Двухкомпонентный нейтрализатор это устройство

При современном уровне развития техники наиболее эффективным способом снижения токсичности выхлопа является нейтрализация токсичных компонентов отработавших газов с использованием химических реакций окисления и (или) восстановления. С этой целью в выпускную систему двигателя устанавливают специальный термический реактор (каталитический нейтрализатор). Постоянное повышение экологических требований к выбросам вредных веществ заставляет автопроизводителей совершенствовать системы нейтрализации.

Как работает каталитический нейтрализатор

Системы нейтрализации бензиновых двигателей

Еще при введении норм Евро-3 в методику испытаний добавили режим холодного пуска: измерения производятся сразу же после запуска двигателя при температуре -7 градусов. При отрицательных температурах смесь нужно сильно обогащать – количество СО и СН при этом в выхлопных газах резко возрастает. А не успевший прогреться до рабочей температуры каталитический нейтрализатор практически бездействует.

Для решения этой проблемы было найдено несколько способов. Первый, сравнительно простой – расположить нейтрализатор не под днищем автомобиля, а поближе к выпускному коллектору. Так появились катколлекторы, в которых два узла объединены в один. Для более быстрого прогрева их изготавливают не из чугуна, а из тонкой стали. Чтобы уменьшить потери тепла предусматривается теплоизоляция.

Ускорить прогрев нейтрализатора можно и другим способом – добавить в выхлопные газы воздуха с одновременным обогащением топлива. Таким образом «лишняя» горючая смесь, догорая вне цилиндра, повышает температуру отработанных газов, а они, в свою очередь, быстрее нагревают нейтрализатор. В двигателях с непосредственным впрыском того же эффекта добиваются подачей дополнительной порции бензина во время рабочего хода. Есть и третий способ – разогрев нейтрализатора электрическим термоэлементом.

Повысить точность работы системы нейтрализации удалось добавлением второго датчика кислорода. Первый предназначен для контроля качества смеси – богатая она или бедная. А по показаниям второго контроллер более точно корректирует работу системы топливоподачи. Еще более совершенными являются широкополосные датчики – они способны определять, насколько соотношение воздуха и бензина отличается от стехиометрического.

Произошли изменения и в материале изготовления сот нейтрализатора. Мы привыкли к тому, что их изготавливают из керамики. Но она имеет ряд недостатков – в силу своей хрупкости не переносит тряски и ударов, быстро разрушается некачественным топливом или в случае нарушений в работе ЭСУД. В настоящее время все больше применяются соты из металлической проволоки. Они медленнее прогреваются и имеют меньшую рабочую поверхность, зато легко переносят механические воздействия и высокие температуры. Очень важно также то, что металлические соты создают намного меньшее сопротивление потоку выхлопных газов.

Еще одну проблему пришлось решать для современных двигателей с непосредственным впрыском, которые способны работать на бедных смесях. При этом достигается заметная экономия топлива, однако количество оксидов азота в выхлопных газов также значительно возрастает. Обычный нейтрализатор не в состоянии с ними справиться. Поэтому в выпускную систему дополнительно вводится NO-накопитель. Конструктивно он практически не отличается от обычного нейтрализатора, за исключением веществ, которыми покрываются его соты. Оксиды калия, стронция, циркония, кальция, лантана, бария задерживают оксиды азота. Периодически рабочая смесь обогащается, и накопленные вредные вещества выжигаются, разлагаясь при этом на азот и углекислый газ. Располагается накопитель после нейтрализатора, так как для его работы нужна более низкая температура (около 400 градусов).

Системы нейтрализации дизельных двигателей

Другой подход нужен к дизелям. Здесь приходится бороться с углеводородами, оксидами азота и сажей (твердыми частицами). Сажевые фильтры придуманы давно. В первых конструкциях накопившуюся сажу периодически выжигали при температуре около 600 градусов, кратковременно обогащая смесь. Но при этом увеличивался выброс других вредных веществ. Поэтому в современных конструкциях сажевый фильтр объединили с окислительным нейтрализатором. Одно устройство и оксиды азота разлагает, и сажу сжигает, причем при более низкой температуре (около 250 градусов).

Для очистки выхлопа грузовиков дополнительно применяется технология SCR (Selective Catalitic Reduction). Ее суть – периодический впрыск в нейтрализатор раствора мочевины (AdBlue). Там она превращается в аммиак и вступает в реакцию с оксидами азота. В результате образуются безвредные азот и вода.

Однако возможности ученых и изобретателей не безграничны. Нормы Евро-6, по всей видимости, – предел, достижимый современными ДВС. А дальше придется искать другие экологически чистые источники энергии.

Практические рекомендации

Во время и после работы двигателя корпус нейтрализатора имеет достаточно высокую температуру. В связи с этим, во избежание пожара, не следует парковать автомобиль над легко воспламеняющимися предметами, например сухими листьями, травой, бумагой и т.д.

Следует соблюдать основные правила, направленные на предупреждение ситуации, когда в нейтрализатор может попасть значительное количество несгоревшего топлива. В этом случае возможная вспышка может привести к его разрушению.

Наиболее общие рекомендации таковы:

• не следует бесполезно крутить двигатель стартером длительное время;
• нельзя пускать двигатель путем буксировки. Следует использовать метод “прикуривания” от другого автомобиля;
• запрещается проверять работу цилиндров, отключая свечи зажигания.
• при перебоях в работе системы зажигания не допускайте работы двигателя с высокой частотой вращения коленвала до устранения неисправности;
• не заливайте моторное масло сверх максимального уровня. Излишки масла, попав в каталитический нейтрализатор, могут повредить покрытие или полностью разрушить его.

Системы нейтрализации отработавших газов

Системы нейтрализации отработавших газов

Регулировка токсичности у двигателей современных автомобилей в большинстве случаев или не требуется или сильно ограничена. В то же время у двигателей автомобилей прошлых лет выпуска, особенно с карбюраторами, токсичность выхлопа напрямую связана с техническим состоянием системы питания и зажигания и их регулировкой.
Экологические требования к автомобилю и его двигателю являются в настоящее время приоритетными. Экологическая чистота выхлопа закладывается в конструкцию двигателя и автомобиля в целом еще на стадии проектирования. Далее в эксплуатации характеристики токсичности должны оставаться стабильными. Регулировка токсичности у двигателей современных автомобилей в большинстве случаев или не требуется или сильно ограничена. В то же время у двигателей автомобилей прошлых лет выпуска, особенно с карбюраторами, токсичность выхлопа напрямую связана с техническим состоянием системы питания и зажигания и их регулировкой. Поэтому в настоящее время ремонт двигателя, какой бы сложности он ни был, не может считаться квалифицированным и качественным, если токсичность выхлопа двигателя после ремонта превышает установленные допустимые пределы.

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.
Из 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 Nox 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.

Первые шаги

Тревогу впервые забили в Соединенных Штатах, где проблему загазованности в крупных городах с высокой степенью автомобилизации ощутили уже после второй мировой войны. Но реакция на исследования по уменьшению токсичности автомобильных выхлопов, проведенные в 1952 году в Лос-Анджелесе, тогда была нулевой — газеты посмеивались, что дешевле перенести город из чашеобразной низины на другое место, чем совершенствовать автомобили.
Однако от проблемы уйти не удалось. В конце 60-х годов, когда мегаполисы Америки и Японии стали буквально задыхаться от смога, инициативу взяли на себя правительственные комиссии. Именно законодательные акты об обязательном снижении уровня токсичных выхлопов новых автомобилей вынудили промышленников усовершенствовать двигатели и разрабатывать системы нейтрализации.

В 1970 году в Соединенных Штатах был принят закон, в соответствие с которым уровень токсичных выхлопов автомобилей 1975 модельного года должен был быть в среднем наполовину меньше, чем у машин 1960 года выпуска: СН- на 87%,СО- на 82% и NОх — на 24%. Аналогичные требования были узаконены в Японии и в Европе.

