СПОСОБ ОЦЕНКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ КАТАЛИТИЧЕСКОГО НЕЙТРАЛИЗАТОРА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ЗАЖИГАНИЕМ
METHOD TO ASSESS SERVICEABILITY OF CATALYTIC NEUTRALISER OF SPENT GASES OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH FORCED IGNITION

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к устройствам очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с принудительным зажиганием.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Загрязнение воздуха вредными выбросами отработавших газов из ДВС в XXI веке стало одной из глобальных экологических проблем. Путь ее решения только один - автомобиль должен стать экологически чистым. Важное место здесь принадлежит системам нейтрализации, способным в несколько раз снизить токсичность отработавших газов.
По своему химическому свойству вещества, содержащиеся в отработавших газах, подразделяются на несколько основных групп: кислород, водяной пар, оксиды углерода (CO), оксиды азота (NOx), диоксид серы, углеводороды (СН), альдегиды и сажа.
Существуют ЕВРОПЕЙСКИЕ (Евро 3, Евро 4, Евро 5) и КАЛИФОРНИЙСКИЕ (LEV, ULEV, SULEV) стандарты, устанавливающие нормы токсичности отработавших газов по содержанию в них CO, СН и NOx.
За время существования проблемы выбросов отработавших газов было разработано множество методов и способов, позволяющих уменьшить их количество или снизить токсичность, например:
- усовершенствование конструкций ДВС и повышение качества их изготовления;
- поиск новых видов топлива и применение различных топливных присадок;
- создание энергосиловых установок для автомобилей, выбрасывающих меньшее количество вредных веществ;
- разработку устройств, снижающих содержание вредных компонентов в отработавших газах.
Практика показала, что при этом достичь уровня токсичности отработавших газов (ОГ), требуемого законодательством развитых стран, первыми тремя способами нельзя. Поэтому получила широкое распространение нейтрализация отработавших газов в системе выпуска. В этом случае газы, вышедшие из цилиндров двигателя, обрабатываются специальными устройствами-нейтрализаторами до выброса их в атмосферу.
Основным видом применяемых нейтрализаторов является каталитический нейтрализатор ОГ, расположенный на выхлопном коллекторе ДВС либо сразу после него.
x
2
2
Недогоревшие остатки (CO, CH, NO), взаимодействуя с поверхностью каталитического слоя, окисляются кислородом, также присутствующим в отработавших газах. В результате реакции выделяется тепло, разогревающее катализатор и, тем самым, активизируется реакция окисления. В конечном итоге на выходе из исправного каталитического нейтрализатора ОГ (далее - нейтрализатора) выхлопные газы содержат в основном N и CO.
В процессе эксплуатации окислительная способность нейтрализатора снижается, в связи с этим необходим постоянный контроль его работоспособности.
CO
A ОГ
CO,50%,свеж.
A
CO,50%,свеж.
CO
CO
CO,2
CO.1
CO
T
Известен способ контроля работоспособности каталитического нейтрализатора отработавших газов (патент RU 2267619 C2, кл. МПК F01N 9/00, опубл. 20.04.2003), при котором работоспособность каталитического нейтрализатора ОГ дизельного двигателя в процессе его работы характеризуется определенной минимальной рабочей температурой начала превращения монооксида углерода (CO) и определенной степенью r превращения  путем непосредственного измерения концентрации СО в сочетании с измерением температуры. Для оценки остаточной каталитической активности каталитического нейтрализатора определяют разность ΔT между фактической температурой T на выходе каталитического нейтрализатора и сохраненной в памяти как функция частоты вращения и нагрузки минимальной рабочей температурой T начала превращения моноксида углерода на свежем катализаторе: ΔT=T- и определяют степень r превращения монооксида углерода. Причем r определяют по следующей формуле , где C - измеренная концентрация монооксида углерода в ОГ за каталитическим нейтрализатором, C - измеренная концентрация. Данное изобретение может быть использовано только для контроля работоспособности каталитического нейтрализатора ОГ дизельного ДВС и не подходит для бензинового. Ограничением для указанного способа также может служить установка перед нейтрализатором фильтров для улавливания твердых частиц дизелей, что приводит к повышению минимальной температуры начала каталитических реакций в нейтрализаторе, в то время как она жестко связана с определением степени превращения СО.
Изотермический процесс окисления продуктов неполного сгорания в дизеле еще больше уменьшает разность между фактической температурой ОГ на выходе нейтрализатора и сохраненной в памяти как функции частоты вращения и нагрузки. Также потеря эффективности нейтрализатора очень часто происходит неравномерно по: CO, СН, NOx. Катализ по СО может успешно проходить, а по сумме СН, NOx уже нет.
