Скачать реферат в СКАЧАТЬ - Реферат по экологии

← Скачать РЕФЕРАТ Альтернативные виды энергии и загрязнение водных бассейнов		Антропогенное загрязнение химическими веществами Скачать РЕФЕРАТ →

Введение

Все виды современного транспорта наносят большой ущерб биосфере, но наиболее опасен для нее автомобильный транспорт. В глобальном балансе загрязнения атмосферы доля автотранспорта составляет 13,3%, но в городах она возрастает до 80%.
По данным Минтранса России ежегодный ущерб от негативного воздействия на окружающую среду в результате эксплуатации автотранспорта составляет 45 млрд. долларов.
В настоящее время уменьшение загрязнения атмосферного воздуха токсичными веществами, выделяемыми автомобильным транспортом, является одной из важнейших проблем, стоящих перед человечеством. Путь ее решения только один - автомобиль должен стать экологически чистым. Важное место здесь принадлежит системам ней¬трализации, способным в несколько раз снизить токсичность выхлопных газов. Это и объясняет актуальность выбранной мною темы реферата.
Загрязнения окружающей среды при работе двигателей внутреннего сгорания, связанны с загрязнением воздуха и обусловлены выбросами в окружающую среду окислов азота, углерода, серы, альдегидов и углеводородов, а также взвешенных частиц - аэрозолей. Основные принципы снижения вредных выбросов от двигателей внутреннего сгорания приведены в работе. Среди них выделяется, как наиболее эффективный, система очистки отработавших газов, о чем подробно раскрывается в реферате.
Целью работы было выяснить способы нейтрализации вредных веществ в отработавших газах. Для этого была поставлена следующая задача: рассмотреть способы нейтрализации вредных веществ в системе бензиновых и дизельных двигателей, а также их реализацию.

1. Вредные выбросы и их воздействие на живую природу

Из общего количества вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу крупных городов, большая часть приходится на автомобильный транспорт- 60%. Промышленные предприятия выбрасывают 18%, электростанции 13%, системы городского отопления 6% и другие источники-3%.
Следует отметить, что вредные вещества, выбрасываемые производственными предприятиями, концентрируются по огромному радиусу в определенной зоне, а отработавшие газы автомобилей распространяются по всей территории населенного пункта. При этом автомобили загрязняют атмосферу углеводородами и оксидами азота на 30%, оксидами углерода на 90%. При неблагоприятных условиях в приземных слоях атмосферы образуются ядовитые туманы, так называемые смоги, содержащие токсичные составляющие отработавших газов - углеводороды и оксиды азота.
В отработавших газах автомобильных двигателей насчитывается свыше 100 различных компонентов, большинство из которых токсичны. Примерный состав отработавших газов бензиновых и дизельных двигателей приведен в табл.1.
И таблицы видно, что бензиновые двигатели по сравнению с дизельными обладают большей токсичностью. Наиболее токсичными компонентами отработавших газов бензиновых двигателей являются: оксид углерода ( СО ), оксиды азота ( NОx ), углеводороды ( СnHm ), а в случае применения этилированного бензина - свинец. В отработавших газах обнаружен также акреолин, который поступает в окружающую среду (особенно при работе дизельных двигателей). Он имеет запах пригорелых жиров (при содержании более 0,004 мг/л), вызывает раздражение верхних дыхательных путей, а также воспаление слизистой оболочки глаз.
Оксид углерода образуется в бензиновых двигателях при сгорании топливовоздушных смесей с некоторым недостатком кислорода, а также вследствие диссоциации диоксида углерода, возникающей при высоких температурах. В обычных условиях СО- бесцветный газ без запаха, он легче воздуха и поэтому может легко распространятся в атмосфере. Механизм токсического действия СО определяется способностью превращать часть гемоглобина крови в карбоксигемоглобин, вызывающий нарушение тканевого дыхания. Наряду с этим СО оказывает прямое влияние на тканевые биохимические процессы, влекущие за собой нарушение жирового и углеводного обмена, витаминного баланса и т.д. Токсический эффект СО связан также с его непосредственным влиянием на клетки центральной нервной системы. При действии на человека СО вызывает головную боль, головокружение, быструю утомляемость, раздражительность, сонливость, боли в области сердца. Острые отравления наблюдаются при вдыхании воздуха с концентрацией СО более 2,5 мг/л в течение 1 ч.
Оксиды азота в отработавших газах образуются в результате обратимой реакции окисления азота кислородом воздуха под воздействием высоких температур и давления в цилиндрах двигателя. Повышение максимальной температуры рабочего цикла и избыток кислорода - основные факторы, способствующие образованию оксидов азота. По мере охлаждения отработавших газов и разбавления их воздухом оксид азота превращается в диоксид и т.д.
Оксид азота NO - бесцветный газ, диоксид азота NO2 - газ красно-бурого цвета с характерным запахом. Оксиды азота при попадании в организм человека соединяются с водой. При этом они образуют в дыхательных путях соединения азотной и азотистой кислоты. Оксиды азота раздражающе действуют на слизистые оболочки глаз, носа, рта. Воздействие NO2 cпособствует развитию заболеваний легких. Симптомы отравления проявляются только через 6 ч. в виде кашля, удушья, возможен нарастающий отек легких.
Причиной образования углеводородов СН является неоднородность состава горючей смеси в камере сгорания двигателя, а также неравномерность температуры и давления в различных ее частях. В некоторых зонах сгорания топливо практически не сгорает, так как происходит обрыв цепной реакции окисления углеводородов.
Тем временем в низко нависших над асфальтом облаках СН и NОx под воздействием света происходят химические реакции. Разложение оксидов азота приводит к образованию озона (О3). Вообще-то озон не стоек и быстро распадается, но только не в присутствии углеводородов ( СН ) - они замедляют процесс распада озона, и он активно вступает в реакции с частичками влаги и другими соединениями. Образуется стойкое облако мутного смога, которое зловеще висит над городом. Причем смог активнее формируется под воздействием прямого света, поэтому для таких городов, как Токио или Лос-Анджелес, проблема смога была и остается очень актуальной.
Помимо этого, некоторые углеводороды СН являются сильнейшими канцерогенными веществами (бенз-а-пирен), переносчиками которых могут быть частички сажи, содержащиеся в отработавших газах. Озон разъедает глаза и легкие, а выбросы NОх участвуют в формировании кислотных дождей.
В отработавших газах дизельного двигателя обнаружено канцерогенное вещество - диоксин (циклический эфир), представляющий собой бесцветную горючую жидкость. Диоксины и близкие им соединения во много раз токсичнее таких ядов, как кураре и цианистый калий.
В случае применения этилированных бензинов около 50% свинца осаждается в виде нагара на деталях двигателя и в выхлопной трубе, остаток уходит в атмосферу. Свинец присутствует в отработавших газах в виде мельчайших частиц размером 1-5 мкм, которые долго сохраняются в атмосфере. Концентрация свинца в атмосфере придорожной полосы в 2-20 раз больше, чем в других местах. Присутствие свинца в воздухе вызывает серьезные поражения органов пищеварения, центральной и периферической нервной системы. Воздействие свинца на кровь проявляется в снижении количества гемоглобина и разрушении эритроцитов.
За долгое время существования проблемы автомобильных выбросов и загрязнения ими атмосферного воздуха было разработано множество ме-тодов и способов, позволяющих уменьшить количества выхлопов или снизить их токсичность, приняты стандарты токсичности выхлопных газов (Прил.1). В настоящее время разрабатываются и претво¬ряются в жизнь ме¬ро-приятия по снижению за¬грязнения атмосферы вы¬бросами автомобильных двигателей, включающие в себя:
1.усовершенствование конструкций двигателей и повышение качеств изготовления;
2.поиск новых видов топлива, применение раз¬личных присадок к нему;
3.создание энергоси¬ловых установок для ав¬томобилей, выбрасывающих меньшее количество вред¬ных веществ;
4.разработка устройств, снижающих содержание вредных компонен¬тов в отработавших газах.
Практика показала, что при этом достичь уровня токсичности отработавших газов, требуемого законодательством развитых стран, первыми тремя способами нельзя. Поэтому получила широкое распро-странение нейтрализация отработавших газов в системе выпуска. В этом случае токсичные пары, вышедшие из цилиндров двигателя, ней¬трализуются до выброса их в атмосферу.


