«Уральский завод дорожных машин»

Катализаторы для бензиновых двигателей

Катализаторы для бензиновых двигателей

СОДЕРЖАНИЕ:

  • Окислительный катализатор
  • Трехкомпонентный катализатор (тройного действия)
  • Требования к новым концепциям катализаторов
  • Катализаторы, расположенные рядом с двигателем
  • Байпасная система
  • Катализатор с электрообогревом
  • Накопительный катализатор — SCR-катализатор
  • Непрерывно работающие катализаторы восстановления
  • Прерывисто работающие катализаторы восстановления

Окислительный катализатор

Рис. Окислительный катализатор

Окислительные катализаторы используются с двухтактными бензиновыми двигателями, дизельными двигателями и в качестве пусковых катализаторов. В них нейтрализуются только СО и углеводороды. Оксиды азота не нейтрализуются. В сочетании с сажевым фильтром они служат для окисления NO до NOx реагирующим в фильтре с сажей.

Будучи металлическими катализаторами, они устанавливаются в качестве предварительных или пусковых катализаторов в сочетании с катализатором тройного действия. В этом случае они находятся прямо на выпускном коллекторе или внутри него, при необходимости обогреваются и в фазе пуска и прогрева могут значительно снизить долю несгоревших углеводородов и оксида углерода. Возможно сочетание с системой впуска добавочного воздуха. Оксиды азота почти не образуются в фазе холодного пуска и поэтому их нейтрализация не требуется. Из-за монтажа рядом с двигателем предпочтительным является металлический катализатор.

Трехкомпонентный катализатор (тройного действия)

Рис. Катализатор тройного действия

Регулируемый катализатор тройного действия соответствует современному состоянию техники и постоянно совершенствуется. Высочайшей степени нейтрализации катализатор достигает для всех вредных компонентов в пределах лямбда-диапазона при коэффициенте избытка воздуха Л = 1 ± 0,005. У V-образных двигателей, как правило, работает по одному основному катализатору на каждом ряду цилиндров. Раньше использовались также системы без лямбда-регулирования в качестве нерегулируемого катализатора. При этом степень нейтрализации составляла лишь 50-60%.

При определенных условиях испытаний европейского цикла (NEDC) двигатель объемом 2 литра, с расходом топлива около 9 л на 100 км и соотношением «топливо-воздух» X = 1 выбрасывает на один километр следующие объемы вредных веществ:

  • СН — около 1,20 г
  • СО — около 6,70 г
  • NOx — около 3,01 г
  • СO2 — около 202 г

Это количество вредных веществ катализатор должен превратить в неядовитые компоненты. Чтобы соблюсти требования нормы Евро-3 (СО = 1,5 г/км, СН = 0,2 г/км и NOx = 0,15 г/км), нужно было достичь степени нейтрализации не менее 85% по СО и более 90% по СН и NOx. С появлением норм Евро-4 и Евро-5 требуется еще более высокая степень нейтрализации.

Пределы использования катализаторов тройного действия возникают при отклонении от стехиометрического состава смеси во время работы двигателя (двигатели, работающие на бедной смеси). В этом случае восстановление оксида азота стремится к нулю.

Требования к новым концепциям катализаторов

Для соблюдения новых норм токсичности ОГ были разработаны новые концепции с особенно эффективной нейтрализацией СО и СН при холодном пуске и прогреве. Как показали испытания, в течение первых трех минут после холодного пуска выбрасывается наибольшее количество СО и СН. Катализатор не успевает прогреться до температуры Light-off, и нейтрализация СО и СН почти не происходит. Новые концепции предлагают, к примеру, расположение катализатора ближе к двигателю или комбинации из предварительного и основного катализаторов. Все больше применяется подача добавочного воздуха. Впуск добавочного воздуха перед катализатором приводит к дожигу (дополнительному окислению СО и СН в СO2 и Н2О в катализаторе). Кроме того, катализатор нагревается в результате химических реакций, что становится особенно заметно в фазе прогрева двигателя с быстрым достижением рабочей температуры.

