Законодательство в области ограничения ток­сичности отработавших газов устанавливает пре­делы содержания в них токсичных веществ. Для выполнения этих требований меры, связанные с совершенствованием конструкции двигателей, оказываются недостаточными. В дополнение к снижению количества неочищенных выбросов большое внимание уделяется каталитической очистке отработавших газов, с целью преоб­разования токсичных веществ. Вот о том как происходит каталитическая очистка отработавших газов, мы и поговорим в этой статье.

 

 

 

Каталитические нейтрализаторы преобразуют загрязняющие вещества, образующиеся в процессе сгорания топлива, в безвредные компоненты.

 

Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор отработавших газов

 

Современные технологии очистки отрабо­тавших газов для двигателей, работающих при стехиометрическом составе смеси, пред­ставляет трехкомпонентный каталитический нейтрализатор. Его задачей является преоб­разование токсичных веществ — НС (углеводо­родов), СО (оксида углерода) и NO_х (оксидов азота), образующихся в процессе сгорания топлива, в безвредные составляющие. Ко­нечными продуктами являются Н₂О (водяной пар), С0₂ (диоксид углерода) и N₂ (азот).

 

Конструкция и принцип действия каталитического нейтрализатора

 

Каталитический нейтрализатор состоит из кон­тейнера из листовой стали, подложки, покрытия из пористого оксида и активного каталитиче­ского металлического покрытия. Подложка обычно представляет собой керамический монолит, хотя для специальных применений также используются металлические монолиты. На монолит наносится слой подложки, который увеличивает эффективную площадь каталити­ческого нейтрализатора примерно в 7000 раз. Каталитический слой поверх подложки содер­жит благородные металлы, такие как платина или палладий и родий. Платина и палладий уско­ряют окисление НС и СО, в то время как родий несет ответственность за восстановление NО.

Окисление СО и НС происходит в соответ­ствии со следующими реакциями:

2 СО + О₂ —> 2 СО₂,

2 С₂Н₆ + 7 O₂ —> 4 С0₂ + 6 Н₂O

Восстановление оксидов азота происходит в соответствии со следующей реакцией:

2 NO + 2 СО —► N₂ + 2 СO₂

Кислород, требующийся для процесса окисле­ния, либо присутствует в отработавших газах (в результате неполного сгорания топлива), либо забирается из оксидов азота NО_X, кото­рые в то же время восстанавливаются.

Концентрация токсичных веществ в отрабо­тавших газах (перед каталитическим нейтра­лизатором) зависит от коэффициента избытка воздуха λ (см. рис. а, «Эффективность каталитического нейтрализатора в функции коэффициента избытка воздуха λ» ). Для как можно более полного преобразования трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором всех трех ток­сичных составляющих требуется стехиометриче­ский состав топливно-воздушной смеси (λ = 1, см. рис. Ь, «Эффективность каталитического нейтрализатора в функции коэффициента избытка воздуха λ» ). При λ = 1 имеет место состояние равновесия между реакциями окисления и вос­становления, что способствует полному окисле­нию НС и СО с одновременным восстановлением NО, При этом НС и СО действуют в качестве восстановителей для NO. «Окно» (диапазон регулирования λ), в пределах которого должно находиться среднее значение λ, очень невелико Отсюда следует, что смесеобразование должно корректироваться с использованием замкнутой системы регулирования λ с применением в ка­честве устройства, вырабатывающего сигнал об­ратной связи, кислородного датчика λ (см. рис. с, «Эффективность каталитического нейтрализатора в функции коэффициента избытка воздуха λ» ) (см. «Регулирование λ»).

 

Каталитический нейтрализатор кислород­ного типа

 

Точность регулирования λ в динамическом диапазоне, как правило, составляет 5 %, т.е. отклонения от значения λ = 1 являются не­избежными. Каталитический нейтрализатор способен сам компенсировать небольшие колебания состава смеси. Он обладает спо­собностью запасать избыточный кислород во время работы двигателя на бедной смеси и освобождать его при обогащении смеси. Слой подложки содержит цероксид, который может запасать и освобождать кислород в соответ­ствии со следующей обратимой реакцией:

Се₂Оз + О2 <-> 4 СеO₂

Следовательно, задача системы управления двигателем представляется вполне ясной. Усредненное по времени значение λ перед ката­литическим нейтрализатором должно поддер­живаться очень точно (допустимое отклонение составляет несколько тысячных долей). Откло­нения, переведенные в количество запасаемого и освобождаемого кислорода, не должны пре­вышать количества кислорода, которое может удерживать каталитический нейтрализатор. Типичные значения этого количества лежат в диапазоне от 100 мг до 1 г; в процессе старения каталитического нейтрализатора эти значения Уменьшаются. Все обычные методы диагно­стики каталитического нейтрализатора осно­ваны на прямом или косвенном определении его способности к накоплению кислорода.