2. Способы нейтрализации отработавших газов в выпускной сис-теме
Существует несколько способов нейтрализации отработавших газов в выпускной системе автомобиля:
1.Окисление отработавших газов путем подачи к ним дополнитель¬ного воздуха в термических реакторах. Термические реакторы уста¬навливают на многих японских и американских двигателях. Термиче¬ский реактор представляет собой теплоизолированный объем со специ¬альной организацией течения отходящих газов, устанавливаемый в вы¬пускной системе двигателя и осуществляющий термическое доокисление токсичных компонентов за счет собственного тепла отходящих газов. Термическая нейтрализация не зависит от вида сжигаемого топлива, наличия присадок и позволяет использовать в двигателях этилирован¬ный бензин. Повысить температуру отработавших газов в реакторе можно, уменьшив теплопотери применением проставок-экранов, тепло¬изоляцией корпуса реактора, использованием тепла реакции окисле¬ния, а также кратковременным уменьшением угла опережения зажига¬ния. Реакторы особенно эффективны на режимах богатой смеси при больших нагрузках, не выходят из строя со временем, однако не дают полного окисления СО и СН и не восстанавливают NOx, поэтому приме¬няются как дополнительные устройства перед каталитическим нейтра¬лизатором.
2.Поглощение токсичных компонентов жидкостью в жидкостных нейтрализаторах. Этот способ не получил широкого распространения из-за малой эффективности и необходимости частой замены жидкости.
3.Применение каталитических нейтрализаторов и сажевых фильтров (на автомобилях с дизельными двигателями) – в настоящее время наи¬более актуальный.