Самый большой потенциал улучшения катализаторов кроется в значительном сокращении времени на достижение точки начала температурного скачка. Не позднее, чем через 15 секунд после холодного пуска катализатор должен быть готов к работе. При этом важную роль играют также пассивные (например, изоляция выпускного коллектора) и активные системы (например, электрообогрев или система впуска вторичного воздуха). На рисунке изображена сложная система очистки ОГ с различными активными и пассивными компонентами. Несколько специальных катализаторов в одном выпускном тракте — это уже реальность.

Рис. Комплексная система очистки ОГ [источник: Bosch]

На пороге запуска в серийное производства находятся катализаторы, способные восстанавливать оксиды азота при избытке воздуха. Их также называют DeNOx – катализаторами и работают они с покрытиями из оксида ванадия, оксида вольфрама и оксида титана или с иридием. В настоящее время автопроизводители и изготовители систем занимаются апробированием различных систем для минимизации вредных веществ — как для соблюдения перспективных норм токсичности ОГ, так и для решения проблем при внедрении новых концепций двигателей (например, непосредственного впрыска бензина). С появлением бензиновых двигателей с непосредственным впрыском и двигателей, работающих на бедных смесях, стали необходимыми системы для снижения выбросов оксида азота при сгорании бедных смесей. Перспективные нормы токсичности ОГ не учитывают технических проблем технологий впрыска и сжигания. В таблице приведен обзор используемых на сегодня вариантов. Необходимо обратить внимание, что эти системы могут использоваться и для бензиновых двигателей, работающих на бедных смесях, и для дизельных двигателей.

Таблица. Сравнение применяющихся технологий DeNOx для дизельных двигателей и бензиновых двигателей с непосредственным впрыском

Катализаторы, расположенные рядом с двигателем

Системы, где катализатор, расположен рядом с двигателем, называют также Close Coupled Catalyst (ССС). Преимущество этих систем состоит в предотвращении потерь тепла за счет размещения непосредственно на выпускном коллекторе. Время до достижения точки Light-off составляет всего несколько секунд. Проблемой при таком расположении являются высокая температура ОГ — до 1050°С при полной нагрузке и отрицательное влияние на мощность и крутящий момент двигателя. Требуется очень точная аэродинамическая оптимизация и адаптация системы «коллектор — катализатор». Снижение выбросов СО и СН составляет около 70%. Схема расположения рядом с двигателем пускового и основного катализаторов показана на рисунке.


Рис. Сочетание пускового и основного катализаторов

В качестве пускового катализатора используется окислительный катализатор с металлическим носителем, устанавливаемый очень близко к двигателю в выпускном тракте. При таком расположении пусковой катализатор очень быстро нагревается и сразу после пуска обеспечивает очень высокую степень нейтрализации СО и СН. В результате экзотермических химических реакций выделяется дополнительное тепло, забираемое отработавшими газами и обеспечивающее более быстрый нагрев основного катализатора. Система дополняется выпускным коллектором из листовой стали, изолированным воздушными зазорами.

Особым вариантом конструкции является расположенный рядом с двигателем основной катализатор без дополнительного пускового катализатора. Благодаря расположению рядом с двигателем основной катализатор очень быстро достигает точки начала температурного скачка. За счет более высокой температуры быстрее протекают химические реакции. Общий объем катализатора можно уменьшить. Проблемой при этом расположении является создание достаточно термостойкого слоя, предотвращающего раннее термическое старение и, следовательно, сокращение срока службы катализатора.

Байпасная система

Рис. Байпасная система

Байпасные системы бывают разных вариантов. Такие системы используются в основном для выравнивания в катализаторах слишком высоких или слишком низких температур ОГ при различных рабочих режимах двигателя. У этой системы в фазе пуска отработавшие газы по короткому и прямому трубопроводу направляются из выпускного коллектора в катализатор. В фазе прогрева с помощью заслонки обеспечивается прямое поступление ОГ в катализатор. Небольшое сечение труб и большая скорость потока газов предотвращают возникновение тепловых потерь в выпускном тракте. Задний катализатор NOx быстро нагревается до рабочей температуры. При высоких температурах ОГ заслонка открывается, и газы по обеим выпускным трубам устремляются в катализатор. Проходя более длинный путь, ОГ охлаждаются и не могут термически повредить катализатор. Эту систему, с вакуумным управлением, использует Mercedes в двигателях CGI. Датчик температуры определяет температуру ОГ и сообщает ее блоку управления, активирующему заслонку ОГ.