Эра нейтрализации

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. И в начале 70-х годов появились первые каталитические нейтрализаторы отработавших газов — тогда еще 2-компонентные, так называемого окислительного типа. Двухкомпонентными они назывались потому, что могли нейтрализовать только два токсичных компонента — СО и СН. Окислительными — потому, что происходившие реакции представляли из себя окисление (т.е. дожигание) молекул СО и СН с образованием углекислого газа и воды:
2СО+О2 2СО2 (температура 250…300 град. Цельсия)
СmНn+(m+n/4)О2 mСО2+n/2Н2О (температура 400 град. Цельсия)
Принципиально конструкция нейтрализаторов с тех пор не менялась. Это корпус из нержавеющей стали, включенный в систему выпуска до глушителя. В корпусе располагается блок носителя с многочисленными продольными порами, покрытыми тончайшим слоем вещества катализатора, 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. Ею, в чистом виде или с добавлением палладия, и стали покрывать керамические соты нейтрализаторов.
Чтобы увеличить площадь контакта каталитического слоя с выхлопными газами, на поверхность керамических сот наносится подложка толщиной 20-60 микрон с развитым микрорельефом
Под давлением следующих ужесточений законодательства прогресс пошел дальше. Применение каталитических нейтрализаторов (КН) потянуло за собой более широкое распространение бессвинцовых бензинов, поскольку содержащийся в обычном этилированном бензине тетраэтилсвинец (ТЭС) «отравлял» платину, сводя на нет ее каталитическое действие. Автопроизводители стали переводить двигатели на неэтилированный бензин, а нефтяные кампании — увеличивать долю его выпуска. На американских автомобилях 1975 года появились транзисторные системы зажигания с высокой энергией искры и свечи с медным сердечником центрального электрода — это свело к минимуму пропуски зажигания и последующие вспышки несгоревшего топлива в нейтрализаторе, которые грозят оплавлением керамики.
А что же третий токсичный компонент — окислы азота NОх? Сперва с ним боролись, только понижая температуру сгорания горючей смеси,- оснащали двигатели устройствами рециркуляции отработавших газов в камере сгорания (EGR). Но этого оказалось недостаточно. Появились современные трехкомпонентные системы, каталитический слой которых, как правило, содержит не только платину и палладий, но и добавку редкоземельного элемента родия. В результате химических реакций на поверхности разогретого до 600-800 град.Цельсия катализатора вредные компоненты СО,СН,NОx превращаются в H2O,СО2,N2:
2NO+2СО N2+2СО2
2NO+2Н2 N2+2Н2О
Как правило, носителем в нейтрализаторе служит спецкерамика — монолит со множеством продольных сот-ячеек , на которые нанесена специальная шероховатая подложка. Это позволяет максимально увеличить эффективную площадь контакта каталитического покрытия с выхлопными газами — до величин около 20 тыс. м2. Причем вес благородных металлов, нанесенных на подложку на этой огромной площади, составляет всего 2-3 грамма!!! Керамика сделана достаточно огнеупорной- выдерживает температуру до 800-850 град. Цельсия. Но все равно при неисправности системы питания и длительной работе на переобогащенной рабочей смеси монолит может не выдержать и оплавится — и тогда КН выйдет из строя. Именно поэтому так проблематично выглядит использование керамических КН с карбюраторными двигателями.
Впрочем, все шире в качестве носителей каталитического слоя используются тончайшие металлические соты. Это позволяет увеличить площадь рабочей поверхности, получить меньшее противодавление, ускорить разогрев КН до рабочей температуры и, главное, расширить температурный диапазон до 1000-1050 град. Цельсия. Делают это на Западе, конечно же, не для применения карбюраторов — там они почти забыты. Просто с появлением современных двигателей, работающих на переобедненных смесях, растут требования и к КН — они должны выдерживать более жесткие условия, которые керамике уже не по зубам. Вдобавок, как показывают результаты испытаний, основную массу токсичных соединений современные двигатели выбрасывают сразу после холодного старта. Поэтому КН стараются разместить поближе к выпускному коллектору, где он быстрее выходит на рабочий температурный режим. Появились нейтрализаторы с металлическими электрообогреваемыми сотами, которые сразу после поворота ключа в замке зажигания мгновенно раскаляются при пропускании сильных токов в сотни ампер. А чтобы зонд не «отставал» от КН, подогревают и его. Широкое использование нейтрализаторов «взорвало» мировой рынок благородных металлов: 35% потребляемой платины, 45% палладия, 90% родия идет в автомобильные выпускные системы.
Помимо нейтрализатора, на многих японских и американских двигателях устанавливают так называемые термические реакторы. Такие устройства позволяют при подмешивании к отработавшим газам воздуха доокислить СО и СН, снижая их концентрацию за счет реакции с кислородом воздуха при высокой температуре (свыше 500 град. Цельсия). Реакторы особенно эффективны на режимах богатой смеси при больших нагрузках, не выходят из строя со временем, однако не дают полного окисления СО и СН, поэтому применяются как дополнительные устройства перед нейтрализатором.
Рециркуляция отработавших газов применяется на двигателях не менее широко. Основная задача рециркуляции — снижение выбросов NОх. Это особенно важно, когда в нейтрализаторе не обеспечено точное поддержание состава смеси (подобная ситуация характерна для карбюраторной системы питания). Рециркуляция предполагает отбор выхлопных газов в количестве до 10-12% и подачу их на вход двигателя на режимах средних и полных нагрузок.

Обратная связь

Трехкомпонентный нейтрализатор наиболее эффективен при определенном составе ОГ . 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 будет богаче, то упадет эффективность нейтрализации СО и СН, если беднее-NOX.Поддерживать стехиометрический состав горючей смеси можно было только одним способом- управлять смесеобразованием, немедленно получая информацию о процессе сгорания, т.е. организовав обратную связь. Решение стало эпохальным. В выпускной коллектор поместили специально разработанный кислородный датчик- так называемый лямбда-зонд .
Он вступает с раскаленными выхлопными газами в электрохимическую реакцию и выдает сигнал, уровень которого зависит от количества кислорода в выхлопе. По результатам мгновенного анализа, которым занимается электроника, можно быстро корректировать состав смеси в ту или иную сторону. Упрощенная схема системы представлена на рисунке. В настоящее время в качестве кислородного датчика в подавляющем большинстве систем топливодозирования используется датчик на основе ZrO2. Чувствительным элементом лямбда-зонда является колпачок, выполненный из керамики (ZrO2).
Внутренняя и внешняя поверхности колпачка покрыты платиной или ее сплавом, что выполняет роль катализатора и токопроводящих электродов. Двуокись циркония при высоких температурах приобретает свойство электролита, а датчик становится гальваническим элементом.
Принцип работы лямбда-зонда состоит в генерировании э.д.с., величина которой определяется соотношением парциальных давлений, а проще говоря, содержанием свободного кислорода в отработавших газах и в окружающем воздухе. Особенностью «циркониевого» датчика является то, что при незначительных изменениях состава смеси ( =1.02…0.98) э.д.с. на его выходе скачком изменяется от нескольких милливольт до почти одного вольта. Такая «релейная» характеристика датчика полностью определяет алгоритм работы всей системы автоматического регулирования. Датчик работает в диапазоне температур 350-900 град. Цельсия. Для расширения диапазона применяют датчики с электронным подогревом.
Упрощенный алгоритм работы системы -коррекции: обогащенная смесь — сгорание — увеличение сигнала -зонда- уменьшение расчетной длительности впрыска — впрыск — обедненная смесь — сгорание — уменьшение сигнала -зонда — увеличение расчетной длительности впрыска- впрыск. Весь цикл непрерывно повторяется, т.е. состав смеси в системе с контуром обратной связи непрерывно изменяется от =0,97..0,98 до =1,02..1,03.
В режиме замкнутого контура система работает только после достижения двигателем определенной температуры и прогрева кислородного датчика. Исключения составляют следующие режимы: режим максимальной мощности, режим торможения двигателем, режим ускорения, режим прогрева. На этих режимах сигнал кислородного датчика не учитывается.
Введение контура -коррекции наиболее просто реализуется в электронных системах впрыска дискретного действия. В таких системах происходит непрерывная коррекция длительности импульсов управления форсунками в соответствии с сигналами, поступающими от кислородного датчика.
В системах непрерывного действия КЕ-Джетроник, имеющих электронный блок управления, точная коррекция состава смеси также не вызывает особых затруднений и осуществляется посредством циклического изменения в небольших пределах (1..3 мА ) тока, подаваемого блоком в обмотки электрогидравлического регулятора.
Наиболее сложным с точки зрения количества дополнительных конструктивных изменений в этом плане являются системы К-Джетроник и карбюраторы.
В системе К-Джетроник точная коррекция состава смеси осуществляется посредством изменения давления в нижних камерах дозатора-распределителя. Такие системы (условное название К-лямбда) в достаточной степени отличаются от базовой версии. Давление топлива в нижних камерах системы К-лямбда не равно системному и может регулироваться благодаря перепуску топлива обратно в топливный бак через так называемый частотный клапан. Для управления этим клапаном используется сигнал изменяемой скважности, вырабатываемый специально вводимым в эту систему электронным блоком (скважность — отношение времени действия сигнала к времени периода повторения). Подобный принцип используется в карбюраторах с электронным управлением.
Дальнейшим развитием систем -коррекции являются адаптивные системы с возможностью «самообучения» в процессе эксплуатации. Суть работы таких систем заключается в том, что по мере изменения характеристик различных систем и компонентов двигателя в процессе эксплуатации (например, загрязнение форсунок, уменьшение компрессии, подсос воздуха) в специальной области памяти блока управления накапливаются «поправочные коэффициенты», используемые процессором при расчете длительности времени впрыска (в системах КЕ-Джетроник — величины тока ) на различных установившихся режимах. Это позволяет поддерживать стехиометрический состав смеси даже при значительных отклонениях в состоянии системы. Если обычные системы с -регулированием обладают возможностью коррекции количества впрыскиваемого топлива в пределах 10…15% от базового расчетного значения, то современные адаптивные системы способны обеспечить диапазон до 40…50%.

