3. Аналіз методів нейтралізації оксидів азоту

Методи зниження токсичності можна розділити на три напрямки:

• вплив на робочий процес;

• нейтралізація відпрацьованих газів;

• застосування присадок і альтернативних палив.

Нижче наведена коротка характеристика найбільш ефективних методів зниження рівня викидів.

Зменшення кута випередження уприскування палива

Зниження викиду NOx до 50% може бути отримано за рахунок зменшення випередження впорскування, хоча при цьому дещо збільшуються викиди СО, СН і сажі, а також питома витрата палива. Найбільш ефективно зменшення кута на перші 4-6 град. від оптимального по витраті палива. З-за більш пізнього початку згоряння збільшується енергія ОГ, що призводить до збільшення температури випускного клапана і його сідла. Цей спосіб найбільш простий для реалізації.

Рециркуляція відпрацьованих газів

Для зменшення виділення оксидів азоту можливе застосування рециркуляції частини відпрацьованих газів на впуск дизеля, при цьому зменшується максимальна температура циклу. Зменшення температури відбувається головним чином з-за більшої питомої теплоємності продуктів згоряння в порівнянні з повітрям. Крім того, наявність продуктів згоряння впливає на процес згоряння в циліндрі. Зменшення температури впливає також на концентрацію атомарного кисню, що, в свою чергу, знижує швидкість реакції утворення NO. Застосування рециркуляції викликає істотне збільшення димності, а також вмісту продуктів неповного згоряння у відпрацьованих газах. На ефективність рециркуляції впливають: режим роботи двигуна, кількість перепускаемого газу і його температура, кут випередження впорскування палива, спосіб сумішоутворення та ін. Використання рециркуляції найбільш ефективно на режимах холостого ходу, малих і середніх навантажень. На номінальному режимі різко зростає димність відпрацьованих газів і витрата палива. Для тепловозних дизелів, які найбільшу кількість оксидів азоту викидають на режимах 30-50% номінального навантаження, рециркуляцію доцільно застосовувати при навантаженні до 50% від номінальної.

Загальна схема рециркуляції ВГ ДВЗ. Сьогодні розроблені та задіяні численні схеми рециркуляції ДВЗ. Однак будь-яка з них відповідає загальній схемі цього процесу, поданій на рис.3.1.

Така схема, наприклад, призначена для дизелів легких вантажних авто­мобілів LDT. Розробка виконана фірмою «Bosch» для двигунів фірми «AVL», Австрія.

Рис.3.1. Загальна схема рециркуляції ДВЗ: 1 — повітря-повітряний охолоджувач наддувного повітря; 2 — клапан керування рівнем рециркуляції ВГ; 3 — двигун; 4 — повітряний фільтр; 5 — датчик витрати повітря (витратомір); 6 — клапан моторного гальма у випускному колекторі; 7 — уловлювач твердих часток.

Регулювання температури повітря у впускному колекторі

Зниження температури повітря у впускному колекторі призводить до зменшення викиду NOx. При цьому знижується витрата палива і температура газу в циклі. Зниження температури з 55 до 40 викликає зменшення питомої витрати палива на 1,5 %; викиду СН на 4 %; викиду СО на 9 %; викиду NOx на 15 % (для тепловозного дизеля). Реалізація цього способу пов'язана зі значним збільшенням розмірів холодильної камери тепловоза, і, відповідно, збільшенням витрат на допоміжні потреби.

Впорскування води і водопаливної емульсії

Додавання води до топливовоздушному заряду призводить до зниження максимальної температури згоряння, що обумовлено витратами на випаровування води і нагрівання її парів (питома теплоємність водяної пари вище теплоємності повітря). Присадку води до повітря можна здійснити уприскуванням як у впускний трубопровід, так і в циліндр. При впорскуванні води у впускний трубопровід відбувається також підвищення коефіцієнта наповнення за рахунок зниження температури повітря. Перевагою добавки води є те, що при зниженні викидів оксидів азоту в 2 рази потужність і економічність дизеля практично не змінюються. Однак добавка води призводить до збільшення концентрації незгорілих вуглеводнів і скорочення терміну служби циліндро-поршневої групи. Крім того для реалізації цього способу необхідно створення спеціальної системи подачі та дозування води, причому повинна подаватися тільки дистильована вода.

Вода може бути додана до палива з утворенням водо-паливних емульсій. При роботі на емульсіях кілька (на 4...7 %) зменшується витрата палива. Краплі емульгованого палива, впорскнутого в циліндр, складаються з часток палива, всередині якого міститься велика кількість хаотично рухаються включень води. Розміри цих включень коливаються від 1 до 3 мкм і практично не залежать від умов розпилювання. При нагріванні частинок води і перетворенні їх у пар такі включення "вибухають", піддаючи навколишні їх частки палива додаткового дроблення, що прискорює і покращує процес сумішоутворення. Найбільш застосовна присадка води до дизпального становить 15...17 %. Відмічено позитивний вплив присадки води на зниження сажоутворення. Недоліками даного методу є збільшення зношування деталей паливної апаратури, а також властивість емульсій розшаровуватися з плином часу, особливо при високих температурах.