При нормальной рабочей температуре каталитического нейтрализатора степень преобразования ограниченного количества токсичных веществ достигает 99%.

 

Каталитический нейтрализатор NO_x аккуму­ляторного типа

 

Во время работы двигателя на бедной смеси трехкомпонентный каталитический нейтрализатор не способен преобразовывать оксиды азота, произведенные в процессе сгорания то­плива. СО и НС окисляются остаточным кисло­родом, содержащимся в отработавших газах, и, следовательно, не могут служить в качестве восстановителей оксидов азота.

Каталитический слой каталитического ней­трализатора NО_x, аккумуляторного типа со­держит вещества, способные накапливать NО_x, например, оксид бария. Все обычные покры­тия, накапливающие NО_x, также обладают свой­ствами трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, в результате чего каталитиче­ский нейтрализатор NО_x аккумуляторного типа при λ = 1 работает таким же образом, как трех­компонентный каталитический нейтрализатор.

При работе двигателя на бедной смеси в режиме послойного распределения заряда NО_x преобразуются в три этапа. Вовремя накопле­ния NО_x сначала окисляются до диоксида азота NO₂, который затем реагирует со специальными оксидами на поверхности каталитического ней­трализатора и кислородом (O₂) с образованием нитратов, например, нитрата бария.

По мере того как количество накопленных NО_x (нагрузка) возрастает, способность ней­трализатора связывать NО_x понижается. При определенной нагрузке аккумулятор NО_x должен быть регенерирован, т.е. связанные в нем оксиды азота должны быть снова освобождены и пре­образованы. С этой целью двигатель кратковре­менно переводится в режим работы на богатой однородной смеси (λ < 0,8) для восстановления NО до N₂ без выработки в ходе процесса СО и НС.

Время окончания фазы хранения и начала фазы освобождения либо вычисляется с ис­пользованием модели, либо определяется при помощи кислородного датчика λ после каталитического нейтрализатора.

 

Десульфатация

 

Содержащаяся в топливе сера также вступает в реакцию с аккумуляторным материалом в каталитическом слое. В результате с течением времени количество материала, имеющегося в наличии для накопления NО_х, уменьшается. Это приводит к образованию сульфатов, на­пример, сульфата бария, которые обладают очень высокой тепловой стойкостью и не вос­станавливаются во время регенерации NО_х. Для десульфатации каталитический нейтрализатор необходимо нагреть до 600-650 °С, а затем в течение нескольких минут двигатель должен попеременно работать на богатой (λ = 0,95) и бедной (λ = 1,05) смеси. В ходе этого процесса количество сульфатов уменьшается.

Используя различные методы нагрева ка­талитического нейтрализатора NO_x аккумуля­торного типа, расположенного под днищем автомобиля, следует соблюдать осторож­ность, чтобы не допустить перегрева первич­ного каталитического нейтрализатора.

 

Рабочая температура каталитического нейтрализатора

 

Каталитические нейтрализаторы не могут начать преобразование до тех пор, пока не достигнут определенной рабочей температуры (темпера­туры запуска). Для трехкомпонентного ката­литического нейтрализатора эта температура составляет приблизительно 300 °С. Идеальные условия для преобразования достигаются при температуре от 400 до 800 °С. Для каталитиче­ского нейтрализатора NО_х, аккумуляторного типа благоприятный диапазон температур ниже: он достигает максимальной накопительной спо­собности при температуре от 300 до 400 °С.

Температуры от 800 °С до 1000 °С вызы­вают ускоренное тепловое старение катали­тического нейтрализатора. Это старение вы­зывается спеканием благородных металлов и слоя подложки, в результате которого умень­шается активная поверхность катализатора. При температурах свыше 1000 °С тепловое старение происходит настолько быстро, что каталитический нейтрализатор вообще пере­стает оказывать какой-либо эффект.