3. Нейтрализации отработавших газов в выпускной сис¬теме бензиновых двигателей
3.1. Эволюция каталитических нейтрализаторов
В конце 60-х годов, когда мегаполисы Америки и Японии стали буквально задыхаться от смога, инициативу взяли на себя правитель¬ственные комиссии. Именно законодательные акты об обязательном снижении уровня токсичных выхлопов новых автомобилей вынудили про¬мышленников усовершенствовать двигатели и разрабатывать системы нейтрализации.
В 1970 году в Соединенных Штатах был принят закон, в соответ¬ствии с которым уровень токсичных выхлопов автомобилей 1975 мо¬дельного года должен был быть в среднем наполовину меньше, чем у машин 1960 года выпуска: СН — на 87%, СО — на 82% и NOх — на 24%.
Аналогичные требования были узаконены в Японии и в Европе.
Первым делом инженеры бросились совершенствовать системы питания и зажигания. Но было очевидно, что добиться столь существенного улучшения ситуации с токсичностью без применения дополнительных устройств просто невозможно.
В 1975 году на американских машинах появились первые каталити-ческие нейтрализаторы отработавших газов — тогда еще двухкомпонент¬ные, так называемого окислительного типа. Двухкомпонентными они на¬зывались потому, что могли нейтрализовать только два токсичных ком¬понента — СО и СН. Окислительными — потому, что происходившие реак¬ции представляли из себя окисление (то есть фактически дожигание) молекул СО и СН с образованием углекислого газа СО2 и воды Н2О.
На американских автомобилях 1975 года появились транзисторные системы зажигания с высокой энергией искры и свечи с медным сердеч¬ником центрального электрода — это свело к минимуму пропуски зажи¬гания и последующие вспышки несгоревшего топлива в нейтрализаторе, которые грозят оплавлением керамики.
В 1977-м к нему добавили "противоазотную" секцию, а еще через пару лет объединили все в едином корпусе, дав неправильное название "трехступенчатый" нейтрализатор. На самом деле речь идет не о сту¬пенях, а о трех подавляемых классах вредных веществ.
К 1990 году нейтрализатор переехал вплотную к выпускному кол-лектору, чтобы быстрее нагреваться до рабочих температур (300ºС) – тем самым уменьшить вредные выбросы на стадии прогрева.
В 1995 году фирма ”Эмитек” разработала технологию подогрева катализатора мощным электрическим сопротивлением. Основанная на этом принципе модель катализатора ”6С” (или ”Эмикэт”) была установлена на ”БМВ-Альпина В12”.
Ну и, наконец, в 2000 году появилась цеолитовая ловушка углево-дородов (СН), задерживающая их при пуске мотора и лишь после на¬грева до 220°С отдающая на "съедение" готовому к работе катализа¬тору.
3.2. Устройство и принцип действия каталитических нейтрализаторов
Современные каталитические нейтрализаторы – это трехкомпонент¬ные каталитические нейтрализаторы.
Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор представляет со¬бой корпус из нержавеющей стали, включенный в систему выпуска до глушителя. В корпусе располагается блок носителя с многочисленными продольными порами, покрытыми тончайшим слоем вещества катализа¬тора, которое само не вступает в химические реакции, но одним своим присутствием ускоряет их течение.
Химикам известно множество катализаторов - медь, хром, никель, палладий, родий. Но самой стойкой к воздействию сернистых соединений, которые образуются при сгорании содержащейся в бензине серы, оказалась благородная платина. На долю катализаторов приходится до 60% себестоимости устройства. Именно благодаря им происхо¬дят необходимые химические реакции – окисление монооксида углерода (СО) и несгоревших углево¬дородов (СН), а также сокращение количества окиси азота (NOx). В трехкомпонентном нейтрализаторе платина и палладий вызывают окис¬ление СО и СН, а родий ”борется” с NOx. Кстати, родий – субпродукт при получении платины – наиболее ценный в этой троице.
Чтобы увеличить площадь контакта каталитического слоя с вы-хлопными газами, на поверхность сот наносится подложка толщиной 20-60 микрон с развитым микрорельефом.
Как правило, носителем в нейтрализаторе служит спецкерамика - монолит со множеством продольных сот-ячеек, на которые нанесена специальная шероховатая подложка (рис.1). Это позволяет максимально увеличить эффективную площадь контакта каталитического покрытия с выхлопными газами - до величин около 20 тыс. м2. Причем вес благо¬родных металлов, нанесенных на подложку на этой огромной площади, составляет всего 2-3 грамма. Керамика сделана достаточно огне¬упорной – выдерживает температуру до 800-850 ºС. Но все равно при неисправности системы питания и длительной работе на переобогащен¬ной рабочей смеси монолит может не выдержать и оплавиться - и тогда каталитический нейтрализатор выйдет из строя. Именно поэтому так проблематично выглядит использование каталитических нейтрализаторов с керамическим носителем на карбюраторных двигателях.



Впрочем, все шире в качестве носителей каталитического слоя используются тончайшие металлические соты (рис.2). Это позволяет увеличить площадь рабочей поверхности, полу¬чить меньшее противодавление, ускорить разо¬грев каталитического нейтрализатора до рабо¬чей температуры и, главное, расширить темпе¬ратурный диапазон до 1000-1050ºС. Соты ней¬трализаторов Metalit, изображенного на ри¬сунке 2, сделаны из тонкостенного (толщиной всего 0,04 мм, а не 0,15 мм, как у керамики) листа хромоалюминиевой стали, для лучшей адгезии каталитического слоя легированной редкоземельным металлом иттрием. Такой нейтрали¬затор выдерживает пиковые температуры до 1300ºС.
Делают это на Западе, конечно же, не для применения карбюрато¬ров - там они почти забыты. Просто с по¬явлением современных двигателей, рабо-тающих на переобедненных смесях, растут требования и к каталитическим нейтрализаторам - они должны выдерживать более жесткие условия, которые керамике уже не по зубам.
Упрощенно ход реакций в нейтрализа¬торе выглядит так:
CH+O2 -> CO2+H2O; NO+CO -> N2+CO2;
CO+O2 -> CO2; NO+H2 -> N2+H2O.
В результате токсичные со¬единения CO, CH и NOx окисля¬ются или восстанавливаются до углекислого газа СО2, азота N2 и воды Н2О (рис.3).
Широкое использование нейтрализаторов «взорвало» мировой рынок благородных металлов: 35% потребляемой платины, 45% палладия, 90% родия идет в автомобильные выпускные системы.
3.3. Разогрев каталитического нейтрализатора
На первый взгляд может показаться, что установка катализатора решает все экологические проблемы. Однако, температура, при кото¬рой катализатор начинает действовать (температура активации), на¬ходится в пределах 250–350°С. Время же, необходимое для разогрева, может достигать нескольких минут и зависит от типа автомобиля, способа его эксплуатации и температуры воздуха. Холодный катализа¬тор практически неэффективен – следовательно, необходимо уменьшить время достижения температуры активации.
К 1995 году фирма ”Эмитек” разработала технологию подогрева катализатора мощным элек¬трическим сопротивлением. Основанная на этом принципе модель катализатора ”6С” (или ”Эми¬кэт”) была установлена на ”БМВ-Альпина В12”. Подогреватель на металлической опоре крепится внутри катализатора (рис.4); его мощность – от 0,5 до 2, иногда 4 кВт, в зависимости от вели¬чины сопротивления (от 0,05 до 0,35 Ом). Для примера, элемент в 1,5 кВт разогревает катали¬затор до 400°С за 10 секунд.
Компания ЭCИA пошла другим путем и предложила пусковой катализатор. Он размещается в специальном ответвлении выпу¬скной системы, имеет меньшие, чем основной, размеры и, стало быть, прогревается быстрее, после чего приводит в рабочее состояние ”стар¬шего брата”.
Чтобы снизить вредные выбросы при пуске хо¬лодного двигателя, иногда применяют также встроенный в катализатор адсорбер углеводоро¬дов. Как только рабочая температура достигнута, последние ”освобождаются” и окисляются самим катализатором. Среди подобных устройств можно назвать нейтрализатор ”Эдкэт” фирмы ”Делфай” или ”Пума” фирмы ”Корнинг”.
3.4. Обратная связь
Трехкомпонентный нейтрализатор наиболее эф¬фективен при определенном составе отработавших газов (рис.5). Это значит, что нужно очень точно выдерживать состав горючей смеси возле так называемого стехиометрического отношения воздух/топливо, значение которого лежит в узких пределах 14,5 — 14,7. Если горючая смесь бу¬дет богаче, то упадет эффективность нейтрализации СО и СН, если беднее — NOX.