Катализатор с электрообогревом

Рис. Катализатор с электрообогревом

Используя металлический блок в качестве нагревательной спирали, можно быстро и непосредственно нагреть катализатор. Нагревом и регулированием температуры управляет электронный блок двигателя. Проблемой в этой системе является большая техническая сложность и вытекающая отсюда стоимость системы. Необходимо использовать аккумуляторные батареи большой емкости, что увеличивает массу автомобиля и занимаемое пространство. Для небольших автомобилей эта концепция не подходит. Мощность потребляемая нагревом составляет 1,2-1,5 кВт. Катализаторы с электрообогревом впервые были применены в BMW Alpina В12 и BMW 7-й серии. Катализатор с электрообогревом (E-Kat) комбинируется с улавливателем углеводородов (CH-Adsorber). Управление обогреваемым катализатором осуществляется по CAN-шине. Увеличение мощности нагрева и совершенствование бортовых сетей позволят добиться дополнительных возможностей.

Для обеспечения высокой потребляемой мощности катализаторов с электрообогревом без перегрузки бортовой сети требуется дополнительная аккумуляторная батарея. Мощный генератор с водяным охлаждением обеспечивает работу бортовой сети даже при неблагоприятных условиях. Здесь требуются также интеллектуальное управление бортовой сетью и электронная система управления АКБ.

Рис. Принципиальная схема катализатора с электрообогревом

На стадии апробирования находятся варианты обогреваемых пусковых катализаторов с горелками, сжигающими топливо из бака и обогревающими катализатор. Проблемой является регулирование температуры, так как с одной стороны для нагрева требуется высокая температура, а с другой — слишком высокие температуры и локальные температурные пики могут привести к быстрому старению или термическому разрушению катализатора.

Накопительный катализатор — SCR-катализатор

SCR расшифровывается как Selective Catalytic Reduction (селективное каталитическое восстановление). Эти системы особенно подходят для двигателей, работающих на бедных смесях. В диапазоне выше Л = 1 в качестве восстановителей для оксидов азота можно использовать только углеводороды или аммиак. В накопительном катализаторе, также называемом NOx-адсорбером, оксиды азота NOx удерживаются в режиме работы двигателя на бедных смесях до тех пор, пока двигателю не будет дана команда на образование богатой топливовоздушной смеси. В качестве накопительных компонентов для NOx используются щелочные и щелочноземельные соединения. Во время накопления оксид азота каталитически окисляется. Возникающий при этом диоксид азота NO2 вступает в реакцию с оксидом металла, образуя нитрат M-NO3. При кратковременном обогащении смеси содержащиеся в выхлопе восстановители СН и СО расщепляют нитраты. N0 отдается в богатую оксидом углерода среду, и под воздействием родия образуются СO2 и N2 При этом различают четыре этапа превращения.

1. Окисление —» 2. Поглощение —» 3. Расщепление —» 4. Восстановление

Недостатками этой технологии являются высокая чувствительность к сере и снижение степени нейтрализации в диапазоне высоких температур. В режиме бедной смеси SO2 в накопительном катализаторе окисляется до SO3. Оксид серы, как и NO, реагирует с аккумулирующим оксидом, образуя агрессивные сульфаты. Они остаются в накопителе и в фазе обогащения, тем самым уменьшая его емкость и производительность. Уже после небольшого пробега в катализаторе начинается отравление серой.

Снижается стойкость к старению, сокращается срок службы. Необходимое обогащение смеси в фазе восстановления приводит к увеличению расхода на 1,5-2%. Таким образом, срок службы накопительного катализатора в основном зависит от качества используемого топлива (в плане содержания серы). Вот причина, по которой выбросы NOK у японских двигателей GDI в Японии уже достаточно давно удалось снизить с помощью накопительного катализатора. В Европе это решение долгое время было невозможным из-за высокого содержания серы в топливе. Так содержание серы до 500 промилле (ррт) существенно снижало степень нейтрализации и срок службы катализаторов. Ситуация изменилась с выходом директивы 98/70/EG о качестве топлива, вступившей в силу 1 января 2000 г.