 

Конфигурации каталитических нейтрализаторов

 

Требуемая рабочая температура трехкомпо­нентного каталитического нейтрализатора ограничивает варианты его установки. При установке каталитического нейтрализатора вблизи двигателя он быстро достигает ра­бочей температуры, но затем может испыты­вать очень высокие тепловые нагрузки.

 

 

Широко используется конфигурация трех­компонентного каталитического нейтрализа­тора с разделенным на две части первичным нейтрализатором и главным каталитическим нейтрализатором, устанавливаемым под дни­щем автомобиля. Первичный каталитический нейтрализатор оптимизирован в отношении высокотемпературной стабильности, а глав­ный нейтрализатор — в отношении низкой тем­пературы активации. Различные возможные конфигурации первичного и главного (уста­навливаемого под днищем) каталитических нейтрализаторов показаны на рис. «Конфигурация установки каталитических нейтрализаторов» . В связи с их более низкими максимально допустимыми рабочими температурами каталитические ней­трализаторы NО_х, аккумуляторного типа всегда устанавливаются под днищем автомобиля.

 

Нагрев каталитического нейтрализатора отработавших газов

 

Количество выбросов НС и СО особенно ве­лико, когда двигатель холодный, поскольку при этом топливо конденсируется на холод­ных стенках цилиндров, а затем выходит из камеры сгорания несгоревшим. Проблему усугубляет тот факт, что для эффективной ра­боты каталитический нейтрализатор должен достичь минимальной рабочей температуры. Поэтому крайне важно снизить количество не­обработанных отработавших газов во время прогрева двигателя, пока каталитический ней­трализатор не достиг рабочей температуры. Отсюда следует необходимость принятия мер к быстрому нагреву каталитического нейтра­лизатора до рабочей температуры. Требуемое для этого тепло может быть обеспечено за счет повышения температуры отработавших газов и увеличения их массового расхода. Это может быть сделано следующим образом.

 

Регулирование момента зажигания

 

Основным способом повышения температуры от­работавших газов является сдвиг момента зажи­гания в сторону запаздывания. При этом сгорание смеси происходит во время такта расширения. К окончанию такта расширения отработавшие газы имеют относительно высокую температуру. Позднее сгорание топлива оказывает неблаго­приятное влияние на к.п.д. двигателя.

 

Увеличение оборотов холостого хода

 

Дополнительной мерой является увеличение оборотов холостого хода и, соответственно, мас­сового расхода отработавших газов. Повышение оборотов позволяет еще больше сдвинуть мо­мент зажигания в сторону запаздывания. Тем не менее, в целях обеспечения устойчивой работы двигателя запаздывание зажигания ограничи­вается диапазоном от 10 до 15° после ВМТ. Дополнительного тепла, полученного выше­указанными способами, не всегда оказывается достаточно для надлежащего снижения содер­жания токсичных веществ в отработавших газах.

 

Регулирование фаз газораспределения

 

При необходимости, можно использовать еще один способ увеличения теплового по­тока, заключающийся в регулировании фаз газораспределения. При как можно более раннем открытии выпускных клапанов про­исходит раннее прерывание процесса за­держанного сгорания топлива, и количество произведенной механической работы умень­шается. Соответствующее количество энер­гии становится доступно в виде тепла для по­вышения температуры отработавших газов.

 

Разделение впрыска

 

Системы прямого впрыска бензина в принципе предоставляют возможность многократного впрыска топлива. Это позволяет быстро нагреть каталитический нейтрализатор до рабочей тем­пературы без использования каких-либо допол­нительных компонентов. Режим «разделения» заключается в первоначальном создании одно­родной бедной смеси посредством впрыска топлива во время такта впуска. Последующий впрыск топлива во время такта сжатия с перехо­дом в режим послойного распределения заряда топлива позволяет сдвинуть момент зажигания в сторону запаздывания и повысить температуру отработавших газов. При этом достижимые тепловые потоки отработавших газов сравнимы с потоками, которые могут быть получены по­средством нагнетания вторичного воздуха.

