Лесная техника

Гидравлический диаметр каналов равен 1 – 2 мм. Чем меньше размеры попе-речного сечения и тоньше стенки каналов, тем больше число каналов, приходящихся на единицу площади блока (плотность расположения ячеек), и тем больше площадь активной поверхности катализатора, меньше размеры и масса реактора и нейтрализатора при заданном расходе отработавших газов.
Плотность расположения ячеек нейтрализатора составляет 30 – 60 1/cм2, а в некоторых конструкциях она повышена до 95 1/ cм2. Отношение суммарной площади поперечного сечения каналов к общей площади блока равно 0,65 – 0,70. Необходимо учитывать, что по мере уменьшения поперечного сечения канала повышается их гидравлическое сопротивление.
Блочные носители изготавливают из окиси алюминия, кордиерита, муллита и т.п. Площадь активной поверхности материала носителя, как правило, недостаточна (до 0,5 м2/г), поэтому эффективность нейтрализатора оказывается невысокой, если слой катализатора наносят непосредственно на материал носителя. Чтобы повысить площадь активной поверхности катализатора до необходимой величины (8 – 10 м2/г), поверхность носителя покрывают тонким слоем окиси алюминия.
Масса блочного носителя обычно меньше, чем гранулированного, поэтому нейтрализатор с блочным носителем быстрее нагревается и быстрее вступает в действие после пуска двигателя. Нейтрализаторы с блочными и гранулированными носителями имеют свои преимущества и недостатки. Нейтрализаторы с блочными носителями применяют на автомобилях с двигателями небольшой мощности, отработавшие газы которых имеют высокую температуру, а с гранулированными носителями используют для двигателей большей мощности с умеренной температурой газов.
Эффективность действия каталитического нейтрализатора в значительной степени зависит от равномерности распределения расхода газа в поперечном сечении реактора. Чтобы обеспечить приемлемую равномерность потока, скорость газов во входном и выходном патрубках нейтрализатора выбирают невысокой. В нейтрализаторах с гранулированным носителем скорость газа, вычисленная для общей фронтальной площади реактора, не превышает 1 м/с. Скорость газа в каналах с блочным носителем составляет не более 10 м/с. Гидравлическое сопротивление реактора должно составлять не более 30-40% общего сопротивления нейтрализатора.
В каталитическом нейтрализаторе с катализатором из благородных металлов можно снизить до установленных норм выбросы всех трех токсических газовых составляющих – СН, СО, NО, но лишь при условии, что состав горючей смеси близок к стехиометрическому, т.е. 0,95 < α < 0,98. Такие нейтрализаторы называют трехкомпонентными (тройного действия). Наилучшие результаты получены с платинородиевыми катализаторами.
Современные системы смесеобразования с карбюратором не способны поддерживать состав смеси в требуемых узких пределах, поэтому на двигателях с каталитическим нейтрализатором тройного действия чаще применяют систему смесеобразования с впрыскиванием бензина. Возможно применение систем с карбюратором, отрегулированным на всех режимах на богатую смесь. Необходимый для действия катализатора тройного действия состав отработавших газов обеспечивают подачей дополнительного воздуха на вход в нейтрализатор.
И в том и в другом случае необходима электронная система регулирования, включающая электронное анализирующее устройство, кислородный датчик, уро-вень импульса которого соответствует концентрации кислорода в отработавших газах и исполнительное устройство, которое в системе с впрыскиванием бензина воздействует на орган регулирования цикловой подачи топлива, а в системе с дополнительной подачей воздуха – на клапан, регулирующий расход воздуха.
Активность катализатора существенно уменьшается со временем, если в отработавших газах содержится свинец (например, при работе на этилированном бензине), фосфор и сера. Заметное отрицательное действие оказывают также соединения магния, бария, цинка, калия.
Срок службы катализаторов из благородных металлов в нейтрализаторе легкового автомобиля составляет 2000 ч, или 80 тыс. км пробега.

