Еще в прошлом столетии люди уже были обеспокоены сложившейся экологической обстановкой в мире, а с тем стремительным ускорением с каким автомобили ворвались в нашу жизнь, экологи всех стран начали бить тревогу. Так как количество автотранспорта на дорогах с каждым годом становилось все больше и больше, то и токсичные выбросы в атмосферу увеличились пропорционально. Поэтому уже тогда к автомобилям были предъявлены экологические требования.
В настоящее время еще при проектировании автомобиля в него закладываются экологические нормы, которые в процессе эксплуатации не должны превышаться. Регулировка токсичности в современных автомобилях, либо совсем не требуется (не доступна простому пользователю), так как она уже заложена в программе блока управления двигателя или сильно ограничена. Чего нельзя сказать о предыдущих карбюраторных автомобилях, где токсичность напрямую зависела от регулировки и настройки карбюратора, системы питания и зажигания. Поэтому сейчас нельзя сказать, что ремонтом двигателя был квалифицированным, если вдруг токсичность двигателя после ремонта превысит заданные пределы, заложенные с завода.
Основу токсичности выхлопных газов составляют следующие вещества:
- окиси углерода СО;
- окиси азота NOx;
- углеводороды CH или CnHn;
- углерод C, у дизельных двигателей.
Из вышеперечисленных веществ CO,CH и C являются продуктами не полного сгорания топлива, NOx образуется при взаимодействии азота и кислорода при высокой температуре сгорания, чем выше температура, тем больше будет выбросов окиси азота. Температура сгорания топлива зависит от многих факторов, но в ее основе лежат конструктивные факторы (степень сжатия) и режим работы двигателя. Если говорить о бензиновых моторах, то в них в большей степени все зависит от состава топливной смеси. При горении топлива, когда смесь обедненная, λ= 1,05-1,10 выбросы вредных веществ CO и CH минимальны. Чего нельзя сказать об окиси азота NOx его значения при таком составе смеси будет максимально большим.
Поэтому чтобы достичь минимальных выбросов в атмосферу всех токсичных веществ нужно использовать несколько мероприятий одновременно. Ряд мероприятий может включать в себя следующее:
- это специальные формы камер сгорания, предназначенные для работы на бедных смесях;
- рециркуляция отработавших газов;
- регулировка фаз газораспределения;
- впускной коллектор с изменяемой длинной, для лучшего наполнения цилиндров на всех режимах работы двигателя.
Но уже давно нормы по токсичности выбросов стали настолько жесткими, что даже ряд мероприятий по их снижению не дает нужного результата, поэтому чтобы выйти из этого положения на автомобилях в дополнении ко всему стали устанавливаться каталитические нейтрализаторы.
Каталитический нейтрализатор состоит из керамического материала, сотовой структуры, покрытой тонким слоем катализатора состоящего из благородных металлов (платина, родий), заключенный в металлический корпус. Его не малая цена обусловлена наличием благородных металлов.
При разогреве каталитического нейтрализатора до температуры 250-300ºC, происходит доокисление окиси углерода CO и его концентрация в выхлопных газах значительно снижается. Что касается углеводорода CH, то для его окисления требуется более высокая температура 400 градусов.
2СО + 02 → 2С02;
CmHn + (m + n/4)О2 → mСО2 + (n/2)Н2О.
Такие реакции характерны для обедненной смеси, где λ > 1, но, несмотря на это диапазон изменения состава смеси остается довольно широким.
Такие каталитические нейтрализаторы стали устанавливаться еще в 80-х годах и даже на карбюраторные двигатели.
Но с течением времени жесткость по токсическим нормам не стояла на месте, а с каждым готом все ужесточалась и ужесточалась. Со временем таких нейтрализаторов стало недостаточно, так как они не снижали концентрацию окиси азота в выхлопных газах и на смену им пришли новые нейтрализаторы трехкомпонентные.
Особенностью отличия предыдущего вида нейтрализаторов состоит в том, что в нем шла реакция окисления, а для понижения концентрации окиси азота здесь требуется совершенно противоположная реакция – восстановление.
2NO + 2СО → N2 + 2С02;
2NO + 2Н2 → N2 + 2Н20;
2NO + 5Н2 → 2NH3 + 2Н20 (при λ < 1).
Для одновременного снижения всех выбросов NOx,CH,CO обязательно выполнение одного условия, нужно чтобы состав смеси всегда был строго одинаковым λ=1, отклонение может быть не более +/- 1%. За обеспечение такой точности в подачи смеси отвечает электронный блок управления двигателя, который руководствуется показаниями датчика кислорода.
Системы подачи топлива с каждым годом становятся все сложнее и сложнее, все это направлено только на снижения токсичности из-за ужесточения экологических норм, но ни как не из-за борьбы за экономичность и мощность двигателя.
Еще стоит отметить, что каталитический нейтрализатор очень придирчив к качеству топлива. При использование этилированного бензина нейтрализатор быстро выйдет из строя.
На американских и японских автомобилях можно увидеть помимо каталитического нейтрализатора дополнительно установленный термический реактор. Он позволяет доокислять CO и CH, за счет подмешивания к отработавшим газам воздуха и все это происходит при температуре свыше 500ºC. Одной из особенностей реакторов является, то, что они эффективны на богатых смесях при больших нагрузках и со временем они не выходят из строя. В то же время они обладают большим минусом, он заключается в том, что в реакторах доокисление происходит не полностью. Они не способны выступать как самостоятельный элемент, а идут только в дополнение к каталитическому нейтрализатору и устанавливаются перед ним.
Что касается дизельных двигателей, то здесь дела обстоят немного по-другому. Из-за разного процесса воспламенения и горения смеси у дизельного двигателя, концентрация выбросов NOx,CH,CO гораздо ниже, чем бензинового. При средних нагрузках наблюдается самый низкий выброс CH и CO. Из-за низкого уровня выбросов, какое-то время на дизельных двигателях установка каталитического нейтрализатора была не обязательной. Но с приходом более ожесточенных экологических норм установка нейтрализатора стала обязательной, также помимо этого на дизельных двигателях стали появляться системы снижения токсичности, как и на бензиновых. Одна из них это рециркуляция отработавших газов.
При сгорании топлива в дизельном двигателе выделяется значительное количество углерода, если говорить простым языком, то это не что иное как сажа. Это происходит из-за наличия зон богатой смеси в струе распыляемого топлива. Все это приводит к характерному черному дыму из выхлопной трубы. Для снижения выделения углерода приходится делать впрыск более ранним (вследствие чего колоссально возрастает нагрузка на детали двигателя) и ограничивать подачу насоса. Но, несмотря на это полностью избавится от выделения углерода невозможно, а он также классифицируется по норме токсичности. Поэтому в дополнении к каталитическому нейтрализатору на дизельных двигателях устанавливаются сажевые фильтры.