Наиболее близким к заявленному изобретению является способ бортовой диагностики каталитического нейтрализатора отработавших газов транспортного двигателя внутреннего сгорания (см. патент RU 2059080, кл. МПК F01N 3/20, опубл. 27.04.1996) в котором диагностику нейтрализатора осуществляют при работе регулятора топливоподачи с временными задержками при переключениях топливоподачи относительно моментов достижения пороговых значений сигнала первого λ-зонда. В качестве критерия эффективности работы нейтрализатора принимают параметр, характеризующий отношение чувствительностей 1-зондов к изменению концентрации кислорода в отработавших газах при заданной величине временных задержек. Поскольку оценку работоспособности нейтрализатора производят путем сравнения чувствительностей l-зондов к концентрации кислорода в отработавших газах в зависимости от концентрации в них продуктов неполного сгорания, а соотношение концентраций их на входе и выходе нейтрализатора непосредственно характеризует его окислительную способность.
Данный способ требует достаточно сложного алгоритма управления законами топливоподачи. К тому же несколько λ-зондов, работающих в разных температурных и газовых средах, имеют разные сроки службы и могут вносить погрешность в диагностику работоспособности и достоверности результатов.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической задачей при разработке заявленного изобретения являлось создание способа, обеспечивающего достоверную оценку эффективности нейтрализатора отработавших газов ДВС с принудительным зажиганием в процессе его эксплуатации.
Поставленная задача решается способом, характеризующимся следующей совокупностью признаков:
CO
2
способ оценки работоспособности каталитического нейтрализатора отработавших газов бензинового двигателя внутреннего сгорания (ДВС), заключающийся в том, что при работающем ДВС измеряют соотношение количества диоксида углерода (), содержащегося в отработавших газах, поступающих в каталитический нейтрализатор, а также выходящих из него, и по величине указанного соотношения принимают решение о работоспособности каталитического нейтрализатора.
При этом:
CO
2
- измерение соотношений количества  может производиться в соответствии с циклами испытаний, указанными в нормативных документах;
CO
2
- измерение соотношений количества  может производиться в соответствии с циклами, определяемыми в соответствии с принятой испытателем методики проведения испытаний для определенного типа двигателя, и/или определенного типа нейтрализатора, или для конкретного типа двигателя, оснащенного конкретным нейтрализатором;
2
- измерение количества CO может производиться датчиками, которые устанавливают при монтаже каталитического нейтрализатора (постоянно присутствующие датчики);
CO
2
- измерение количества  может производиться датчиками, которые устанавливают при проведении диагностических испытаний (датчики устанавливаются только во время проведения определения работоспособности);
CO
,
2
- при принятии решения о работоспособности каталитического нейтрализатора, основанного на величине соотношения количества  содержащегося в отработавших газах, поступающих и выходящих из него, могут учитывать изменение температуры отработавших газов до и после каталитического нейтрализатора.
Техническим результатом при реализации указанного способа является достоверное определение работоспособности каталитического нейтрализатора по минимальному числу параметров.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
2,
2
2
2
2
CO
CO
Заявленное изобретение осуществляется следующим образом. На работающем ДВС с принудительным зажиганием, например работающем на бензине, или/и сжиженном природном газе, или/и сжатом попутном газе, оснащенном каталитическим нейтрализатором, измеряют соотношение диоксида углерода CO содержащегося в отработавших газах, выпускаемых из ДВС и поступающих в каталитический нейтрализатор - СО(1) и выходящих из него - CO(2). По величине значения указанного соотношения (1)/(2) принимают решение о работоспособности нейтрализатора.
CO
CO
2
2
Измерение соотношения (1)/(2) может проводиться в соответствии с циклами испытаний, указанными в нормативных документах, например в соответствии с ГОСТ РФ 51832-2001 "Двигатели внутреннего сгорания с принудительным зажиганием, работающие на бензине, и автотранспортные средства полной массой более 3,5 т, оснащенные этими двигателями. Выбросы вредных веществ. Технические требования и методы испытаний" или ESC (European Stationary Cycle) или в соответствии с принятой испытателем методикой проведения испытаний, для определенного типа двигателя, и/или определенного типа нейтрализатора, или конкретного типа двигателя, оснащенного конкретным нейтрализатором.
Получение заявленного технического результата - достоверное определение работоспособности каталитического нейтрализатора по минимальному числу параметров при реализации способа, подтверждается следующим.
CO
2
Диоксид углерода () является нетоксичным соединением. При этом этот компонент качественно характеризует основные окислительно-восстановительные реакции, проходящие в каталитических блоках нейтрализатора:
2
2
2
CO
1) CmHn+(m+n/4)*O->m*+n/2*HO;
2
2
CO
2) СО+½*O->
2
2
CO
3) СО+NO->½*N+;
2
2
2
H
O
4) CmHn+2*(m+n/4)*NO->(m+n/4)*N+n /2*+mCO;
2
2
2
CO
5) CHn+2HO=+(2+n/2)*H.
(Chemische Industrie. Sonderdruck aus Heft 8/85/ Katalysatoren fur den Umweltschutz(Bernd Engler, Reinhold Brand, стр.31).
