Конструктивные усовершенствования двигателей

На дизельных автомобилях, эксплуатируемых под землей и в карьерах, устанавливаются нейтрализаторы с двумя плоскими или цилиндрическими реакторами и катализатором ШПК-1,2 на шариковом носителе. Так, на автосамосвалах БелАЗ-540А (548А) устанавливаются 2 нейтрализатора типа НКД-241 или НД-31 (НД-38). В рабочем диапазоне температур нейтрализаторов 250-500° С степень очистки по СО составляет 75-95 %. Эффективная очистка по СО и СН сохраняется до 20 тыс. километров пробега. Газодинамическое сопротивление нейтрализаторов не превышает 65 % предельно допустимого.

Для карьерных самосвалов, двигатели которых работают на полной нагрузке до 40% времени, в отмеченных конструкциях нейтрализаторов происходит не только окисление СО, СН и альдегидов, но и самоочищение его поверхностей от сажи и смолистых отложений.

При очистке ОГ дизелей от сажи используются мокрые способы очистки (поверхностные, барботажные, распыливающие и насадочные), а также электрофильтры.

В настоящее время освоено мелкосерийное производство лишь распыливающих жидкостных фильтров нейтрализаторов - скрубберов Вентури для малотоксичной модификации двигателей КамАЗ. В стадии НИОКР находятся работы по созданию комплексных антитоксичных систем автомобильных дизелей, предусматривающих на первом этапе рециркуляцию ОГ (снижение NOx на 30%) и их нейтрализацию (снижение СО, СН на 50%), с катализаторами на блочном металлическом и керамическом носителе.

Начаты поисковые работы по созданию сажевых фильтров с системой регенерации, обеспечивающих снижение выбросов твердых частиц на 80-90%. За рубежом такие системы находятся уже в опытно-серийном производстве.

В соответствии с таблицей 4, наглядно показана эффективность применения нейтрализаторов, установленных на дизельных ТС.

Таблица 4 - Относительные величины пробеговых выбросов и расхода топлива дизельными ТС, оснащенными системами нейтрализации ОГ

Каталитическая нейтрализация - весьма эффективный способ снижения токсичности ОГ. Разработанные в настоящее время лучшие образцы обеспечивают удаление из ОГ 96% СО, 97% СnНm и 90% NOx. Однако применение систем нейтрализации не должно: сказываться на рабочем процессе двигателя, на его мощностных и экономических показателях, ухудшать параметры его надежности, и т. д.

Рисунок 3 - Принципиальная схема каталитического нейтрализатора

Принципиальная схема каталитического нейтрализатора ОГ двигателя показана, в соответствии с рисунком 3. ОГ проходят через слой катализатора. Существует большое разнообразие конструктивных схем каталитических нейтрализаторов.

Нейтрализаторы для автопогрузчиков моделей 40917, 40926, 4022М, автобусов ЛиАЗ-677, карьерных самосвалов БелАЗ-75402 - окислительного типа и обеспечивают нейтрализацию СО и СnНm на 80-90%. Они могут устанавливаться на АТС как с бензиновыми, так и с дизельными двигателями. Для нейтрализации ОГ в них применяются гранулированные катализаторы марок ШПК-1, ШПК-2, ШПАК-0,5 и ШПК-0,5. К их достоинствам относится возможность замены отработавших катализаторов. Принцип работы таких нейтрализаторов следующий. В момент прохождения продуктов неполного сгорания через катализатор за счет кислорода воздуха (дополнительно подаваемого только для бензиновых двигателей) идет экзотермическая реакция окисления компонентов ОГ. Однако еще до ее начала происходит прогрев нейтрализатора до определенной температуры за счет тепла ОГ. Количество же подаваемого в нейтрализатор дополнительного воздуха регулируется при помощи специальной системы, которая обеспечивает контроль за режимом и эффективностью работы нейтрализатора, защищая его от возможного перегрева. Рассмотрим конструкцию некоторых типов нейтрализаторов.

Нейтрализатор типа Н-13, в соответствии с рисунком 4, предназначен для снижения СО и углеводородов в ОГ как бензиновых двигателей (катализатор ШПАК-0,5), так и дизелей (катализатор ШПК-1) мощностью до 37 кВт, устанавливаемых на автопогрузчиках грузоподъемностью до 5 т, которые работают в закрытых помещениях и выделяют до 210 кг/ч ОГ. Корпус 1 нейтрализатора выполнен из двух одинаковых деталей - верхней и нижней крышек, а также имеет входной и выходной патрубки, через которые подводятся от двигателя и отводятся в атмосферу ОГ.

