Особенности функционирования каталитического преобразователя и лямбда-зонда

Введение. Научные исследования прикладного характера способствуют конкурентно способному развитию отраслей промышленности, в том числе сельского хозяйства [1-4]. При этом существенное значение придается инновационным разработкам в области автотракторной техники как решающего фактора технического обеспечения производственных процессов [4-8]. Поршневые двигатели внутреннего сгорания в настоящее время являются главным источником энергии мобильных транспортных средств. Однако эксплуатация силовых агрегатов этого типа наносит значительный вред окружающей среде. Для уменьшения вредных выбросов при функционировании моторов используются современные системы. Каталитический преобразователь и лямбда-зонд представляют собой некоторые их них.

Цель работы. Изучить особенности функционирования каталитического преобразователя и лямбда-зонда. Уточнить условия эксплуатации этих устройств корректной работы с целью повышения их ресурса.

Материалы и методы исследования. Выполнен обзор литературных источников, приведен их анализ. Установлены принципы работы и особенности конструкции каталитического преобразователя и лямбда-зонда.

Результаты исследования. Количество мобильных транспортных средств на автомагистралях неуклонно растет. Любая автотракторная единица является источником вредных выбросов в окружающую среду. Для уменьшения токсичного воздействия на флору и фауну на современных бензиновых моделях в выпускную систему устанавливают каталитический преобразователь.

Ведущие автомобильные концерны за последние десятилетия автопроизводители совершили существенный шаг вперед на пути совершенствования силовых агрегатов, а также их систем питания.

В семидесятых годах прошлого столетия в Америке в выпускную систему двигателя было впервые установлено техническое устройство – каталитический нейтрализатор. На автомобилях последних поколений встраивают более функциональные, трехкомпонентные приборы.

Минимизация токсичности вредных веществ, содержащихся в выпускных газах поршневых двигателей внутреннего сгорания, осуществляется путем каталитического окисления.

Выпускная система отработавших газов бензинового силового агрегата включает в себя выпускной коллектор, приемную трубу, а также каталитический преобразователь, центральный глушитель, в том числе соединительную трубу, дополнительный глушитель и выхлопную трубу.

Корпус из нержавеющей стали, встроенный в систему выпуска поршневого двигателя внутреннего сгорания являет собой трехкомпонентный каталитический нейтрализатор (рис. 1). В этом техническом устройстве установлен блок носителя с большим количеством продольных пор, с нанесенным наитончайшим слоем вещества катализатора, которое само не вступает в химические реакции, но выполняет функцию ускорения их протекания.

В упрощенном виде данную реакцию в нейтрализаторе можно представить в следующем виде: CH+O2 → CO2+H2O; NO+CO → N2+CO2.

Рисунок 1 – Прибор каталитического нейтрализатора в разрезе (слева):

1 – сетка эластичная металлическая; 2 – основа керамическая с пленкой из благородных металлов (4); 3 – лямбда-зонд;

химическая реакция в каталитическом нейтрализаторе (справа): 2CO + O2 = 2CO2; 2C2H6 + 7O2 = 4CO2 + 6H2O; 2NO + 2CO = N2 + 2CO2

Внешний вид каталитического нейтрализатора (рис. 1) напоминает стандартный глушитель. Во внутренней части расположена основа из керамики со множеством достаточно мелких ячеек, на поверхность которых нанесена тончайшая пленка, включающая в себя благородные металлы палладия, а также платины и родия. Трехступенчатый каталитический нейтрализатор Нейтрализация диоксида углерода, в том числе углеводородов и окислов азота осуществляется с помощью этого прибора – трехступенчатого каталитического нейтрализатора. Интеграция технического устройства – каталитического нейтрализатора в систему выпуска позволяет сократить количество токсичных веществ, примерно на 65 %.

Варьирование составом топливовоздушной смеси оказывает воздействие на токсичные выбросы. Устройство, называемое лямбда-зондом, позволяет выполнять эту функцию. Датчик регистрирует количество кислорода, находящегося в выпускных газах. Отношение воздух/топливо отражает буква λ («лямбда») из греческого алфавита. Наилучшие показатели качества функционирования каталитический нейтрализатор демонстрирует при λ = 1. Когда действительные значения этого показателя не соответствуют идеального, то бортовая электронная система влияет на работу карбюратора или систему впрыска горючего – дает сигнал на коррекцию состава топливовоздушной смеси.