 

Система подачи дополнительных порций воздуха

 

Тепловое дожигания несгоревшего топлива по­вышает температуру в системе выпуска отрабо­тавших газов. С этой целью состав топливно-воздушной смеси регулируется в пределах от λ = 0,9 (богатая смесь) до λ = 0,6 (очень богатая смесь). Насос вторичного воздуха подает кисло­род в систему выпуска отработавших газов (см. рис. «Система подачи вторичного воздуха» ) в целях обеднения состава отработавших газов. Если базовая смесь очень богатая (λ = 0,6), несгоревшие составляющие топлива окисляются перед поступлением в каталитический нейтра­лизатор с выделением тепла (экзотермическая реакция) и подъемом температуры выше опреде­ленного порогового значения. Для достижения этой температуры необходимо: с одной сто­роны — сдвинуть момент зажигания в сторону запаздывания, а с другой стороны — подать вто­ричный воздух как можно ближе к выпускным клапанам. Экзотермическая реакция в системе выпуска отработавших газов увеличивает тепло­вой поток в направлении каталитического нейтра­лизатора и, следовательно, сокращает период его нагрева. НС и СО восстанавливаются в основном до поступления в каталитический нейтрализатор.

Если базовая смесь умеренно богатая (λ = 0,9), существенной реакции перед катали­тическим нейтрализатором не происходит. Несгоревшие составляющие топлива окисляются в каталитическом нейтрализаторе, что вызы­вает его нагрев изнутри. Однако для этого сна­чала необходимо довести температуру катали­тического нейтрализатора до уровня «запуска» посредством обычных мер, например, сдвига момента зажигания в сторону запаздывания.

Как правило, используется умеренно богатая базовая смесь, поскольку в случае очень богатой смеси экзотермическая реакция перед каталити­ческим нейтрализатором может стабильно проте­кать только при стабильных граничных условиях.

Нагнетание вторичного воздуха осуществля­ется электрическим насосом, который включает реле при увеличении требуемой эффективной мощности двигателя. Поскольку клапан в си­стеме вторичного воздуха предотвращает об­ратный поток отработавших газов в насос, когда насос выключен он должен быть закрыт. В каче­стве такого клапана может использоваться пас­сивный обратный клапан, электромагнитный клапан или (как показано на рис. «Система подачи вторичного воздуха» ) пневмати­ческий клапан с электромагнитным управляю­щим клапаном. При включении управляющего клапана — клапан подачи вторичного воздуха открывается под действием разрежения во впускном трубопроводе. Управление системой подачи вторичного воздуха осуществляется электронным блоком управления двигателем.

 

Альтернативные концепции активного нагрева

 

В некоторых случаях для быстрого нагрева каталитического нейтрализатора приме­няется электрообогрев. Нейтрализаторы с электрообогревом были ранее использованы в отдельных мелкосерийных проектах.

 

λ-регулирование

 

Для обеспечения как можно более высокой скорости преобразования НС, СО и NО, трех­компонентным каталитическим нейтрализа­тором компоненты реакции должны присут­ствовать в стехиометрическом соотношении. Для этого требуется поддержание значения λ = 1,0; т.е. стехиометрического соотношения воздух/топливо с очень высокой точностью.

Для этого управление процессом смесеобразо­вания должно осуществляться при помощи зам­кнутой системы регулирования, поскольку требу­емая точность не может быть достигнута только посредством управления дозированием топлива при использовании замкнутой системы регули­рования λ отклонения от заданного значения соотношения воздух/топливо могут быть обнару­жены и скорректированы посредством изменения количества впрыскиваемого топлива. В качестве показателя состава топливно-воздушной смеси используется остаточное содержание кислорода в отработавших газах, измеряемое при помощи кислородных датчиков (см. двухступенчатые и широкополосные кислородные датчики).

 

Двухступенчатое регулирование λ

 

Система двухступенчатого регулирования λ слу­жит для поддержания стехиометрического со­става смеси с λ = 1. Преобразованная переменная величина, включающая скачки и участки линей­ного изменения напряжения, изменяет свое на­правление при каждом скачке выходного напря­жения двухступенчатого кислородного датчика. Это означает переход от богатой смеси к бедной или наоборот (см. рис. «График изменения преобразованной переменной с регулируемым сдвигом в режиме разомкнутого регулирования» ). Типичная амплитуда колебаний этой преобразованной переменной должна быть в пределах 2-3 % от ее среднего значения. Результатом является ограничение ди­намики контроллера, которое в основном опре­деляется суммой значений времени реакции (обусловленных предварительным накоплением топлива во впускном трубопроводе, четырехтакт­ным принципом действия двигателя внутреннего сгорания и временем прохождения газов).