Лекарство от недугов дизеля

Если сравнить состав отработавших газов бензиновых двигателей и дизелей, то становится ясно, что «дизельный выхлоп в первую очередь необходимо очищать от окислов азота, диоксида серы и сажи. Токсичные компоненты составляют 0,2-5,0% от объема отработавших газов, в зависимости от типа двигателя и режима его работы. Причем сажа сама по себе нетоксична, но она адсорбирует на поверхности частиц канцерогенные полициклические углеводороды, в том числе наиболее вредный и токсичный бенз(а)пирен.
Сравнительно низкий уровень СО,СН и NOX в отработавших газах дизеля не требовал в прошлом установки специальных устройств для снижения токсичности. Однако в последние годы ужесточение норм токсичности коснулось и дизелей — на многих моделях автомобилей с дизельными двигателями появились системы снижения токсичности выхлопа, включающие рециркуляцию отработавших газов, КН и специальный сажевый фильтр. Такие фильтры через определенные временные интервалы подвергаются регенерации при помощи кислорода, который содержится в ОГ. Во время такой регенерации увеличивается выброс вредных веществ в атмосферу, а также возрастает тепловая напряженность двигателя.

В разработанной Фольксвагеном системе нейтрализации «дизельного» выхлопа регенерация происходит благодаря использованию диоксида азота (NO2), который содержится в катализаторе окисления. Катализатор окисления, расположенный рядом с двигателем, очищает отработавшие газы от СО и СН. В это время во втором катализаторе интенсивно образуется NO2, необходимый для окисления твердых частиц. Для снижения в ОГ газообразных окислов азота использован накопительный катализатор окислов азота. Этот катализатор имеет специальное покрытие, которое позволяет ему как губке впитывать в себя поступающие из двигателя окислы азота. Через определенные промежутки времени необходимо очищать катализатор богатой горючей смесью.
Система очистки отработавших газов дизелей, созданная Пежо, включает в себя блок управления работой двигателя, датчики давления, систему дозировки специальной присадки к топливу, систему питания Common rail и фильтр, который очищает от сажи и выполняет функцию катализатора. В качестве фильтрующего материала фильтра-катализатора используется карбид кремния, который имеет пористую структуру, где накапливаются частицы сажи. Очистка фильтра осуществляется путем подачи топлива в цилиндры с запозданием, чем обеспечивается повышение температуры ОГ. Для снижения температуры регенерации фильтра применяется специальная присадка, подмешиваемая к топливу. Очистка фильтра происходит по команде блока управления двигателем после каждых 400-500 км пробега. Необходимость очистки фильтра определяется блоком управления на основании показаний двух датчиков давления на входе и выходе фильтра.
Таким образом, современные комплексные системы очистки отработавших газов для дизелей состоят из каталитических и жидкостных нейтрализаторов, а также сажевых фильтров. Их ресурс ограничен, а стоимость высока из-за использования катализаторов на основе благородных металлов. Один из альтернативных методов нейтрализации отработавших газов — использование низкотемпературной плазмы. Исследования в Японии, США и в… России привели к созданию экспериментальных образцов оборудования, основанного на плазменных технологиях.
Низкотемпературная плазма состоит из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов, полученных в специальных устройствах при различных видах импульсных высоковольтных электрических разрядов (коронный, барьерный и др.), а также из нейтральных атомов и молекул.
Отработавшие газы дизеля направляются в плазмохимический реактор, предварительно пройдя сушку во влагоотделителе. В плазмохимическом реакторе к этим газам «подмешивают» масло. Под действием электрического разряда в трубках разрядного устройства частички сажи активно адсорбируют масло на своей поверхности. Для удаления сажи, частички которой находятся 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 высокую эффективность поглощения частичек сажи — до 100% во всем диапазоне оборотов дизеля. Из маслоотделителя часть отработавших газов можно направить во впускной коллектор (рециркуляция). Это снижает содержание оксидов азота в выхлопе.
По предварительным расчетам, плазменная очистка обойдется в 1,5-2 раза дешевле, чем в существующих многокомпонентных устройствах. Не требуется использовать благородные металлы, значительно увеличивается ресурс систем нейтрализации, сокращается время на их техническое обслуживание. Однако к промышленному выпуску плазмохимических реакторов можно будет перейти, когда удастся сократить затраты мощности на электропитание реактора. В опытных системах они достигают 4-5% и более от мощности дизеля.

Выводы

Не нужно считать экологические проблемы далекими от реальной жизни. Чистый воздух, качественные продукты питания нужны всем, особенно детям, здоровье которых только закладывается.
Реально страны СНГ по уровню автомобильной техники находятся сейчас на пороге первой фазы эры нейтрализации — надо хотя бы внедрить нейтрализаторы на выпускаемые заводами автомобили. Нужно правительственными решениями принудить автозаводы к выпуску автомобилей, отвечающих реально выполнимым экологическим требованиям. Для этого необходимо оборудовать автомобили с бензиновыми двигателями трехкомпонентными нейтрализаторами и системами впрыска топлива.
Нужно обязательно решить проблему с этилированным и нечистым бензином — иначе нейтрализаторы будут очень быстро терять свои способности. И переоборудование для этой цели нефтеперерабатывающих заводов- это тоже вопрос государственного уровня.
Наиболее сложно обстоит дело с уже выпущенными автомобилями с карбюраторными двигателями, так как работа нейтрализатора с карбюратором представляет ряд трудностей. В США, например, это решается быстротой обновления автомобильного парка страны, в Германии владельцы таких автомобилей уплачивают экологический сбор, что делает невыгодным его содержание. У нас же автомобиль эксплуатируется до тех пор, пока не проржавеет до лонжеронов кузов и не застучит двигатель после третьей переборки.
Существенная стоимость систем впрыска бензина и каталитических нейтрализаторов, на фоне низкой покупательной способности населения, пока не позволяет внедрить у нас жесткие нормы по токсичности отработавших газов. Ясно только одно, что через некоторое время и у нас наступит первая фаза эры нейтрализации.

Вакуумный водородно-кислородный двигатель, имеющий два рабочих такта за один оборот коленчатого вала

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания с изменяемой степенью сжатия. Техническим результатом является повышение экономичности двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что в цилиндр через золотниковый клапан поступает кислородно-водородная смесь при движении поршня от верхней мертвой точки. Затем золотниковый клапан закрывает поступление смеси в цилиндр, а после открытия окна с запальной свечой постоянного накаливания происходит поджиг смеси и совершается рабочий ход. При достижении поршнем нижней мертвой точки в полости цилиндра образуется вакуум, в результате чего атмосферное давление передвигает поршень обратно к верхней мертвой точке, а образующаяся при сгорании смеси вода выталкивается через дренажный клапан. 1 ил.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания.

Известен вакуумный двухтактный двигатель, содержащий цилиндр, поршень с кривошипно-шатунным преобразователем движения . Недостатком известного двигателя является малая его эффективность. Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности работы двигателя. Поставленная задача достигается тем, что в вакуумном двухтактном двигателе, содержащем цилиндр, поршень с кривошипно-шатунным преобразователем движения, согласно изобретению в цилиндр через золотниковый клапан поступает кислородно-водородная смесь при движении поршня от верхней мертвой точки, затем золотниковый клапан закрывает поступление смеси в цилиндр, а после открытия окна с запальной свечой постоянного накаливания происходит поджиг смеси и совершается рабочий ход, при достижении поршнем нижней мертвой точки в полости цилиндра образуется глубокий вакуум, в результате чего атмосферное давление передвигает поршень обратно к верхней мертвой точке, а образующаяся при сгорании смеси вода выталкивается через дренажный клапан. На чертеже представлен описываемый двигатель. Двигатель содержит цилиндр 1, поршень 2 с кривошипно-шатунным преобразователем движения 3, золотниковый клапан 4, запальную свечу 5 постоянного накаливания, установленную в окне 6 цилиндра 1, патрубки 7 подачи кислорода, патрубки 8 подачи водорода и дренажный клапан 9. Двигатель работает следующим образом. Цикл двигателя состоит из двух тактов. При движении поршня 2 от верхней мертвой точки (ВМТ) до отметки 10 в цилиндр 1 по патрубкам 7 и 8 через золотниковый клапан 4 поступают в газообразном состоянии соответственно кислород и водород. При дальнейшем движении поршня 2 золотниковый клапан 4 закрывает поступление газовой смеси в цилиндр 1. После открывания поршнем 2 окна 6 с запальной свечой 5 постоянного накаливания происходит поджиг рабочей смеси в цилиндре 1 и совершается рабочий ход поршня 2 до положения нижней мертвой точки (НМТ). При достижении поршнем 2 НМТ заканчиваются процессы сгорания и расширения в цилиндре 1, в результате чего в нем образуется глубокий вакуум. В этом случае действующее на поршень атмосферное давление передвигает его обратно к ВМТ. Образующаяся при сгорании кислородно-водородной смеси вода выталкивается через дренажный клапан 9. Работа двигателя происходит практически без шума и с экологически чистым выбросом (воды). Двигатель не нуждается в системе охлаждения, электрокоммутационном зажигании, в системе глушения шума выхлопа и традиционном газораспределительном механизме. Практическое создание такого двигателя при сегодняшнем уровне развития двигателестроения не представляет каких-либо трудностей. Источник информации 1. Международная заявка WO 92/12336 A1, опубл. 23.07.1992.

