Принцип работы

Постоянные усилия разработчиков по улучшению процессов сгорания, оптимизации управления системами двигателя достигли определённой точки, при которой требовались новые методы и способы для уменьшения выбросов вредных веществ в атмосферу многочисленными автомобилями. Разработаны и применяются т.н. нейтрализаторы отработанных газов, которые устанавливаются в выпускной системе. В настоящее время используются нейтрализаторы нескольких типов:

• каталитические;
• термические;
• накопительные;
• и др.

В каталитических процесс нейтрализации интенсифицируется за счёт применения катализаторов, а в термических — за счёт высокой температуры с добавлением воздуха к отработанным газам.

Каталитические нейтрализаторы

Каталитические нейтрализаторы называют окислительными, т.к. они предназначены для окисления СО и СН, находящихся в отработанных газах. За короткое время, пока газы проходят через нейтрализатор, все реакции должны завершиться при температуре 250 — 800 град.

При температуре менее 250 град, эффективность нейтрализатора мала, а при температуре выше 1 000 гр. происходит «спекание» мелких кристаллов платины и разрушение активной поверхности, т.е. дезактивация нейтрализатора.

Рис. Окислительный нейтрализатор

На рисунке представлена конструкция каталитического нейтрализатора. 1 — керамическая пористая основа с нанесённым покрытием из платины и родия, 2 — изоляционные и теплоотводящие компоненты, 3 — датчик содержания кислорода в отработанных газах. Дезактивация катализатора особенно велика в первые 20 тыс.км. Особенно быстро дезактивация наступает при использовании этилированного бензина. Повторим, что рабочая температура в нейтрализаторе 400-700 гр., поэтому для быстрого прогрева и эффективной работы нейтрализатор располагают ближе к выпускному коллектору. Такое расположение является положительным фактором при холодном пуске и прогреве двигателя — нейтрализатор быстрее начинает работать, но при этом повышается его эксплуатационная температура, а это может способствовать дезактивации катализатора.

Блок-носитель каталитического нейтрализатора делают из керамики сотовой структуры, гофрированной фольги из нержавеющей стали или в виде сферических гранул из оксида алюминия, которые укладывают в металлический цилиндр, закрытый по торцам сетками. На поверхность носителя наносится каталитический материал и помещают внутрь корпуса из нержавеющей жаропрочной стали. Между блоком-носителем и корпусом ставится терморасширяющаяся прокладка. Для уменьшения вибрационных нагрузок нейтрализатор присоединяется шарнирными соединениями или компенсаторами колебаний.

Рис. Эффективная зона работы нейтрализатора

На рисунке показана зона эффективной работы нейтрализатора. Заштрихованная область — зона «стехиометрической» смеси, по оси абсцисс (В) отображено отношение «воздух-топливо», по оси ординат (А)-эффективность работы нейтрализатора.

В зоне «богатых» смесей — от 10 до 14,6 преобладают высокие концентрации оксида азота(NОх) и низкие СО и СН. Нейтрализаторы, преобразующие СО, СН, N0, называют трёхкомпонентными или бифункциональными. Для нейтрализации смеси оксида азота, получающегося в процессе сгорания смеси, используются реакции его восстановления до азота N2 и аммиака NH3. В материалах, служащих катализатором при нейтрализации вредных веществ, используются платина, палладий, родий и др.

Трёхкомпонентные нейтрализаторы являются окислительными и восстановительными. В связи с тем, что состав вредных веществ резко меняется в зависимости от «обогащения» или «обеднения» топливовоздушной смеси, необходимо поддерживать работу двигателя в районе «стехиометрической» смеси.

Для выполнения такой задачи используется электронное управление работой двигателя с системой обратной связи (замкнутая система). Датчики, обеспечивающие работу обратной связи, называются: лямбда зондами (отношение «воздух-топливо») и устанавливаются до и после нейтрализатора, а также термометры газов в зоне процессов нейтрализации и окисления вредных веществ.