 

 

Асимметричная форма кривой преобразован­ной переменной позволяет скомпенсировать ти­пичную недостоверность сигнала двухступенча­того датчика, вызванную колебаниями состава топливно-воздушной смеси. При этом предпо­чтительным методом является задержка линей­ного возрастания преобразованной переменной в течение регулируемого времени выдержки t_v после скачка выходного напряжения датчика.

 

Непрерывное регулирование λ

 

Динамическая характеристика системы двух­ступенчатого регулирования может быть улуч­шена только в том случае, если может быть измерено фактическое отклонение от значения λ = 1. Для непрерывного регулирования с под­держанием λ = 1 с очень низкой амплитудой колебаний в сочетании с высокими динамиче­скими характеристиками может быть исполь­зован широкополосный кислородный датчик. Параметры регулирования вычисляются и адап­тируются в соответствии с рабочими режимами двигателя. Кроме того, при такой системе регу­лирования λ компенсация неизбежного смеще­ния характеристики системы регулирования как в стационарном, так и нестационарном режиме осуществляется значительно быстрее.

Широкополосный кислородный датчик также позволяет регулировать состав смеси в случае его отклонения от λ = 1. Это позволяет осущест­влять контролируемое обогащение смеси (λ < 1), например, для защиты компонентов, или контро­лируемое обеднение (λ > 1), например, во время прогрева каталитического нейтрализатора.

 

Система регулирования λ с использованием двух кислородных датчиков

 

Когда кислородный датчик находится перед каталитическим нейтрализатором, он испы­тывает высокие тепловые нагрузки и под­вергается воздействию необработанных от­работавших газов, что ограничивает точность измерения. Изменения состава отработавших тазов могут вызывать сдвиг точки скачка вы­ходного напряжения двухступенчатого кис­лородного датчика или характеристической кривой широкополосного кислородного датчика. Кислородный датчик, расположен­ный после каталитического нейтрализатора, подвергается этим воздействиям в значи­тельно меньшей степени. Однако, система регулирования λ с использованием только кислородного датчика, расположенного поcле каталитического нейтрализатора, демон­стрирует ухудшение динамической характе­ристики, обусловленное конечным временем прохождения газов, и замедленной реакцией на изменения состава смеси.

Более высокая точность может быть достиг­нута в системе, включающей два датчика. Здесь контур двухступенчатого или непре­рывного регулирования λ дополняется более медленным корректирующим контуром, со­держащим дополнительный двухступенчатый кислородный датчик (см. рис. а, «Места установки кислородных датчиков» ). С этой це­лью выходное напряжения двухступенчатого кислородного датчика после каталитического нейтрализатора сравнивается со значением установки (например, 600 мВ). В зависимости от величины отклонения, система регулиро­вания соответствующим образом ступенчато изменяет установку состава смеси в сторону обогащения или обеднения для первого кон­тура регулирования, или значение установки для контура непрерывного регулирования.

 

Система регулирования λ с использованием трех кислородных датчиков

 

Установка третьего кислородного датчика по­сле главного каталитического нейтрализатора рекомендуется для облегчения диагностики каталитических нейтрализаторов и обеспечения повышенной стабильности состава отработав­ших газов для автомобилей категории SULEV (Автомобили со сверхнизким выбросом вредных веществ). Система регулирования с двумя кисло­родными датчиками (первый каскад) дополнена контуром регулирования с очень низким быстро­действием с использованием третьего кислород­ного датчика, установленного после главного каталитического нейтрализатора (см. рис. Ь, «Места установки кислородных датчиков» ).

Поскольку требования, предъявляемые к ка­тегории SULEV, относятся к величине пробега 150 000 миль, старение первичного каталити­ческого нейтрализатора может привести к сни­жению точности измерения двухступенчатого кислородного датчика после первичного катали­тического нейтрализатора. Этот эффект компен­сируется посредством установки дополнитель­ного двухступенчатого кислородного датчика после главного каталитического нейтрализатора.

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ: