Продажа квадроциклов, снегоходов и мототехники
second logo
Пн-Чт: 10:00-20:00
Пт-Сб: 10:00-19:00 Вс: выходной

+7 (812) 924 3 942

+7 (911) 924 3 942

Содержание

Устройство катализатора — как он работает?

Выхлопная система в автомобиле предназначается для того, чтобы выпускать все отработанные газы из транспортного средства наружу. В своей конструктивной составной имеет выпускной коллектор, каталитический конвертер и глушитель.

Если вникнуть глубоко в суть и принцип работы выхлопной системы, то можно разобраться для себя, что данное устройство является достаточно простым, а необходимыми знаниями сможет оперировать даже новичок в автомобильном деле. Важнейшим аспектом рассмотрения выхлопной системы – это определение смысла и сущности данного устройство. Так, приоритетной и важнейшей целью эксплуатации данного узла является вывод всех отработанных газов и очищение от тех же газов камеры сгорания. В тот момент, когда начинает открываться выпускной клапан непосредственно во впускной коллектор постепенно начинает направляться массе этих отработанных газов.

Если двигатель внутреннего сгорания выбранного транспортного средства дизельный, то следует учитывать один непоколебимый аспект работы всей системы:

все части газов, которые уже являются отработанными, начинают активизировать крыльчатку турбокомпрессора, вследствие чего становится возможным их вывод уже в саму трубу. В том случае, если рассматриваемый автомобиль имеет бензиновый двигатель внутреннего сгорания, то вследствие за прохождением коллектора все газы будут перемещаться непосредственно в трубу приема. Далее они будут попросту следовать по предварительно установленной схеме строения на все выходные позиции.

1. Назначение и общее описание выхлопной системы.

Одним из основных элементов выхлопной системы автомобиля является коллектор. Именно посредством этого узла и происходит вывод всех отработанных газов непосредственно из камеры сгорания. Все отходы, которые выходят, будут поступать в особые трубки, которые являются лишь посредниками и промежуточными звеньями во всей процедуре вывода отработанных газов наружу.

Важно заметить, что именно устройство коллектора в большинстве случаев подвергается тюнингу разными специалистами. Делается это для того, чтобы максимально обеспечивать подачу топлива в цилиндры, вследствие чего в разы увеличиться мощность двигателя внутреннего сгорания.

Вслед за устройством коллектора следует каталитический нейтрализатор. Данное устройство предназначается для того, чтобы обеспечивать наименьший уровень токсичности отработанных газов. Если внедриться непосредственно в структурные особенности устройства катализатора в разрезе, то можно обнаружить, что состоять оно будет из внешней оболочки, выполненной из керамики, и тонких каналов, которые располагаются на ней. Все эти каналы внутри покрываются специальным небольшим платиновым слоем. В более простых случаях платина заменяется на более редкие металлы, такие как родий или палладий.

Важно заметить, что из-за того, что изготовление устройства катализатора предусматривает использование очень дорогих материалов, его себестоимость также является достаточно высокой.

Вслед за устройством катализатора располагается устройство резонатора. Основная функциональная составная данного узла будет заключаться в том, чтобы резко расширить все отработанные газы. Именно из-за этого процесса будет значительно снижаться противодавление канала выхлопа, вследствие чего будет на порядок снижаться возникающая ударная волна.

Заключительным узлом и устройством, который является квинтэссенцией конструкции выхлопной системы автомобиля, является глушитель. Именно данная часть несет ответственность за то, какой именно звук издает автомобиль при езде. В современном мире автомобильные производители используют три вида глушителя, которые имеют свои особенности и свои негативы: ограничитель, отражатель и поглотитель.

После того, как было детально рассмотрено устройство выхлопной системы транспортного средства, следует приступить к разбору схемы, которая обеспечивает успешную работу данной системы. Принцип работы выхлопной системы является достаточно простым, вследствие чего даже новичок сможет разобраться с этим устройством. Выше мы уже определили, каким именно образом все отработанные газы направляются и попадают наружу, так что повторяться в этой отросли не следует.

Но важно заметить, что если речь идет о двигателе дизельном, а не бензиновом, то все отработанные газы сначала будут активизировать крыльчатку турбокомпрессора, лишь после чего направляться прямиком в трубу.

Тем не менее, очень важной является схема выхлопной системы, так как она напрямую связана с принципом ее работы. Так, данная схема предусматривает, что за приемной трубой газы будут направляться непосредственно в катализатор, где будет происходить очистка на увеличенных температурах, около 250 градусов. Важно заметить, что температура будет полностью контролироваться установленным лямбда-зондом.

Уже в зависимости от того, какие именно показатели будет выдавать температурный специальный датчик, непосредственно в цилиндры двигателя внутреннего сгорания будет направляться и поступать определенное количество топлива и воздуха. После этого отработка газов будет проходить процесс гашения, который проходит в резонаторе, вследствие чего будет произведен прямой вывод газов наружу посредством глушителя.

2. Конструкция катализатора.

Устройство катализатора предназначается для того, чтобы очищать все отработанные выхлопные газы. Являет собою устройство форму емкости, которая изготовлена из металла и имеет внутренний огнеупорный слой. Непосредственно во внутренней части емкости располагается тепло катализатора, которое разделяется условно на две подкатегории – металлическое и керамическое.

Устройство керамического катализатора представляет собою трехкомпонентный нейтрализатор выхлопа. Первым элементом является проволочная сетка, выполненная из нержавеющей стали, которая будет покрывать подушку, которая выполнена из керамического материала. Зачастую это обычный силикат, который сделан из алюминия и имеет частицы слюды. Третьим элементом является теплоизоляция, которую представляет термоустойчивый корпус с двойными стенками. Устройство металлического катализатора располагает гофрированной фольгой, которая покрыта активным слоем (палладий или же платина). В целом, если разобраться, то его конструкция полностью совпадает с катализатором керамического типа.

3. Принцип работы катализатора.

Катализатор, как правило, должен устанавливаться непосредственно после приемной трубы. Довольно часто также встречаются конструкции, где катализатор прикрепляется уже к фланцу устройства выпускного коллектора. Устройство каталитического нейтрализатора имеет корпус, блок носитель и теплоизоляцию. Важно знать, что при ударе корпуса катализатора об бордюр или камень будет происходить разрушение всех керамических сот картриджа, который располагается внутри устройства.

Устройства блока носителя, который состоит из большого количества сот-ячеек, играет основную функциональную роль в устройстве катализатора. Все соты покрываются особым рабочим составом. Важно заметить, что состав начинает свою эффективную работу непосредственно после прогревания, когда температура уже будет достигать 300 градусов.

Посредством устройства катализатора будет осуществляться сдерживание окиси углерода, углеводородов, сажи и иных веществ в выхлопных газах, посредством которых происходит разрушение слизистых оболочек. Важно заметить, что соты оболочки покрываются очень тонкой пленочкой, которая выполняется из платиноиридиевого сплава.

Все несгоревшие остатки нежелательных вредных веществ будут соприкасаться с раскаленной поверхностью каталитического слоя, вследствие чего будет происходить их тотальное истребление – они будут догорать. При непосредственном процессе горения будет использоваться остаток кислорода, который содержится в отработанных газах. Уже на выходе из катализатора будет обретен безвредный продукт из веществ, которые не несут никакой опасности жизни человека и окружающей среде.

Таким образом следует отметить, что именно катализатор является основным и центральным устройством всей выхлопной системы автомобиля, так как именно посредством данного устройства происходит тотальной искоренение всех нежелательных веществ из отработанных выхлопных газов. Принцип работы данного устройства является достаточно простым, так что каждый сможет ознакомиться, а вследствие и разобраться с ним.

Если автомобилист сталкивается с определенными трудностями, или же чувствует фактами, что выхлопная система пришла в негодность или неисправность, то следует незамедлительно обратиться в ближайший профессиональный сервисный центр, так как неисправность данного узла может послужить тотальному краху всей автомобильной системной цепи, ремонт которой обойдется автолюбителю в очень круглую сумму.

Подписывайтесь на наши ленты в таких социальных сетях как, Facebook, Вконтакте, Instagram, Pinterest, Yandex Zen, Twitter и Telegram: все самые интересные автомобильные события собранные в одном месте.

Замена катализатора глушителя в Санкт-Петербурге

В большинстве случаев замена катализатора выполняется одновременно с глушителем. Эти компоненты выхлопного тракта совместно работают в идентичных условиях, поэтому изнашиваются одновременно. При исправном двигателе, системе впрыска и использовании качественного топлива срок их службы более 100 тысяч км. Мастера нашего автосервиса готовы в Санкт-Петербурге восстановить функциональность элементов выхлопа согласно регламентным требованиям производителя. Мы обслуживаем автомобили и другую технику российских и зарубежных марок с гарантией на выполненные работы и установленные комплектующие. У нас собственный склад запчастей, профессиональные инструменты и доступная стоимость на услуги.

Назначение, конструктивные особенности

Ключевое предназначение катализатора — очистка отработанных газов от токсичных примесей. Он монтируется на главной или приемной трубе выхлопного тракта. В основе конструкции небольшие соты из керамики или жаростойкого металла. На их поверхность тонким слоем нанесено покрытие сплава палладия с родием или иридием. При соприкосновении с газовой смесью происходит химическая реакция. В результате часть токсичных элементов, образовавшихся при сжигании топлива, нейтрализуется.

Типовая конструкция катализатора стандарта ЕВРО-3 и выше выполнена на основе трех компонентов, решающих следующие задачи:

  1. Керамическая подложка обеспечивает «связывание» оксидов азота.
  2. Соты «отвечают» за удаление окиси углерода, другие несгораемых элементов.
  3. Датчик контролирует состав выхлопа, передавая данные в бортовой компьютер.

Когда требуется замена нейтрализатора?

При соблюдении правил эксплуатации и использовании качественного топлива срок службы катализатора от 100–150 тысяч км с учетом конкретной модели. На практике заменять вышедший из строя узел приходится через 30-70 тыс/км в зависимости от модификации и интенсивности работы. Основная причина неисправности нарушение работы топливной системы, топливо с большим содержанием присадок. Бортовой компьютер фиксирует ухудшение качества выхлопа с одновременным высвечиванием «чека». При сильных загрязнениях возможна блокировка запуска.

Необходимость ремонта или замены можно определить по следующим признакам:

  • «падение» мощности мотора;
  • ухудшение динамических характеристик;
  • рывки при энергичном нажатии педали газа;
  • в выхлопе появился запах сероводорода.
  • Прогорание гофры глушителя

Причинами некорректной работы или полного выхода из строя могут быть:

  • использование некачественного топлива;
  • сбои в системе зажигания или подачи топлива;
  • частые простои в пробках, продолжительная работа на ХХ;
  • удары, другие механические воздействия;
  • резкие перепады температур, например, при преодолении луж;
  • попадание частичек охлаждающей жидкости либо масла из КС в выхлопной тракт.

Доступные варианты устранения неисправности

Учитывая конструктивные сложности, выполнить качественный ремонт каталитического практически нейтрализатора невозможно. Плюс к этому, большинство моделей изготавливаются с неразборными оболочками. Чтобы решить проблему с меньшими расходами, наряду с оригинальными комплектующими изделиями, существуют специальные аналоги.

Мастера нашего автосервиса в СПБ предлагают 3 варианта замены вышедших из строя компонентов выхлопной системы:

  1. Оригинальный. Установка узла, предусмотренного производителем конкретной модели авто или другой техники.
  2. Универсальный. Монтаж универсального изделия, изготовленного по лицензии, позволяет в 2–3 раза сэкономить по сравнению с установкой оригинального узла, обеспечив выхлоп не хуже ЕВРО-4.
  3. Пламегаситель. Возможна установка коллекторного устройства в разрез корпуса катализатора. Устройства изготавливаются из нержавеющего сплава стали с особой набивкой колбы или перфорированного стакана. Компоновка, напоминающая термос, эффективно гасит пламя, обеспечивая 100% пропускную способность.

Чтобы узнать цены, задать вопросы и согласовать время техобслуживания, отправьте заявку через форму обратной связи или звоните по телефону:

+7 (812) 425-39-43  Бухарестская 16

+7 (812) 643-43-35  Руставели 11А

+7 (812) 504-80-98  Заневский 77

Менеджер оперативно проинформирует о расценках и сделает выгодное предложение.

Что такое катализатор Евро 3, 4, 5? Подробно о принятых международных нормах

03.01.2021

Производители автомобилей сегодня подчиняются мировым требованиям в плане экологии и охраны окружающей среды. В 1975 году было сделано инновационное изобретение —катализатор, простое и эффективное устройство, призванное хотя бы частично обезвреживать выхлопные газы перед их выходом в атмосферу. Развитие не останавливается, выпускаются новые и более совершенные стандарты: катализатор Евро 3, 4, 5 и т.д.

Что такое катализатор в автомобиле

Катализатор (каталитический нейтрализатор) — деталь в выхлопной системе автомобиля, служащая для обработки выхлопа и снижения в нем содержания вредоносных веществ. Этим термином обычно называют приемную трубу — сложное многокомпонентное устройство.

Внутри корпуса расположена конструкция из металла или керамики, характеризующаяся наличием удлиненных сот. Сотовая конструкция покрыта слоем специальных сплавов. В результате такого устройства увеличивается площадь соприкосновения выхлопа с поверхностью каталитического наслоения. После банки катализатора находится лямбда-зонд, который оценивает качество итоговой очистки. В санкт-Петербурге мы оказываем услугу замены лямбда-зонда.

Как работает катализатор

Автомобили производства последних нескольких лет используют каталитический нейтрализатор из трех компонентов, и в процессе работы проходит три стадии:

  • Восстановление — снижение объема оксидов азота.
  • Окисление — ликвидация несгоревших вредоносных веществ.
  • Контроль — на этой стадии срабатывает компьютер, который анализирует выхлопной поток и впоследствии применяет полученные данные для коррекции впрыска топлива.

Ближе к мотору установлен кислородный датчик, который и передает сведения бортовому компьютеру. Этот датчик называется лямбда-зонд, он анализирует содержание кислорода в выхлопных газах. Контроль данного показателя помогает убедиться в эффективности функционирования двигателя и в том, что кислорода хватает для окисления непрогоревших элементов.