Поддерживать стехиометрический состав горючей смеси можно было только одним способом — управлять смесеобразованием, немедленно полу-чая информацию о процессе сгорания, то есть, организовав обратную связь (рис.6). Решение стало эпохальным.

В выпускной коллектор поместили специально разрабо¬танный кислородный датчик — так назы¬ваемый лямбда-зонд (на Западе принято обозначать греческой буквой λ так называемый коэффициент избытка воздуха, то есть отношение стехиометрического состава смеси к текущему). Он вступает с раска¬ленными выхлопными газами в электрохимическую реакцию и выдает сигнал, уровень кото¬рого зависит от количества кислорода в вы¬хлопе.
Если кислорода осталось много — значит, смесь слишком бедная, если мало — богатая. А по результатам мгновенного анализа, которым занимается электроника, можно быстро корректировать состав смеси в ту или иную сторону. Напряжение на выходе кислородного датчика при¬нимает два уровня. Если смесь бедная, то низковольтный сигнал дает команду на обогащение топливной смеси, и наоборот.
На рис.7 изображен современный трехкомпонентный каталитический нейтрализатор. Второй кислородный датчик нужен для новейших систем бортовой диагностики OBD-II и от¬слеживает эффективность нейтрали¬зации.
Впервые трехкомпонентные ней¬трализаторы с обратной связью и кислородным датчиком появились на двигателях автомобилей Volvo в 1977 году. А сейчас ими оснащены все без исключения автомобили, ко¬торые продаются на рынках цивилизованных стран.
3.5. Кислородные датчики
Датчик кислорода (рис.8) - он же лямбда-зонд - устанавливается в выхлопном коллекторе таким образом, чтобы выхлопные газы обтекали рабочую поверхность датчика. Он представляет собой гальванический источник тока, изменяю¬щий напряжение в зависимости от температуры и наличия кислорода выхлопной трубе. Материал его, как правило, керамический элемент на ос¬нове двуокиси циркония, покрытый платиной. Конструкция его предполагает, что одна часть соединяется с наружным воздухом, а другая - с выхлопными газами внутри трубы. В зависимости от концентрации ки¬слорода в выхлопных газах, на выходе датчика появляется сигнал (рис.9). Уровень этого сигнала может быть низким (0,1...0,2В) или высоким (0,8...0,9В). Существуют также датчики сигнал на выходе, у которых изменяется от 0,1 до 4,9 В.