Формула изобретения

Вакуумный двухтактный двигатель, содержащий цилиндр, поршень с кривошипно-шатунным преобразователем движения, отличающийся тем, что в цилиндр через золотниковый клапан поступает кислородно-водородная смесь при движении поршня от верхней мертвой точки, затем золотниковый клапан закрывает поступление смеси в цилиндр, а после открытия окна с запальной свечой постоянного накаливания происходит поджиг смеси и совершается рабочий ход, при достижении поршнем нижней мертвой точки в полости цилиндра образуется вакуум, в результате чего атмосферное давление передвигает поршень обратно к верхней мертвой точке, а образующаяся при сгорании смеси вода выталкивается через дренажный клапан.

РИСУНКИ

Рисунок 1

Диагностика по широкополосным лямбда-зондам

Федор Рязанов

В предыдущих статьях мы с вами рассмотрели назначение, принципы работы и способы проверки «скачковых» датчиков кислорода (лямбда-зондов). Так же были рассмотрены те возможности в поиске дефектов (диагностике) топливной системы автомобиля, которые открывает правильный анализ показаний этих датчиков. Но все автомобилестроители в мире постепенно отказываются от них и переходят на так называемые «широкополосные» лямбда-зонды. Почему так происходит? И чем плохи датчики, которые верой и правдой служили на протяжении многих лет? Что бы ответить на данный вопрос, нам необходимо вернуться в прошлое и посмотреть, как развивалась борьба за экологию.

До 60-х годов прошлого века об экологии никто не думал. Автомобилей было мало, загрязнением атмосферы от них можно было пренебречь. Все сильно изменилось во время автомобильного бума в начале 60-х. Первым от «чуда современной цивилизации» под названием «автомобиль» пострадал американский штат Калифорния. Не очень удачное географическое положение и крайне неблагоприятная «Роза Ветров». Он очень плохо продувается и людям от выхлопных газов просто стало нечем дышать. И был принят ряд законодательных актов, заставляющих автопроизводителей повышать качество выпускаемых автомобилей по экологическим параметрам. До недавнего времени это был громадный рынок сбыта автомобилей. На нем торговали все мировые производители. А законы рынка очень жестоки – хочешь торговать на моем рынке, выполняй мои условия. Таким образом, требования законодательства Калифорнии незаметно распространились на весь мир. Отдельно хочется отметить рынок Европы. Тут «Роза Ветров» более благоприятная, и экологические требования к автомобилям более мягкие. И стандарты по экологии сразу разделились на «американские» – более жесткие, и «европейские» – чуть более мягкие. На данное время автомобильные рынки Старого и Нового Света практически заполнены. По расчетам аналитиков, свободные ниши имеются пока только в России и Китае. Поэтому к рынкам этих стран приковано пристальное внимание всех автопроизводителей мира. До недавнего времени экологии на этих рынках уделялось крайне незначительное внимание. Но вступление России в ВТО потребовало ужесточения экологических норм для выпускаемых в ней автомобилей. Как же выполнить все более ужесточающиеся международные экологические требования?

Напомню, что такое вредные выбросы. Это не сгоревшее топливо. При полном сгорании углеводородов всего топлива образуется только СО2 (углекислый газ) и Н2О (вода). Если топливо сгорает не полностью, в выхлопе образуются продукты неполного сгорания. Пресловутые СО и СН. Ну а если топливо полностью не сгорает, что происходит с крутящим моментом? Правильно – он падает! Что происходит с расходом топлива (если вы просто выливаете его в выхлопную трубу)? Правильно – он растет! И вот здесь полностью пересеклись интересы экологов, производителей автомобилей и нас – специалистов автосервисов. Исправный автомобиль имеет прекрасную динамику, низкий расход топлива и еще атмосферу не загрязняет! От чего зависит крутящий момент, расход топлива и вредные выбросы? Основное требование – система управления двигателем должна поддерживать стехиометрический состав смеси. По современным стандартам отклонение не должно превышать 2%. Для контроля над этим параметром как раз и служат датчики кислорода в выхлопе.

Широкое начало применения лямбда-зондов в автомобилестроении получило еще в конце70-х годов прошлого столетия. Появление «скачковых» датчиков кислорода позволило на тот момент решить эту задачу. Но для выполнения норм ЕВРО-4 и ЕВРО-5 точность этих датчиков перестала удовлетворять производителей. Их недостатком явилось то, что состав смеси они определяют только по наличию кислорода в выхлопе. Нет кислорода – либо стехиометрия, либо богатая смесь. Есть кислород – бедная смесь. Работают по принципу «Да – Нет». Системе лямбда регулирования постоянно приходиться чуть добавлять и убавлять топливо для того чтобы понять, находится ли система в зоне стехиометрии. Это приводит к некоторой задержке реакции системы при возникновении неизбежных отклонений и имеет определенную погрешность при измерении их величин. Для увеличения точности потребовались датчики, которые могут определить избыток или нехватку кислорода в процентах. Так появились широкополосные датчики кислорода. При возникновении малейшего отклонения от правильного состава смеси моментально дают блоку управления двигателя указание внести поправки и указывают их величину с достаточно большой точностью. На данный момент занимают лидирующее положение в автомобилестроении.

Для рассмотрения принципов работы широкополосных датчиков кислорода обратимся к ставшему уже классическим описанию, данному фирмой BOSCH в конце прошлого столетия и вошедшему практически во все учебные пособия и публикации в СМИ и в Интернете. К сожалению, данное описание не дает понимания алгоритмов их работы и (судя по вопросам на форумах) не всегда понятно специалистам автосервисов. Попробуем исправить эту ситуацию.

Условно систему лямбда-регулирования с широполосным датчиком кислорода можно разделить на 4 зоны (см. рис.1).Зона А – ионный насос, зона В – «скачковый» лямбда-зонд (элемент Нернста), зона С – разъем и проводка, зона D – блок управления двигателем (ЭБУ) 4.

Выхлопные газы 1 из выхлопной трубы 2 через канал поступают в диффузионную щель 6. Здесь они подвергаются каталитическому дожиганию (как в обычном катализаторе) и в ней (в зависимости от первоначального состава смеси в двигателе) образуется либо избыток, либо недостаток кислорода. Поскольку толщина щели невелика – около 50 мкм, процесс происходит очень быстро. Но для протекания реакции каталитического дожигания нужна температура (в зависимости от конструкции – от 200 до 300 градусов Цельсия). Учитывая тот факт, что температура отработавших газов (ОГ) на холостом ходу может и не достигать указанных значений, необходимым элементом является нагреватель3. Непрогретый лямбда-зонд не работоспособен.

Далее в работу вступает элемент Нернста 7 (зона В). Сравнивая состав контрольного воздуха в камере 5 с составом газов в щели 6, он дает информацию ЭБУ о наличии или отсутствии кислорода в ней. Только «да – нет». На основании этих показаний ЭБУ 4 дает команду ионному насосу 8 (зона А):

1. Откачать лишний кислород из щели в выхлопные газы. Если избыточный кислород там присутствует. Бедная смесь. Ток положительный.
2. Закачать недостающий кислород в щель. Если его там нехватка. Богатая смесь. Ионный насос «отнимает» кислород у продуктов выхлопа и перекачивает его в щель. Ток отрицательный.
3. Ничего не делать, если смесь стехиометрическая. Ток нулевой.

Ток ионного насоса прямо пропорционален разности концентраций кислорода на разных его сторонах. Таким образом, по полярности и величине тока этого элемента сразу же определяется состав смеси. Получив указание от ЭБУ, ионный насос пытается привести состав ОГ в щели, соответствующий стехиометрии. По его току ЭБУ понимает, куда и насколько отклонилась смесь, и сразу принимает меры по корректировке времени впрыска в ту или иную сторону. Колебания смеси ему не нужны – ЭБУ сразу видит абсолютные величины отклонений и выводит стехиометрию в идеал.

С началом применения широкополосных лямбда-зондов работа диагностов значительно облегчилась. Такой прибор, как газоанализатор, стал попросту ненужным. Если ЭБУ выводит показания в виде тока, то «нулевой» ток говорит о том, что системе лямбда-регулирования удалось вывести стехиометрию. По показанию коррекции смотрим, какой ценой и в какую сторону ему это удалось (см. рис. 2).

Если ток не нулевой. Это означает, что системе вывести стехиометрию не удалось. Причин тут две:

1. Неисправен сам лямбда-зонд. Как показывает практика, код ошибки в этом случае возникает крайне редко. Причина проста – чтобы проверить исправность датчика, ЭБУ обязан включить систему мониторинга. Т.е. принудительно обогатить или обеднить смесь. А это приводит к нарушению экологии! Поэтому мониторинг зонда проводиться нечасто. Например, два автомобиля Опель Вектра, оборудованные системой впрыска BOSCH и принимавшие участие в съемках фильма ОРТ «Левый Автосервис», обнаружили отказ этого датчика только через несколько часов после его возникновения.
2. Дефект критичен. Система корректировки по лямбда-зонду уже дошла до пределов своей регулировки, но смесь по прежнему отклоняется от стехиометрии. В этом случае возможен код «Превышение пределов топливной коррекции».