Экологические типы: катализатор Евро 3, 4, 5

Экологический класс Euro представляет собой экологический стандарт, отвечающий за количество в выхлопе веществ, негативно влияющих на окружающую среду. Экологический класс подразделяется на несколько видов норм, в соответствии с которыми выпускается бензин и транспортные средства (Евро 1-6).

Рассмотрим три самых распространенных категории стандартов банки катализатора:

  • Евро-3 был разработан в 1999 году с принят в России в 2005. Начиная с 2008 года, этому стандарту должны соответствовать произведенные в России или ввезенные из-за границы транспортные средства.
  • Евро-4 введен в Европе в 2005 году, в России с 2013 года по закону необходимо выпускать и импортировать ТС только отвечающие данному стандарту, с 2016 это же относится и к топливу.
  • Евро-5 с 2008 года обязателен для всех грузовых авто, с 2009 — и для легковых. Нормы по выбросам, заданные этим стандартом: NOy до 0,06 г/км, CO до 0,8 г/км, СН до 0,05 г/км. С 2016 года бензиновое и дизельное топливо также обязано отвечать стандарту Евро-5.

Универсальные катализаторы Euro-5 достигают высокой степени очистки выхлопных газов, благодаря сочетанию современных технологий. Но главное — они выполнены так, что подходят практически под любые виды автомобилей и выхлопных систем. Могут быть металлическими или керамическими.

Наша компания осуществляет замену и ремонт автомобильных глушителей и любых других компонентов системы отвода выхлопных газов в авто. Работаем в СПб, предлагаем приемлемые цены на обслуживание и ремонтные манипуляции.

Акция — бесплатная замена катализатора на пламегаситель.

что это, зачем он нужен, устройство, принцип работы, виды

Выхлопная система современного авто, произведенного за рубежом или собранного по лицензии в России, намного сложнее того, что отечественный автопром устанавливал еще пару десятилетий назад на «Лады» собственного производства.

Выбросы автомобилей в атмосферу

Незаменимые в быту и хозяйственной деятельности человека автомобили представляют наибольшую опасность для среды обитания человека. Вредное воздействие продуктов сгорания автомобильных двигателей имеет глобальные и локальные последствия:

  • Глобальные. Толщина и площадь озонового слоя, защищающего Землю от космических излучений, за последние десятилетия катастрофически уменьшилась, что в перспективе создает опасность для существования человечества.
  • Локальные. В мире есть еще немало территорий с чистой экологией. Но это никак не касается городов, где уже сегодня дышать чистым воздухом практически невозможно.

Как в этих процессах участвуют наши автомобили? Самым непосредственным образом! Их доля в загрязнении окружающей среды составляет не менее 70%. Всего за один год эксплуатации среднестатистический автомобиль выбрасывает в атмосферу:

  • 135 кг окиси углерода;
  • 25 кг оксидов азота;
  • 20 кг углеводородов;
  • 4 кг двуокиси серы;
  • 1,2 кг твердых частиц;
  • до 10 кг бензопропилена.

Всего получается не менее 12 миллионов тонн веществ, которые уничтожают не только среду обитания человека, но и разрушают защитный озоновый слой планеты. С каждым годом количество автомобилей увеличивается, что в перспективе не сулит ничего хорошего.

В связи с этим на международном уровне приняты стандарты качества топлива и количества вредных веществ, попадающих в атмосферу в процессе его сгорания в автомобильном двигателе. С 2005 года в странах Евросоюза установлен экологический стандарт Евро-5 для всех производимых транспортных средств. В России переход на стандарт Евро-4 осуществлен в 2015 году.

Зачем нужен катализатор

Каталитический нейтрализатор выхлопных газов – элемент выхлопной системы автомобиля, ответственный за нейтрализацию вредных для экологии продуктов сгорания бензина – углеводородов, окисей азота и углерода, сажи. В любой каталитический реакции обязательно присутствую активные реагенты. В автомобильном катализаторе нейтрализация вредных веществ осуществляется в мелкоячеистых порах, покрытых тонким слоем редкоземельных и благородных металлов – палладий, иридий, платина. Благодаря им несгоревшие вещества принудительно и практически бесследно дожигаются.

Принцип работы

Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор действует следующим образом:

  • исходящие из цилиндров двигателя внутреннего сгорания выхлопные газы заполняют покрытые платиной и палладием ячейки, размещенные в керамических блоках;
  • металлическое покрытие ячеек инициирует химическую реакцию, в результате которой происходит преобразование несгоревших углеводородов в водяной пар, а угарный газ превращается в углекислый;
  • проходя через покрытые родием ячейки, оксид азота распадается на нейтральный азот и кислород;
  • результат – из выхлопной трубы наружу поступают полностью очищенные от вредных компонентов газы.

Если в автомобиле установлен дизельный двигатель, то совместно с катализатором работает сажевый фильтр.

Устройство

Нейтрализатор всегда расположен после выпускного коллектора двигателя. В его состав входит:

  • изготовленный из металла корпус с патрубками на входе и выходе;
  • монолитный керамический блок, представляющий собой пористую структуру с многочисленными ячейками, обеспечивающими максимально большую площадь рабочей поверхности, с которой соприкасаются отработанные газы;
  • каталитический слой, состоящий из редкоземельного палладия, иридия и благородной платины, а в некоторых моделях и менее дорогостоящего золота;
  • теплоизоляционный металлический кожух, защищающий устройство от механических повреждений.


Катализатор предназначен для нейтрализации трех вредоносных компонентов выхлопных газов:

  • ядовитых окислов азота, которые участвуют в образовании смога, провоцируют кислотные дожди;
  • угарного газа, смертельно опасного для человеческого организма;
  • канцерогенных углеводородов.

Виды

В современных автомобилях производители устанавливают катализаторы различных типов и модификаций. Вне зависимости от устройства и используемых для нейтрализации вредных продуктов сгорания топлива, все они более или менее в равной степени обеспечивают соответствующую европейским нормам степень очистки.

В современных автомобилях используются катализаторы:

  • химические;
  • металлические;
  • керамические;
  • магнитно-стрикционные.

Металлические

Это дорогостоящие катализаторы, в процессе производства требуют сложного технологического оборудования. В результате устройство не подвержено механическим воздействиям, колебаниям температуры. Металлическая передняя часть блока может служить нагревательным элементом. Тонкие стенки несущего материала обеспечивают невысокое аэродинамическое сопротивление, что позволяет использовать катализатор во всех разновидностях техники, в том числе повышенной мощности. Среди преимуществ – пониженный расход топлива и длительный срок эксплуатации.

Керамические катализаторы

Наиболее популярная сотовая конструкция, которая устанавливается на большинстве современных моделей автомобилей. Керамическая поверхность покрывается перечисленными выше благородными и редкоземельными металлами, которые активизируют свои каталитическое свойства под воздействием тепла. Срок службы керамического устройства в Европе не превышает 120 000 км. Это обстоятельство несколько смущает покупателей подержанных автомобилей. Но ввиду низкого качества бензина отечественного производства замену катализатора придется апроизвести после пробега максимум 80 000 км. Керамика – материал хрупкий и поэтому тряска наших дорог на ее целостности отражается самым негативным образом.

Сажевый фильтр

Если в бензиновом автомобиле используется каталитический нейтрализатор, то для очистки выхлопа дизеля устанавливается сажевый фильтр. Его задача – улавливание частиц сажи. Сажевый фильтр не имеет целью нейтрализацию вредных отходов в отработанных газах. В некоторых моделях авто производители устанавливают в сажевый фильтр дополнительные ячейки, предназначенный для улавливания содержащихся в газах вредных веществ.

Спортивный

Повышенная эффективность спортивного катализатора достигается за счет увеличенного слоя катализаторов. Напыления драгметаллов превосходит стандартные нейтрализаторы в 3-8 раз. В результате увеличивается его пропускная способность и срок эксплуатации. Спортивное устройство предназначено вовсе не для любителей экстремальной езды. Его можно установить и на дорогой спорткар, и на простой б/у автомобиль среднего класса.

Двухсторонние

Такие катализаторы предназначены для:

  • преобразования вредного для здоровья угарного газа в нейтральный углекислый газ;
  • окисления не полностью сгоревших углеводородов в воду и обычный углекислый газ.

Такие устройства нашли применение в дизельных двигателях.

Трехсторонние

Этот тип нейтрализатора решает следующие задачи:

  • разложение окиси азота на составляющие – чистый азот и кислород;
  • окисление угарного газа до углекислого газа;
  • преобразование несгоревших продуктов в углекислый газ и воду.

Что делать, если катализатор вышел из строя

Катализатор ремонту не подлежит. Любая попытка обмануть бортовой компьютер приведет к тому, что ваш автомобиль превысит допустимые в цивилизованных странах пределы содержания вредных веществ в выхлопных газах. Цивилизованное решение – сдать вышедшую из строя деталь в утиль и установить новую, обеспечивающую безопасность для окружающих.

Что такое каталитический нейтрализатор?

Если ваш механик когда-либо говорил вам, что ваш каталитический нейтрализатор нуждается в замене, у вас, вероятно, также были глаза на лоб, когда вам представили цитату.

Каталитические нейтрализаторы, или для краткости «кошки», стоят недешево, но почему они такие дорогие, если они являются лишь относительно небольшим компонентом вашей выхлопной системы, не имеющим движущихся частей? Почему они так важны? Позвольте нам объяснить тайны катализатора…

8

Каталитические нейтрализаторы

стали стандартными для дорожных автомобилей примерно в середине 1970-х годов, причем Volvo была одной из первых, кто принял их на вооружение, но они не стали обычным явлением до тех пор, пока в 1980-х годах не начали постепенно отказываться от этилированного бензина.Причина этого проста: газ, образующийся при сжигании этилированного бензина, существенно разрушает способность катализатора очищать выбросы выхлопных газов.

Основным фактором, повлиявшим на их внедрение, было медленное осознание миром того, что выбросы транспортных средств буквально душит население и делают ужасные вещи с качеством воздуха и окружающей средой.

8

На изображении выше изображен горизонт Лос-Анджелеса в середине 1970-х годов, и трудно не заметить густую коричневую дымку, окутывающую город и пригороды.Это смог, тогда он в основном был вызван выхлопными газами автомобилей. Кислотные дожди были еще одним нежелательным побочным продуктом выбросов, поскольку смог взаимодействовал с атмосферой и изменял химический состав дождевой воды.

Введите каталитический нейтрализатор. Пропуская выхлопные газы двигателя через поверхность, покрытую некоторыми «благородными» металлами, которые реагируют на вредные выбросы (и впоследствии катализируют или превращают их в менее вредные газы), каталитический нейтрализатор способен очищать значительное количество выхлопных газов автомобиля. вредные выбросы.

8

На самом деле до 90 процентов наиболее проблемных выбросов выхлопных газов автомобиля можно нейтрализовать с помощью каталитического нейтрализатора, при этом несгоревшее топливо, окись углерода и двуокись азота преобразуются в менее вредные азот, двуокись углерода и водяной пар.

Конечно, он не совсем чистый, а поскольку углекислый газ является основным парниковым газом, «кошка» не может сделать машину полностью «зеленой», но она, безусловно, делает городской воздух намного более пригодным для дыхания для людей и животных.Кроме того, благодаря тому, что все новые автомобили с бензиновым двигателем и значительная часть дизельных автомобилей теперь оснащены каталитическими нейтрализаторами, чистое сокращение загрязнения привело к тому, что большинство крупных городов в развитом мире больше не окутаны сплошным покровом смога.

Как они работают? В каталитическом нейтрализаторе нет движущихся частей, вместо этого все действия по очистке выполняются умной химией. Внутри преобразователя находится толстая подложка, часто с решетчатым поперечным сечением (ниже), на которую нанесено тонкое покрытие из драгоценных металлов, таких как платина, палладий и родий.

8

Эти металлы являются настоящими катализаторами, частью устройства, которое инициирует химическую трансформацию выхлопных газов. Оксид азота, окись углерода, двуокись азота и несгоревшие углеводороды — будь то бензин, дизельное топливо или моторное масло — все реагируют с металлами внутри каталитического нейтрализатора и быстро превращаются в другие газы: в основном азот и двуокись углерода, а также воду.

Некоторые выбросы твердых частиц также могут улавливаться каталитическим нейтрализатором, хотя это не является их основной функцией.Как бы то ни было, в последнее время стали обычным явлением отдельные дизельные и бензиновые сажевые фильтры, очищающие мелкие частицы, с которыми не справляется катализатор.

8

Недостатки? Это дорогой компонент, благодаря тому, что все эти драгоценные металлы, используемые в их конструкции, представляют собой, ну, драгоценных . Их могут повредить двигатели, которые работают со сбоями и, возможно, сжигают больше топлива или масла, чем должны, и нет способа их ремонта.

Кроме того, сердцевина часто изготавливается из хрупких материалов, устойчивых к высоким температурам, но подверженных повреждениям от ударов камнями или другими предметами, проходящими под автомобилем.Поврежденный каталитический нейтрализатор необходимо заменить, а замена стоит недешево.

Каталитическая реакция требует значительного количества тепла для работы. Большинству нужна температура выхлопных газов более 400 градусов, прежде чем химическая реакция пойдет эффективно, а это означает, что если вы используете свой автомобиль только для очень коротких поездок — например, ныряете в магазины на несколько минут — тогда много вредные выбросы вашего автомобиля просто выходят прямо из выхлопной трубы, так как ваш выхлоп еще не успел нагреться.

8

Кроме того, поскольку некоторые газы превращаются в воду, существует риск того, что избыточная влага может накапливаться в выхлопной трубе и со временем ржаветь. Опять же, это в значительной степени побочный продукт очень коротких поездок. Если ваши приводы проходят от запуска до остановки не менее десяти минут, то любая влага, выделяемая катализатором, просто испаряется вместе с теплом выхлопных газов.

О, еще одно: если вы видите символ, подобный приведенному ниже, на панели приборов, это не означает, что ваши дела закончились — это связано с неисправностью каталитического нейтрализатора, так что проверьте его.