Таким образом, датчик кислорода - это своеобразный переключатель, сообщающий кон¬троллеру впрыска о концентрации кислорода в отработавших газах. Контроллер принимает сигнал с лямбда-зонда, сравнивает его со зна¬чением, прошитым в его памяти и, если сигнал отличается от оптимального для теку¬щего режима, корректирует длительность впры¬ска топлива в ту или иную сторону. Таким об¬разом, осуществляется обратная связь с кон¬троллером впрыска и точная подстройка режи¬мов работы двигателя под текущую ситуацию с достижением максимальной экономии топлива и минимизацией вредных выбросов.
Бензиновому двигателю для работы требуется смесь с определен¬ным соотношением воздух-топливо. Соотношение, при котором топливо максимально полно и эффективно сгорает, называется стехиометриче¬ским и составляет 14,7:1. Это означает, что на одну часть топлива следует взять 14,7 частей воздуха. На практике же соотношение воз¬дух-топливо меняется в зависимости от режимов работы двигателя и смесеобразования. Двигатель становится неэкономичным.
Коэффициент избыточности воздуха при работе двигателя посто¬янно меняется и диапазон 0,9 - 1,1 является рабочим диапазоном лямбда-регулирования. В то же время, когда двигатель прогрет до рабочей температуры и не развивает большой мощности (например, ра¬ботает на холостом ходу), необходимо по возможности более строгое соблюдение равенства для того, чтобы трехкомпонентный катализа¬тор смог полностью выполнить свое предназначение и сокра¬тить объем вредных выбросов до минимума.
Лямбда-зонды бывают одно-, двух-, трех- и четырехпроводные. Однопроводные и двухпроводные датчики применялись в самых первых системах впрыска с обратной связью (лямбда-регулированием). Одно-проводный датчик имеет только один провод, который является сиг¬нальным. Земля этого датчика выведена на корпус и приходит на массу двигателя через резьбовое соединение. Двухпроводный датчик отличается от однопроводного наличием отдельного земляного провода сигнальной цепи. Недостатки таких зондов: рабочий диапазон темпе¬ратуры датчика начинается от 300 ºС. До достижения этой темпера¬туры датчик не работает и не выдает сигнала. Стало быть, необхо¬димо устанавливать этот датчик как можно ближе к цилиндрам двига¬теля, чтобы он подогревался и обтекался наиболее горячим потоком выхлопных газов. Процесс нагрева датчика затягивается, и это вно¬сит задержку в момент включения обратной связи в работу контрол¬лера. Кроме того, использование самой трубы в качестве проводника сигнала (земля) требует нанесения на резьбу специальной токопрово¬дящей смазки при установке датчика в выхлопной трубопровод и уве¬личивает вероятность сбоя (отсутствия контакта) в цепи обратной связи.
Указанных недостатков лишены трех- и четырехпроводные лямбда зонды. В трехпроводный кислородный датчик добавлен специальный на-гревательный элемент, который включен, как правило, всегда при ра¬боте двигателя и, тем самым, сокращает время выхода датчика на ра¬бочую температуру. А так же позволяет устанавливать лямбда-зонд на удалении от выхлопного коллектора, рядом с катализатором. Однако остается один недостаток - токопроводящий выхлопной коллектор и необходимость в токопроводящей смазке. Этого недостатка лишен че¬тырехпроводный лямбда-зонд - у него все провода служат для своих целей - два на подогрев, а два - сигнальные. При этом вкручивать его можно так как заблагорассудится.
Ресурс датчика содержания кислорода обычно составляет 50 - 100 тыс. км и в значительной степени зависит от условий эксплуата¬ции, качества топлива и состояния двигателя. Повышенный расход масла, переобогащенная смесь и неправильно отрегулированный угол опережения зажигания сильно сокращают жизнь лямбда-зонду. Дольше служат, как правило, датчики с подогревом. Рабочая темпера¬тура для них обычно 315-320°C. В конструкцию этих датчиков включен нагревающий элемент, имеющий на разъеме свои кон¬такты. Проверку работоспособности нагревательного элемента та¬ких датчиков можно производить обычным омметром. Сопротивле¬ние их обычно составляет от 3 до 15 Ом.
Правильно работающий лямбда-зонд может многое сказать о том, в каком состоянии находится двигатель и его системы. На некоторых автомобилях с помощью датчика можно достаточно точно отрегулиро¬вать содержание СО в выхлопных газах. Неисправный лямбда-зонд не¬минуемо вызовет повышенный расход топлива и снижение мощностных характеристик двигателя. Следует отметить, что далеко не все неис¬правности лямбда-зонда фиксируются блоком управления, а если фик¬сируются, то блок управления переходит в режим управления впры¬ском по усредненным параметрам, что тоже приводит к перечисленным выше результатам. Поэтому рекомендуется при малейших подозрениях провести диагностику, а при выявлении неисправности заменить лям¬бда-зонд.
3.6. Условия нормальной работы каталитических нейтрализаторов
В наши дни каталитические нейтрализаторы распространяются по странам и континентам. Докатились они и до российской глубинки. А здесь их часто встречают... свинцом и ломом. Причина в том, что для нормальной работы катализатора необходимо соблюдать пустяковые по европейским понятиям условия. Посмотрим, какие же это "пус¬тячки".
Во-первых, как известно, даже случайная заправка бака этилиро¬ванным бензином выводит катализатор из строя. Он окончательно "от¬равляется" свинцом - остается только выбросить прибор.