Действия диагноста в этих случаях заключаются:

А. Проверка самого лямбда-зонда.

В. Если зонд исправен, определяем состав смеси. Стандарт OBD2 гласит однозначно: положительный ток – бедная смесь. Отрицательный ток – смесь богатая. График зависимости тока от состава смеси приведен на рис.3. Ну а причины и способы устранения отклонения состава смеси достаточно подробно описаны в Интернете и учебных пособиях. Не будем повторяться.

Так выглядит идеальная картинка. Реалии куда более сложнее. Итак, давайте рассмотрим те «подводные камни», которые нас ждут при анализе показаний широкополосного лямбда-зонда.

Первый «подводный камень» заключается в том, что не все производители придерживаются стандарта. Очень часто ко мне приезжали автомобили, на которых стандарт был нарушен с точностью до наоборот! Положительный ток соответствовал богатой смеси, отрицательный – бедной. Но не стоит сразу винить производителей этих датчиков. Полярность тока зависит только от схемотехники и программного обеспечения ЭБУ.

ПРОВЕРКА: Необходимо в воздухозаборник работающего автомобиля добавить немного горючего вещества (принудительно обогатить смесь). На нашем автотехцентре мы используем обычный очиститель карбюратора. При наличии изменений показаний датчика однозначно говорим о его исправности и определяем, в какой полярности выводятся его показания на экран сканера.

Самый сложный случай, когда при этой проверке реакции широкополосного лямбда-зонда нет. Однозначного ответа – где дефект, дать невозможно. Вернемся опять к Рис.1 .

Дефект возможен в зонах А и В (сам датчик), зоне С (проводка) либо в самом ЭБУ – зона D. На большинстве сервисов все предлагают замену датчика, как наиболее вероятную причину. Но учитывая его стоимость, есть смысл обратиться к зоне С (проводке и разъему) для более глубокого поиска дефекта.

Pin 1. Ток ионного насоса. Проводиться миллиамперметром на 10 mA и в большинстве случаев этот замер затруднителен.

Pin 2. Масса. Отклонение от «массы» двигателя не более 100 mV. Если «масса» идет с ЭБУ, возможно наличие смещения, заложенного производителем. Необходимо свериться с мануалами.

Pin 3. Сигнал элемента Нернста. При отключенном разъеме должен составлять 450 mV. При подключенном разъеме – напряжение должно находиться в пределах 0…1v. Но некоторые производители могут отклоняться от этого правила. Принудительное обогащение смеси позволяет определить исправность этой цепи.

Pin 4 и 5. Напряжение подогревателя. На современных автомобилях управляется с помощью Широтно-Импульсной Модуляции (ШИМ). Проверка необязательна, ибо в случае ее отказа код ошибки с Р0036 по Р0064 (Heater Control HO2S) пробивается практически моментально.

Второй «подводный камень» заключается в том, что ЭБУ не может понимать ток. Его входные цепи способны оцифровывать только напряжения. И блоки управления начинают выводить на сканер не ток, а падение напряжения на каком то нагрузочном сопротивлении в ЭБУ. В зависимости от схемотехники блока оно в норме может иметь абсолютно разное значение. В потоке данных выводиться не ток, а какое-то абстрактное напряжение. Мануалы на конкретный автомобиль его указывают.

Но способы проверки точно такие же. Принудительное обогащение смеси позволяет определить исправность датчика, а просмотр топливной коррекции позволяет понять, в каком состоянии находиться система топливоподачи автомобиля.

Третий «подводный камень» заключается в том, большинство широкополосных датчиков не взаимозаменяемы друг с другом. Реклама настойчиво предлагает разнообразный выбор. На форумах часто звучат вопросы: «Какой датчик лучше поставить?». Как быть рядовому потребителю? Что выбрать?

Ответ дают сами производители автомобилей.

Ставить нужно только те датчики, которые рекомендовал завод-изготовитель. В противном случае, производитель не состоянии гарантировать правильную работу системы.

Устройство и принцип работы кислородного датчика

Кислородный датчик — устройство, предназначенное для фиксирования количества оставшегося кислорода в отработавших газах двигателя автомобиля. Он расположен в выпускной системе вблизи катализатора. На основе данных, полученных кислородником, электронный блок управления двигателем (ЭБУ) корректирует расчет оптимальной пропорции топливовоздушной смеси. Коэффициент избытка воздуха в ее составе обозначается в автомобилестроении греческой буквой лямбда (λ), благодаря чему датчик получил второе название — лямбда-зонд.

Коэффициент избытка воздуха λ

Прежде чем разбирать конструкцию датчика кислорода и принцип его работы, необходимо определиться с таким важным параметром, как коэффициент избытка воздуха топливовоздушной смеси: что это такое, на что влияет и зачем его измеряет датчик.

В теории работы ДВС существует такое понятие как стехиометрическое отношение – это идеальная пропорция воздуха и топлива, при которой происходит полное сгорание топлива в камере сгорания цилиндра двигателя. Это очень важный параметр, на основании которого рассчитывается топливоподача и режимы работы двигателя. Оно равняется 14,7 кг воздуха к 1 кг топлива (14,7:1). Естественно, такое количество топливовоздушной смеси не поступает в цилиндр в один момент времени, это всего лишь пропорция, которая пересчитывается под реальные условия.

Зависимость мощности (P) и расхода топлива (Q) от коэффициента избытка воздуха

Коэффициент избытка воздуха (λ) – это отношение действительного количества воздуха, поступившего в двигатель, к теоретически необходимому (стехиометрическому) для полного сгорания топлива. Говоря простым языком, это «на сколько больше (меньше) воздуха поступило в цилиндр, чем должно было бы».

В зависимости от значения λ различают три вида топливовоздушной смеси:

• λ = 1 — стехиометрическая смесь;
• λ < 1 — «богатая» смесь (избыток — топливо; недостаток — воздух);
• λ > 1 — «бедная» смесь (избыток — воздух; недостаток — топливо).

Современные двигатели могут работать на всех трех типах смеси, в зависимости от текущих задач (экономия топлива, интенсивное ускорение, снижение концентрации вредных веществ в отработавших газах). С точки зрения оптимальных значений мощности двигателя, коэффициент лямбда должен иметь значение около 0,9 («богатая» смесь), минимальный расход топлива будет соответствовать стехиометрической смеси (λ = 1). Наилучшие результаты по очистке отработавших газов будут также наблюдаться при λ = 1, поскольку эффективная работа каталитического нейтрализатора происходит при стехиометрическом составе топливовоздушной смеси.

Назначение датчиков кислорода

Расположение кислородных датчиков в системе выхлопа

Стандартно в современных автомобилях используется два датчика кислорода (для рядного двигателя). Один перед катализатором (верхний лямбда-зонд), а второй после него (нижний лямбда-зонд). Различий в конструкции верхнего и нижнего датчиков нет, они могут быть одинаковыми, но выполняют разные функции.

Верхний или передний кислородный датчик определяет содержание оставшегося кислорода в отработавших газах. По сигналу с данного датчика блок управления двигателем «понимает», на каком типе топливовоздушной смеси работает двигатель (стехиометрической, богатой или бедной). В зависимости от показаний кислородника и требуемого режима работы, ЭБУ корректирует количество топлива, подаваемого в цилиндры. Как правило, топливоподача корректируется в сторону стехиометрической смеси. Следует отметить, что при прогреве двигателя сигналы с датчика игнорируются ЭБУ двигателя до достижения им рабочей температуры. Нижний или задний лямбда-зонд используется для дополнительной корректировки состава смеси и контроля исправности работы каталитического нейтрализатора.

Конструкция и принцип работы кислородного датчика

Конструкция кислородного датчика

Существует несколько видов лямбда-зондов, применяемых на современных автомобилях. Рассмотрим конструкцию и принцип работы наиболее популярного из них — датчика кислорода на основе диоксида циркония (ZrO2). Датчик состоит из следующих основных элементов:

• Наружный электрод — осуществляет контакт с выхлопными газами.
• Внутренний электрод — контактирует с атмосферой.
• Нагревательный элемент — используется для подогрева кислородного датчика и более быстрого вывода его на рабочую температуру (около 300 °C).
• Твердый электролит — расположен между двумя электродами (диоксид циркония).
• Корпус.
• Защитный кожух наконечника — имеет специальные отверстия (перфорацию) для проникновения отработавших газов.

Устройство наконечника лямбда-зонда

Внешний и внутренний электроды покрыты платиновым напылением. Принцип работы такого лямбда зонда основан на возникновении разности потенциалов между слоями платины (электроды), которые чувствительны к кислороду. Она возникает при нагревании электролита, когда через него происходит движение ионов кислорода от атмосферного воздуха и выхлопных газов. Напряжение, возникающее на электродах датчика, зависит от концентрации кислорода в отработавших газах. Чем она выше, тем ниже напряжение. Диапазон напряжений сигнала кислородного датчика находится в пределах от 100 до 900 мВ. Сигнал имеет синусоидальную форму, у которой выделяются три области: от 100 до 450 мВ — бедная смесь, от 450 до 900 мВ — богатая смесь, значение 450 мВ соответствует стехиометрическому составу топливовоздушной смеси.