8

Если вы избегаете коротких поездок и следите за тем, чтобы двигатель оставался в хорошем техническом состоянии, нет никаких причин, по которым ваш каталитический нейтрализатор не должен прослужить весь срок службы автомобиля. Механически простой, но химически блестящий, скромный каталитический нейтрализатор является основной причиной того, что вокруг крупных населенных пунктов все еще существует чистый воздух.

Кражи каталитических нейтрализаторов растут.Что делать, если вы стали жертвой

Полицейское управление Вако выпустило предупреждение о росте числа краж каталитических нейтрализаторов по всему штату.

Детективы Waco работали над более чем 100 активными случаями кражи каталитических нейтрализаторов, согласно их сообщению в Facebook.

Вот некоторая информация о каталитических нейтрализаторах и о том, что делать, если вы стали их жертвой.

Почему воры выбирают каталитические нейтрализаторы?

Каталитические нейтрализаторы содержат платину, родий и палладий.Металлы дорогие, и воры продают конвертеры на свалках по цене от 150 до 200 долларов за штуку в зависимости от размера конвертера и текущей цены на металлы внутри него, согласно The Spruce.

Уровень кражи каталитического нейтрализатора зависит от текущих цен на металлы внутри него.

Рост цен на металлы обычно приводит к увеличению краж.

Воры часто нацеливаются на более высокие транспортные средства, такие как пикапы или внедорожники, потому что они могут легко пролезть под транспортное средство, чтобы получить доступ к каталитическому нейтрализатору, согласно The Spruce.

Как узнать, что у вас украли каталитический нейтрализатор?

Трудно сказать, был ли украден ваш каталитический нейтрализатор, просто взглянув на ваш автомобиль. Однако вы узнаете об этом, когда запустите двигатель.

Ваш автомобиль может издавать громкий грохочущий звук, когда вы включаете двигатель, который становится громче, когда вы нажимаете на газ, если каталитический нейтрализатор отсутствует, сообщает The Spruce.

«Выхлопная система работает неправильно, поэтому машина едет более неровно, чем обычно, часто с ощущением разбрызгивания при изменении скорости», — сказал Ель.

Если вы подозреваете, что каталитический нейтрализатор украден, подойдите к задней части автомобиля и загляните под него.

«Каталитический нейтрализатор представляет собой круглую канистру, которая соединяет две части трубопровода в выхлопной трубе. Вы увидите зияющее пространство в середине выхлопной трубы, если нейтрализатор отсутствует, и вы, вероятно, увидите признаки обрезания трубопровода. .»

По словам Баланса, токсичные пары, скорее всего, легко учуять и без него.

Как предотвратить кражу каталитического нейтрализатора?

Попробуйте завести привычку парковаться в хорошо освещенных местах.

Держите автомобиль в гараже с закрытой дверью, когда автомобиль не используется, если это возможно.

Парковка рядом со входом в здание при парковке на общественной стоянке также может помочь предотвратить кражи, поскольку в этом месте больше пешеходов.

Помните, что местонахождение вашего автомобиля также может быть фактором.

Если вы регулярно паркуетесь в одном месте в течение длительного периода времени, например, в торговом центре или на стоянке для пассажиров, у воров будет больше времени, чтобы получить доступ к вашему автомобилю и украсть каталитический нейтрализатор, согласно Balance.

Вы можете рассмотреть возможность гравировки идентификационного номера вашего автомобиля (VIN) на каталитическом нейтрализаторе, что может помочь предупредить торговца металлоломом о том, что он был украден, и упростить идентификацию владельца, сообщает The Spruce.

Еще один совет: попробуйте откалибровать сигнализацию вашего автомобиля, чтобы она срабатывала при обнаружении вибрации.

Что делать, если у вас украли каталитический нейтрализатор?

Если вы стали жертвой такого рода кражи, немедленно сообщите об этом в полицейский участок, чтобы дело могло быть задокументировано.

Если на устройстве выгравирован номер VIN, сообщите и этот номер.

The Spruce рекомендует звонить на местные свалки металлолома, чтобы сообщить им о краже, особенно если на преобразователе есть выгравированный номер, который они могут проверить.

Вы также можете дать им свой номер телефона, чтобы получать уведомления, если конвертер появится в магазине металлолома.

Химия | Бесплатный полнотекстовый | Каталитические нейтрализаторы выхлопных газов автомобилей: основные аспекты и обзор технологий для новичков в этой области

1.Введение

Использование ископаемого топлива в транспортном секторе увеличило выбросы парниковых газов (ПГ) за последние десятилетия [1,2]. Ископаемое транспортное топливо, такое как выхлопные газы бензина или дизельного топлива, состоящие из диоксида углерода (CO 2 ), метана (CH 4 ), закиси азота (N 2 O), моноксида углерода (CO) и гидрофторуглеродов (ГФУ). [3]. Действительно, выбросы ПГ от транспортного сектора составляют 28% от общих выбросов США [1]. Этот процент ниже (19.4%) для Европейского Союза, но все еще важно [4]. Сокращение этих выбросов является большой проблемой для разрыва так называемого цикла изменения климата [5]. Были предложены некоторые стратегии для решения проблемы выбросов в транспортном секторе. Предпочтительными действиями являются увеличение доли возобновляемой энергии и переход к водороду в качестве вектора энергии [6]. Фактически, питание наших транспортных средств с помощью топливных элементов или водородных двигателей внутреннего сгорания уже технически осуществимо [7], но преодоление общей стоимости, связанной с этими двумя технологиями, по-прежнему является проблемой на пути к низкоуглеродному транспортному сектору [7].В этой строке необходимо изучить другие варианты. Как показано в недавнем обзоре [8], достижения в области технологий двигателей предъявляют дополнительные требования к катализаторам контроля выбросов. В этом смысле широко распространено использование каталитических нейтрализаторов для уменьшения выхлопных газов автомобилей и преобразования их в безвредные соединения [9]. Среди каталитических нейтрализаторов трехкомпонентные каталитические (TWC) нейтрализаторы являются самой современной технологией с 1970 года [10]. TWC-нейтрализаторы — это инструмент, используемый для снижения выбросов загрязняющих газов, которые присутствуют в выхлопных газах, выбрасываемых из внутреннего двигатель внутреннего сгорания автомобиля [11].TWC предпочтительнее двухкомпонентного каталитического нейтрализатора в автомобилях, потому что он может уменьшить выбросы газов N 2 O, а также выбросы CO и несгоревших углеводородов. Двухкомпонентные каталитические нейтрализаторы смогут уменьшить выбросы газообразного CO и несгоревших углеводородов только благодаря используемым катализаторам и протекающим реакциям [11]. Используя концепцию гетерогенного катализа и скорости реакции, используется сотовая керамическая структура (обычно покрытая Al 2 O 3 ), которая действует как носитель катализатора.Основная причина заключается в том, что он обеспечивает наилучший контакт между потоком выхлопных газов и поверхностью катализатора [12]. Сотовая керамическая структура представляет собой носитель катализатора, который обеспечивает большую площадь поверхности, чтобы окислительно-восстановительные реакции происходили с более высокой скоростью и эффективностью. Большая площадь поверхности, наряду с температурой и давлением, является одним из основных факторов, обеспечивающих более высокую скорость реакции [13]. Затем структуру покрывают раствором, содержащим различные нитраты благородных металлов, такие как нитрат палладия, нитрат родия и нитрат платины [14].Сотовая структура облегчает прохождение газа через конвертер и контролирует перепады давления. с воспитательной точки зрения по-прежнему отсутствует. Следовательно, эта работа является полезным начальным ресурсом для новичков в этой области, чтобы познакомить их прямым и ясным образом с основными концепциями и характеристиками технологии TWC. Таким образом, цель этой статьи состоит в том, чтобы предложить обзор основных фундаментальных принципов работы TWC с образовательной точки зрения.В связи с этим работа организована следующим образом. Во-первых, объясняются принципы работы преобразователей TWC. После этого рассматриваются наиболее распространенные конструкции, используемые для устройств, а также типичные условия работы TWC. Затем приводятся скорости реакции, и, наконец, основное внимание уделяется уменьшению загрязняющих газов.

2. Принципы работы трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов

Двигатели внутреннего сгорания используют такт выпуска для удаления отработавших газов через выхлопную систему, где вредные выбросы затем проходят через устройство, похожее на глушитель, которое является каталитическим нейтрализатором [ 12,21].Компоненты отработавших газов состоят из несгоревших углеводородов, NO и CO [21]. Как упоминалось выше, основной целью каталитического нейтрализатора является снижение первоначальных вредных выбросов до наиболее приемлемого уровня посредством химических реакций, контролируемых катализатором. Поэтому необходимо уделить самое пристальное внимание конструкции двигателя, прежде чем выпускать газ в воздух [12]. Большинство автомобильных каталитических нейтрализаторов имеют конструкцию монолитной конструкции, на которую нанесено алюмооксидное покрытие.Монолитная структура называется ядром каталитического нейтрализатора, где ядро ​​обычно представляет собой керамический монолит с сотовой конфигурацией. Цель сотовой структуры состоит в том, чтобы позволить гетерогенному катализу происходить на поверхности сотовой структуры. Металлический монолит изготавливается из FeCrAl, обладающего высокой термостойкостью. Покрытие также может состоять из оксида алюминия, диоксида кремния, диоксида титана или смеси оксида кремния и оксида алюминия [22]. Каталитические нейтрализаторы используют металлические катализаторы для ускорения желаемых реакций при более низких температурах [14].Обычно используемыми металлическими катализаторами могут быть неблагородные металлы (например, хром) и благородные металлы, такие как платина, палладий и родий [14]. Эти катализаторы можно использовать для окислительно-восстановительных реакций; восстановление N 2 O и окисление несгоревших углеводородов и CO. Если используются металлы платины, палладия и родия, они могут быть частью решения для металлов платиновой группы (раствор PGM), которое также используется для покрыть сотовую структуру. Это позволит осуществлять гетерогенный катализ на поверхности активной зоны, что позволит производить менее токсичные газы (CO 2 , азот и водяной пар) [23].Еще одним компонентом каталитического нейтрализатора является его металлический корпус, который окружает ядро ​​каталитического нейтрализатора. Этот металлический кожух направляет поток выхлопных газов через слой катализатора. Металлический корпус обычно изготавливается из нержавеющей стали, но поскольку используются низкотемпературные катализаторы, для конструкции каталитического нейтрализатора нержавеющая сталь может не понадобиться [24]. Схема конвертера TWC показана на рис. 1. Начальным этапом гетерогенного катализа является адсорбция реагентов, где адсорбция относится к связыванию молекул с поверхностью [12].Адсорбция будет происходить из-за высокой реакционной способности атомов/ионов на поверхности твердого тела, облегчая сотовый поток газа через конвертер и контролируя перепад давления. Поскольку в состав выхлопных газов также входят газообразный кислород и загрязняющие газы (CO, N 2 O и несгоревшие углеводороды), атомы кислорода становятся доступными для реакции с другими адсорбированными загрязняющими газами. В случае СО атом кислорода реагирует с СО с образованием СО 2 , и поэтому на заключительном этапе гетерогенного катализа СО 2 десорбируется с поверхности металла и высвобождается в виде продукта из каталитического нейтрализатора.Эта концепция идентична как для N 2 O, так и для несгоревших углеводородов. Вкратце, в конвертере TWC одновременные окислительно-восстановительные реакции состоят из трехсторонней системы, которая регулирует выбросы за счет окисления несгоревших углеводородов и CO и восстановления. NO X [27] (в отличие от двухкомпонентных каталитических нейтрализаторов, где происходят только 2 реакции окисления, поэтому N 2 O не восстанавливаются), поэтому трехкомпонентный каталитический нейтрализатор будет выполнять следующие функции:
(1)

Окисление несгоревших углеводородов, при котором газообразный кислород присутствует в выхлопных газах, его связи разрываются, и атом кислорода реагирует с несгоревшими углеводородами с образованием CO 2 и водяного пара в качестве конечных продуктов.Примером может служить окисление бензола (уравнение (1)):

2C6H6(г)+15O2(г)→12CO2(г)+2h3O(ж)

(1)

В этой конкретной реакции следует использовать палладий или платину. Несмотря на то, что палладий и платина имеют схожие химические свойства [28], палладий предпочтительнее платины из-за снижения эффективности конвертера, а это означает, что платина дезактивируется быстрее, чем палладий, поэтому эффективность конвертера будет снижаться очень быстро [29]. .
(2)

Окисление СО с образованием СО 2 с использованием катализаторов нитрата платины или палладия. Газообразный кислород, присутствующий в выхлопных газах, адсорбируется на поверхности сотовой керамики, поэтому кислородная связь ослабляется, и поэтому атом кислорода реагирует с CO с образованием CO 2 (уравнение (2)):

В качестве катализатора этой реакции можно использовать либо платину, либо палладий, поскольку они оба имеют очень похожие физические и химические свойства.

(3)

Восстановление N 2 O с получением стабильного газообразного азота и кислорода (уравнение (3)). Поскольку это реакция восстановления, вместо нее используется родий. Поскольку это редкий тип благородного металла, родий обычно сплавляют с платиной или палладием.

2NOX(г)→XO2(г)+N2(г)

(3)

Металлический родий используется для этой реакции восстановления, потому что он является окислителем (веществом, которое теряет электроны) по сравнению с другими восстановителями, палладием и платиной.Для этих окислительно-восстановительных реакций количество газообразного кислорода, присутствующего в выхлопных газах, является критическим параметром. Если в выхлопных газах присутствовала более высокая концентрация газообразного кислорода, чем требуется, система определяется как обедненная, поэтому с большей вероятностью произойдет окисление несгоревших углеводородов и CO, поскольку в автомобиле меньше топлива. Однако, если в выхлопных газах присутствует более низкая концентрация газообразного кислорода, система определяется как богатая, поэтому более вероятно снижение N 2 O, поскольку концентрация топлива выше, чем необходимо.Таким образом, эффективность каталитических нейтрализаторов не всегда составляет 100 %. измеряется с помощью системы контура управления с обратной связью, где требуется точное измерение расхода топлива, а концентрация кислорода, выходящего из каталитического нейтрализатора, измеряется с помощью специального датчика [27].