Термические нейтрализаторы

Термические нейтрализаторы представляют собой камеру, в которой при высокой температуре окисляются СО и СН. При работе двигателя на обогащенной смеси, требуется подача воздуха перед нейтрализатором. При работе на обеднённой смеси температура будет не высокой и требуется дополнительный прогрев нейтрализатора. Термический нейтрализатор начинает работать при температуре 600 гр, что существенно выше, чем у каталитических нейтрализаторов. Кроме этих требований, нужны более прочные и жаростойкие материалы, стойкость к высокой коррозионной агрессивности. Не получили широкого распространения.

Ранее отмечалось, что нейтрализатор не работает на режимах прогрева двигателя, т.к. температура в нём не достаточно высока, кроме того, двигатель в это время работает на обогащенных смесях и в отработанных газах нет достаточного количества кислорода, необходимого для окисления СН в нейтрализаторе.

Для ускоренного прогрева нейтрализатора уменьшается угол опережения зажиганием, или электрическим подогревом нейтрализатора путём сжигания перед ним топлива в горелке, или подачи воздуха в, поток отработанных газов с помощью специального насоса.

Рис. Методы подогрева нейтрализатора: 1 — топливная форсунка, 2 — нейтрализатор, 3 — свеча для поджигания смеси, 4 — воздушный насос

В некоторых системах используют «стартовый» нейтрализатор, который устанавливается перед или параллельно основному При параллельном расположении весь поток отработанных газов направляется в стартовый нейтрализатор, который быстро прогревается и начинает эффективно работать.

После прогрева двигателя поворотом заслонки поток газов направляется в основной нейтрализатор. На рисунке приведена одна из схем построения системы с параллельным и основным нейтрализаторами.

Рис. Система со стартовым нейтрализатором: 1 — двигатель, 2 — стартовый нейтрализатор, 3 — глушитель, 4 — основной нейтрализатор, 5 — кислородный датчик (лямбда-зонд), 6 — заслонка

При очистке отработанных газах дизельных двигателей внимание уделяется сокращению содержания твёрдых частиц и оксидов азота (NOx). Приведём краткое описание некоторых способов очистки ОГ, применяемых в дизельных двигателях.

Фильтр твёрдых частиц используется для сбора и их дальнейшей регенерации. Используется с окислительным нейтрализатором. Перед и после нейтрализатора и фильтра твёрдых частиц устанавливаются датчики давления и температуры, по которым косвенным способом определяется загрязнение элементов. Далее ЭБУ двигателем переводит работу двигателя на разные режимы для запуска системы регенерации твёрдых частиц.

Накопительный нейтрализатор NOx

Накопительный нейтрализатор NOx собирает на своей поверхности оксиды азота, а затем конвертирует их в азот (N2). При холодном пуске отработанные газы нагреваются для сокращения количества NOx. ЭБУ двигателем периодически обогащает, а затем обедняет рабочую смесь и, тем самым, создаёт условия для разложения оксидов азота.

Система нейтрализации отработавших газов

Система нейтрализации предназначена для снижения выбросов оксидов азота в результате впрыска нейтрализующей жидкости в систему выпуска двигателя. При повороте ключа замка выключателя приборов и стартера в первое фиксированное положение на комбинации приборов происходит просмотр информации об автотранспортном средстве. Один из экранов по умолчанию показывает уровень нейтрализующей жидкости в баке (см. рис. Уровень нейтрализующей жидкости).

В случае снижения уровня нейтрализующей жидкости в баке, на панели приборов загорается контрольная лампа низкого уровня жидкости в системе нейтрализации . Система нейтрализации отработавших газов заправляется только нейтрализующей жидкостью AdBlue в соответствии с рекомендациями, приведенными в приложениях Б, В.

Ориентировочный расход нейтрализующей жидкости составляет:

• от 3 до 5 % от расхода топлива для автомобилей с двигателями экологического класса 4;
• от 4 от 7 % от расхода топлива для автомобилей с двигателями экологического класса 5;
• 5 % от расхода топлива для автомобилей с двигателями экологического класса 6.