Виды лямбда-зондов

Помимо циркониевых используются также титановые и широкополосные датчики кислорода.

• Титановые. Этот вид кислородников имеет чувствительный элемент из диоксида титана. Рабочая температура такого датчика начинается от 700 °C. Титановые лямбда-зонды не требуют наличия атмосферного воздуха, поскольку принцип их работы основан на изменении выходного напряжения, в зависимости от концентрации кислорода в выхлопе.
• Широкополосный лямбда-зонд представляет собой усовершенствованную модель. Он состоит из цикрониевого датчика и закачивающего элемента. Первый измеряет концентрацию кислорода в отработавших газах, фиксируя напряжение, вызванное разницей потенциалов. Далее происходит сравнение показания с эталонной величиной (450 мВ), и, в случае отклонения, подается ток, провоцирующий закачивание ионов кислорода из выхлопа. Это происходит до тех пор, пока напряжение не станет равным заданному.

Ресурс кислородника и его неисправности

Лямбда-зонд — один из наиболее быстро изнашиваемых датчиков. Это связано с тем, что он постоянно контактирует с отработавшими газами и его ресурс напрямую зависит от качества топлива и исправности двигателя. Например, циркониевый кислородник имеет ресурс порядка 70-130 тысяч километров пробега.

Поскольку работа обоих кислородных датчиков (верхнего и нижнего) контролируется системой бортовой диагностики OBD-II, при выходе из строя любого из них будет зафиксирована соответствующая ошибка, а на панели приборов загорится контрольная лампа неисправности «Check Engine». Диагностировать неисправность в данном случае можно с помощью специального диагностического сканера.

Сигнал исправного кислородного датчика

При исправной работе кислородного датчика характеристика сигнала представляет собой правильную синусоиду, демонстрирующую частоту переключений не менее 8 раз в течение 10 секунд. Если датчик вышел из строя, то форма сигнала будет отличаться от эталонной, либо его отклик на изменение состава смеси существенно замедлится.

Основные неисправности кислородного датчика:

• износ в процессе эксплуатации («старение» датчика);
• обрыв электрической цепи нагревательного элемента;
• загрязнение.

Все эти виды проблем могут быть спровоцированы использованием некачественного топлива, перегревом, добавлением различных присадок, попаданием в зону работы датчика масел и чистящих средств.

Признаки неисправности кислородника:

• Индикация сигнальной лампы неисправности на приборной панели.
• Потеря мощности.
• Слабый отклик на педаль газа.
• Неровная работа двигателя на холостых оборотах.

Неисправность датчика может привести к сложностям в управлении автомобилем и стать причиной повышенного износа остальных деталей двигателя. А поскольку он не подлежит ремонту, его необходимо сразу заменить на новый.

Способы нейтрализации отработавших газов в выпускной сис­теме

1. Способы нейтрализации отработавших газов в выпускной сис­теме

Существует несколько способов нейтрализации отработавших газов в выпускной системе автомобиля:

1.Окисление отработавших газов путем подачи к ним дополнитель­ного воздуха в термических реакторах. Термические реакторы уста­навливают на многих японских и американских двигателях. Термиче­ский реактор представляет собой теплоизолированный объем со специ­альной организацией течения отходящих газов, устанавливаемый в вы­пускной 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 этилирован­ный бензин. Повысить температуру отработавших газов в реакторе можно, уменьшив теплопотери применением проставок-экранов, тепло­изоляцией корпуса реактора, использованием тепла реакции окисле­ния, а также кратковременным уменьшением угла опережения зажига­ния. 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 приме­няются как дополнительные устройства перед каталитическим нейтра­лизатором.

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 наи­более актуальный.

2. Нейтрализации отработавших газов в выпускной сис­теме бензиновых двигателей

Эволюция каталитических нейтрализаторов

В конце 60-х годов, когда мегаполисы Америки и Японии стали буквально задыхаться от смога, инициативу взяли на себя правитель­ственные комиссии. Именно законодательные акты об обязательном снижении уровня токсичных выхлопов новых автомобилей вынудили про­мышленников усовершенствовать двигатели и разрабатывать системы нейтрализации.

В 1970 году в Соединенных Штатах был принят закон, в соответ­ствии с которым уровень токсичных выхлопов автомобилей 1975 мо­дельного 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 каталити­ческие нейтрализаторы отработавших газов — тогда еще двухкомпонент­ные, так называемого окислительного типа. Двухкомпонентными они на­зывались потому, что могли нейтрализовать только два токсичных ком­понента — СО и СН. Окислительными — потому, что происходившие реак­ции 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 сердеч­ником центрального электрода — это свело к минимуму пропуски зажи­гания 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 сту­пенях, а о трех подавляемых классах вредных веществ.

К 1990 году нейтрализатор переехал вплотную к выпускному кол­лектору, 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 углево­дородов (СН), задерживающая их при пуске мотора и лишь после на­грева до 220°С отдающая на «съедение» готовому к работе катализа­тору.

Устройство и принцип действия каталитических нейтрализаторов

Современные каталитические нейтрализаторы – это трехкомпонент­ные каталитические нейтрализаторы.

Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор представляет со­бой корпус из нержавеющей стали, включенный в систему выпуска до глушителя. В корпусе располагается блок носителя с многочисленными продольными порами, покрытыми тончайшим слоем вещества катализа­тора, 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 происхо­дят необходимые химические реакции – окисление монооксида углерода (СО) и несгоревших углево­дородов (СН), а также сокращение количества окиси азота (NOx). В трехкомпонентном нейтрализаторе платина и палладий вызывают окис­ление 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 вы­хлопными 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 благо­родных металлов, нанесенных на подложку на этой огромной площади, составляет всего 2-3 грамма!!! Керамика сделана достаточно огне­упорной – выдерживает температуру до 800-850 ºС. Но все равно при неисправности системы питания и длительной работе на переобогащен­ной 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, полу­чить меньшее противодавление, ускорить разо­грев каталитического нейтрализатора до рабо­чей температуры и, главное, расширить темпе­ратурный диапазон до 1000-1050ºС. Соты ней­трализаторов Metalit, изображенного на ри­сунке 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 нейтрали­затор выдерживает пиковые температуры до 1300ºС.

Делают это на Западе, конечно же, не для применения карбюрато­ров — там они почти забыты. Просто с по­явлением современных двигателей, рабо­тающих 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 нейтрализа­торе выглядит так:

CH+O2 -> CO2+H2O; NO+CO -> N2+CO2;

CO+O2 -> CO2; NO+H2 -> N2+H2O.

В результате токсичные со­единения CO, CH и NOx окисля­ются 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.

Разогрев каталитического нейтрализатора

На первый взгляд может показаться, что установка катализатора решает все экологические проблемы. Однако, температура, при кото­рой катализатор начинает действовать (температура активации), на­ходится 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 катализа­тор практически неэффективен – следовательно, необходимо уменьшить время достижения температуры активации.

К 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”. Подогреватель на металлической опоре крепится внутри катализатора (рис.4); его мощность – от 0,5 до 2, иногда 4 кВт, в зависимости от вели­чины сопротивления (от 0,05 до 0,35 Ом). Для примера, элемент в 1,5 кВт разогревает катали­затор до 400°С за 10 секунд.

Компания ЭCИA пошла другим путем и предложила пусковой катализатор. Он размещается в специальном ответвлении выпу­скной системы, имеет меньшие, чем основной, размеры и, стало быть, прогревается быстрее, после чего приводит в рабочее состояние ”стар­шего брата”.

Чтобы снизить вредные выбросы при пуске хо­лодного двигателя, иногда применяют также встроенный в катализатор адсорбер углеводоро­дов. Как только рабочая температура достигнута, последние ”освобождаются” и окисляются самим катализатором. Среди подобных устройств можно назвать нейтрализатор ”Эдкэт” фирмы ”Делфай” или ”Пума” фирмы ”Корнинг”.

Обратная связь

Трехкомпонентный нейтрализатор наиболее эф­фективен 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 бу­дет богаче, то упадет эффективность нейтрализации СО и СН, если беднее — NOX.

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

В выпускной коллектор поместили специально разрабо­танный кислородный датчик — так назы­ваемый 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 раска­ленными выхлопными газами в электрохимическую реакцию и выдает сигнал, уровень кото­рого зависит от количества кислорода в вы­хлопе.

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 при­нимает 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 от­слеживает эффективность нейтрали­зации.

Впервые трехкомпонентные ней­трализаторы с обратной связью и кислородным датчиком появились на двигателях автомобилей Volvo в 1977 году. А сейчас ими оснащены все без исключения автомобили, ко­торые продаются на рынках цивилизованных стран.