3. Структура трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов

Для изготовления каталитического нейтрализатора необходимо учитывать следующие компоненты:

(1)

Катализатор (подложка).

Обычно ядро ​​каталитического нейтрализатора представляет собой керамический монолит с открытым каналом или металлическую сотовую подложку, обеспечивающую место для катализатора [30]. Наиболее часто используемая структура, сотовая керамика, спроектирована так, чтобы максимально увеличить площадь поверхности (рис. 2) [31]. Большая площадь поверхности приведет к более высокой скорости реакции [32]. Кордиерит (2MgO-2Al 2 O 3 -5SiO 2 ) является наиболее часто используемым типом монолита, поскольку он имеет большую площадь поверхности, большую открытую фронтальную площадь, низкую теплоемкость и хорошую механическую прочность [30, 33].На рис. 2 показано, как катализатор размещается на канале монолита.
(2)

Washcoat

На поверхность сотовой керамической структуры наносится слой катализаторов на носителе. Тонкое покрытие суспензии на влажной основе наносится непосредственно на высокопористый материал, который содержит оксид алюминия, а также различные оксиды металлов или цеолиты [36]. Сотовую керамическую структуру обычно покрывают γ-Al 2 O 3 из-за его высокой устойчивости к более высоким температурам [14], который содержит около 0% каталитических материалов.1–0,15%, 20% оксида церия и стабилизаторы, такие как оксид бария. Редкоземельные и щелочные ионы могут улучшить стабилизацию [14]. Оксид церия смешивают с материалами катализатора, так как он используется для улучшения термической стабильности оксида алюминия и может накапливать и высвобождать O 2 соответственно в бедных и богатых условиях [37]. Это тонкое покрытие суспензии на влажной основе затем высушивают и прокаливают, то есть нагревают твердые вещества до высокой температуры для удаления летучих веществ. Были проведены исследования по непосредственному нанесению металлических катализаторов на поверхность сотовой керамики без участие сушки и прокаливания.Согласно [38], этот метод включает использование электролиза (метод гальванопокрытия), при котором на подложку FeCrAl гальваническим способом наносится γ-Al 2 O 2 O 3 на катализаторе из оксида никеля (NiO); сотовая керамика погружается в раствор, и ионы оксида алюминия переносятся непосредственно на поверхность сот. Схематическая диаграмма, показывающая установку эксперимента, показана на рисунке 3. В результате [38] пришел к выводу, что выбросы CO были ниже 7 частей на миллион при использовании каталитического нейтрализатора в этом эксперименте.Материалы Washcoat выбираются для формирования шероховатой, неровной поверхности, которая увеличивает площадь поверхности по сравнению с гладкой поверхностью подложки. Это покрытие защитит спекание каталитических металлических частиц даже при высоких температурах, которые могут достигать 1000 градусов Цельсия [39].
(3)

Раствор катализатора

Благородные металлы являются наиболее часто используемыми гетерогенными катализаторами, поскольку их можно сделать более термически устойчивыми к снижению низкотемпературной активности.Другая превосходная характеристика заключается в том, что они обеспечивают эквивалентную каталитическую активацию с меньшими объемами, чем неблагородные металлы. Поэтому для нанесения покрытия на поверхность сотовой керамики используют небольшое количество благородных металлов в виде раствора, например нитраты палладия, платины и родия [14]. Этот тип гетерогенного каталитического раствора, называемый раствором МПГ, представляет собой раствор металлов платиновой группы, обладающих высокой устойчивостью к химическим воздействиям, а также очень высокой термостойкостью и коррозионной стойкостью [40], поэтому считается наиболее подходящим каталитическим раствором в каталитический нейтрализатор [41].Раствор PGM содержит платину, палладий и родий, где его химические и физические свойства показаны в таблице 1, и нанесен на сотовую керамическую структуру, поддерживаемую слоем нанесенных катализаторов из термостойких металлов [41]. Количество платины , палладия и родия, используемых в автомобильных катализаторах, зависит от типа автомобиля, производителя, страны, года выпуска и дополнительных факторов [40]. В преобразователях TWC соотношение Pt/Rh составляет 5 к 1, а отношение Pd/Rh составляет 7 к 1 [40]. По мере роста спроса на преобразователи TWC растет и спрос на МПГ [40].Около 15–20% мирового спроса на платину приходится на переработку использованных каталитических нейтрализаторов, однако требуемого количества платины недостаточно для удовлетворения растущего мирового спроса, отсюда сокращение запасов платины и рост цен на платину. Поэтому высокое значение МПГ стимулировало извлечение МПГ из отработанных каталитических нейтрализаторов [40], и это широко практикуется. Один из распространенных методов извлечения МПГ показан на Рисунке 4. Извлечение МПГ очень важно, поскольку оно обеспечивает дополнительный источник добычи этих металлов, тем самым защищая окружающую среду, ограничивая количество отходов, экономя эксплуатацию природных ресурсов, ограничивая потребление электроэнергии. потребление и уменьшение выбросов загрязняющих веществ [40].
(4)

Металлический кожух

Из-за механических вибраций внутри вагона и тепловых нагрузок металлический кожух необходим [43]. Кроме того, для направления потока выхлопных газов используется металлический кожух, поскольку поток газа является скалярной величиной (имеет только величину, но не направление). Высокая тепловая нагрузка может легко изменить форму подложки, поэтому для удержания керамики вместе требуется металлический корпус. При высоких термических напряжениях это может привести к остаточным пластическим деформациям [43].Металлический корпус может быть изготовлен в процессе консервирования. Желателен металлический корпус с тонкими стенками [44], так как это может обеспечить лучшую передачу тепла в окружающую среду, чтобы предотвратить нагревание каталитического нейтрализатора до 1000 ° C. Однако рассматривается вопрос долговечности и эффективности, так как высокие температуры могут привести к деформации каталитического нейтрализатора [45, 46]. В другой конструкции рассматривается вариант использования опорного мата, где он размещается между сотовыми керамический и стальной кожух, выступающий в качестве теплоизоляции.Схематическая диаграмма показана на рис. 5. Назначение опорного мата состоит в том, чтобы действовать как механическая опора монолита, обеспечивать теплоизоляцию и минимизировать возможность деформации оболочки [45]. Корпуса могут быть изготовлены из различных марок нержавеющей стали и являются неотъемлемой частью выхлопной системы. Поэтому разработчик должен учитывать различия в тепловом расширении и пределе текучести различных материалов [45]. Подложка и стальная оболочка каталитического нейтрализатора имеют разные коэффициенты теплового расширения, поэтому между обеими секциями имеется зазор.Зазор расширяется и сужается по мере изменения температуры преобразователя во время его использования [45]. Расширение зазора можно свести к минимуму, отрегулировав материал оболочки из нержавеющей стали, где предлагается использовать оболочки из ферритной стали (SS409), тепловое расширение которой примерно на 50% меньше, чем у аустенитной (SS310) [45,47].

5. Скорость реакции

Скорость реакции определяется как изменение концентрации реагентов и продуктов за определенный промежуток времени, или, проще говоря, скорость химической реакции [12].Реагенты, которые в случае каталитического нейтрализатора представляют собой выхлопные газы, выбрасываемые непосредственно из двигателя внутреннего сгорания, проходят внутрь каталитического нейтрализатора, где в результате этих реакций образуются продукты, из которых образуются нетоксичные газы. Чтобы определить, как каждая реакция происходит, и условия, необходимые для оптимизации реакции, необходимо знать факторы, влияющие на скорость реакции. Ключевыми факторами, влияющими на скорость реакции, будут температура реакции, давление, концентрация реагентов, площадь поверхности и катализаторы [12].

Если увеличить температуру реакции, кинетическая энергия молекул (энергия движения) увеличится. Увеличение кинетической энергии означает, что молекулы будут получать больше энергии для движения, поскольку кинетическая энергия — это энергия объекта, которую он имеет из-за своего движения. Это позволило бы молекулам двигаться чаще и сталкиваться друг с другом на более высоких скоростях, поэтому скорость реакции увеличилась бы. Таким образом, высокая температура более благоприятна для химической реакции, если ее необходимо ускорить.

Когда температура выхлопных газов находится в диапазоне от 450 К до 500 К, эффективность преобразования NO составляет менее 10%, а концентрация генерируемого N 2 O составляет менее 0,01% [61]. Это связано с тем, что при более низкой температуре в этих температурных условиях активность катализатора внутри пористой среды слишком низкая, поэтому реакция протекает медленно, что делает реакцию медленной. Однако при температуре 600 К эффективность преобразования NOx достигает 68%, что свидетельствует о том, что при повышении температуры активность катализатора, т.е.е., увеличивается кинетическая энергия катализатора. Высокая температура благоприятна. Для общей газовой реакции, если давление увеличивается, это сближает частицы газа, и поэтому в данном объеме больше молекул газа; допускает более частые столкновения. Поскольку скорость реакции зависит от количества столкновений, скорость реакции будет увеличиваться. Следовательно, продукты реакции образуются за гораздо более короткое время. Вероятность столкновения больше.Влияние давления на каталитическую активность исследуют путем изменения давления и наблюдения за превращением метана и СО 2 . Повышение давления с 1 до 2 и до 4 бар приводит к увеличению конверсии метана, CO и HCHO, а также к увеличению времени пребывания. Это имеет смысл, поскольку время пребывания — это время, необходимое для обработки одного (реакторного) объема сырья при определенных условиях питания. Следовательно, если давление увеличивается, концентрация газа в заданном объеме увеличивается, что увеличивает время пребывания [62].Что касается площади поверхности, то по мере ее увеличения «больше молекул подвергается воздействию» окружающей среды, поэтому столкновения между молекулами внутри каталитического нейтрализатора будут происходить чаще, поэтому больше продуктов будет производиться с более высокой скоростью, а это означает, что скорость реакции будет увеличиваться. [62].

Полиция области залива выявляет преступную группировку каталитических нейтрализаторов

Наводка от гражданина привела к масштабному 11-месячному расследованию, в результате которого были установлены 30 человек, подозреваемых в причастности к краже каталитических нейтрализаторов в области залива, полицейское управление Ливермора. объявлено в четверг.

Сообщается, что в январе житель Ливермора заметил людей, ведущих себя подозрительно, и получил фотографию частичного номерного знака, которую они передали в полицию.

Полиция Ливермора совместно с полицией Плезантона решила преследовать частичный номерной знак, учитывая огромный рост краж каталитических нейтрализаторов по всему штату в последние годы. По словам полиции, расследование привело их в три разных округа Bay Area.

Окт.25 декабря два полицейских управления завершили первоначальное расследование и вручили ордер на обыск в Стоктоне, в результате чего было установлено около 30 подозреваемых, сообщила полиция. По словам полиции, в ходе обыска также было обнаружено более 50 каталитических нейтрализаторов, 91 000 долларов наличными, незаконное оружие и наркотики, а также угнанные автомобили.

В ходе расследования полиция также выявила «несколько мест», которые действовали как «магазины по продаже краденого», и установила, что туда были сброшены и разобраны сотни каталитических нейтрализаторов, сообщила полиция.Две такие предполагаемые мясные лавки были закрыты.

Полиция сослалась на подозреваемых как на участников «преступной сети краж, где воры воровали каталитические нейтрализаторы по всей Калифорнии и Орегону и сбрасывали украденные каталитические нейтрализаторы в этих известных местах сдачи в Стоктоне и округе Плейсер», — сказали они. Сообщается, что украденное имущество также было продано в этих местах.

«Оперативная группа также узнала, что несколько подозреваемых, связанных с криминальной сетью краж, были арестованы за кражу каталитических нейтрализаторов и были освобождены из тюрьмы другими подозреваемыми, связанными с этой сетью краж», — сообщили в полиции.«Однажды выручив их, они сразу же вернулись к совершению краж».

Расследование продолжается.

Согласно отчету страховой компании, с 1 июля 2020 года по 30 июня 2021 года количество заявлений о краже каталитических нейтрализаторов среди клиентов State Farm в Калифорнии выросло на 175% по сравнению с тем же периодом прошлого года. Только у клиентов совхоза в штате было украдено более 6400 каталитических нейтрализаторов — и иск подан в страховую компанию — за 12 месяцев.

В чем ценность каталитического нейтрализатора? Металлы, из которых он сделан, включая платину, палладий и родий. В State Farm заявили, что эта деталь может стоить от нескольких сотен до нескольких тысяч долларов. Некоторые воры продают деталь на металлолом. А каталитический нейтрализатор украсть можно за считанные минуты, а иногда и меньше.

Во избежание краж специалисты рекомендуют парковать машину в гараже или хотя бы в хорошо освещенном месте.Вы также можете установить систему сигнализации, навести камеру видеонаблюдения на свой автомобиль или выгравировать VIN-код на каталитическом нейтрализаторе автомобиля. Компании также производят клетки и пластины стоимостью от 150 до 500 долларов, которые можно установить поверх детали.

Что это за звук, или Где твой каталитический нейтрализатор? – Страница DCA

Если вы заводите машину и слышите приятный громкий рев, который становится только громче, когда вы нажимаете на педаль газа, возможно, вам стоит заглянуть под машину — возможно, вы стали одной из последних жертв повального увлечения каталитическими нейтрализаторами.

Кражи каталитических нейтрализаторов находятся на подъеме, особенно в районе залива, и то, что может принести вору до 300 долларов на свалке или в переработчике, может стоить вам от 1000 до 5000 долларов на ремонт, в зависимости от модели и марки вашего автомобиля.

Что такое каталитический нейтрализатор?
Если вы водите автомобиль с топливным двигателем 1974 года выпуска и новее, на вашем автомобиле установлен каталитический нейтрализатор. Они расположены между двигателем и выхлопной системой — примерно посередине шасси автомобиля — и их цель — превращать газы в безвредные нетоксичные выбросы или водяной пар.Спрос на более строгие требования к выбросам автомобилей во всем мире привел к рекордно высокому спросу на каталитические нейтрализаторы и содержащиеся в них драгоценные металлы.

Почему люди воруют их?