Внутри корпуса расположен реактор 2, который изготовлен также из двух одинаковых деталей - верхней и нижней решеток, соединенных между собой в центральной части штырем. Решетки реактора по своей профилированной части имеют сквозные просечки, через которые в полость реактора попадают ОГ двигателя, поступающие в нейтрализатор через входной патрубок. Пройдя слой катализатора 5, где происходит химический процесс дожигания продуктов неполного сгорания, ОГ выходят через выходной патрубок в атмосферу. Для снижения температуры наружных стенок нейтрализатора последний закрыт сверху и снизу экранами 4 с прослойкой теплоизоляции 3 из листового асбеста. Полость реактора заполняется гранулированным катализатором 5 через втулку 8 и закрывается пробкой 6. Диаметр корпуса - 258 мм, высота - 95 мм, объем реактора - 1,8 дм3, масса сухого катализатора - 1500 ±50 г, масса заправленного нейтрализатора - 5,7 кг, газодинамическое сопротивление при расходе ОГ 210 кг/ч - 5,33 кПа, степень очистки на свежем катализаторе при достижении температуры отработавших газов 573 К и выше: от СО - не менее 85 %, от углеводородов - не менее 80%.

Допустимая температура длительной работы нейтрализатора - 1073 К. Моторесурс нейтрализатора - 4000 ч работы двигателя, периодичность замены катализатора - через 2000 ч, при этом необходимо через каждые 500 ч работы проводить регенерацию катализатора. Основные детали нейтрализатора изготовлены из листовой нержавеющей стали ввиду того, что они подвержены кратковременному воздействию высоких температур - до 1270 К и агрессивной среды ОГ.

Рисунок 4 - Нейтрализатор Н-13

Эффективная работа нейтрализатора этого типа начинается после прогрева катализатора ОГ до температуры выше 523 К.

Для замены катализатора необходимо демонтировать нейтрализатор с транспортного средства. Вывернуть пробку 6, высыпать катализатор и засыпать в реактор нейтрализатора свежий или регенерированный катализатор.

При этом плотность засыпки катализатора в реактор обеспечивается постукиванием по круглому торцу деревянным молотком. После засыпки устанавливается пробка 6, которая контрится шайбой 7.

Нейтрализатор типа Н-42, в соответствии с рисунком 5, предназначен для эксплуатации на автопогрузчиках модели 40916 с бензиновыми двигателями, имеющими расход ОГ до 120 кг/ч. Помимо каталитической очистки ОГ этот тип нейтрализатора улавливает и раскаленные частицы, выходящие из реактора, устанавливается он вертикально, вместо глушителя.

Нейтрализатор этого типа состоит из двух реакторов 8, корпуса 9, искрогасителя 7 и выходного патрубка 6. Реактор 8 изготовлен из двух одинаковых деталей - верхней и нижней решеток, соединенных между собой в центральной части штырем. Решетки имеют сквозные просечки, через которые в полость реактора попадают ОГ двигателя, поступающие в нейтрализатор через входной патрубок 10. Пройдя слой катализатора 5, где происходит процесс окисления продуктов неполного сгорания, и через искрогаситель 7, где улавливаются возможные раскаленные частицы из реакторов, ОГ выходят в атмосферу через выходной патрубок 6.

Основные детали нейтрализатора изготовлены из листовой нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Полость реакторов заполняется катализатором через втулку 4. Для контроля температуры в слое катализатора в штуцер 3 устанавливается термоэлектрический датчик.

Рисунок 5 - Нейтрализатор Н-42

Для засыпки свежего катализатора нейтрализатор демонтируют с автопогрузчика, предварительно сняв термоэлектрический датчик, выворачивают переходной штуцер 3, высыпают использованный катализатор через втулку 4, засыпают не менее 600 г свежего катализатора, постукивая по корпусу нейтрализатора деревянным молотком. После засыпки катализатора устанавливаются штуцер 3 и заглушка 2 (или термоэлектрический датчик), которые контрятся проволокой 1. Нейтрализатор после замены катализатора желательно устанавливать на тот же автопогрузчик.

Технические данные нейтрализатора: диаметр корпуса - 150 мм, высота - 357 мм, ширина - 220 мм, объем реактора - 0,6 дм3, катализаторы - ШПК-0,5 или ШПАК-0,5, масса сухого катализатора - 600+50 г, масса заправленного нейтрализатора - 4 кг, газодинамическое сопротивление нейтрализатора при суммарном расходе ОГ и дополнительного воздуха 120 кг/ч - 2 кПа. Степень очистки ОГ при температуре катализатора 573 К и выше, при коэффициенте избытка воздуха рабочей смеси 0,9 и суммарном коэффициенте избытка воздуха (с учетом подачи дополнительного воздуха) α = 1,0-1,05 по СО не менее 85, по углеводородам - не менее 70%. Допустимая температура длительной работы нейтрализатора - 1073 К; ресурс - 2000 моточасов с заменой катализатора через 1000 моточасов.

Нейтрализатор типа Н-32, в соответствии с рисунком 6, предназначен для эксплуатации на автобусах ЛАЗ-695Н и ЛиАЗ-677М с бензиновыми двигателями, имеющими расход ОГ до 700 кг/ч.

