Системы очистки выхлопных газов

0
3314

Благодаря всеобщей автомобилизации населения, порядка 60 % всех поступающих в атмосферу крупных городов загрязнений составляют выхлопные газы бензиновых и дизельных двигателей.

 

Данные о попадающем в наши легкие “букете” отравы способны повергнуть в шок любого человека – более 200 различных химических соединений, которые провоцируют у горожан появление опасных симптомов, начиная от банальной аллергии и заканчивая тяжелыми онкологическими заболеваниями. Однако самыми опасными по своему вредному воздействию на окружающую среду и человека по праву считаются окислы углерода и азота, различные углеводороды, а также сажа.

 

На нейтрализацию именно этой четверки “вредителей” направлен интеллектуальный потенциал двигателестроителей, химиков, технологов. И пока первые занимаются доводкой рабочего процесса силовых агрегатов, а также совершенствованием их конструкции, другие ищут наиболее эффективные пути очистки “дыхания” находящихся в эксплуатации моторов.

Так уж сложилось, что наибольшего успеха в области разработки и производства систем очистки отработавших газов достигли американские фирмы “Corning”, “Engelhard”, японская “NGK”, датские “Haldor”, “Torsoe”, а также германские “Siemens”, “Degussa”, “BASF”. Объясняется это тем, что правительства упомянутых стран предъявляли и предъявляют к чистоте автомобильного выхлопа все более и более жесткие требования. Так, в далеком 1955 году законодатели самой автомобильной страны мира – Америки – стали резко ощущать удушливость автомобильных выхлопных газов и конгресс мгновенно принял акт о сохранении чистоты воздуха. А спустя всего каких-то десять лет, там же за океаном была разработана и претворена в жизнь национальная программа по ограничению токсичности выхлопных газов автотранспорта.

Аналогичные законопроекты постепенно появлялись и в других странах. В России, до недавнего времени, проблемы экологии на транспорте никого не волновали, а нейтрализаторы отработавших газов и сажеуловители воспринимались как никчемные диковинные игрушки или выставочные экспонаты. Однако времена меняются, рынок диктует свои условия, и сегодня уже невозможно продать за границу “грязный” автомобиль, да и на территории России начали-таки повсеместно действовать нормы Евро. А значит, пришло время от опытных образцов и мелкосерийного производства переходить к полноценному конвейерному потоку производства подобных устройств. Итак, как очистить выхлопные газы?

В качестве примера следует рассмотреть процесс нейтрализации отработавших газов дизельного двигателя. А почему, собственно говоря, дизельного? Да потому, что современная мировая тенденция развития автомобильного транспорта четко показывает резкое увеличение доли легковых автомобилей с дизельными двигателями. В некоторых странах, к примеру в той же Европе, более 50 % всех сходящих с конвейера машин дизельные! Про грузовики различного тоннажа и говорить не приходится – дизель вот уже как несколько десятков лет является неотъемлемой их частью.

Итак, перейдем к делу. Чтобы нейтрализовать каждый отдельно взятый компонент отработавших газов, необходимо пропустить его через свое очистное сооружение. Совокупность таких заслонов-фильтров и представляет собой сложный механизм, пройдя через который отработавшие газы теряют часть (!) вредных примесей. Разумеется, полностью очистить выхлоп невозможно.

 

Фильтрация сажи

Сажевый фильтрПервый удар раскаленных газов принимает на себя сажевый фильтр, который обязан задержать твердые частички углерода – сажу. Работает он аналогично воздушному фильтру, с той лишь разницей, что не требует замены фильтрующего элемента, а периодически чистится или саморегенерируется.

Главная деталь сажевого фильтра представляет собой жаростойкие сотовые керамические блоки, которые изготавливаются по специальной технологии из искусственного или натурального минерала – кордиерита. Впрочем, небезосновательно и применение других материалов с аналогичными физико-химическими свойствами. Неизменным остается одно – рабочее тело сажевого фильтра, которое в любом случае представляет собой монолитный модуль с параллельно ориентированными каналами (квадратной, круглой или иной формы) площадью сечения 2-4 мм квадратных. Благодаря физическим свойствам применяемых в производстве фильтров минералов, стенки каналов имеют сквозные поры размером от 15 до 35 мкм. Каждый канал заглушен только с одной стороны. В качестве материала заглушки используют, как правило, нитрид кремния. Закрытые и открытые каналы расположены в шахматном порядке. При этом если канал закрыт с одной стороны блока, то он открыт с другой, и наоборот.