Збагачення повітря на вході рідким і парообразным паливом

Здійснюється подачею частини палива у впускний трубопровід шляхом розпилювання або подачею заздалегідь випаруваного палива. Така роздільна подача сприяє гомогенізації суміші і більш повного згоряння. Недоліком способу є необхідність обладнання дизеля спеціальною системою подачі палива і складність регулювання його подачі (з урахуванням подачі основного палива через форсунку).

Каталітична нейтралізація

У системі випуску відпрацьованих газів відбуваються реакції окислення оксиду вуглецю і вуглеводнів з надмірною киснем. Ці процеси проходять при відносно низькій температурі і протікають з малою швидкістю. Для прискорення протікання реакції застосовуються каталізатори. Нейтралізатори дизелів мають великі габаритні розміри, щоб зменшити їх протитиск випуску відпрацьованих газів. Температура, яку необхідно підтримувати в реакторі, не повинна перевищувати 200...250 С. На каталізаторі відбувається процес повного окиснення СО, СН і альдегідів, також відбувається самоочищення каталізатора від смолистих відкладень і сажі. Основний недолік дизельних каталітичних нейтралізаторів полягає в їхній неефективності по відношенню до оксидам азоту. Один із шляхів усунення цього недоліку - виборче відновлення оксидів азоту аміаком на меднохромоокисных каталізаторах. Ефективність їх нейтралізації досягає 80 % при температурі 350...400 С. Недоліки цього способу - вплив температури відпрацьованих газів на ефективність нейтралізації і необхідність застосування аміаку, який сам по собі є токсичним речовиною, а також необхідність дозування його подачі.

В каталітичних нейтралізаторах відбуваються хімічні реакції, в результаті чого зменшується концентрація газових компонентів токсичних речовин. Механічні та водяні очисники застосовуються для очищення випускних газів від механічних частинок (сажі) та крапельок масла. Останнє використовується рідко.

Каталітичні нейтралізатори з відновної середовищем використовують у системах для зменшення викидів оксидів азоту. Відновлення NO з утворенням N₂ стає можливим при наявності досить високого вмісту СО у випускних газах:

2NO + 2CO N₂+ 2CO₂

При ω ≥ 1 у випускних газах міститься водень тому можлива реакція з утворенням аміаку:

2NO+5H₂ = 2NH₃+2H₂O

В каталітичному нейтрализаторе з каталізатором з благородних металів можна знизити викиди всіх трьох токсичних газових складових - СН, СО і NOx але лише за умови, що склад горючої суміші відрізняється від стехіометричного (при ω = 1) не більше ніж на 1%. Такі нейтралізатори називаються трикомпонентними. Найкращі результати з платиновими каталізаторами.

Термічний нейтралізатор

Термічний нейтралізатор являє собою камеру згоряння, яка розміщується у випускному тракті двигуна для допалювання продуктів неповного згоряння палива - СН та СО. Він може встановлюватися на місці випускного трубопроводу і виконувати його функції. Реакції окиснення СО і СН протікають досить швидко при температурі понад 8300С і при наявності в зоні реакції розрізнених входу кисню. Термічні нейтралізатори застосовуються на двигунах із примусовим запалюванням. Термічні нейтралізатори мало ефективні на режимах холостого ходу і малих навантаженнях, оскільки t випускних газів недостатньо висока і реакція протікає повільно.

Рідинні каталізатори

У даному способі відпрацьовані гази проходять через шар рідини в якій в залежності від її складу зв'язуються або розчиняються токсичні компоненти. Рідинні каталізатори головним чином поглащают альдегіди, частково окису азоту і вловлюють сажу. Процес здійснюється при порівняно низькій температурі 40-800С. Оскільки в таких нейтралізаторах нейтралізація окислів азоту ограниченпо застосування тільки на дизелях, найчастіше використовуються комбінації з ін системами нейтралізації. При проходженні відпрацьованих газів через рідинну середовище створюється тиск на випуску, яке сокращяет подачу свіжого заряду і скорочує момент провітрювання камери згоряння від залишкових газів. Тим самим ефективність до 10%.

