Призначення накопичувальних систем

При роботі двигуна на збідненій робочій суміші трикомпонентний каталітичний нейтралізатор не може повністю перетворювати оксиди азоту (N0_х), що утворюються при згоранні. В цьому випадку кисень для процесу окислення оксиду вуглецю і вуглеводнів замість кисню, що виходить при розщеплюванні оксидів азоту, використовується залишковий кисень, що знаходиться в порівняно великій кількості у ВГ. Каталітичний нейтралізатор з накопичувачем N0_х хімічно розщеплює оксиди азоту іншим способом.

6.4.2 Будова накопичувальних нейтралізаторів

Каталітичний нейтралізатор з накопичувачем N0_х має конструкцію, схожу з трикомпонентним каталітичним нейтралізатором. На додаток до каталітичного покриття з платини, паладію і родію він має ще спеціальні добавки, які здатні накопичувати оксиди азоту. Типовими матеріалами, здібними до накопичення, є, наприклад, оксиди калію, кальцію, стронцію, цирконію, лантану або барію.

Покриття для накопичення N0_х і покриття трикомпонентного каталітичного нейтралізатора можуть нано-ситися на загальну підкладку-носій.

6.4.3 Принцип роботи накопичувальних нейтралізаторів

За рахунок наявного покриття з благородних металів каталітичний нейтралізатор з накопичувачем N0_х функціонує в режимі =1 як трьохкомпонентний каталітичний нейтралізатор. Додатково він перетворить те оксиди азоту, що не зменшилися в збіднених ВГ. Але це перетворення не здійснюється безперервно, як у разі оксиду вуглецю і вуглеводнів, а протікає в три стадії: 1) накопичення N0_х; 2) витягання N0_х; 3) перетворення.

Накопичення N0_х

Оксиди азоту (N0_х) каталітичним шляхом окислюються на поверхні платинового покриття в двооксид азоту (NO₂); Потім двооксид азоту вступає в реакцію із спеціальними оксидами на каталітичній поверхні і з киснем (O₂) з утворенням нітратів. Так, наприклад, NO₂_з оксидом барію ВаО утворює хімічну сполуку нітрат барію Ba(NO₃)₂:

2ВаО + 4NО₂ + О₂ = N₂ + 2Ва(NО₃)₂.

Завдяки цьому каталітичний нейтралізатор з накопичувачем при роботі двигуна на суміші з надлишком повітря забезпечує накопичення оксидів азоту.

Існують два різних способи визначення фази повного заповнення каталітичного нейтралізатора: спосіб моделювання, що забезпечує розрахунок кількості накопичених в нейтралізаторі оксидів азоту з урахуванням температури нейтралізатора; спосіб безперервного вимірювання концентрації оксидів азоту в ВГ з допомогою датчика оксидів азоту розташованого за нейтралізатором.

Витягання оксидів азоту і їх перетворення

У міру збільшення кількості накопичених оксидів азоту (завантаження) знижується здатність подальшого хімічного скріплення оксидів азоту. При певній їх кількості повинна здійснюватися регенерація, тобто накопичені оксиди азоту повинні видалятись і перетворюватись. Для цього на короткий час відбувається перемикання роботи двигуна на режим використання збагаченої гомогенної робочої суміші ( < 0, 8). Процеси знищення N0_х і перетворення їх в азот і вуглекислий газ протікають роздільно. Як відновники використовуються Н₂, СН і СО. Найнижча швидкість реакції реєструється при використанні СН, найбільша — при Н₂. Процес видалення (розглянутий при використанні оксиду вуглецю в якості відновника) здійснюється у такий спосіб, при якому оксид вуглецю розчиняє нітрат, наприклад, нітрат барію Ba(NO₃)₂, в оксид, наприклад, оксид барію ВаО. При цьому утворюються вуглекислий газ і монооксид азоту:

Ва(NО₃)₂ + 3СО = 3СО₂ + ВаО + 2NО.

Потім каталітичне покриття із родію починає розчиняти оксиди азоту за допомогою оксиду вуглецю в азот і вугле-кислий газ:

2NО + 2СО = 2СО₂ + N₂.

Існують два різних методи визначення завершення фази видачі:

1) метод моделювання забезпечує розрахунок кількості N0_х, ще наявного в накопичувачі каталітичного нейтралізатора;

2) лямбда-зонд (рис. 6.4) за каталітичним нейтралізатором вимірює концентрацію кисню в ВГ за рахунок стрибка напруги при переході із збідненого в збагачений режим, показуючи, що видаляння завершене.

1 – двигун з системою рециркуляції ВГ; 2, 6 – лямбда-зонди; 3 – трьохкомпонентний каталітичний нейтралізатор; 4 – датчик температури; 5 - каталітичний нейтралізатор з накопичувачем

Рисунок 6.4 – Будова системи випуску з трикомпонентним каталітичним нейтралізатором попереднього очищення ВГ і основним каталітичним нейтралізатором з накопичувачем

6.4.4 Робоча температура і місце установки нейтралізатора

Здатність цього каталітичного нейтралізатора накопичувати N0_х, в значній мірі залежить від температури. Вона досягає максимуму в діапазоні 300-400 °С. За рахунок цього робочий діапазон температур набагато нижчий, ніж у трикомпонентного каталітичного нейтралізатора.

З цієї причини для каталітичного очищення відпрацьованих газів повинні встановлюватися два окремі каталітичні нейтралізатори — трикомпонентний каталітичний нейтралізатор поряд з двигуном (передній) і віддалений від двигуна каталітичний нейтралізатор з накопичувачем N0_х як основний.

6.4.5 Вплив сірки, що міститься у паливі, на роботу нейтралізатора

Сірка, що міститься в бензині, може негативно впливати на роботу каталітичного нейтралізатора з накопичувачем. Сірка в ВГ вступає в реакцію з оксидом барію (матеріал накопичувача), утворюючи сульфат барію. Тому кількість цього накопичувача N0_х з часом зменшується. Сульфат барію дуже температуростійкий, тому лише його незначна частина розщеплюється при регенерації N0_х. При застосуванні сірковмісного бензину повинно здійснюватися регулярне де-сульфування. Для цього вибраний такий спосіб, як нагрів каталітичного нейтралізатора до температури 600-650°С. Наприклад, двигун для цього може працювати в умовах пошарового розподілу суміші, а багаті ( = 0, 95) і бідні ( = 1, 05) ВГ потім пропускаються одні за одними через нейтралізатор. При цьому сульфат барію розчиняється в оксид барію.