Работает такой сажевый фильтр следующим образом. Отработавшие газы из цилиндров двигателя поступают в не заглушенные каналы фильтровального модуля, проходя сквозь микроскопические поры в стенках и в итоге покидая фильтр. Поскольку львиная доля частичек сажи имеет размеры большие, нежели поры керамики, то основная часть грязи остается в каналах керамического блока. Практика свидетельствует, что степень фильтрации у большинства существующих на сегодняшний день сажевых фильтров составляет примерно 50-70 %. Естественно, что по прошествии некоторого времени сажа забьет поры каналов фильтра и его сопротивление резко возрастет, что, в свою очередь, не замедлит отразиться на работе мотора, у которого упадет мощность и возрастет расход топлива. Чтобы не доводить технику до “критической черты”, конструкторы включили в систему очистки электронные компоненты диагностики. Так, на некоторых системах наступление кризисного момента отслеживают два независимо работающих датчика, которые фиксируют сопротивление потоку газов в выпускном трубопроводе. На основании этих данных электронный блок управления рассчитывает эффективное время работы сажевого фильтра. Допустим, фильтр засорился, потерял эффективность и начал “душить” мотор. По сигналу электронного блока автоматически включается система регенерации (очистки) фильтра. Принцип ее действия также основан на выжигании сажи высокотемпературной газовой струей, получаемой в миниатюрном “реактивном двигателе”. Этот принцип реализован на автобусах, выполняющих междугородные рейсы. Система регенерации может также активироваться через определенные промежутки времени, как правило, через каждые 8 часов. Восьмичасовой цикл работы фильтра продиктован продолжительностью рабочей смены водителя и предполагает по истечении контрольного срока очистку системы на стационарной установке (СТО).

 

Химическая очистка выхлопных газов

Комбинированная фильтрацияИтак, сажа задержана. Осталось предельно ограничить воздействие других не менее вредных компонентов выхлопа. Для этого служит нейтрализатор. Его остовом является уже знакомый нам “сотовый” керамический блок, однако в нем уже отсутствуют заглушки каналов, то есть газ проходит через “болванку” навылет. Некоторые фирмы применяют блоки, изготовленные из специальной жаростойкой стали. Что лучше – керамика или сталь? На этот вопрос ответ не найден до сих пор. Каждый из них хорош по-своему. Все зависит от доступности компонентов для производства и их цены.

На внутренние поверхности каналов блока химическим способом нанесено покрытие из оксида алюминия. Благодаря этому поверхность, если ее рассматривать под микроскопом, приобретает вид горного ландшафта, а площадь соприкосновения газового потока с катализаторами, нанесенными поверх оксидной пленки, возрастает на несколько порядков! В роли катализаторов выступают редкоземельные металлы и другие химические элементы таблицы Менделеева. Из наиболее известных отметим платину, палладий, родий, рутиний. Наилучший эффект нейтрализации каждого конкретного компонента выхлопа достигается применением комбинации этих элементов, причем в строго определенной пропорции. Участок нейтрализатора, на котором нанесен конкретный активный состав, называется ступенью. Толщина каталитического слоя покрытия ничтожно мала и определяется фактически на молекулярном уровне.

Принцип действия нейтрализатора прост. Очищенный от сажи газ поступает в первую ступень нейтрализатора, где происходит активное восстановление оксида азота. В аналогичной по устройству второй ступени протекает процесс окисления углеводородов. Такая последовательность продиктована, в первую очередь, особенностью протекания реакций нейтрализации. Известно, что оксид азота восстанавливается лучше в присутствии оксида углерода. Варьируя состав каталитического покрытия, можно с успехом влиять на склонность того или иного компонента газового выхлопа вступать в химическую реакцию.

Вот почему одинаковые по конструкции ступени нейтрализатора имеют различный состав каталитического покрытия. Отметим, что нейтрализаторы, как правило, из соображений компоновки выполняются в едином блоке, а обе ступени базируются на одном остове.

 

Когда чистить бесполезно?

Нейтрализация выхлопных газовВ завершение хотелось бы поговорить о причинах, влияющих кардинальным образом на работу вышеописанных систем. Не стоит забывать о том, что, как бы ни был совершенен нейтрализатор, невозможно получить ощутимый эффект от его применения, если двигатель, совместно с которым он работает, извергает чад, способный свести работу любой, даже самой современной системы нейтрализации к нулю. Для достижения наивысших результатов необходимо прежде всего довести до совершенства характеристики токсичности рабочего процесса двигателя, и лишь после этого задумываться об установке систем его очистки. Немалую роль играет и качество используемых топлив. Свинец и цинк, изобилующие в горючем, оказывают губительное влияние не только на здоровье человека, но и на систему нейтрализации.

Вывод напрашивается сам собой: только гармоничное соответствие друг другу всех вышеперечисленных условий дает ощутимый эффект от применения систем очистки отработавших газов. В противном же случае все усилия будут тщетны.

НЕТ КОММЕНТАРИЕВ

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

*