  • Каталитические нейтрализаторы, так сказать, золотая жила. Каждая единица содержит от 3 до 7 граммов (1/5 унции) трех драгоценных металлов — родия, платины и палладия, которые на рынке стоят тысячи долларов за унцию (на момент написания этой статьи). статья, родий продается за 28 250 долларов, платина за 1 181 доллар.63 и палладий по $2531,18 за унцию*).
  • Детали невозможно отследить.
  • Быстрые деньги. Согласно Edmunds.com, опытным ворам требуется всего одна-две минуты, чтобы снять прикрученные или прикрученные элементы с помощью пилы или гаечного ключа и бежать. Времена трудные, и практика, как всегда, приводит к совершенству.

Любимые цели
Toyota Prius 2004-2009 модельного года являются фаворитами; гибриды используют меньше газа, а это означает, что драгоценные металлы в каталитических нейтрализаторах подвергаются меньшей нагрузке и, как правило, находятся в лучшем состоянии.Honda Elements также является фаворитом. Но воры действительно предпочитают внедорожники и грузовики, расположенные высоко над землей, потому что под них легко проехать — для их ограбления не требуется домкрат.

Что говорит закон
Законопроект Сената 627 (Глава 603, Кальдерон, Статуты 2009 г.) добавил раздел в Калифорнийский кодекс бизнеса и профессий 21610, касающийся документации и ведения учета основными переработчиками покупок и продаж каталитических нейтрализаторов. (Хотя продажа конвертеров подпадает под действие закона, всегда можно найти менее авторитетных утилизаторов.)

Чтобы обойти сеть безопасности США, воры теперь собирают и накапливают каталитические нейтрализаторы, а затем, когда собрано достаточное количество единиц, они продаются на черном рынке и отправляются за границу.

Три типа защитных устройств: каркас из арматуры, изготовленный своими руками (вверху), защитный кожух для вторичного рынка (в центре) и каркас для вторичного рынка (внизу)

Что ты умеешь?
Вы не можете спать всю ночь в машине, чтобы отпугнуть воров, однако есть несколько вещей, которые вы можете сделать:

  • Выгравируйте VIN (идентификационный номер) вашего автомобиля на конвертере.Если воры попытаются продать его известному торговцу металлоломом, это может помочь им предупредить их о том, что это украденный преобразователь; это также облегчает идентификацию владельца автомобиля, у которого он был украден.
  • Если у вас есть автосигнализация, откалибруйте ее для обнаружения вибрации. Подумайте о покупке видеорегистратора.
  • Паркуйтесь в хорошо освещенных местах и ​​вблизи зданий. Если у вас есть гараж, используйте его. Также рассмотрите возможность установки освещения для обнаружения движения снаружи, если это возможно.
  • Накройте преобразователь защитной пластиной, экраном, зажимом, клеткой или хомутом.Если ваш каталитический нейтрализатор прикручен болтами, подумайте о том, чтобы приварить болты. Если вы механик, некоторые из этих вариантов, в том числе некоторые методы «сделай сам», такие как каркас из арматуры, вы можете сделать сами. Если вы предпочитаете, чтобы за вас это сделал профессионал, убедитесь, что он или она имеет хорошую репутацию в Бюро автомобильного ремонта.

Вот и все: что такое каталитические нейтрализаторы, почему они так ценны и как хранить их под автомобилем там, где им и место. Хотя существуют законы против их кражи и продажи, вы все равно, как всегда, первая линия защиты.Потратив несколько сотен долларов на простое исправление, вы избавите себя от необходимости тратить тысячи долларов позже.

Смотреть: «Угнать за 60 секунд: Кража каталитического нейтрализатора» 
«Видеонаблюдение зафиксировало каталитическую кражу Toyota Prius средь бела дня»
*Источник: jmbullion.com

 

Нравится:

Нравится Загрузка…

границ | Анализ влияния каталитического нейтрализатора на производительность автомобильных двигателей с помощью имитационных моделей в реальном времени

Введение

В последние десятилетия постоянная потребность в сокращении выбросов загрязняющих веществ от двигателей внутреннего сгорания (ДВС) побудила OEM-производителей усовершенствовать существующие подсистемы (например,например, системы впрыска топлива, привода клапанов и т. д.) и внедрять инновационные решения (с особым упором на устройства доочистки). На самом деле, для того, чтобы эти технологии были действительно эффективными, необходим надлежащий и последовательный дизайн компоновки предприятия, систем управления и стратегий управления.

Сложность систем и большое количество управляющих переменных требуют глубокого понимания процессов, определяющих поведение управляемого силового агрегата как системы в целом.Дизайн системной архитектуры и ее управляющих устройств определенно нуждается в надежной теоретической поддержке физических моделей для описания общего поведения системы, которое в основном нелинейно и поэтому трудно предсказуемо. Математические модели являются мощными инструментами для оценки влияния компоновки системы и стратегий управления на конечный результат, что сокращает путь от проектных спецификаций до дорожных испытаний (Guzzella and Onder, 2010).

Применение быстрых математических моделей при проектировании силовых агрегатов и связанных с ними систем управления известно уже более десяти лет, и в литературе можно найти несколько примеров (Gambarotta and Lucchetti, 2011).Подробный сценарий описан в (Guzzella and Onder, 2010). Обычно подходы заполнения и опорожнения (F&E) и квазистационарного потока (QSF) используются для построения нулевых моделей с сосредоточенными параметрами, которые используются как для систем впуска и выпуска, так и для процессов в цилиндрах, но при этом позволяют « моделирование в реальном времени» (Gambarotta et al., 2011; Gambarotta and Lucchetti, 2013). Даже если химические и физические процессы, протекающие в цилиндре, очень сложны, «быстрые» модели требуют упрощенных однозонных 0D-подходов, в которых сгорание рассматривается через определение надлежащей функции сгорания топлива (Heywood, 1988), а реакции образования загрязняющих веществ — через упрощенные. механизмов или, что чаще, с моделями черного ящика (Guzzella and Onder, 2010).Большинство коммерческих инструментов основаны на этих методологиях (как рассмотрено в Gambarotta and Lucchetti, 2011, 2013).

Этот сценарий подчеркивает важную роль быстрых математических моделей в моделировании сложных систем, общее поведение которых возникает в результате взаимодействия различных компонентов и процессов сложным и нетривиальным образом. С учетом этого соображения и для изучения влияния различных субстратов катализатора на характеристики силовых агрегатов была разработана модель системы доочистки, объединенная с моделью двигателя с «углом коленчатого вала» (Gambarotta and Lucchetti, 2013).Особое внимание было уделено пенопласту как инновационному материалу для подложек (Bach and Dimopoulos Eggenschwiler, 2011). Полученные результаты представлены в статье.

Пеноматериалы с открытыми порами представляют собой ячеистые материалы, состоящие из соединенных между собой твердых распорок, расположенных в ячейках, которые охватывают области пустот и открытые окна или поры. Такие пены могут быть легко изготовлены с использованием различных технологий и материалов, начиная от полимеров, керамики (Al 2 O 3 , кордиерита или SiC) и металлов (Santoliquido et al., 2017). Пены с открытыми порами — это инновационные субстраты, характеризующиеся высокой пористостью, низкой плотностью и высокой механической прочностью. В последние годы они рассматривались для различных промышленных применений, таких как фильтры, теплоизоляторы, поглотители механической энергии, глушители, теплообменники и каталитические реакторы. Как подложки катализатора они имеют ряд преимуществ по сравнению с сотовыми монолитами и уплотненными слоями. Структура с открытыми порами обеспечивает более высокую однородность потока, что является решающим фактором для эффективности преобразования загрязняющих веществ и долговечности катализатора (Zygourakis, 1989; Martin et al., 2000; Гейзер и др., 2003). В сотовых монолитах ламинарное течение в каналах приводит к низкому тепло- и массообмену. Вместо этого сеть твердых стоек решеток с открытыми ячейками характеризуется извилистыми путями, которые усиливают взаимодействие газа со стенками и способствуют снижению тепловой инерции (Giani et al., 2005; Lucci et al., 2016). В автомобильных приложениях критическим параметром является падение давления, которое влияет на КПД двигателя. Пены имеют более высокий перепад давления по сравнению с монолитом тех же размеров (Twigg and Richardson, 2007; Lucci et al., 2015; фон Рикенбах и др., 2015). Это может быть компенсировано повышенным массопереносом, позволяющим уменьшить размер катализатора (Dimopoulos Eggenschwiler et al., 2009), или изменением геометрической конфигурации реактора (Koltsakis et al., 2008). Определенные усилия были потрачены на их моделирование. С одной стороны, были проанализированы высокоточные КТ-сканы пены (компьютерная томография), с другой стороны, чтобы уменьшить вычислительную нагрузку, пены были смоделированы как регулярные структуры с ячейками Кельвина (Boomsman et al., 2003; Джани и др., 2005 г.; Инаят и др., 2011). Было продемонстрировано, что обычные подложки с ячейками Кельвина работают лучше, чем их соответствующие рандомизированные пены, с точки зрения компромисса между массопереносом и падением давления (Lucci et al., 2016).

Недавно был предложен вариант структуры пенопласта, основанный на достижениях технологий аддитивного производства (AM). Такие «пены» состоят из повторяющихся элементарных ячеек различной формы (Inayat et al., 2016; Bracconi et al., 2018; Papetti et al., 2018). Были предложены различные элементарные ячейки для построения взаимосвязанных структур. (Papetti et al., 2018) описывает систематическую геометрическую оптимизацию обычной подложки с открытыми ячейками и сочетает дизайн численного моделирования и методы аддитивного моделирования для реализации первой в мире, насколько известно авторам, 3D-печатной каталитической подложки из кордиерита для реального автомобиля. Приложения.

Количественно оценить влияние структуры подложки катализатора на характеристики двигателя непросто из-за различного динамического поведения сот и пеноматериалов во время переходных процессов и высокой нелинейности всей системы двигателя.Для сравнения влияния сотовых и пенных подложек был разработан оригинальный математический инструмент 0D, который использовался для моделирования современного дизельного двигателя объемом 1,6 л с турбонаддувом. Результаты моделирования, полученные применительно к ездовому циклу EUDC, представлены в документе, показывающем влияние этих различных опор на тепловые переходные процессы каталитического нейтрализатора и на расход топлива.

Моделирование двигателя и системы доочистки выхлопных газов в реальном времени

Модель двигателя «Crank-Angle»

Для целей этой работы модель двигателя, описанная в Gambarotta et al.(2011) и Gambarotta and Lucchetti (2013) применительно к двигателю с турбонаддувом и рециркуляцией отработавших газов. Процессы внутри цилиндра и газообмена были описаны с использованием подхода QSF для впускных и выпускных клапанов и метода F&E для коллекторов и цилиндров. Считается, что горение определяет надлежащую скорость выделения тепла (HRR), а образование загрязняющих веществ оценивается с помощью подмоделей черного ящика. Разработан оригинальный алгоритм интегрирования уравнений сохранения в цилиндре с подходящим временным шагом (настроенным на сохранение углового шага ~1° СА для любой частоты вращения двигателя n ), сохраняя при этом больший общий временной шаг для впуска и выхлопные системы.Модель топливной системы учитывает динамику топливной рампы (через ее объемный модуль), характеристики потока форсунок и утечки и позволяет рассчитать расход впрыскиваемого топлива по давлению в рампе p рампе и времени включения ET. Модели на основе карты черного ящика использовались для компрессора C и турбины с изменяемой геометрией (VGT).

Усредненное по циклу значение коэффициента эквивалентности φ рассчитывается на основе общей массы всасываемого воздуха (полученной путем интегрирования массового расхода воздуха за каждый цикл) и общей массы топлива, впрыскиваемого за цикл (оценивается на основе расхода впрыскиваемого топлива).Массовые расходы рассматриваемых загрязняющих веществ (CO, HC и PM), необходимые для расчета концентраций загрязняющих веществ X миль в выхлопных газах, а затем тепла, выделяемого в результате реакций окисления внутри катализатора (см. Модель катализатора), составляют оценивается как функция коэффициента эквивалентности φ и частоты вращения двигателя n посредством экспериментальных карт, организованных в справочных таблицах в следующем виде:

Модель и схема ее причинно-следственной связи описаны в Gambarotta et al.(2011) и Гамбаротта и Луккетти (2013). Он использовался для моделирования нескольких автомобильных двигателей (как SI, так и дизельных), откалиброванных и проверенных, сравнивая выходные данные модели с экспериментальными данными, как подробно описано в Gambarotta and Lucchetti (2011, 2013) и Gambarotta (2017). Предложенная модель также использовалась в оригинальной системе Hardware-in-the-Loop (HiL) на базе ПК, разработанной авторами (Gambarotta et al., 2012), демонстрируя хорошую способность прогнозировать поведение и производительность двигателя и связанных с ним систем. подсистем как в стационарных, так и в переходных режимах работы.

Выхлопная система и катализатор Модель

Процессы теплопередачи в выхлопной системе играют ключевую роль в моделировании ДВС из-за значительного влияния температуры выхлопных газов на эффективность систем доочистки. Таким образом, тщательное описание процессов теплообмена имеет основополагающее значение, особенно во время критических переходных процессов (например, «зажигание» катализатора, регенерация улавливателя твердых частиц и т. д.). Другими критичными по выбросам фазами работы двигателя являются длительная работа при малой нагрузке, когда система доочистки значительно охлаждается, а также при максимальной нагрузке, когда температуры достаточно высоки, но массовые расходы выхлопных газов вынуждают катализатор работать под нагрузкой. дефицит трансфера.По этой причине, несмотря на ограничения, налагаемые 0D-подходом, особое внимание было уделено моделированию теплового поведения выхлопной системы.