Рисунок 6 - Нейтрализатор Н-32

Нейтрализатор состоит из двух основных частей: корпуса 6 и двух параллельных реакторов 3. Корпус изготовлен из одинаковых верхней и нижней крышек, имеет впускной и выпускной 7 патрубки, через которые подводятся в атмосферу ОГ. Каждый реактор также изготовлен из двух одинаковых деталей - верхней и нижней решеток, соединенных между собой в центральной части штырем. Решетки по своей профилированной части имеют сквозные отверстия, через которые в полость реакторов попадают ОГ. Основные детали нейтрализатора изготовлены из коррозийностойкой стали.

Технические данные нейтрализатора: длина - 530 мм, ширина - 307 мм, высота - 243 мм. Диаметр патрубков - внутренний (впускного) - 71 мм, наружный (выпускного) - 70 мм. Суммарный объем реакторов - 5 дм3, катализатор - ШПК-0,5 или ШПАК-0,5. Масса заполненного нейтрализатора - 22 кг, газодинамическое сопротивление при расходе ОГ 500 кг/ч - 4,66 кПа, степень очистки ОГ при температуре катализатора выше 573 К и суммарном коэффициенте избытка воздуха (с учетом дополнительной подачи воздуха)           α = 1-1,05 по СО - не менее 85, по углеводородам - не менее 70%. Допустимая температура длительной работы нейтрализатора - 1073 К; ресурс - 220 тыс. км пробега автобуса с заменой катализатора через 60-70 тыс. км.

Для контроля температуры катализатора вместо пробок 9 можно устанавливать датчики температуры. Нейтрализатор снабжен защитными экранами 5 с теплоизоляцией 4 из листового асбеста и шумопоглощающими элементами 8, закрывающими внутреннюю перфорированную поверхность корпуса нейтрализатора.

Нейтрализатор устанавливается в систему выпуска ОГ возможно ближе к выпускному коллектору двигателя.

Для замены катализатора нейтрализатор снимается с транспортного средства, вывинчиваются пробки 9, высыпается отработанный катализатор и заменяется новым до плотной упаковки. Далее затягиваются и контрятся пробки 9. Применение системы нейтрализации ОГ этого типа обеспечивает снижение выброса СО на 80-90%, углеводородов - на 70-90%.

Нейтрализатор типа НД-31Б, в соответствии с рисунком 7, предназначен для установки на дизели мощностью до 184 кВт, с расходом ОГ до 950 кг/ч. В том числе на карьерных автомобилях-самосвалах БелАЗ грузоподъемностью 30 т, которые оборудованы двигателями мощностью 331 кВт, устанавливаются (в горизонтальном положении) по два нейтрализатора - по одному на каждый блок цилиндров.

Рисунок 7 - Нейтрализатор НД-31Б

Нейтрализатор работает следующим образом. ОГ из двигателя поступают во внутренние полости блока реакторов, из которых через слой катализатора 5 проходят в пространство, ограниченное внутренней обечайкой корпуса 12 и блоком реакторов, и через отверстие фланца 8 на выпуск. Блок реакторов состоит из двух реакторов 4, наклоненных друг к другу под углом. К блоку по бокам приварены опоры 13, которые могут перемещаться по направляющим внутренней обечайки корпуса. Корпус состоит из внутренней и наружной обечаек, между которыми расположен теплоизолирующий слой 7 из листового асбеста. Внутренняя обечайка опирается на фланцы 3 и 8, к наружной (кожуху) приварены по концам два полухомута 11 из толстолистовой стали. Съемные полухомуты 16 используются для установки нейтрализатора на автомобиль. Через заглушки 14 обеспечивается доступ к засыпным отверстиям реакторов. Заглушки контрятся проволокой 6. Показанные на рисунке заглушки 1 и 10 с прокладками 2 и 9 - транспортировочные. Их посадочные места используются как соединительные фланцы при монтаже нейтрализаторов на автомобиле.

Для замены катализатора 5 нейтрализатор демонтируют с транспортного средства, снимают заглушки 14 и пробки 15, высыпают катализатор из обоих реакторов и плотно засыпают свежий, затем устанавливают заглушки и контрят их проволокой 6.

Технические данные нейтрализатора: длина - 650 мм, ширина - 380 мм, высота - 314 мм, диаметры входного и выходного отверстий соответственно 136 и 210 мм, объем реактора - 7 дм3, катализатор - ШПК-1 или ШПК-2, масса сухого катализатора - 14±0,5 кг, масса заправленного нейтрализатора - 50 кг, газодинамическое сопротивление при расходе ОГ 950 кг/ч - 4,66 кПа, допустимая температура длительной работы катализатора - 1073 К. Степень очистки на свежем катализаторе при достижении температуры ОГ 573 К и выше по СО - не ниже 60, по углеводородам - не ниже 50%, а при температуре газов 673 К и выше - соответственно не ниже 90 и 80 %. Ресурс нейтрализатора - 40 тыс. км пробега автомобиля с заменой катализатора через 20 тыс. км.