Заливная горловина бака с нейтрализующей жидкостью закрыта крышкой синего цвета.

Внимание! Перед заправкой бака остановить двигатель и выключить автономный отопитель кабины. Несанкционированное вмешательство и демонтаж любых элементов системы обработки отработавших газов запрещены. Практические рекомендации, требования по обращению, транспортированию и хранению нейтрализующей жидкости см. в ГОСТ ИСО 22241-3-2013.

Автомобиль при заправке должен быть установлен на ровную горизонтальную поверхность. Заливать нейтрализующую жидкость AdBlue в бак необходимо через заливную горловину бака до нижней линии на смотровом окне (см. рис. Смотровое окно уровня нейтрализующей жидкости).

Смотровое окно уровня нейтрализующей жидкости

Внимание! Не переливать нейтрализующую жидкость AdBlue выше рекомендуемого уровня! Повторная заливка слитой нейтрализующей жидкости запрещена.

При переливе возможен выброс нейтрализующей жидкости через сапун и образование белого налета и ржавчины на деталях, на которые попала нейтрализующая жидкость. Для слива нейтрализующей жидкости до рекомендуемого уровня в баке, необходимо подставить емкость под бак и ослабить сливную пробку (см. рис Бак с нейтрализующей жидкостью для двигателя Cummins).

Вариант 1

Вариант 2

Бак с нейтрализующей жидкостью для двигателя Cummins 1 – смотровое окно уровня нейтрализующей жидкости; 2 – сапун; 3 – сливная пробка

При возникновении неисправности в системе нейтрализации на панели приборов загорается контрольная лампа . Определение и устранение неисправности в системе нейтрализации см. в разделе 7 «Возможные неисправности агрегатов и систем автомобиля. Самопомощь». При необходимости, отбор пробы нейтрализующей жидкости для анализа производить через заливную горловину, предварительно нужно извлечь сетчатый фильтр.

Внимание! Эксплуатация системы без нейтрализующей жидкости AdBlue не допускается. Не пользоваться никакими присадками к нейтрализующей жидкости AdBlue. Не разбавлять нейтрализующую жидкость AdBlue водопроводной водой, так как это может привести к выходу из строя системы нейтрализации отработавших газов. Следить за чистотой используемой нейтрализующей жидкости. Загрязнения нейтрализующей жидкости приводят к повышению показателей вредных эмиссий и выходу из строя системы нейтрализации отработавших газов. Не допускать попадания нейтрализующей жидкости AdBlue на агрегаты автомобиля и землю. Не допускать попадания нейтрализующей жидкости в глаза. При попадании восстановителя в глаза немедленно промыть их чистой водой. В случае попадания нейтрализующей жидкости при заправке на лакированные или алюминиевые поверхности, немедленно обильно промыть поверхность чистой водой. Повторная заливка нейтрализующей жидкости, слитой во время ремонта, запрещена. Для хранения нейтрализующей жидкости рекомендуется пользоваться канистрами только из пластика или нержавеющей стали.

При хранении в канистрах из меди, медных сплавов, из нелегированной или оцинкованной стали, частицы этих металлов могут выделиться в нейтрализующую жидкость и привести к выходу из строя системы нейтрализации отработавших газов.

Методика проверки

Если возникли подозрения на неисправность нейтрализатора, необходимо проверить давление газов перед нейтрализатором. Холостой ход — не более 0,9 bar и режим нагрузок (примерно 3000 оборотов) не более 2,5 bar. Если нет измерительного манометра — просто выкрутить кислородный датчик для выпуска отработанных газов. Если двигатель запустился, значит нейтрализатор «забит». Признаком неисправности нейтрализатора служат раскалённые газы, идущие из выпускной системы; перегрев двигателя и «хлопки» во впускной коллектор.