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, изменяю­щий напряжение в зависимости от температуры и наличия кислорода выхлопной трубе. Материал его, как правило, керамический элемент на ос­нове 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 ки­слорода 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 кон­троллеру впрыска о концентрации кислорода в отработавших газах. Контроллер принимает сигнал с лямбда-зонда, сравнивает его со зна­чением, прошитым в его памяти и, если сигнал отличается от оптимального для теку­щего режима, корректирует длительность впры­ска топлива в ту или иную сторону. Таким об­разом, осуществляется обратная связь с кон­троллером впрыска и точная подстройка режи­мов работы двигателя под текущую ситуацию с достижением максимальной экономии топлива и минимизацией вредных выбросов.

Бензиновому двигателю для работы требуется смесь с определен­ным соотношением воздух-топливо. Соотношение, при котором топливо максимально полно и эффективно сгорает, называется стехиометриче­ским и составляет 14,7:1. Это означает, что на одну часть топлива следует взять 14,7 частей воздуха. На практике же соотношение воз­дух-топливо меняется в зависимости от режимов работы двигателя и смесеобразования. Двигатель становится неэкономичным.

Коэффициент избыточности воздуха при работе двигателя посто­янно 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, ра­ботает на холостом ходу), необходимо по возможности более строгое соблюдение равенства для того, чтобы трехкомпонентный катализа­тор смог полностью выполнить свое предназначение и сокра­тить 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). Одно­проводный датчик имеет только один провод, который является сиг­нальным. 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 темпе­ратуры датчика начинается от 300 ºС. До достижения этой темпера­туры датчик не работает и не выдает сигнала. Стало быть, необхо­димо устанавливать этот датчик как можно ближе к цилиндрам двига­теля, чтобы он подогревался и обтекался наиболее горячим потоком выхлопных газов. Процесс нагрева датчика затягивается, и это вно­сит задержку в момент включения обратной связи в работу контрол­лера. Кроме того, использование самой трубы в качестве проводника сигнала (земля) требует нанесения на резьбу специальной токопрово­дящей смазки при установке датчика в выхлопной трубопровод и уве­личивает вероятность сбоя (отсутствия контакта) в цепи обратной связи.

Указанных недостатков лишены трех- и четырехпроводные лямбда зонды. В трехпроводный кислородный датчик добавлен специальный на­гревательный элемент, который включен, как правило, всегда при ра­боте двигателя и, тем самым, сокращает время выхода датчика на ра­бочую 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 че­тырехпроводный 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 эксплуата­ции, 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 темпера­тура для них обычно 315-320°C. В конструкцию этих датчиков включен нагревающий элемент, имеющий на разъеме свои кон­такты. Проверку работоспособности нагревательного элемента та­ких датчиков можно производить обычным омметром. Сопротивле­ние 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 отрегулиро­вать содержание СО в выхлопных газах. Неисправный лямбда-зонд не­минуемо вызовет повышенный расход топлива и снижение мощностных характеристик двигателя. Следует отметить, что далеко не все неис­правности лямбда-зонда фиксируются блоком управления, а если фик­сируются, то блок управления переходит в режим управления впры­ском по усредненным параметрам, что тоже приводит к перечисленным выше результатам. Поэтому рекомендуется при малейших подозрениях провести диагностику, а при выявлении неисправности заменить лям­бда-зонд.

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 «пус­тячки».

Во-первых, как известно, даже случайная заправка бака этилиро­ванным бензином выводит катализатор из строя. Он окончательно «от­равляется» 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 систе­мой управления, такой точностью и быстродействием для поддержания требуемого состава смеси не обладает.

Таким образом, катализатор эффективен лишь в сочетании с сис­темой впрыска топлива с электронным управлением. На автомобиле появился микропроцессор, который, анализируя данные о температуре, расходе воздуха через коллектор, оборотах и т.п., а главное — сиг­налы, 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 — ка­тализатор теряет свою эффективность, причем в некоторых случаях навсегда. Поэтому микропроцессор контролирует работу систем и аг­регатов автомобиля, а о неисправностях сообщает водителю.

Есть и еще одна проблема — каталитический нейтрализатор хорошо справляется с окислами азота, только когда их мало. Упрощенно кар­тина такова: окислов азота тем больше, чем выше температура в ка­мере 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 нейтрализа­тор вредит двигателю.

Но и мотор не остается в долгу. Явный вред катализатору прино­сит так называемое перекрытие клапанов — момент, когда одновре­менно открыты впускной и выпускной клапаны. В цилиндре возникает, так сказать, сквозняк: рабочая смесь вылетает в выхлопную трубу через открытый выпускной клапан и отравляет чувствительный катали­затор. Однако перекрытие клапанов способствует лучшему наполнению цилиндров и повышению мощности мотора, поэтому пока ни один совре­менный двигатель без этого не обходится. Здесь приведены лишь не­которые примеры, показывающие, что в автомобиле все не просто.

Информация о работе «Системы нейтрализации отработавших газов в выпускной системе ДВС» Раздел: Экология
Количество знаков с пробелами: 40029
Количество таблиц: 5
Количество изображений: 18

Похожие работы

146575 5 12

… присадками к топливу, промывка без демонтажа форсунок с помощью специальной установки и промывка на ультразвуковом стенде с демонтажом форсунок. 2. Исследование работы и процесса технической эксплуатации форсунок бензиновых двигателей 2.1 Конструкция электромагнитных форсунок Рассмотрим устройство и принцип действия форсунок на примере форсунки фирмы Бош, а также неисправности которые …

67020 0 0

… ) в атмосферу выбрасывается около 2 тыс. куб. м условного оксида углерода и более 150 т. пыли. Производство цемента и других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью. Основные технологические процессы этих производств — измельчение и химическая обработка шихт, полуфабрикатов и получаемых продуктов в потоках горячих газов всегда сопровождается выбросами пыли и …

63035 16 5

… пар выходя из глушителя связывает между собой механические примеси сажи , тем самым утяжеляя их , не позволяя подниматься в воздушное пространство. 4.2. Расчет потребляемых компонентов для работы окислительного нейтрализатора Для осуществления нормальной работы системы необходимы два основных компонента , которые позволят достаточно полно входить в реакцию окисления азота: а) определяем …

21207 0 0

… в выхлопных газах окиси углерода должно содержаться не более допустимой нормы. Положением о «Государственной автомобильной инспекции» на нее возложен контроль за выполнением мероприятий по охране окружающей среды от вредного влияния автомототранспорта. В принятом стандарте на токсичность предусмотрено дальнейшее ужесточение нормы, хотя они и сегодня в России жестче европейских: по окиси углерода …

Автомобильный катализатор – прямой ответ инженеров на всё более и более строгие требования к экологической чистоте транспорта. Можно сколько угодно рассуждать о полном сгорании топлива, высчитывать параметры стехиометрической смеси топлива и воздуха, улучшать качество моторных масел, но рано или поздно наступает предел для таких улучшений. А результат всё равно не идеален: то топливо не слишком чистое, то сбоит система подачи, то свечи зажигания начинают шалить… А требования к составу выхлопа только ужесточаются.

Так были созданы системы доочистки: каталитический нейтрализатор, сажевый фильтр, система дожига. Они помогли добиться того, чего так хотят защитники природы – минимального количества вредных веществ, выбрасываемых автомобилем в атмосферу. В этой статье мы приподнимем тайну и раскроем все секреты устройства и принципа работы автомобильного катализатора.

Что такое катализатор и для чего он нужен?

Катализатор – это устройство нейтрализации вредных веществ, входящих в состав выхлопных газов. В процессе сгорания топлива образуются углеводороды CH (именно их присутствие окрашивает выхлоп в черный цвет), оксид азота NO и NO2 (он вызывает так называемые кислотные дожди) и оксид углерода CO (угарный газ, отбирающий кислород из воздуха для полного окисления). Именно с этими соединениями борются экологи.

Каталитический нейтрализатор, встроенный в выхлопную систему, проводит окислительно-восстановительную химическую реакцию, в результате которой образуются безвредные вещества азот N2, углекислый газ CO2 и вода H2O. Автокатализаторы, выполняющие нейтрализацию всех трех вредных элементов выхлопа, называют трехкомпонентными или трехступенчатыми, и именно их устанавливают в современные автомобили.

Расположение катализатора в системе выхлопа автомобиля

Для своей работы нейтрализатор не требует никаких дополнительных источников энергии, все реакции происходят благодаря активному покрытию. Однако он имеет достаточно высокую рабочую температуру, поэтому он находится за выпускным коллектором, но на таком расстоянии от двигателя, чтобы не перегреться (примерно под передним пассажирским сиденьем). Так он разогревается от раскаленных выхлопных газов и выходит на рабочий режим.

Для контроля работы катализатора (и двигателя тоже) устанавливаются датчики кислорода: один перед входом в катализатор, другой – на выходе из него. По количеству остаточного кислорода в выхлопе система ЭБУ делает выводы о режиме работы двигателя, и в случае необходимости корректирует подачу воздуха и топлива в камеры сгорания.

Устройство и принцип работы катализатора

Устройство типового автомобильного катализатора

Автокатализатор имеет довольно простое устройство.