Регулирование осуществляется в пределах от λ = 0,81 до λ =1,20.

Лямбда-зонд включается в работу при значении температуры более 350 °С. В момент пуска, в том числе режимах максимальных нагрузок состав топливовоздушной смеси не подвергается регулировке.

Постоянное варьирование соотношения воздух/топливо, поступающего в силовой агрегат, а именно когда богатая топливовоздушная смесь меняется с обедненной, оказывает положительное влияние на эффективность функционирования (рис. 2) катализатора.

Наличие активного датчика, который регистрирует состав выпускных газов, а также сигнализирует электронный блок управления, обеспечивает такое комбинирование. Это техническое устройство имеет название датчика кислорода или лямбда-зонда. Опция переключения циклического характера незначительно меняет пропорцию воздух/топливо, но это необходимо.

1 - воздух; 2- бензин; 3 - блок управления;

4 - система впрыска; 5 - двигатель;

6 - каталитический нейтрализатор;

7 - кислородные датчики; 8 - резонатор;

9 - глушитель

Рисунок 2 – Функционирование каталитического нейтрализатора силового агрегата

Корректная работа лямбда-зонд формирует достаточно полную информацию об актуальном состоянии силового агрегата и его системы. На ряде мобильных транспортных средств посредством датчика появляется возможность высокоточной регулировки содержания СО 2 в выпускных газах. Вышедший из строя лямбда-зонд является причиной повышенного расхода горючего, а также снижения характеристик двигателя по мощности.

Обеспечение корректного функционирования каталитического нейтрализатора в течение продолжительного периода времени достигается путем соблюдения следующих положений:

• •     не использовать в качестве горючего этилированный бензин.

Применение такого вида топлива приводит в негодность катализатор. Он критично насыщается свинцом и полностью приходит в негодное состояние;

• •     необходимо варьировать состав топливовоздушной смеси (а именно,

пропорция воздух/топливо должна чередоваться). Любая конструкция карбюратора, включая даже с электронной системой управления, такой высокой точностью, а также скоростью действия для обеспечения требуемого состава горючей смеси не обладает;

• •    необходимо знать, что внутренняя поверхность каталитического преобразователя с течением времени нередко покрывается копотью и сажей, а также смазочноохлаждающей эмульсией, в том числе маслом или чем-нибудь еще, что может иметь место в выхлопе.

В случае, когда такие примеси расплавятся, то эта площадь поверхности нейтрализатора работать не будет. Это не влияет на технические характеристики силового агрегата, но отрицательно сказывается на уровне СО2.

Примечание

Эксплуатация каталитического преобразователя сокращает выбросы диоксида углерода на 85 %, углеводородов – на 80 %, окислов азота – на 70 %. По мере продолжительность функционирования нейтрализатора, его эффективность идет на спад.

Оптимальная температура нейтрализатора тождественна 300 °С. Это значение достигается примерно через 25-270 с после включения в работу мотора. Такое же количество времени необходимо для начала функционирования лямбда-зонда. Критичен для нейтрализатора, в том числе перегрев лямбда-зонда. При значении температуры выше 900 °С преобразователь резко падает его ресурс, свыше 1200 °С – приходит в полную негодность. Причиной увеличения значения температуры нередко бывают пропуски в зажигании. Несгоревшая топливовоздушная смесь поступает в нейтрализатор, где дожигается и это ведет к критичному росту его температуры.

Эксплуатация каталитического нейтрализатора допустима только с неэтилированным бензином. Соединения свинца с благородными металлами образуют различные соединения. Нейтрализатор насыщается и после многократных заправок этилированным бензином полностью выходит из строя. Ресурс каталитического нейтрализатора тождественен ресурсу силового агрегата.

Заключение. В результате проведенного обзора литературных источников и их анализа установлены принципы работы и особенности конструкции каталитического преобразователя и лямбда-зонда. Выяснены условия корректной эксплуатации, позволяющие повысить их ресурс. Определены перспективы развития этих технических устройств.