Очистка выхлопных газов

Отделение частиц

Доля выбросов от автомобилей в общей доле загрязнения воздуха составляет примерно 10%. Черный, белый и голубой дым от дизельного двигателя являются непосредственно заметными выбросами и, подобно запаху от выхлопных газов, видны как результат работы двигателя.

Очистка выхлопных газов в дизельных двигателях призвана решить эти проблемы, посредством чего выброс частиц может быть уменьшен примерно на 75%.

В общем, размер частиц, которые должны быть удалены, имеет решающее значение для практического применения возможных систем отделения. Частицы сажи, выбрасываемые дизельным двигателем, имеют размеры (судя по диаметру) от 0,01 до 10 мкм. Размер зерна в среднем лежит около 1 мкм (микрона). Для частиц такого размера могут быть использованы только фильтрация и электрические сепараторы.

Фильтр дожигания сажи

Рис. Фильтр дожигания сажи

Дизельный двигатель постоянно работает с избытком воздуха. Это значит, что выхлопные газы содержат так много кислорода, что при температуре выше примерно 550°С, собирающаяся сажа сгорает самостоятельно в фильтре (а) для дожигания сажи с эффектом самоочищения фильтра. Однако, локальные пиковые температуры, достигающие 1200°С при дожигании сажи требуют использования материалов с особыми свойствами. По этой причине для этой цели были специально разработаны керамические материалы фильтров различной конструкции.

Штампованный керамический сотовый элемент (2) подобен по конструкции и материалам каталитическому преобразователю (катализатору), используемому на бензиновых двигателях (Ь). Однако концы сотовых ячеек попеременно уплотнены керамическими заглушками (3).

Следовательно, выхлопные газы, проходящие в открытый канал, могут протекать через пористые керамические стенки в расположенные рядом каналы, ведущие к выхлопной трубе. Керамические стенки имеют толщину менее 0,5 мм. Так называемые фильтры с «глубокой основой» разработаны в качестве альтернативы керамическим сотовым фильтрам. У них заметно больше размер пор и разделение происходит только на существенной глубине в фильтре (толщина стенки). Здесь используются «свечи», состоящие из перевитых керамических фиберов. Чтобы исключить избыточные противодавления и, таким образом, риск забивания, необходимо предусмотреть вспомогательную регенерацию. Температуры сгорания могут быть уменьшены до 200 — 250°С путем добавления металлоорганических соединений. Дожигание в этом случае сможет остаться эффективным даже при расположении фильтрующей системы под дном кузова автомобиля. Подача внешней энергии через дожигатель топлива станет причиной усиленной регенерации фильтра.

Электрический сепаратор

Напряженность электрического поля так высока, что на концах или остриях одного из электродов (3) электричеокого сепаратора начинается эмиссия электронов. В результате этого образуются свободные носители заряда, которые сами осаждаются на частицы, находящиеся в выхлопных газах (1). В электростатическом поле электрически заряженные частицы движутся к электроду с противоположной полярностью, где они и отделяются. (2 — электростатический накопитель). Хотя электрический сепаратор в обычной форме неприменим для работы в автомобиле (размеры, трудность очистки), принцип его работы с помощью накопления приведет к существенному росту отделяемых частиц. Затем частицы могут быть отделены от потока выхлопных газов в обычном центробежном сепараторе.

Рис. Электрический сепаратор

Циклон (устройство отделения частиц от газа) (5) расположен внизу накопителя. Благодаря центробежной силе частицы двигаются, вращаясь, к наружной стенке и оттуда к отстойнику. Отделенная сажа подается к системе удаления (4) вместе с потоком выхлопных газов. Возможности удаления предусматривают дожигание сажи внутри или снаружи двигателя или непосредственное хранение сажи. (6 — очищенные выхлопные газы).

В отличие от фильтра дожигания сажи, утечки давления выхлопных газов в электрическом сепараторе не зависят от количества сажи и постоянны для соответствующего режима работы (отсутствует риск забивания).

Каталитический преобразователь (катализатор)

Катализатор обеспечивает существенное уменьшение окиси углерода и углеводородов, выбрасываемых дизельным двигателем. Так как выбросы углеводородов вносят вклад в выброс частиц, то их можно также уменьшить с помощью катализатора.