Используемые в грузовиках SCR-катализаторы с добавками на основе мочевины можно использовать и в легковых автомобилях. Не исключено, что с вводом Евро-5 эта технология будет использоваться и в более крупных бензиновых двигателях с непосредственным впрыском или в дизельных двигателях легковых автомобилей. Первые системы были представлены на автосалоне IAA 2005 концерном Mercedes-Benz в гибридных автомобилях для американского рынка.

Непрерывно работающие катализаторы восстановления

Рис. SCR-катализатор непрерывного действия

Концерн Mitsubishi в своих двигателях GDI использовала непрерывно работающий катализатор восстановления с иридиевым покрытием. Такой катализатор обеспечивает небольшую степень нейтрализации, но менее чувствителен к содержанию серы в топливе. Принцип действия селективного каталитического восстановления прост. NOx восстанавливается в катализаторе за счет избытка СН до N2, Н2O и СО2. Выбросы NOx можно уменьшить на 60%. Для этого катализатор должен работать в диапазоне температур 300-600°С. Проблема состоит в выбросах при холодном пуске.

Если перед обычным накопительным катализатором можно установить традиционный катализатор, то в случае с иридиевым катализатором это невозможно. Этому катализатору для восстановления оксидов азота необходимы содержащиеся в выхлопе углеводороды. По этой причине установка катализатора тройного действия перед иридиевым катализатором невозможна. Степень нейтрализации в иридиевом катализаторе заметно снизилась бы. Если поменять катализаторы местами, то температура ОГ на входе катализатора тройного действия окажется слишком мала для обеспечения удовлетворительной степени нейтрализации. Несмотря на это, концерн Mitsubishi применил эту концепцию катализатора тройного действия перед иридиевым катализатором в европейских двигателях GDI. Для соблюдения европейских предельных значений для ОГ необходимо было дополнительно изменить картину впрыска и сгорания и адаптировать к европейским условиям испытаний и эксплуатации.

Прерывисто работающие катализаторы восстановления

Концерн Volkswagen для двигателей FSI с концепцией бедной смеси использует прерывисто работающий катализатор восстановления с платиной и родием с примесью щелочного соединения, карбоната бария (BaCO3). Peugeot и Сitroen тоже используют эту технологию в двигателях HPI.

Рис. SCR-катализатор прерывистого действия

В этой системе NO окисляется кислородом до NO, на слое платины катализатора и аккумулируется в накопителе. Накопление оксидов азота происходит не постоянно. Через определенные интервалы требуется восстановление. Для этого смесь каждые 60 секунд обогащается в течение 2 секунд, и накопленный NOx восстанавливается под воздействием родия.

Датчик NOx на выходе катализатора служит для контроля за накапливанием оксидов азота. Катализатор оптимально работает в диапазоне от 250°С до 500°С. Чтобы выдержать этот температурный диапазон даже при высоких нагрузках, требуется охлаждение отработавших газов. Для обеспечения хорошего теплоотвода система выпуска ОГ между катализаторами делается трехпоточной. Кроме того, на пусковой катализатор ОГ подается встречный воздушный поток.

Проблемой в этой системе является также ухудшение способности накапливать NOx из-за сульфатизации накапливаемого материала. Сера выгоняется лишь при температурах выше 650°С.Для удаления серы используются различные стратегии: естественное удаление серы при высокой температуре ОГ, управляемое электроникой двигателя переключение с бедной смеси на богатую и, наоборот, в зависимости от сигналов датчика NCK Постоянное изменение насыщения смеси называют лямбда-скачками. При удалении серы особое значение придается предотвращению образования сероводорода (H2S). Содержащее мало серы или лучше вовсе не содержащее серы топливо совершенно необходимо для высокого КПД и длительного срока службы системы. В настоящее время повсеместное использование невозможно.

Рис. Принцип удаления серы в накопительном катализаторе

На рисунке показаны процессы в накопительном катализаторе при бедной смеси в фазе аккумулирования NOx (слева) и при богатой смеси в фазе восстановления (справа).

  • Рециркуляция отработавших газов
  • Нейтрализатор отработанных газов
  • Катализаторы для дизельных двигателей

Метки: Газы, Катализатор

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>