Во-вторых, катализатор эффективно работает только при строгом соблюдении состава топливной смеси - 14,7 весовых частей воздуха на одну часть бензина. Любой карбюратор, даже с электронной систе¬мой управления, такой точностью и быстродействием для поддержания требуемого состава смеси не обладает.
Таким образом, катализатор эффективен лишь в сочетании с сис¬темой впрыска топлива с электронным управлением. На автомобиле появился микропроцессор, который, анализируя данные о температуре, расходе воздуха через коллектор, оборотах и т.п., а главное - сиг¬налы, поступающие от каталитического нейтрализатора, регулирует работу электромагнитных форсунок впрыска топлива. Однако в случае выхода из строя свечи зажигания, перебоев в подаче топлива и т.д. мгновенно нарушается тонкое равновесие состава рабочей смеси - ка¬тализатор теряет свою эффективность, причем в некоторых случаях навсегда. Поэтому микропроцессор контролирует работу систем и аг¬регатов автомобиля, а о неисправностях сообщает водителю.
Есть и еще одна проблема - каталитический нейтрализатор хорошо справляется с окислами азота, только когда их мало. Упрощенно кар¬тина такова: окислов азота тем больше, чем выше температура в ка¬мере сгорания, а чем она выше, тем больше КПД мотора. Для борьбы с окислами азота нашли простой выход. Соединили выпускной коллектор со всасывающим патрубком, направив часть выхлопных газов обратно в камеру сгорания со свежей рабочей смесью, что снижает наполнение цилиндров и, следовательно, мощность. Получается, что нейтрализа¬тор вредит двигателю.
Но и мотор не остается в долгу. Явный вред катализатору прино¬сит так называемое перекрытие клапанов - момент, когда одновре¬менно открыты впускной и выпускной клапаны. В цилиндре возникает, так сказать, сквозняк: рабочая смесь вылетает в выхлопную трубу через открытый выпускной клапан и отравляет чувствительный катали¬затор. Однако перекрытие клапанов способствует лучшему наполнению цилиндров и повышению мощности мотора, поэтому пока ни один совре¬менный двигатель без этого не обходится. Здесь приведены лишь не¬которые примеры, показывающие, что в автомобиле все не просто.
4. Нейтрализация отработавших газов в выпускной системе дизель-ных двигателей
В дизельном двигателе топливо впрыскивается в цилиндр, уже наполненный рас¬каленным сжатым воздухом и на образование "правильной" горючей смеси просто не остается времени. Даже при тончайшем распылении (для чего и повышают давление) не все микрочастицы топлива успевают обзавестись нужным количест¬вом молекул кислорода - вот вам и сажа. Сни-жение температуры в цилиндре по бензиновому рецепту только ухудшает картину. Вообще, ос¬новное противоречие дизеля, которое еще никто до конца не разрешил, - между снижением вы¬бросов сажи и окислов азота: улучшая один параметр, неизбежно пор¬тим второй.
4.1.Комплексная очистка отработавших газов дизеля
Современные комплексные системы очистки отработавших газов для дизелей состоят из каталитических и жидкостных нейтрализаторов, а также сажевых фильтров.
Сажевые фильтры
Фирмы, пропагандирующие экономичные легковые дизели, ради эко-логии пускаются во все тяжкие. Например, предлагают устанавливать дополнительные бачки с дорогими реактивами, снижающими темпера¬турный порог разложения нако¬пившейся в специальном нейтра¬лизаторе сажи ("Пежо-607"). Вы¬жечь, то есть окислить, нако¬пившиеся в порах фильтра час-тицы можно лишь при достаточно высокой температуре, которой выхлопные газы правильно на¬строенного дизеля не достигают. Даже если приказать управляю¬щему двигателем контроллеру пе¬риодически увеличивать подачу топлива, все равно градусов не хватает. Решение видели в до¬бавке к солярке мочевины (прямо на АЗС) либо незначительного количества специального реа¬гента, хранящегося в отдельном бачке (5 литров хватает на 80 000 км пробега). Это снижало температуру начала реакции гра¬дусов на 100 и позволяло, обо¬гатив смесь, очищать фильтр. Реализовать эти решения весьма сложно. Неудивительно, что бачки с реагентом прижились в основном на дорогих автомоби¬лях, например, «Пежо-607».
В фильтрах нового поколения общий принцип остался прежним: за-держать и уничтожить. Но как добиться нужной для сгорания частиц сажи температуры? Во-первых, фильтр разместили сразу за выпускным коллектором. Во-вторых, через каждые 300-500 км пробега контроллер включает режим многофазного впрыска, увеличивая количество посту-пающего в цилиндр топлива. И, наконец, главное: поверхность фильт-рующего элемента покрыта тонким слоем нового катализатора, который дополнительно повышает температуру выхлопных газов до необходимых 560-600°С. Отдаленно это напоминает работу каталитической бензино¬вой грелки для рыболовов.
Фильтрующий элемент состоит, как правило, из керамической (кар¬бид кремния) микропористой губки. Толщина стенок между ее каналами не превышает 0,4 мм, так что фильтрующая поверхность очень большая. Иногда эту «губку» делают из сверхтонкого стального волокна, также покрытого но¬вым катализатором. Набивка настолько плотная, что задер-живает до 80% частиц размером 20-100 нм.
Новые фильтры стали ак¬тивно участвовать в управле¬нии работой двигателя. Ведь режим обогащения включается по сигналу от датчиков давле¬ния, установленных на входе и выходе фильтра. Когда раз¬ность показаний становится значительной, компьютер вос¬принимает это как признак за¬купоренности «губки» сажей. А выжигание контролируют с по-мощью датчика температуры.
Активные фильтры уже поя¬вились на дизельных моторах «мерседес-бенцев» С- и Е-классов (рис.11), с начала 2004 года прижились в «Опеле-Вектра» (рис.10) и «Сигнум», «Рено-Вель Са-тис» (рис.12).




