1) Как можно уменьшить выбросы дизельных двигателей?
Дизельные двигатели, как правило, работают на обедненной смеси (воздуха больше, чем топлива), поэтому катализатор для дизельных автомобилей работает, как катализатор окисления (такой катализатор еще называется дизельным, катализатором окисления, ДКО), снижая выбросы СО и углеводородов более чем на 90%.
Однако преобразование NOx в таких катализаторах происходит менее эффективно, поэтому для удаления твердых частиц и NOx из отработавших газов дизельных двигателей необходимо применять дополнительные системы очистки.
2) Что такое сажевый фильтр?
По своей структуре сажевый фильтр (фильтр твердых частиц) напоминает автокатализатор, отличие же заключается в том, что, по меньшей мере, часть отработавших газов дизельного двигателя проходит через физический фильтр. Наиболее распространенными и известными являются фильтры, в которых улавливание частиц происходит на боковых стенках каналов субстрата. В качестве субстрата чаще всего используется блок с ячеистой структурой из карбида кремния или кордиерита. Часть каналов субстрата запечатывается в шахматном порядке с одной стороны, оставшиеся каналы блокируются с другой стороны блока.
Отработавшие газы не могут пройти напрямую через блок и вынуждены проникать сквозь стенки каналов. Таким образом происходит улавливание твердых частиц, которые оседают на стенках фильтра.
4. Снижение токсичности выбросов дизельных двигателей
Фильтры также могут изготавливаться из металлокерамики, металлической ткани или пористого металла.
Сажевый фильтр может быть без каталитического покрытия, что никак не влияет на его способность улавливать твердые частицы. Также на субстрат можно нанести катализатор, получив таким образом сажевый фильтр с каталитическим покрытием.
3) Что делает сажевый фильтр?
Фильтры могут снижать общие выбросы вредных веществ более чем на 90%, частиц сажи – более, чем на 99%. Для некоторых случаев применения частичные фильтры являются более подходящим вариантом: они снижают выброс сажи лучше, чем дизельные катализаторы окисления, но менее эффективно, чем полный фильтр.
Сажевый фильтр улавливает твердые частицы, или сажу, в отработавших газах дизельного двигателя и препятствуют ее попаданию в атмосферу. Периодически температуру в фильтре следует повышать, чтобы сжечь скопившиеся частицы сажи и предотвратить засорение фильтра. Этот процесс, называемый регенерацией фильтра, обеспечивает бесперебойную работу транспортного средства и предотвращает повреждение самого фильтра.
4) Как работает сажевый фильтр?
Улавливаемые фильтром компоненты отработавших газов преимущественно являются частицами углерода с присоединенными углеводородами. Существует два основных метода удаления скопившихся частиц.
Активная регенерация
Сгорание частиц в присутствии воздуха (О2) при температуре около 600°С.
[С] + О2 -> СО2
Пассивная регенерация
Сгорание частиц в присутствии оксида азота (NO2) при температуре около 250-300оС.
[C] + 2NO2 -> CO2 + 2NO
5) Что происходит с NOx в отработавших газах дизельных двигателей?
Наряду со стратегиями управления работой двигателя в системах очистки отработавших газов специально для уменьшения содержания NOx можно задействовать катализаторы. Существует два основных способа удаления NOx из отработавших газов дизельных двигателей. В системах селективного каталитического восстановления происходит преобразование оксида азота (NO) и диоксида азота (NO2) в молекулярный азот (N2) с использованием восстановителя, например, раствора мочевины, добавленного в отработавшие газы. В процессе химической реакции происходит удаление катализаторами-адсорберами NOx оксидов азота из обедненного потока отработавших газов, с последующей очисткой при условиях стехиометрического или обогащенного состава отработавших газов.
Адсорбция — это захват поверхностью твердого вещества или жидкости тонкого слоя молекул какого-либо другого вещества.
6) Два основных класса систем селективного каталитического восстановления (СКВ) в зависимости - от используемого восстанавливающего агента.
СКВ аммиаком: наиболее типичный источник аммиака - мочевина.
СКВ углеводородами: источник углеводородов – дизельное топливо.
В системе СКВ аммиаком оксиды азота (NOx) вступают в реакцию с аммиаком (NНз), в результате чего образуется азот и вода.
Дизельные двигатели выбрасывают больше сажи, чем бензиновые.
Три основных пути химической реакции:
4NH3 + 4NO + O2 -> 4N2 + 6H2O
2NH3 + NO + NO2 -> 2N2 + ЗН2О
8NH3 + 6NO2 -> 7N2 + 12H2O
В качестве источника аммиака может использоваться любое вещество, но наиболее распространенным вариантом является водный раствор мочевины. В потоке отработавших газов раствор мочевины разлагается на аммиак и диоксид углерода (CO2).
В системах СКВ углеводородами в качестве восстанавливающего агента используются углеводороды, которые уже присутствуют в отработавших газах двигателя или могут быть туда добавлены. Такие системы не требуют применения дополнительных восстановителей (например, мочевины). Пути химической реакции определяются присутствующими углеводородами, общая реакция в данной системе выглядит следующим образом:
[HC] + [NOx] -> N2 + CO2 + H2O
7) Катализаторы-адсорберы NOx
Катализаторы-адсорберы NOx удаляют оксиды азота из обедненного газового потока в процессе химической реакции в присутствии катализатора. Во время реакции выделяется углекислый газ (СО2), поглощение которого происходит на последующих стадиях процесса. Способность катализатора-адсорбера поглощать оксиды азота конечна, однако она может быть восстановлена подачей в систему обогащенной газовой смеси. В этом случае происходят две реакции: катализатор выделяет оксиды азота и таким образом регенерируется и происходит восстановление оксидов азота до обычного азота.