить в углекислый газ и воду при одновременном восстановлении NOx в азот и воду.

Ранее был разработан принцип, по которому все три загрязняющих вещества удаляются одновременно на одном полифункциональном или трехпутевом катализаторе. Для того чтобы действие катализатора было эффективным, состав ОГ должен быть стехиометрическим, т. е. в нем должно поддерживаться постоянное оптимальное весовое соотношение веществ, участвующих в реакции на всех режимах движения автомобиля. На практике это условие приводит к необходимости оборудовать автомобиль тремя элементами контроля и регулирования: датчиком, непрерывно измеряющим парциальное давление кислорода в ОГ, микропроцессором регулирования подачи воздуха и бензина и управляемыми микропроцессором элементами системы питания (карбюратор или электронная система впрыска бензина).

Полифункциональная активность катализаторов с драгоценными металлами (платина, палладий, родий) в таких условиях очень велика: обезвреживается до 90% загрязнений. Однако даже самые эффективные на сегодняшний день системы контроля регулирования не приводят к точно стехиометрическому составу ОГ. Только в течение коротких, но частых периодов удается обеспечивать восстановительный состав ОГ, при котором разлагаются оксиды азота на свободный азот и воду. В другие периоды, когда смесь бедна и состав ОГ - окислительный, происходит окисление СО и несгоревших углеводородов. При этом процессе возникают трудности своевременной очистки ОГ от продуктов распада NOx и главным образом от азота, который в окислительный период может снова переходить в NOx.

В соответствии с рисунком 2, представлен двигатель легкового автомобиля «Волга», оборудованный для работы с каталитическим дожигателем с плоским слоем шарикового катализатора «Прокатализ» диаметром от 2,4 до 4 мм (толщина слоя 5 см) емкостью 2,5 л. Шарики были изготовлены из алюмооксидного носителя, пропитанного малым количеством драгоценных металлов. Дожигатель был установлен на месте глушителя, который перенесли в заднюю часть автомобиля. Кроме того, двигатель был укомплектован оборудованием подачи воздуха, необходимого для окисления углеводородов и СО.

Рисунок 2 - Оборудование двигателя автомобиля ГАЗ-24 для работы с дожигателем

В состав этого оборудования входят: воздушный насос 1, приводимый клиноременной передачей; воздушный фильтр 2 на всасывающем патрубке насоса; разгрузочный клапан 6, управляемый разрежением на всасывании (клапан ограничивает максимальное давление добавочного воздуха при работе на средних и больших нагрузках); перепускной клапан 4, который служит для предотвращения утечки ОГ в воздушную систему; распределительное устройство 3, подающее воздух во впускной трубопровод за карбюратором, и заслонка 5, прерывающая поступление воздуха во время холодного пуска двигателя.

Результаты сравнительных испытаний легковых автомобилей «Волга» с использованием указанных дожигателей приведены, в соответствии с таблицами 2, 3, 4.

Вместе с применением различного рода дожигателей исследуется также возможность использования наддува для бензиновых двигателей с целью снижения содержания оксидов углерода, оксидов азота, несгоревших углеводородов и другие вредных веществ ОГ автомобилей.

Сущность процессов каталитической нейтрализации заключается во взаимодействии токсичных компонентов ОГ между собой или с избыточным кислородом в присутствии катализатора, ускоряющего реакции окисления СО и СnНm до СО, и восстановления NOx до N. Особенность каталитических реакций заключается в том, что катализаторы не входят в состав конечных продуктов и теоретически могут служить достаточно долго.

Таблица 2 - Выделение ВВ автомобилем «Волга» на роликовом стенде при режиме, аналогичном городскому движению             

Таблица 3 - Выделение ВВ при движении автомобиля «Волга» в установившемся режиме на роликовом стенде

Примечание. Выделение СnНm дано в миллионных долях (ррm) углерода.

Наиболее универсальными являются катализаторы на основе благородных металлов (рутений, родий, палладий, платина) и некоторых окислов металлов (оксиды меди, хрома, никеля).

Катализаторы на основе благородных металлов наиболее широко распространены в практике обезвреживания ОГ автомобилей. По сравнению с окисными эти катализаторы характеризуются низкой температурой начала эффективной работы, достаточной температуростойкостью и долговечностью. Основной их недостаток - высокая стоимость, но несмотря на это в США ежегодно расходуется до 40 т платины на изготовление каталитических нейтрализаторов.

В последние годы очень широкое распространение получили окисные катализаторы, в состав которых введены небольшие добавки (до 0,1%) благородных металлов. Эти катализаторы по активности и долговечности занимают промежуточное положение между окисными катализаторами и катализаторами на основе благородных металлов.

Каталитические нейтрализаторы состоят из устройств подвода и вывода нейтрального газа, корпуса и установленного внутри него реактора, где протекают каталитические реакции.

Реакции в катализаторах протекают при частых механических ударах и вибрациях в условиях агрессивности среды. Все это определяет повышенные требования к катализатору и его носителю.

Наибольшее распространение получили носители двух типов: гранулированные и монолитные.

Гранулированные носители представляют собой сферы, кольца, пирамиды и т.п., на поверхность которых нанесен катализатор. Размеры гранул составляют 2-5 мм, причем чем меньше размеры гранул, тем эффективнее идет процесс нейтрализации, но при этом возрастает сопротивление прохождению газов.

Основная трудность при каталитической нейтрализации ОГ обусловлена разным характером возникновения продуктов неполного сгорания и оксидов азота, а следовательно, и многообразием процессов их нейтрализации.

Для снижения концентрации всех трех загрязняющих веществ применялись двухкамерные нейтрализаторы. В первой камере NOx восстанавливались до азота, а во второй камере - в присутствии дополнительно вводимого воздуха - СО и СnНm окислялись до СО2.

Применение систем каталитической нейтрализации на дизельном двигателе позволяет лишь снизить содержание продуктов неполного сгорания, что связано с высоким содержанием кислорода в ОГ дизеля. Кроме того, необходима тщательная очистка ОГ от сажи, которая, покрывая поверхность катализатора, значительно снижает его эффективность.