4.2.Система DRNR
"Тойота" разработала свою, не менее эффективную систему очи¬стки, названную DPNR (рис.13). Она одно¬временно обезвреживает и канцероген-ные частицы сажи, и про¬сто вредные окислы азота (о СН и СО сегодня говорить уже стыдно – прой¬денный этап). Главную роль играет новый микропористый керамический фильтр, покрытый слоем накапливаю¬щего азот материала и катализатором на ос¬нове платины. Во время работы дви-гателя на бед¬ной смеси частицы сажи окисляются атомарным кисло¬родом, освобождаю¬щимся при соединении NO и О2 из выхлопных газов в процессе накопле¬ния NO2.
Периодически, когда компьютер кратковременно обогащает смесь, эти частицы окисляются кислородом, возникающим теперь уже при раз¬ложении накопленных окислов в безвредный азот.
DPNR показала снижение содержания сажи и NOx на 80% по срав¬нению с действующими сегодня нормами, но применима лишь для дизелей последнего поколения, работающих с системой "коммон рейл" высокого давления на топливе с пониженным содержанием серы.

4.3. Плазменный нейтрализатор
Один из альтернативных методов нейтрализации отработавших газов – использование низкотемпературной плазмы. Исследования в Японии, США и в России привели к созданию экспериментальных образцов оборудования, ос¬нованного на плазменных технологиях.
Что такое низкотемпературная плазма? Она состоит из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов, получен¬ных в специальных устройствах при различных видах импульсных высоковольтных электрических разрядов (коронный, барьерный и др.), а также из нейтральных атомов и молекул.
Принципиальная схема одного из вариантов разрядного устройства показана на рис.14. Оно включает узел подвода отработавшего газа и масла 1, кварцевую стеклянную или керамиче¬скую трубку 2, используемую в качестве ди¬электрического барьера, и два электрода – центральный 3 и внешний 4 – в виде металличе¬ской сетки из нержавеющей стали. В разрядное устройство подается ток от источника, форми¬рующего импульс напряжения длительностью 250–350 мкс. Барьерный разряд возникает при элек¬трическом напряжении 0,5–35 кВ и частоте сле¬дования импульсов 50–2000 Гц.


Как происходит процесс нейтрализации га¬зов в системе и очистка их от сажи? Отрабо¬тавшие газы дизеля направляются в плазмохими¬ческий реактор, предварительно пройдя сушку во влагоотделителе. В плазмохимическом реак¬торе к этим газам "подмешивают" масло. Под действием электриче¬ского разряда в трубках разрядного устройства частички сажи ак¬тивно абсорбируют масло на своей поверхности. Для удаления сажи, частички которой находятся как бы в масляном коконе, используется маслоотделитель. Сажа собирается в специальный контейнер, а масло после дополнительной очистки в фильтре продолжает циркулировать по замкнутому контуру. Таким образом, удается обеспечить очень высо¬кую эффективность поглощения частичек сажи – до 100% во всем диа¬пазоне оборотов дизеля. Из маслоотделителя часть отработавших га¬зов можно направить во впускной коллектор дизеля (рециркуляция). Это снижает содержание оксидов азота в выхлопе.
Физическая и химическая сущность явлений, происходящих под действием барьерного разряда в плазмохимическом реакторе, изучена пока недостаточно. Однако упрощенно процесс можно представить сле¬дующим образом. При подаче напряжения в электроразрядное устрой¬ство в нем создается неравновесная слабоионизированная низкотемпе¬ратурная плазма, которая воздействует на отработавшие газы. В ре¬зультате многостадийных химических реакций оксиды азота, серы и углерода разлагаются на нетоксичные молекулы кислорода, азота, серы и углерода. Одновременно происходит конверсия (превращение) оксида азота в его диоксид, который связывается радикалом ОН в азотную кислоту в виде аэрозоля. Аналогичные реакции протекают с диоксидом серы и оксидом углерода, приводя к образованию аэрозо¬лей. Аэрозоли улавливают в достаточно простых электрофильтрах, обеспечивающих степень очистки до 98–99%.
Судя по лаконичным сообщениям зарубежной печати, в Японии про-ходит испытания микроавтобус, на котором установлен дизельный дви¬гатель "Ниссан-LD 20" мощностью 48,5 кВт/66 л. с., оборудованный нейтрализатором с плазмохимическим реактором.
По предварительным расчетам, плазменная очистка обойдется в 1,5–2 раза дешевле, чем в существующих многокомпонентных устройст¬вах. Не требуется использовать благородные металлы, значительно увеличивается ресурс систем нейтрализации, сокращается время на их техническое обслуживание. Однако к промышленному выпуску плазмохи¬мических реакторов (а значит, их широкому использованию) можно бу¬дет перейти, когда удастся сократить затраты мощности на электро¬питание реактора. В опытных и экспериментальных системах они дос¬тигают 4–5% и более от мощности дизеля.
4.4. Обратная связь дизеля
Компания Bosch, которая в 1976 году представила миру свой пер¬вый лямбда-зонд для бензиновых двигателей, недавно создала анало¬гичный узел и для дизельных моторов. Напомним, лямбда-зонд – это датчик, измеряющий содержание кислорода в отработавших газах авто¬мобиля. Его внедрение позволяет оптимизировать топливоподачу в ци¬линдры, благодаря чему снижается токсичность отработавших газов и уменьшается расход топлива, увеличиваются мощность и крутящий мо¬мент мотора, а также улучшаются его пусковые характеристики.
Кроме того, лямбда-зонд вместе с электронной системой впрыска обеспечивают работу каталитического нейтрализатора отработавших га¬зов, который выполняет свою функцию только при четком соблюдении пропорций состава топливовоздушной смеси.
Сегодня, когда системы питания дизелей управляются электрони¬кой, а их механические ТНВД остались в прошлом, лямбда-зонд пришел на службу и этим моторам. Получая данные о количестве кислорода в выхлопе, электронные «мозги» современных дизелей корректируют ра¬боту системы рециркуляции отработавших газов, определяют оптималь¬ное время впрыска топлива и давление наддува (рис.15). Системы пи¬тания с лямбда-зондом особенно эффективны в режиме полных нагрузок, когда увеличивается склонность к дымообразованию. «Бошевский» дат¬чик кислорода будет использоваться и в накопительных катализаторах для измерения содержания окисей азота (NOX). Планируется, что уже к концу этого года «лямбда-регулирование» будет внедрено на многих современных дизелях.