Рабочая жидкость рассматривалась как смесь совершенных газов, определяемая вектором массовых концентраций X mi относящихся к 7 химическим видам, т. е. N 2 , O 2 , H 2 O, CO, H 2 и NO. Обширные свойства ρ и C P P P P

3 P

3 рассчитываются как взвешенные в среднем с учетом состав смеси смеси, и K = C = C P / C V известен из c p и константа газовой смеси R .Интенсивные свойства μ, Pr и λ не могут быть рассчитаны таким образом. Динамическая вязкость μ рассчитывается как функция коэффициента эквивалентности φ посредством экспериментальной корреляции (Heywood, 1988):

μ=3,3·10-7Tm0,71+0,027φ, дюйм [Па·с]

Pr оценивается следующим выражением (Heywood, 1988):

Pr=0,05+4,2(k-1)-6,7(k-1)2, для φ≤1

Наконец, λ получается из определения Pr :

Модель выпускного коллектора

Математическая модель выпускного коллектора была разработана в соответствии с подходом F&E.Температура и давление получаются из уравнений сохранения массы и энергии, применяемых к многообразию, рассматриваемому как 0D-объем. Оценивая тепловой поток через стенки коллектора, как это было предложено в Guzzella and Onder (2010), уравнение сохранения энергии для выхлопных газов внутри коллектора можно записать следующим образом:

dUdt=m˙exhhexh-m˙turhtur-m˙EGRhEGR-Q˙in

где Q˙in — тепловой поток от газовой смеси к стенкам коллектора. Энтальпии газов, выходящих из коллектора ч tur и ч EGR рассчитаны в предположении, что температура газа равна температуре газа внутри коллектора.

В представленной модели тепловая инерция выпускного коллектора была учтена при определенной общей массе m w и постоянной удельной теплоемкости c w для стенок коллектора (рис. 1). Температура стенок коллектора считалась однородной, а ее изменения оценивались по следующему дифференциальному уравнению:

dTwdt=1mw·cw(Q˙вход-Q˙выход)

, где Q˙in и Q˙out — потоки тепла между потоком газа и стенками и между стенками и окружающим воздухом соответственно.Эти тепловые потоки можно рассчитать со ссылкой на хорошо известное схематическое описание, представленное на рис. 1, где обмен теплом происходит за счет конвекции и излучения между газовым потоком и внутренними стенками, за счет теплопроводности через стены и за счет конвекции и излучения между внешними стенами и окружающей средой. воздуха. Однако в предлагаемой модели внутреннее излучение считается незначительным. Даже если реальная геометрия коллектора сложна, он был смоделирован как единая цилиндрическая труба надлежащей длины 90 373 L 90 374, чтобы удержать расчетную нагрузку в рамках 0D-подхода.

Рисунок 1 . Схема потоков выпускного коллектора.

Для оценки Q˙in использовалось специальное соотношение, предложенное в литературе для систем впуска и выпуска двигателей ДВС в следующем виде (Depcik and Assanis, 2001):

Термин Pr c часто принимает значение, близкое к 1, а значения для a и b определяются из измерений. Значение Nu было оценено по корреляции Гнелинского, описанной в Konstantinidis et al.(1997) и Кандилас и Стамателос (1999), введя, как было предложено, подходящий коэффициент усиления конвекции для учета неустойчивости потока и турбулентности, определяемый следующим образом:

, где Nu eff и Nu th — эффективное и теоретическое значение соответственно. Последнее значение можно оценить с помощью хорошо известных корреляций из работы Konstantinidis et al. (1997) и Кандилас и Стамателос (1999):

Nuth=(f/8)(Re-1000)Pr1.07+12,7(f/8)1/2(Pr2/3-1)     104 и

Nuth=(f/8)RePr1.07+12.7(f/8)1/2(Pr2/3-1)                  Re<104

где

и

f=(0,790lnRe-1,64)-2                  3000 Тогда можно рассчитать коэффициент конвекции и тепловой поток, так как:

и

Q˙in=Ainhin(Texh_man-Tw)

где Pr , μ и λ для отработавших газов оцениваются как T exh _ man температура, принятая равномерная в выпускном коллекторе.

Оценка конвективного теплового потока от стенок коллектора к окружающему воздуху затруднена из-за геометрии компонентов и схемы внешнего потока. Ради простоты геометрия коллектора была принята цилиндрической, а поле внешнего потока однородным и связанным со скоростью транспортного средства. Модель основана на корреляции, предложенной Konstantinidis et al. (1997) и Кандилас и Стамателос (1999), таким образом оценив Nu следующим образом:

Nuout=0,3+Nuout_lam2+Nuout_tur2, 10 где NU OUT _ LAM и NU TUR _ TUR — это функции Re и PR номера следующим образом:

Nuout_lam=0.664Re1/2Pr1/3

и

Nuout_tur=0,037Re0,8Pr1+2443Re-0,1(Pr2/3-1)

Из Nu из Коэффициент конвекции и тепловой поток можно рассчитать, начиная с

и

Q˙conv_out=Aouthout(Tw-Tsur)

, где A out — площадь внешнего коллектора. Термодинамические свойства Pr , ρ, μ и λ оцениваются относительно температуры пленки (т. е. среднего значения между температурой стенок коллектора T w и температурой окружающего наружного воздуха T sur ).

Тепловой поток внешнего излучения Q˙rad_out  был оценен, предполагая, что внешняя стенка коллектора представляет собой серую поверхность в полости бесконечной протяженности. Следовательно, его можно рассчитать с помощью известных соотношений Стефана-Больцмана (Incropera et al., 2013):

Q˙rad_out=Aoutεσ(Tw4-Tsur4)

Где A OUT

2 из — внешняя область многообразия, ε — это эмиссивность, σ является постоянной Стефана-Больцмана и T W и T SUR и температуры окружающего воздуха соответственно.

Суммарный тепловой поток Q˙out  от коллектора можно рассчитать по значениям конвекции и излучения как

Q˙out=Q˙conv_out+Q˙rad_out
Модель катализатора

Каталитический нейтрализатор является сложным компонентом как с точки зрения схемы газового потока, так и с точки зрения химических реакций. Гидродинамика, процессы тепло- и массопереноса играют важную роль в его поведении и должны тщательно учитываться. Принимая во внимание цели представленной работы, ни 3D (например, Lucci et al., 2014, 2015; Von Rickenbach et al., 2014), ни техника одномерного моделирования (например, Shamim et al., 2002; Pontikakis et al., 2004). Был использован 0D-подход, предполагающий для каждого компонента однородное пространственное распределение термодинамических параметров и применение уравнений сохранения с эмпирическими корреляциями, где это необходимо. Разработанная модель оказалась способной имитировать поведение катализатора и его влияние на характеристики трансмиссии во время значительных переходных процессов (например, ездовых циклов) с очень коротким временем расчета и с учетом компоновки системы, размеров компонентов и стратегий управления, принятых во время переходных процессов.

Модель была разработана в соответствии с причинно-следственной связью, представленной на рис. 2. Были рассмотрены два объема (выделены голубым цветом до и после каталитического сердечника) в соответствии с подходом F&E. Модель ядра (выделена оранжевым цветом) была основана на процедуре QSF (т. е. без учета накопления массы и энергии). Поскольку процессы в каталитическом нейтрализаторе сложны и, как правило, трехмерны, необходимо было ввести надлежащие допущения, чтобы отразить их общее влияние, что все же ограничивало нагрузку на моделирование.Поэтому процессы, происходящие в активной зоне, были упрощены путем разделения модели на два модуля, как показано на рис. 3: «газовая модель», описывающая течение газа в катализаторе, и «монолитная модель», воспроизводящая тепловое поведение ядро катализатора. На каждом временном шаге изменения массового расхода и температуры через активную зону оценивались путем решения двух систем алгебраических уравнений из двух модулей, которые связаны теплообменом между выхлопными газами и стенками подложки (согласно рис. 3).

Рисунок 2 . Схема и причинно-следственная связь модели катализатора.

Рисунок 3 . Компоновка модели ядра катализатора.

«Модель газа» была разработана, как показано на рисунке 4. На каждом временном шаге значения давления p и температуры T в двух соседних объемах используются для расчета перепада давления Δ p , среднего давления p м , и температура T м (с учетом направления потока).Приняв ядро ​​катализатора как сосредоточенное сопротивление потоку (без накопления массы), массовый расход газа можно оценить с помощью эмпирического алгебраического соотношения в следующем виде:

, где ρ и μ (как и другие свойства жидкости) рассчитаны по p m и T m с учетом состава выхлопных газов. Геометрия катализатора включает в себя как габаритные размеры ядра, так и его морфологические характеристики (соты/пены, пористость и др.).). Тогда температуру газа на выходе из активной зоны можно определить, интегрируя уравнение сохранения энергии в 1D и в стационарном режиме:

m˙cpdTdx=hA'(Tmon-T)+qgen

, где пренебрегают осевым теплообменом и изменением кинетической и потенциальной энергии в газе (как обычно считается; Pontikakis et al., 2004), A’ — удельная площадь контакта на единицу длины и q gen — одномерное распределение тепловыделения по осевой длине активной зоны (между х = 0 и х = L ).Свойства газа оцениваются по p m и T m и принимаются постоянными.

Рисунок 4 . Структура модуля «модель газа» (входные и выходные переменные выделены зеленым и красным соответственно).

Конвективный теплообмен между газом и ядром описывается, как обычно, через коэффициент конвекции ч , полученный из Nu , оцененный с эмпирической корреляцией в следующем виде (Konstantinidis et al., 1997; Кандилас и Стамателос, 1999 г.):

Температура стенки монолита T mon считается постоянной во временном шаге, т. е. как осевой, так и радиальный температурные градиенты не учитываются в соответствии с 0D-подходом, чтобы ограничить время моделирования.

Молекулярная диффузия различных веществ и химические реакции в газовой смеси и активной зоне не рассматривались. Однако общие эффекты окисления несгоревших частиц воспроизводятся с точки зрения выделяемого тепла с помощью следующего выражения (в [Вт/м]):

, который представляет собой одномерное распределение тепловыделения по осевой длине активной зоны (между x = 0 и x = L ).Q˙gen — общий тепловой поток (в [Вт]), образующийся в объеме активной зоны в результате реакций окисления загрязняющих веществ, который оценивается по массовому расходу выхлопных газов ṁ, концентрациям загрязняющих веществ X миль , соответствующих теплотворная способность LHV i и эффективность преобразования η i следующим образом:

Q˙gen=∑i=1Nm˙·Xmi·LHVi·ηi

Номер N и тип загрязняющих веществ зависят от конкретного применения.В представленной модели рассматривались СО и один или несколько видов, представляющих УВ, поскольку их реакции окисления считались наиболее значимыми при определении температуры катализатора. Следует отметить, что рабочая жидкость рассматривалась как смесь 7 химических соединений, т. е. N 2 , O 2 , CO 2 , H 2 O, CO, H 2 NO. Вектор концентраций загрязняющих веществ { X mi } в выхлопных газах (т.например, выхлопные газы двигателя) можно получить из экспериментальных данных в виде справочных таблиц в зависимости от рабочих параметров двигателя (например, коэффициент эквивалентности φ, частота вращения двигателя n и выходная мощность; Fiorani et al., 2008). Таким же образом вектор {η i } эффективности преобразования может быть определен с помощью справочных таблиц, определенных экспериментально как функция температуры монолита T mon и скорости газа (Fiorani et al., 2008). . Этот подход (который в основном представляет собой черный ящик, как обычно требуется для моделей реального времени) позволяет учитывать дальнейшие реакции, которые могут происходить в катализаторе, путем введения соответствующих эмпирических корреляций для моделирования различных каталитических нейтрализаторов и систем доочистки.

Член q gen (который является функцией осевой координаты x , длины ядра L , количества N вовлеченных загрязняющих веществ и общего теплового потока Q˙gen от окисления несгоревших соединений) зависит от скоростей реакций в ядре катализатора, на которые влияют многие сложные процессы: химическая кинетика при низких температурах, диффузия в порах монолита при средних температурах и диффузия в газовой фазе при высоких температурах.Следовательно, если температура достаточно высока, можно предположить, что химические вещества реагируют мгновенно, как только они достигают стенок субстрата. Предполагая, что концентрация химических веществ в протекающих газах экспоненциально падает по осевой оси абсцисс, и учитывая, что диффузионный массообмен пропорционален разности концентраций, было принято экспоненциальное распределение тепла, выделяемого несгоревшими соединениями, выраженное в следующем виде:

Коэффициенты a и b можно определить, полагая, что интеграл от q gen по длине подложки равен общему тепловому потоку Q˙gen, генерируемому в активной зоне, т.е.е.,:

И предполагая, что соотношение Q Q Q GEN (0) / Q GEN (L) = 100. Следовательно, следующие выражения для A и B получены:

a=N·ln(N)·Q˙genL·(N-1) и b=- ln(N)L

Интегрирование уравнения сохранения энергии в 1D и в установившемся режиме между x = 0 и x = L позволяет определить изменения температуры газа вдоль активной зоны.Для x = L можно определить температуру газа на выходе T из .

Тепловой поток между газом и монолитом на каждом временном шаге можно оценить по уравнению:

Q˙int=Q˙gen-m˙·cp·(Tout-Tin)

Следует отметить, что поскольку свойства газовой смеси определяются по средней температуре в активной зоне, значение T out оценивается путем итеративного расчета (процедура do-while , рис. 4 ) с 0.порог 1к.

Для оценки изменения средней температуры монолита T mon уравнение сохранения энергии можно использовать в следующем виде:

dTmondt=1mmon·cmon·(Q˙int-Q˙ext)

В дополнение к тепловому потоку, обмениваемому с газами Q˙int и теплоемкости монолита m mon · c mon , требуется также тепловой поток во внешний окружающий воздух Q˙ext.

Даже если могут быть найдены различные конфигурации, наиболее распространенным методом является размещение монолита в металлическом корпусе с промежуточным слоем изоляционного материала: такая компоновка была принята в разработанной модели, как схематично показано на рисунке 5.Теплопередача от монолита к окружающему воздуху происходит сначала за счет теплопроводности через слой теплоизоляционного материала и металлического кожуха, а затем за счет конвекции и излучения от наружных стен к окружающему воздуху. В этом случае конвекция может быть принудительной или естественной в зависимости от скорости транспортного средства v , которая, таким образом, представляет собой входной параметр для модели. Следуя квазистационарному подходу, стационарный процесс теплопередачи можно смоделировать в пределах каждого временного шага, предполагая два последовательных тепловых сопротивления, и поэтому общее тепловое сопротивление может быть выражено как:

Rt_tot=Rt_cond+Rt_conv·Rt_irrRt_conv+Rt_irr

Где R T _ CON _ COND COND R R R COV и R R R _ IR IR связаны с конвекцией и радиацией передача тепла наружу.