Використання природного газу в якості палива

Природний газ є однією з альтернатив дизельного палива, крім того його застосування знижує викиди шкідливих речовин. Газ подається в циліндри двигуна в суміші з повітрям і запалюється або запального порцією дизельного палива (10...15% номінальної подачі), або спеціальної іскровий системою запалювання. Зберігання запасу газу для живлення дизеля тепловоза може здійснюватися у стисненому або зрідженому вигляді. Можливо зберігання зрідженого природного газу в спеціальних кріогенних ємностей, які встановлюються в окремій кріогенної секції тепловоза. Недоліками, які перешкоджають широкому впровадженню цього способу є складність перевезення запасу скрапленого газу на тепловозі, вибухонебезпечність і складність скраплення газу перед заправкою, крім того використання газу суттєво збільшує вартість тепловоза і робить більш дорогий його експлуатацію.

Додавання випаруваного метанолу на впуск дизеля

Метанол так само вважають одним з можливих замінників дизельного палива в майбутньому. Даний спосіб дозволяє замінювати частина (до 40 %) дизельного палива і зменшувати на 30...50% викиди оксидів азоту та твердих часток з відпрацьованими газами. Метанол, який є рідиною при нормальних умовах, випаровується у спеціальному пристрої - випарнику і подається у впускний трубопровід дизеля. Можливо випаровування метанолу в потоці гарячого наддувочного повітря, при цьому знижується його температура, що призводить до збільшення коефіцієнта наповнення і зниження температури циклу. Використання даного способу вимагає установки на тепловозі окремої паливної системи, яка забезпечує зберігання, очищення, подачу, випаровування і дозування метанолу. Будучи хімічно агресивним речовиною, метанол сприяє збільшенню зносу деталей циліндро-поршневої групи.

Найкращим способом європейські фірми вважають застосування окисного нейтралізатора, який в свою чергу при подачі спеціальних компонентів вступають з оксидами азоту в реакцію до повного розщеплення на нетоксичний елемент. Ефективність застосування нейтралізатора досягає шістдесят відсотків. Також плюсом даної системи є використання в якості ефективного елемента сечовини, як недорогого речовини.

Система окисного нейтралізатора не має особливої складності. Принцип роботи полягає в застосуванні спеціального селективного каталізатора SCR з дозованим уприскуванням сечовини, дозування сечовини здійснюється електромагнітної форсункою, електронний імпульс на який надходить від контролера. Керуючий блок автоматично зіставляє одержані дані з датчиків. Система оснащена рідинним насосом, який закачує сечовину з бака і створює необхідний тиск. В разі його перевищення встановлений зворотний клапан з поверненням у бак з сечовиною. Тиск необхідне в системі має становити 0,3 - 0,6 Мпа. Застосовуємо серійний насос з електроприводом для систем з електронним уприскуванням палива.

Електромагнітну форсунку оснащуємо повітряним каналом від пневмотической системи автомобіля. Тиск в системі необхідно підтримувати в параметрі 0,4 - 0,5 Мпа. Повітряний потік проходячи через форсунку змішується з сечовиною і впорскується у вихлопну трубу у вигляді хмари крапель. Сечовина є досить поширеним і недорогим хімікатом який при нагріванні виділяє аміак, той в свою чергу розщеплює оксиди азоту на азот і кисень не представляє небезпеки для навколишнього середовища. За витратою сечовини стежить контролер уприскування працює з урахуванням параметрів роботи двигуна, одержуваних від основного електронного блоку.

Витрата сечовини становить 3,5см³ на 1 літр палива. Бажано застосовувати паливо з низьким вмістом сірки. Хімічний процес протікає безпосередньо в глушнику випускної системи.

В ході процесу відбувається реакція окислення азоту NO і NO₂ з сечовиною NH₃, в результаті отримуємо нешкідливий азот і водяна пара. Додатково водяна пара виходячи з глушника пов'язує між собою механічні домішки сажі, тим самим перевантажуючи їх, не дозволяючи підніматися в повітряний простір.

Таблиця 3.1. Оцінка ефективності різних методів зниження викидів шкідливих речовин

№	Метод зниження викидів токсичних речовин	Приведений масовий питомий викид, г/кВт·ч	Еффективність метода, %
		NOх
0	Базовий дизель	11,0	—
1	Зменшення кута|рогу,кутка| випередження уприскування на 5-10 гр.	5,5	33
2	Рециркуляція ВГ	2,2	64,4
3	Зменшення температури повітря у впуск. колекторі	9,4	13,6
4	а) уприскування води б) водопаливні емульсії	5,5 4,95	44,1 49,8
5	Збагачення повітря на вході паливом	9,9	17,6
6	Каталітич. нейтралізація	11,0	8,5
7	Сажеві фільтри	10,45	21
8	Антидимні присадки	11,0	11,4
9	Використання природного газу	9,9	16,9
10	Додавання|добавка| випаров.|випареного| метанолу на впускання дизеля 50+50%(ДТ+Мет.)	6,6	39,9