1. Стальной корпус с термоизолирующим слоем находится позади выпускного коллектора.
2. Внутренний наполнитель – сотовая (сотово-трубчатая) структура, покрытая внутри активным слоем (в качестве каталитического вещества может использоваться платина, платиново-иридиевый сплав, родий, палладий). Сотовая структура позволяет повысить площадь контакта выхлопных газов с активным веществом, а значит, более эффективно провести химические реакции.
3. Материал наполнителя – керамика или металл, в зависимости от конструкции и стоимости катализатора.

Принцип работы по своей сути простой, и подробно описан на видео, ниже.

• Драгоценные металлы, нанесенные на внутреннюю поверхность сот катализатора, активируют процессы окисления.
• Оксид азота NO разлагается на составляющие атомы: азот N и кислород O. Атомы азота соединяются между собой, образуя устойчивый азот N2. Кислород присоединяется к угарному газу CO и образует углекислоту CO2.
• Захватывая остаточный кислород из выхлопных газов, катализатор расщепляет углеводороды CH, после чего углерод C соединяется с двумя молекулами кислорода, образуя всё тот же CO2, а оставшийся водород присоединяется к кислороду и получается вода H2O.
• Остаточный кислород фиксирует лямбда-зонд на выходе из катализатора, и это дает бортовому компьютеру информацию о работе устройства.

В идеальных условиях автокатализатор ничего не накапливает внутри: все поступающие в него вещества покидают сотовую структуру. Однако добиться идеальных условий практически невозможно, значит, каталитический нейтрализатор со временем «деградирует» и хуже справляется со своей задачей.

Классификация нейтрализаторов

По функционалу катализаторы-нейтрализаторы делятся на двух- и трехкомпонентные.

1. Двухкомпонентный каталитический нейтрализатор работает только с обезвреживанием угарного газа и углеводородов. Это устаревшая модель, которая уже не используется в новых автомобилях.
2. Трехкомпонентный автокатализатор получил еще и функцию нейтрализации оксида азота. Новый вид, который быстро «взяли на вооружение» инженеры автоконцернов.

По материалу изготовления катализаторы бывают керамические, металлические и спортивные.

1. Керамические – намного дешевле, чем их металлические аналоги, но при этом более хрупкие (удар по корпусу гарантировано разбивает дорогую сердцевину), страдают от перепадов температур (достаточно заехать с раскаленным катализатором в достаточно глубокую лужу) и страдают от сбоев в системе зажигания (детонация или позднее зажигание разрушает соты). Кроме того, керамический автокатализатор может разрушаться не сразу, а постепенно, образуя мелкую пыль. Эта керамическая пыль (очень твердая) может попасть в двигатель через выпускной коллектор и вызвать поломки, требующие капитального ремонта.
2. Металлические – более дорогие, но и более надежные устройства, выполненные из металлической сотовой структуры, упругой и устойчивой к механическим воздействиям. Кроме того, металл не образует мелких частиц, а значит, более безопасен для двигателя.
3. И еще одна, отдельная категория катализаторов – спортивные. Так называют устройства с повышенной пропускной способностью, благодаря которой двигатель прибавляет несколько процентов мощности. Спортивные автокатализаторы устанавливаются в прямоточные выхлопные системы и считаются самыми надежными, хоть и самыми дорогими.

Неисправности катализатора, их признаки

В нормальном, «европейском» режиме эксплуатации катализатор служит примерно 150-200 тысяч километров (если верить производителям), после чего требует замены. У нас же условия для этого девайса далеко не курортные: низкое качество бензина, поддельные моторные масла, установка ГБО сокращают и так не слишком большой срок его жизни. А это означает, что нужно разбираться в том, как именно автокатализатор дает сигнал о неисправности.

1. Нагар внутри катализатора. Это проблема номер один для тех, кто ездит на некачественном (этилированном) топливе. Причиной нагара может стать и неисправная система зажигания: пропуски зажигания заставляют двигатель выбрасывать несгоревший бензин в выхлопную трубу, и он забивает катализатор.

Нагар на катализаторе

Также нагар может появляться, если большое количество моторного масла попадает в камеру сгорания. В этом случае дым становится густо-черным, и катализатор попросту не справляется с таким количеством углеводородов. На сотах образуется нагар и они перестают пропускать выхлопные газы.

Первый признак забитого нейтрализатора – снижение динамики автомобиля. Машина всё хуже набирает скорость, особенно после полноценного прогрева. Растет расход топлива, вплоть до прибавки нескольких литров на 100 километров, а также быстрей уходит на угар моторное масло. В конце-концов автомобиль однажды просто не заводится.

2. Оплавление автокатализатора. Это проблема керамических катализаторов, менее устойчивых к высоким температурам, чем металлические. Причиной оплавления сот может стать сбой в системе зажигания, когда огонь попадает в выпускной коллектор. А также система ГБО, у которой температура выхлопа выше, чем у бензина (но выясняется это, конечно, уже пост-факту).

Оплавление нейтрализатора

Внешне, катализатор может выглядеть нормально, однако если внутренняя часть пострадала от слишком высоких температур, использовать его больше нельзя.

3. И третья проблема – выгорание активного слоя внутри сот. Сделать с этим ничего нельзя: автокатализатор имеет свой срок службы, и расход каталитического вещества, к сожалению, у него тоже есть.

Во всех трех случаях катализатор меняют на новый. Некоторые водители предпочитают вообще удалить его из выхлопной системы автомобиля, оставив «обманку» для ЭБУ. Что ж, это вопрос личной ответственности и перед природой, и перед будущими поколениями.

Как проверить катализатор?

На видео, ниже, есть несколько лайфхаков по проверке каталитического нейтрализатора.

Понять, почему машина стала хуже ездить, а на приборной панели горит «чек», могут в сервисе после детальной компьютерной проверки всех систем. Но и самостоятельно можно провести элементарную диагностику работы катализатора.

1. Посмотреть на цвет выхлопа: черный цвет указывает на то, что катализатор не работает, поскольку пропускает вредные углеводороды наружу.
2. Оценить давление выходящих выхлопных газов «наощупь» – приложить руку к отверстию выхлопной трубы. Низкий напор говорит о том, что катализатор пора менять.
3. Заглянуть под машину после длительной поездки: если корпус катализатора раскален, это говорит о снижении его пропускной способности.
4. Следующая диагностика уже делается в сервисе: проверка давления выхлопа и сравнение показателя с эталонными данными. Манометр для определения давления устанавливается на место лямбда-зонда.
5. И, наконец, визуальный осмотр демонтированного нейтрализатора выхлопных газов на предмет засорения, выгорания или оплавления.

Замена катализатора делается после того, как будет установлено, что в проблемах виноваты забитые или оплавленные соты. Однако и причину оплавления или засорения катализатора нужно найти и устранить, иначе новый нейтрализатор постигнет та же участь. Именно поэтому в современных автомобилях настолько взаимосвязаны все системы и установлено множество контролирующих датчиков.

Полезные советы

На видео с популярного канала «Главная дорога» очень доходчиво показано зачем катализаторы в автомобилях, как их правильно эксплуатировать, можно ли без них и чем это грозит.

Подытожив видео, несколько полезных советов, ниже, для тех, у кого в автомобиле установлен катализатор.

1. Высокая цена нейтрализатора объясняется использованием драгоценных металлов в конструкции катализатора. Сейчас инженеры и химики пытаются использовать золото, которое немного дешевле, чем металлы, что уже применяются для производства катализаторов.
2. Бережное отношение ко всем системам автомобиля – залог долгой их службы. Катализатор связан с другими узлами автомобиля, и зависит от их адекватной работы.
3. Выбор моторного масла для автомобиля с катализатором – отдельная история. Нужно только то масло, что помечено как «подходящее для современных систем доочистки выхлопных газов», то есть катализаторов на бензиновом двигателе и сажевых фильтров – на дизельном.
4. Залегание поршневых колец означает не только перерасход масла, но и скорый выход катализатора из строя.
5. А сам неисправный автокатализатор, наоборот, влияет на работу двигателя. Забитые соты способствуют перегреву ЦПГ, поскольку не дают нормально отводить выхлопные газы.
6. Катализатор, который демонтирован с автомобиля (если его меняют из-за преждевременного выхода из строя) содержит в своем составе драгоценные металлы. Так что можно либо попросить за него скидку на работу мастера, либо забрать с собой (правда, непонятно, что делать дальше с этим «сокровищем»). И только полностью отработанное устройство не стоит ничего.

Заключение

Пока что у нас каталитический нейтрализатор считается в основном проблемой: бензин грязный, и из-за этого катализатор служит недолго. Есть уже налаженный бизнес по замене штатного устройства на пламегаситель-«обманку», который никак не влияет на чистоту выхлопа, но и не отнимает деньги.

Правильно ли это? Каждый решает для себя, что ему выгодней и легче: дышать вредными испарениями или периодически оплачивать ремонт или замену фильтра. Однако в странах Европы давно просчитали, что именно в конечном итоге выгодней каждому гражданину, и теперь наличие катализатора в системах доочистки выхлопа является обязательным на всех новых автомобилях.