Рисунок 5 . Схема процессов течения и теплообмена в ядре катализатора.

Принимая во внимание только слой изолирующего материала (т. е. пренебрегая термическим сопротивлением металлического корпуса) и допуская цилиндрическую геометрию, R t _ cond было рассчитано с помощью следующего соотношения (Incropera et al. ., 2013):

Rt_cond=Tmon-TwQ˙ext=ln(rins_extrins_int)2π·L·λins

Принудительную конвекцию в окружающий воздух можно рассматривать при условии наличия цилиндрического корпуса с радиусом, равным r ext : поэтому

Rt_conv=Tw-TextQ˙conv=1Aext·hconv

где

с коэффициентом усиления 3/2 для учета осевой проводимости в металлическом корпусе.

Коэффициент конвекции ч получен, начиная с Nu (Incropera et al., 2013): следующая корреляция Черчилля и Бернштейна (которая не требует коэффициентов, меняющихся с Re и справедлива для широкого диапазона Re и Pr ) было использовано:

Nuconv=0,3+0,62Re1/2Pr1/3[1+(0,4/Pr)2/3]1/4[1+(Re282000)5/8]4/5

где

v — скорость невозмущенного потока, предполагаемая равной скорости автомобиля.Тогда ч можно вычислить по следующему соотношению:

Что касается теплового излучения, принимая внешнюю стенку металлического корпуса за серое тело внутри большой полости, соответствующий тепловой поток можно оценить как Incropera et al. (2013):

Q˙irr=Aext·ε·σ·(Tw4-Text4)

из которых

Rt_irr=1Aext·ε·σ·(Tw2+Text2)·(Tw+Text)

Наконец, тепловой поток во внешний окружающий воздух можно рассчитать как:

Параметры принудительной и естественной конвекции рассчитаны с учетом свойств жидкости при средней температуре:

где T w известно из уравнения:

Таким образом, значение T w оценивается посредством итеративного вычисления с 0.порог 1к.

Описанная процедура использовалась для моделирования различных подложек катализатора (соты или пены) с использованием подходящих корреляций для связи массового расхода и изменений давления в ядре катализатора (концентрированное гидравлическое сопротивление) и для определения Nu для теплообмена между выхлопные газы и монолит. Конкретные корреляции, используемые для сот и пенопластов, рассматриваемых в настоящей работе, будут представлены в следующем параграфе.

Физическая идентификация модели катализатора

Представленная модель системы доочистки была затем откалибрована с учетом конкретной геометрии сердцевины, сот и пеноматериалов.Сопротивление потоку и процессы теплопередачи были идентифицированы на основе корреляций, доступных в литературе, и использовались стандартные физические и геометрические свойства.

В сотах газу приходится двигаться в каналах очень малого сечения, поэтому течение преимущественно ламинарное. Соотношения, связывающие массовый расход с Δ p , очень похожи на полученные для ламинарного течения в трубе и могут быть выражены в виде p = f (ṁ), что можно переписать в обратной форме ṁ = f ( p ), что подходит для блок-схемы на рисунке 4.В настоящем исследовании использовалось следующее соотношение

ΔpL=28,5·мк·м˙ρ·ε·A·Dc2

или, помещая Re=ρ·u·ε·Dcμ

, как предложено в Incropera et al. (2013) для полностью развитого ламинарного потока через воздуховод квадратного сечения.

Что касается пены, первое соотношение было получено Giani et al. (2005), полученный в результате экспериментальных испытаний высокопористой металлической пены. Геометрия этих пен была схематизирована, предполагая аккуратно упакованные кубические ячейки с цилиндрическими стойками.Исходя из выражения для потерь нагрузки внутри пучка труб, авторы предложили следующее соотношение:

ΔpL=2ds·(0,87+13,56Re)·(11-G(ε))4·G(ε)4·ρu2

, где в Re характерным размером является диаметр стойки d s , а скорость u получается делением объемного расхода на площадь поперечного сечения A монолита. G( ε ) – отношение диаметра стойки d s к диаметру пор D p : следует:

G(ε)=dsDp=(4·(1-ε)3π)1/2

Вторая корреляция, предложенная Lucci et al.(2014), рассматривается для пен. Чтобы избежать значительной дисперсии, типичной для экспериментальных данных (из-за изменчивости тестируемых пен), авторы предлагают трехмерное моделирование CFD в качестве альтернативы реальным измерениям для характеристики поведения пены (аргументируя больший контроль над геометрическими параметрами). В частности, со ссылкой на пену, смоделированную как набор ячеек Кельвина (рис. 6), и отметив, что перепад давления в пене возникает из-за силы сопротивления, оказываемой жидкостью на стойки, авторы в Lucci et al.(2014) предлагают следующую корреляцию:

-dpdx=SSA·ρu22·χ2ε3·CD

, где χ называется «извилистостью» и представляет собой отношение между длиной фактического пути, по которому движется жидкость, и соответствующим осевым смещением. Что касается сложной геометрии пен, χ обычно намного больше 1. Чтобы соответствовать результатам трехмерного моделирования, коэффициент сопротивления C D был определен в следующей форме (Lucci et al., 2014) :

, где Re рассчитывается с D p в качестве характеристической длины, предполагающей среднюю скорость на площади поперечного сечения (следовательно, ниже эффективного значения внутри пены: по этой причине в предыдущем уравнении член χ 2 3 добавляется).Хотя приведенное выше уравнение позволяет оценить градиент давления в осевом направлении (одномерная модель), его можно использовать для расчета общего Δ p , оценивая свойства жидкости на p м и T м таким образом получив

pL=SSA·ρu22·χ2ε3·(0,4+30Re0,8)

Оценка теплового потока между выхлопными газами и внутренней поверхностью монолита была основана на расчете коэффициента конвекции h , который можно получить из Nu .Корреляция, используемая для сот, была получена из Giani et al. (2005) следующим образом:

Nu=2,977·(1+0,095·Re·Pr·DcL)0,45

где

Re=ρ·u·Dcµ·ε=m·˙dsµ·ε·A

Для пенопластов использовались две корреляции из литературы. Первый был предложен Giani et al. (2005), где авторы расширяют результаты, полученные экспериментально для характеристики металлических пенопластов. Nu выражается как функция Re и Pr в классической формулировке с двумя поправочными коэффициентами, определенными из экспериментальных данных следующим образом:

, где Re=ρ·u·dsµ=m·˙dsµ·A.

Для пеноматериалов использовалась вторая корреляция, полученная от Lucci et al. (2014). Для оценки Nu использовалось следующее выражение:

Nu=1,28·Hg0,32Pr13ε2,34

, где номер Хагена Hg используется вместо Re , определяемый как:

Следует напомнить, что первая корреляция (Giani et al., 2005) основана на схематизации пены как набора кубических ячеек (рис. 6), принимая диаметр распорки d s в качестве характерной длины .С этой геометрией только два из четырех параметров D D P , ε, , ε, и S и SSA являются независимыми, например, E.g., если D P и ε известны , d s и SSA получаются из следующих уравнений:

G(ε)=dsDp=[4·(1-ε)3π]12 и SSA=2Dp[3π (1-ε) ]12

Вторая корреляция (Lucci et al., 2014) получена при моделировании CFD, принимая диаметр пор D p в качестве характерной длины и моделируя пену как набор ячеек Кельвина (рис. 6).Также в этом случае задействованы два независимых параметра и выполняются следующие соотношения:

ε=1-3π2(dsDp)2+7,54(dsDp)3 и SSA=10,331-εDp-5,81-εDp

В таблице 1 представлены различные корреляции сопротивления потоку и передаточных свойств для структур, рассматриваемых в этой статье. Более подробную информацию о них можно найти в справочной литературе (Giani et al., 2005; Lucci et al., 2014).

Таблица 1 . Используемые корреляции сопротивления потоку и транспорта.

Предполагается, что общий объем каталитического реактора составляет 1,5 л при длине реактора 15 см. Стандартная сотовая структура, обозначаемая далее как «h_Giani», используется в качестве эталонного случая и характеризуется пористостью ε = 63%, характеристическим диаметром канала D p = 1 мм и удельным площадь поверхности SSA = 2700 м 2 / м 3 . Сотовую структуру сравнивают с двумя пенообразными структурами с открытыми ячейками, настоящей пеной (Giani et al., 2005), идентифицированную как «f_Giani», и синтетическую клеточную структуру Кельвина (Lucci et al., 2014), идентифицированную как «f_Lucci». Обе ячеистые структуры имеют пористость ε = 73%, выше, чем у сот, меньшую площадь поверхности SSA = 1000 м 2 3 и характерный размер пор d p = мм. Другие параметры, принятые для моделирования, приведены в таблице 2: объем монолита считался одинаковым для сот и пеноматериалов (даже если для пеноматериалов могут потребоваться меньшие объемы).Значения d p и ε приводят к сотовому заполнителю около 400 cpsi, что можно считать коммерческим стандартом, а значение D p приводит к пенам 12,7 PPI.

Таблица 2 . Принятые значения параметров для моделей катализаторов.

Толщина s ins и λ ins изоляционного слоя приняты равными 6 мм и среднему значению для пенополиуретанов.Значение общего полусферического коэффициента излучения ε для внешней металлической поверхности сильно варьируется в зависимости от обработки поверхности и степени окисления (от 0,1 для полированных поверхностей до 0,9 для сильно окисленных поверхностей): в этом случае, поскольку внешняя оболочка обычно не имеет определенной отделки и, кроме того, он мог окисляться, было принято значение 0,6. Определены удельная плотность ρ пн и теплоемкость с пн монолита с учетом кордиерита для сот и Al 2 O 3 для пен.

Однако следует напомнить, что все вышеперечисленные параметры легко меняются в модели, что позволяет протестировать и сравнить разные геометрии.

Разработка и проверка модели двигателя

Модели выхлопной системы и катализатора были объединены с 0D-моделью «угла поворота коленчатого вала» дизельного двигателя с турбонаддувом. Структура модели (чередование объемных и необъемных блоков) позволила избежать численных проблем и алгебраических циклов (Gambarotta and Lucchetti, 2013).

Модель была идентифицирована по отношению к дизельному двигателю с турбонаддувом 1,6 л (основные технические данные приведены в таблице 3) на основе экспериментальных данных в установившемся режиме от OEM, которые были использованы для определения справочных таблиц и коэффициентов функции интерполяции по методу наименьших квадратов (т. е. коэффициенты расхода впускных/выпускных клапанов, коэффициенты потерь давления воздушного фильтра и выхлопной системы и т. д.). Модели компрессоров и турбин были идентифицированы на основе их характеристик от производителя (Gambarotta and Lucchetti, 2013).Карты для оценки концентраций загрязняющих веществ в выхлопных газах взяты из Fiorani et al. (2008). Алгоритм, разработанный для интегрирования уравнений модели, использует постоянный главный временной шаг 2 мс и переменный временной шаг для процессов в цилиндрах, чтобы поддерживать угловой шаг ~1° CA независимо от частоты вращения двигателя n . В этом приложении на ПК с тактовой частотой 2 ГГц и 2 ГБ ОЗУ отношение времени моделирования к физическому времени всегда было значительно ниже 0,65.

Таблица 3 .Основные технические данные рассматриваемого дизеля.

Входными параметрами являются частота вращения двигателя, массовый расход топлива, управляющие сигналы для VGT и EGR, температура и давление окружающей среды. Выходными данными могут быть все параметры, оцениваемые моделью двигателя, например, крутящий момент, bmep , эффективная выходная мощность, параметры состояния во впускном и выпускном коллекторе (т. е. p, T, X mi ) и т. д. После идентификации модель двигателя была протестирована, сравнивая расчетные результаты с экспериментальными данными, измеренными на испытательном стенде в установившихся рабочих условиях OEM (кроме тех, которые использовались для идентификации), что дало хорошее совпадение, как указано в Гамбаротта и Луккетти (2013).

Условия эксплуатации из ездового цикла

Чтобы подчеркнуть влияние характеристик грунта на поведение двигателя, был выбран раздел Нового европейского ездового цикла (NEDC), посвященный загородному ездовому циклу (EUDC). В этом отношении входные параметры (частота вращения, массовый расход топлива, управляющие сигналы VGT и EGR) определялись с помощью обратной модели транспортного средства (разработанной в Guzzella and Sciarretta, 2005). Данные автомобиля были идентифицированы со ссылкой на Alfa Romeo Giulietta 1.6 ДТД. Из временных графиков скорости и передачи, заданных для 400-секундного EUDC, были рассчитаны мгновенные запрошенные значения скорости вращения и крутящего момента, которые использовались в качестве входных данных для модели. Различия между заданным и фактическим крутящим моментом двигателя использовались для оценки с помощью алгоритма ПИД-регулирования с обратной связью массового расхода впрыскиваемого топлива.

Результаты моделирования для EUDC

Поведение системы впуска и выпуска

Сравнивались термодинамические параметры в системах впуска и выпуска, полученные с разными субстратами.В качестве примера ниже приведены несколько результатов со ссылкой на EUDC, принимая за базовую линию сотовую подложку («h_Giani», выделена сплошным красным цветом) и рассчитанные различия между двумя пеноподобными структурами с открытыми ячейками (реальная пена «f_Giani », сплошным зеленым цветом, и структурой ячейки Кельвина «f_Lucci», выделенным сплошным синим цветом).

Как и ожидалось, пенопластовые подложки приводят к более высоким потерям давления. На рисунке 7 показана разница статического давления через катализатор Δ p DOC , показывающая максимальное увеличение примерно на 10 кПа для обеих рассматриваемых пен.Однако значительные нелинейности из-за типичных процессов в системе впуска и выпуска приводят к нетривиальному поведению в целом. На самом деле перепад давления через турбину Δ p tur несколько ниже (рис. 8) и, следовательно, изменение давления в выпускном коллекторе p exh _ man (рис. 9 ) ниже, чем ожидалось (т. е. ниже, чем увеличение перепада давления Δ p DOC , рис. 7).Это приводит к выводу, что более высокие потери давления, вызванные пенообразованием, могут быть частично уравновешены эффектами турбонагнетателя, по крайней мере, при высоких нагрузках двигателя. Результаты на Рисунке 8 показывают, что несколько более высокий перепад давления пенных катализаторов приводит к более высокому КПД турбины (благодаря несколько более высокому уровню давления на выходе из турбины). Таким образом, и без того низкий расход топлива частично уравновешивается более высоким КПД турбины.