4.5. Система SCR
В октябре 2005 года, в странах Евросоюза для ав¬томобилей начали действовать более строгие экологические нормы Евро 4, которые сменили Евро 3. И сегодня мировые авто¬производители активно работают над тем, чтобы сделать выхлоп двига¬телей как можно чище.
В то же время необходимо считаться с покупателем, для которого важно, чтобы автомобиль был относительно дешев и прост в эксплуата¬ции. Все это требует эффективных и вместе с тем недорогих систем. Специалисты DaimlerChrysler создали одну из них – SCR (Selective Catalytic Reduction, что можно перевести как «селектив¬ный каталитический преобразователь»).
Принцип действия системы SCR (рис.16) заключается в химической реакции аммиака с окисью азота выхлопных газов, в результате кото¬рой образуются безвредный азот и водяной пар.
Здесь, правда, возникает один вопрос: а как перевозить на ав¬томобиле аммиак – довольно токсичное вещество? Известный концерн Total в свое время создал безопасный заменитель аммиака, разрабо¬танный на водной основе и соответствующий стандартам DIN 70070. Сегодня он широко применяется в сельском хозяйстве, текстильной промышленности, а также при изготовлении косметики и парфюмерии. Данная жидкость – совершенно не токсичная, без цвета и запаха – в «автомобильном» исполнении называется AdBlue.
Селективный преобразователь состоит из двух основных узлов: непосредственно каталитического нейтрализатора с сотовой структу¬рой, вмонтированного в глушитель автомобиля, и дополнительного бака под аммиачный заменитель AdBlue. Так что установка системы SCR на автомобили с моторами Евро 3 не потребует кардинального из¬менения их конструкции.
Средний расход «голубой» жидкости – около 6% от потребляемого автомобилем дизтоплива: например, для магистрального тягача он со-ставляет около 2 л на 100 км. Таким образом, 100-литрового бака с AdBlue хватит на 5000 км пути.
Двигатель оснащается дополнительным модулем, совмещенным с электронной системой управления мотором, который точно дозирует количество жидкости AdBlue, подаваемой в выпускной коллектор.
Но это еще не все. Очень важно, что моторы с системой SCR су-щественно экономичнее: например, на дальнобойных грузовиках расхо-дуется на 30% меньше топлива. А чем выше экономия – тем меньше со-держание вредных веществ в выхлопных газах.
Работы над технологией очистки SCR были начаты еще в 90-е гг. Сегодня система практически готова к серийному производству. Осна¬щать грузовики и автобусы Mercedes-Benz системой SCR должны начать в I-м полугодии 2005 года, с тем, чтобы к октябрю 2006 года – пре¬дельному сроку перехода на Евро 4 – все вышеуказанные машины марки имели селективный преобразователь выхлопных газов. После небольшой модернизации системы SCR оснащенные ею дизельные моторы будут со¬ответствовать экологическим нормам Евро 5, введение которых наме¬чено на октябрь 2008 года.
Однако нужно решить еще одну важную проблему – создать раз-ветвленную сеть специальных АЗС, на которых можно будет заправ¬ляться «голубым» топливом AdBlue. Концерн Total и другие произво¬дители уже активно работают над этим. Результат не заставил себя долго ждать: 26 ноября 2003 года в Штутгарте была торжественно от¬крыта первая автозаправочная станция AdBlue. Пока на ней будут за¬правляться только проходящие испытания с системой SCR автомобили Mercedes-Benz.





Заключение
Увы, нам пока не до таких нюансов, как токообогрев нейтрализа¬торов или индивидуальный контроль сгорания с помощью специальных датчиков в каждом из цилиндров. Россия по уровню автомобильной техники находится сейчас на пороге первой фазы эры нейтрализации — нам надо хотя бы внедрить нейтрализаторы на отечественные автомо¬били. Как это было сделано 30 лет назад в Америке и Японии, при¬дется правительственными решениями "закрутить гайки" всем без ис¬ключения автозаводам и принудить их к выпуску автомобилей, отве¬чающих реально выполнимым экологическим требованиям. Правда, от этого немедленно пострадаем мы, покупатели, — ведь автомобили с впрыском и нейтрализатором немедленно станут дороже.
Также надо обязательно решить проблему с этилированным и не-чистым, с большим количеством вредных примесей, бензином — иначе нейтрализаторы будут очень быстро терять свои способности. И пере-оборудование для этой цели нефтеперерабатывающих заводов по всей стране — это тоже вопрос государственного уровня.
Помимо этого, есть еще масса проблем. Оборудовать ли нейтрали-заторами те автомобили, что уже выпущены? В Соединенных Штатах, например, разрешено эксплуатировать старые карбюраторные машины — это позволяет высокая скорость обновления автопарка. В Германии это тоже разрешено, но владельцы машин без нейтрализаторов платят больший налог. И стремятся от них побыстрее избавиться. У нас же автомобиль служит до тех пор, пока не сгниет второй кузов и не застучит после четвертой переборки мотор.

Список литературы

1. Леонид Голованов. «Дышать! Лучше поздно, чем никогда». «Авторевю» №1, 1998
2. Алексей Воробьев-Обухов, Витольд Стрелков. «Плазматрон-нейтрализатор». «За рулем» №3, 2001
3. Алексей Воробьев-Обухов. «Задержать и уничтожить». «За ру-лем» № 12, 2003
4. Владимир Корницкий. «Катализаторы с обратной связью». «Автоцентр» №49, 2002
5. Николай Казаков, Ирина Масленникова. «Экологическая безопас-ность транспорта». «Автобизнесмаркет» №14, 2004
6. www.w3.org/TR
7. www.autoua.net
8. www.npcgsm.ru
9. www.au92.ru
10. www.autonews.ru
11. www.rian.ru

Примечания
1) В эксплуатационных документах автомобиля предприятие-изготовитель указывает штатную комплектацию автомобиля оборудованием для снижения выбросов загрязняющих веществ; предельно допустимое содержание оксида углерода, углеводородов и допустимый диапазон значений коэффициента избытка воздуха.
2) Для автомобилей с пробегом до 3000 км нормативное значение содержания оксида углерода и углеводородов в отработавших газах установлено технологическими нормами предприятия-изготовителя.

< Скачать ПРЕДЫДУЩИЙ реферат		Скачать СЛЕДУЮЩИЙ реферат >