2
Чем качественней нейтрализатор (наличие в каталитическом слое активных слоев платины, палладия, родия, церия, рутения - редкоземельных элементов), тем выше (при том же количестве CO, СН, NOx в отработавших газах (ОГ) концентрации CO (2) в ОГ ДВС после нейтрализатора.
CO
CO
CO
2
2
2
По мере старения нейтрализатора эта величина постоянно снижается и при полной потере работоспособности нейтрализатора количества  до нейтрализатора и после него практически равны (1)=(2)
CO
CO
2
2
Следовательно, анализируя соотношения (1)/(2), можно принять решение о работоспособности нейтрализатора.
CO
CO
CO
2
2
2
Если указанное соотношение больше максимально допустимого требуемого соотношения ((1)/(2)->max), соответствующего работоспособному нейтрализатору, т.е. количество (2) меньше, чем установлено, принимают решение о недопустимом снижении работоспособности нейтрализатора.
CO
CO
2
2
Максимальное допустимое требуемое соотношение (1)/(2) определяют экспериментально и/или рассчитывают по формулам окислительно-восстановительных реакций, которые должны происходить в нейтрализаторе, с учетом требуемых нормативными документами норм выброса отработавших газов, для определенного (конкретного) типа двигателя, и/или определенного типа нейтрализатора, или конкретного типа двигателя, оснащенного конкретным нейтрализатором.
Например, известно, что для определенного типа ДВС используется конкретный нетрализатор (типа Дегусса на автомобилях VW, Nissan Murana Infinity.Типа Базаль на автомобилях Opel Astra, Mazda 3, BMW.
Фирма Энгельгард на автомобиле Дженерал моторс. (Н.М.Попова. Катализаторы очистки выхлопных газов автортанспорта, Алма-Ата: Наука, сс.38-40).
2
2
Требуемое соотношение CO(1)/CO(2) в зависимости от режимов диагностирования документируется в виде поверочных таблиц и/или могжет сохраняться в памяти бортовой электроники в виде функции частоты вращения коленчатого вала и нагрузки для обеспечения непрерывной диагностики.
2
Для обеспечения постоянного контроля и диагностики работоспособности нейтрализаторов датчики CO должны присутствовать в узле ДВС-нейтрализатор постоянно, т.е устанавливают при монтаже (присоединено к выпускному коллектору ДВС) нейтрализатора.
CO
CO
2
2
Заявленный способ иллюстрируется чертежом, на котором по оси абсцисс приводятся отношения  (1) к  (2), по оси ординат - значения работоспособности нейтрализатора:
точка 1 соответствует новому 100% работоспособному нейтрализатору;
точка 2 - нейтрализатору, работоспособность которого не соответствует требуемой;
точка 3 - полностью не работоспособному нейтрализатору.
CO
CO
2
2
2
Согласно настоящему изобретению, предлагается контролировать соотношение  до (CO(1)) и после ((2)) нейтрализатора ОГ, в сочетании с измерением температуры ОГ, как дополнительного фактора, характеризующего старение нейтрализатора. Поскольку при работоспособном нейтрализаторе температура ОГ должна повышаться. (Снижение токсичности автомобильных двигателей (О.И.Жегалин, П.Д.Лупачев) стр.73, Москва, »Транспорт» 1985 г.).
2
Диапазон требуемого изменения температур для исправно работающего нейтрализатора в зависимости от соотношения CO определяется, исходя из экзотермических окислительно-восстановительных реакций? которые могут происходить на каталитическом слое нейтрализатора при различных сочетаниях CO, СН, NOx или экспериментально.
CO
CO
2
2
2
Если при значении величины соотношения (1)/(2), соответствующей работоспособному нейтрализатору, изменение температуры отработавших газов до и после каталитического нейтрализатора меньше определенного, принимается решение о недостоверности результатов испытания и необходимости поверки датчиков CO и/или датчиков температуры.
После поверки испытания работоспособности повторяются.
Все возможные значения температуры - критические для работоспособного нейтрализатора во всех его рабочих точках ДВС, также могут сохраняться в памяти бортовой электроники в виде многопараметровой характеристики как функция нагрузки и частоты вращения.
CO
2
Данный метод применим только для ДВС с принудительным зажиганием, так как у ДВС с воспламенением от сжатия (дизельных ДВС) реакции окисления продуктов неполного сгорания носят преимущественно изотермический характер. Концентрации  до и после нейтрализатора практически идентичны.
CO
2
Способ определения работоспособности нейтрализатора с помощью содержания  в отработавших газах (ОГ) ДВС требует герметичности системы выпуска, т.к попадание в них воздуха может привести к недостоверным результатам.
Скорость падения эффективности нейтрализатора зависит от типа нейтрализатора, его конструкции, исправности ДВС, качества используемого топлива, масел, условий эксплуатации. Если первоначальная эффективность нейтрализатора по CO, СН, NOx равна 99,9%, то предельная не ниже 80%.
Для выполнения современных норм Евро 5 падение эффективности нейтрализатора должно быть не больше 15-20%.