На автомобилях находят применение главным образом каталитические нейтрализаторы отработавших газов. В присутствии твердых катализаторов реакции нейтрализация токсических компонентов протекают эффективно при относительно низких температурах. Поэтому каталитические нейтрализаторы имеют низкую температуру начала эффективной работы (температуру зажигания) 250 – 270 оС. Окись углерода окисляется в СО2 при 250 – 300 оС , углеводороды, бенз-а-пирен, альдегиды – при 400 – 450 оС , при этом у выпускных газов почти пропадает неприятный запах. При температуре 580 оС сгорает сажа. Они обладают следующими свойствами, необходимыми в условиях эксплуатации силовых установок автомобилей: быстро вступают в действие после пуска холодного двигателя; имеют небольшие размеры и массу, т.к. реакции нейтрализации эффективно протекают при высокой скорости газов у поверхности катализатора; эффективно действуют во всем диапазоне режимов работы автомобильных двигателей, не вызывают снижение мощности двигателя и повышение расхода топлива; имеют достаточный срок службы.
В качестве катализаторов применяют преимущественно благородные металлы – платину, палладий, платинопалладиевы сплавы. Лучшими свойствами обладают катализаторы из платины и палладия с добавками родия, рутения, иридия. Ограниченное применение находят также окисные катализаторы, представляющие собой соединения металлов переходной группы, например, окислы кобальта СО3О4, марганца МnO2, никеля NiO, меди CuO, хрома Cr2O3, и др. По основным показателям эффективности (активности и селективности) окисные катализаторы уступают катализаторам из благородных металлов. Их стойкость при высоких температурах ниже, они не обеспечивают достаточно устойчивого протекания реакций при повышенной скорости реагирующих газов.
Окисные катализаторы обеспечивают приемлемую степень превращения продуктов неполного сгорания топлива при температуре на 90 – 150оС выше, чем катализаторы из благородных металлов.
Каталитические нейтрализаторы устанавливают в тех случаях, когда путем усовершенствования процессов смесеобразования и сгорания невозможно снизить выбросы вредных веществ с отработавшими газами до установленных в конкретных условиях эксплуатации норм.
Реакции окисления или восстановления токсических веществ происходят в поверхностном слое катализатора. В связи с этим оказывается целесообразным применение катализаторов, нанесенных тонким слоем на внешнюю поверхность химически инертного материала, называемого носителем. По виду геометрических форм носителя различают каталитические нейтрализаторы с гранулированным носителем и блочным или монолитным носителем. Гранулированный носитель выполняют чаще в форме шариков диаметром 2 – 5 мм , а также в форме цилиндрических тел, колец и т.п. Чем меньше размеры гранул, тем выше степень превращения. Однако следует учитывать, что с уменьшением размеров гранул возрастает гидравлическое сопротивление нейтрализатора.

Токсичность выпускных газов двигателей с принудительным воспламенением выходят за допустимые пределы по трем компонентам: окись углерода – CO, углеводороды различного химического состава CH, окись азота NO, и саже, хотя она сама по себе не токсична. Снизить уровень их выбросов с выпускными газами можно достичь воздействием на рабочий процесс с целью уменьшения образования этих веществ в процессе сгорания, применением топлив, в продуктах сгорания которых содержится меньше токсических веществ и нейтрализацией выпускных газов. При оценке эффективности перечисленных способов исходят их стремления получить выбросы токсических веществ в допустимых пределах без ущерба для мощности и экономичности двигателя при минимальном удорожании силовой установки с двигателем.
Применяемые в настоящее время способы воздействия на рабочий процесс для снижения токсичности двигателя приводят, как правило, к уменьшению его мощности и к увеличению расхода топлива и, кроме того, в двигателях с принудительным воспламенением не обеспечивают пока допустимого уровня токсичности. Поэтому установки с двигателями оборудуются устройствами для нейтрализации и очистки газов в выпускном трубопроводе, т.е. нейтрализа-торами и очистителями.
В термических и каталитических нейтрализаторах происходят химические реакции с кислородом и другими газами. В результате чего CO, СH и NO образуют нетоксические газы, что уменьшает концентрацию токсических веществ. Механические очистители применяются для очистки выпускных газов от механических частиц (сажи) и капелек масла.
Системами нейтрализации выпускных газов оборудуются все современные автомобильные двигатели с принудительным воспламенением, автомобильные дизели – только в условиях эксплуатации с недостаточным воздухообменом: в карьерах, на рудниках.
Термический нейтрализатор представляет собой камеру сгорания , которая размещается в выпускном тракте двигателя для дожигания продуктов неполного сгорания топлива – CH и CO. Он может устанавливаться на месте выпускного трубопровода и выполнять его функции. Реакции окисления CO и CH протекают достаточно быстро при температуре свыше 830 оС и при наличии в зоне реакций несвязанного кислорода. Поэтому в системы нейтрализации с термеческим и каталитическим дожигателем двигателей с принудительным воспламенением входит устройство для подвода дополнительного воздуха к выпускным газам.Дополнительный воздух целесообразно подводить в выпускной канал в головке цилиндра. Подвод дополнительного воздуха и тепловая изоляция выпускных трубопроводов позволяют заметно уменьшить выбросы CH и СO и тогда, когда нейтрализатор не применяется. Количество дополнительного воздуха может достигать 25% расхода воздуха двигателем.
Термический нейтрализатор состоит из корпуса с подводящими (выпускными) патрубками и одной или двух жаровых труб – вставок из жаропрочной листовой стали. Для эффективного догорания СО и СН требуется достаточно большое время, поэтому скорость газов в нейтрализаторе задается невысокой, вследствие чего объем его получается сравнительно большим. Чтобы  предохранить падение температуры выпускных газов в результате теплоотдачи в стенки, выпускной трубопровод и нейтрализатор покрывают тепловой изоляцией. Несмотря на это, для прогрева термического нейтрализатора после пуска двигателя требуется значительное время. Термические нейтрализаторы мало эффективны на режимах холостого хода и малых нагрузках, так как температура выпускных газов недостаточно высокая и реакция протекает медленно.