Рисунок 7 .Рассчитаны потери давления через различные подложки катализаторов.

Рисунок 8 . Расчетные изменения давления через турбину.

Рисунок 9 . Расчетное давление в выпускном коллекторе.

Температурные профили внутри блока каталитического реактора представлены на рисунке 10. Из-за более высокой пористости структуры с открытыми ячейками имеют более низкую тепловую инерцию и имеют более короткие тепловые переходные процессы. На рис. 10 показано, что как пеноматериалы, так и структуры ячеек Кельвина способны достигать температуры затухания 550 К примерно в два раза быстрее, чем соты (следует отметить, что зеленые и синие линии почти полностью накладываются друг на друга).Однако по тем же причинам они характеризуются более быстрой фазой остывания.

Рисунок 10 . Расчетная температура подложек.

Прогноз экономии топлива

Модель позволила оценить мгновенный и суммарный расход топлива на рассматриваемом EUDC: результаты представлены на рис. 11. Сплошная красная линия представляет суммарный расход топлива для двигателя с сотовой подложкой («h_Giani»), который принят за эталон чтобы подчеркнуть влияние субстратов с открытыми ячейками.Таким образом, на Рисунке 11 синие и зеленые линии показывают процентное отклонение при использовании пены (зеленая сплошная линия, «f_Giani») и подложек из ячеек Кельвина (синяя сплошная линия, «f_Lucci») по отношению к сотовому («h_Giani» ).

Рисунок 11 . Расчетный совокупный расход топлива во время EUDC.

Анализ мгновенного расхода топлива ṁ f показывает, что в принятых условиях для сотового заполнителя достигаются более низкие значения, чем для обеих пенопластовых конструкций с открытыми ячейками.Однако разница в совокупном расходе топлива между вариантами составляет менее 0,20%. Кроме того, среди подложек с открытыми порами расход топлива с настоящими пенами («f_Giani») немного ниже, чем со структурами из ячеек Кельвина («f_Lucci»).

Как было показано ранее, перепад давления через каталитический нейтрализатор выше для структур с открытыми порами (рис. 7) для всех проанализированных случаев, подтверждая, что структуры с открытыми порами характеризуются более высоким сопротивлением потоку. Это является основной причиной повышенного расхода топлива для рассматриваемых конструкций с открытыми ячейками, особенно при ускорениях.При более высоких нагрузках на двигатель и более высоких массовых потоках выхлопных газов увеличение перепада давления в выпускном коллекторе более выражено. Следует отметить, однако, что в настоящем исследовании увеличение расхода топлива вызвано заменой сотовой подложки пенопластами с открытыми порами, имеющими одинаковую форму и объем. Но более высокие массообменные свойства открытоячеистых структур позволяют сделать реакторы более компактными по сравнению с сотовыми, что приводит к снижению их гидравлического сопротивления, компенсируя недостаток в расходе топлива.

Максимальное отклонение мгновенного расхода топлива между всеми случаями составило 0,35 %, появляющееся только при ускорении, когда требуется более высокий крутящий момент. В устойчивых условиях движения с постоянной скоростью повышенный мгновенный расход топлива из-за субстрата с открытой ячеистой структурой ниже (приблизительно 0,10%). Эти изменения приводят к увеличению общего количества впрыскиваемого топлива всего на 0,20 % за все 400 с цикла.

Выводы

Математические модели представляют собой интересный (и часто неизбежный) способ получить правильное представление о поведении сложных систем.На самом деле разработка теоретических инструментов требует хорошего компромисса между физическим и эмпирическим подходами для ограничения процессорного времени.

В статье построена быстрая модель каталитического нейтрализатора для автомобильного применения, интегрированная в 0D-модель «угла коленчатого вала» дизельного двигателя с турбонаддувом. После улучшения модели теплообмена для выпускного коллектора (для учета тепловой динамики во время переходных процессов) была разработана 0D-модель катализатора для моделирования связанных потоков и тепловых процессов.Затем модель катализатора была соединена с моделью двигателя для исследования поведения всей системы и влияния характеристик подложки катализатора. Для этого был смоделирован реальный 1,6-литровый дизельный двигатель с турбонаддувом и рециркуляцией отработавших газов в рамках ездового цикла EUDC, в котором сравнивались характеристики двигателя с различными субстратами катализатора.

Было проанализировано поведение трех различных каталитических структур: соты, пенопласты с открытыми ячейками и структуры с открытыми ячейками Кельвина. Показано, что при использовании реакторов одинакового объема повышенный перепад давления, вызванный конструкциями с открытыми ячейками, приводит к увеличению общего расхода топлива не более чем на 0.20%. С другой стороны, структуры с открытыми ячейками демонстрируют более быстрые тепловые переходы из-за их более низкой тепловой инерции и, таким образом, способны быстро достигать температуры затухания.

Следует отметить, что более высокие массообменные свойства структур с открытыми ячейками могут позволить сделать реакторы более компактными по сравнению с сотовыми. Это может помочь снизить общее сопротивление пены потоку, что дает новые возможности для повышения эффективности системы доочистки, одновременно снижая удельный расход топлива.Представленный математический аппарат оказался очень эффективным для моделирования поведения комплексной системы (двигатель+система доочистки) и будет использоваться в будущем для всестороннего изучения этих тем.

Напомним, что в представленной модели рабочая жидкость рассматривалась как смесь 7 химических соединений, т.е. 2 № Число N и тип вовлеченных загрязняющих веществ зависят от конкретного применения.В представленной модели рассматривались СО и один или несколько видов, представляющих УВ, поскольку их реакции окисления считались наиболее значимыми при определении температуры катализатора. В ближайшем будущем можно будет рассмотреть различные системы доочистки, например, трехкомпонентные катализаторы (что представляет собой очень интересное применение этих новых решений). Однако моделирование трехкомпонентного катализатора является более сложным, поскольку оно включает кислородный баланс (бензиновые двигатели всегда работают близко к стехиометрическому режиму) и, следовательно, всегда работают в условиях нехватки кислорода.Представленный подход можно использовать для моделирования трехкомпонентного каталитического нейтрализатора в реальных условиях вождения в режиме реального времени.

Наконец, следует подчеркнуть, что в представленной работе модель автомобиля еще не разработана. Таким образом, требуемые входные параметры (например, скорость вращения, массовый расход топлива, управляющие сигналы VGT и EGR) были определены с помощью обратной модели транспортного средства (разработанной в Guzzella and Sciarretta, 2005). Таким образом, был выбран более простой цикл EUDC, так как это модальный ездовой цикл, достаточно значимый для проверки эффективности и гибкости предлагаемого инструмента моделирования.На следующем этапе деятельности будет разработана подходящая модель транспортного средства и интегрирована с моделью двигатель+катализатор, чтобы обеспечить возможность оценки частоты вращения и крутящего момента двигателя в более сложных переходных ездовых циклах (как WLTC).

Доступность данных

Наборы данных, созданные для этого исследования, доступны по запросу соответствующему автору.

Вклад авторов

AG, VP и PD внесли свой вклад в разработку и реализацию исследования, в анализ результатов и в написание рукописи.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы благодарят Федеральное управление по охране окружающей среды Швейцарии (FOEN) за финансовую поддержку проектов «Система доочистки выхлопных газов для минимального воздействия на окружающую среду», «Автомобиль для доставки на природном газе, Евро-7 и выше (EAS7+)», проект №.UTF 584.13.18 и моделирование Katalysator Vertrag Nr. 15.0002.ПЖ/С122-1359.

Каталожные номера

Бах, К., и Димопулос Эггеншвилер, П. (2011). Подложки из пенокерамических катализаторов для дизельных катализаторов окисления: конверсия загрязняющих веществ и вопросы эксплуатации . Документ SAE № 2011-24-079.

Академия Google

Бумсман К., Пуликакос Д. и Вентикос Ю. (2003). Моделирование течения через металлические пенопласты с открытыми ячейками с использованием идеализированной структуры с периодическими ячейками. Междунар. J. Heat Mass Trans. 24, 825–834. doi: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2003.08.002

Полнотекстовая перекрестная ссылка

Bracconi, M., Ambrosetti, M., Okafor, O., Sans, V., Ou, X., Pereira, C.F., et al. (2018). Исследование перепада давления в 3D-реплицированных пенопластах с открытыми порами: сочетание CFD с экспериментальными данными о пенопластах, изготовленных аддитивным способом. Хим. англ. J. doi: 10.1016/j.cej.2018.10.060. [Epub перед печатью].

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Депчик, К.и Ассанис, Д. (2001). Универсальная корреляция теплообмена для потоков впуска и выпуска в двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием . Документ SAE 2002-01-0372.

Академия Google

Димопулос Эггеншвилер, П., Циноглу, Д., Сейферт, Дж., Бах, К., Фогт, У., и Горбар, М. (2009). Подложки из керамической пены для применения в автомобильных катализаторах: гидромеханический анализ. Экспл. Жидкости 47, 209–222. doi: 10.1007/s00348-009-0653-2

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Фиорани, П., Gambarotta, A., Lucchetti, G., Ausiello, F.P., De Cesare, M., and Serra, G. (2008). Детальная модель среднего значения выхлопной системы автомобильного дизельного двигателя . Технический документ SAE, № 2008-28-0027.

Академия Google

Гайзер, Г., Остерле, Дж., Браун, Дж., и Заке, П. (2003). Прогрессивные спининлет-однородные распределения потока в жестких условиях . Технический документ SAE № 2003-01-0840.

Академия Google

Гамбаротта, А.(2017). «Методы математического моделирования турбокомпрессоров и двигателей с турбонаддувом», в Турбокомпрессоры и турбонаддув: достижения, приложения и исследования (Хауппауг, Нью-Йорк: Nova Science Publishers Inc.), 375–434.

Гамбаротта, А., и Луккетти, Г. (2011). Ориентированное на управление моделирование автомобильных двигателей на основе угла поворота коленчатого вала . Документ SAE № ICE2011-24-0144.

Академия Google

Гамбаротта, А., и Луккетти, Г. (2013). «Модель угла поворота коленчатого вала для моделирования в реальном времени дизельных двигателей в приложениях HiL/SiL», в 13-м Штутгартском международном симпозиуме по технологиям автомобилей и двигателей (Штутгарт).

Гамбаротта, А., Луккетти, Г., и Вая, И. (2011). Моделирование в реальном времени переходных режимов работы дизельных двигателей с турбонаддувом. Проц. Инст. мех. англ. Pt DJ Автомоб. англ. 225, 1186–1203. дои: 10.1177/0954407011408943

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Гамбаротта, А., Руджеро, А., Шолла, М., и Луккетти, Г. (2012). Система HiL/SiL для моделирования дизельных двигателей с турбонаддувом. МТЗ по всему миру 73, 48–53. doi: 10.1365/s38313-012-0143-4

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Джани, Л., Гроппи Г. и Тронкони Э. (2005). Характеристика массопереноса металлических пен в качестве носителей для структурированных катализаторов. Индивидуальный инж. хим. Рез. 44, 4993–5002. doi: 10.1021/ie04

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Гуззелла, Л., и Ондер, Ч. Х. (2010). Введение в моделирование и управление системами двигателей внутреннего сгорания . Берлин: Springer-Verlag.

Гуззелла, Л., и Шарретта, А. (2005). Силовые установки транспортных средств .Берлин: Springer Verlag.

Академия Google

Хейвуд, Дж. Б. (1988). Основы двигателей внутреннего сгорания . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: McGraw-Hill.

Академия Google

Инаят, А., Фройнд, Х., Зайзер, Т., и Швигер, В. (2011). Определение удельной поверхности керамических пенопластов: новый взгляд на модель тетракадекаэдров. Хим. англ. науч. 66, 1179–1188. doi: 10.1016/j.ces.2010.12.031

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Инаят, А., Клумпп, М., фон Бейер, М., Фройнд, Х., и Швигер, В. (2016). Разработка новой корреляции перепада давления для пенопластов с открытыми порами, полностью основанная на теоретических основаниях: с учетом формы стойки и геометрической извилистости. Хим. англ. Дж . 287, 704–719. doi: 10.1016/j.cej.2015.11.050

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Инкропера, Ф.П., Девитт, Д.П., Бергман, Т.Л., и Лавин, А.С. (2013). Принципы тепломассообмена, 7-е изд. .Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья.

Кандилас, И.П., и Стамателос, А.М. (1999). Конструкция выхлопной системы двигателя на основе расчета теплопередачи. Преобразователь энергии. Управлять. 40, 1057–1072. doi: 10.1016/S0196-8904(99)00008-4

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Кольцакис Г.К., Катсаунис Д.К., Самарас З.К., Науманн Д., Сабери С., Бом А. и соавт. (2008). Разработка системы доочистки на основе металлической пены для легкового дизельного автомобиля .Технический документ SAE № 2008-01-0619.

Академия Google

Константинидис П.А., Колцакис Г.К. и Стамателос А.М. (1997). Моделирование переходного теплообмена в автомобильных выхлопных системах. Проц. Инст. мех. англ. Часть C 211, 1–14. дои: 10.1243/0954406971521610

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Луччи, Ф., Делла Торре, А., Монтенегро, Г., и Димопулос Эггеншвилер, П. (2015). О каталитических характеристиках структур с открытыми ячейками по сравнению с сотами. Хим. англ. Дж. 264, 514–521. doi: 10.1016/j.cej.2014.11.080

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Луччи, Ф., Делла Торре, А., Монтенегро, Г., Кауфманн, Р., и Димопулос Эггеншвилер, П. (2016). Сравнение геометрических, импульсных и массообменных характеристик реальных пен с решетками ячеек Кельвина для применения в качестве катализаторов. Междунар. J. Тепломассообмен . 108, 341–350. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Луччи, Ф., Делла Торре, А., Фон Рикенбах, Дж., Монтенегро, Г., Пуликакос, Д., и Димопулос Эггеншвилер, П. (2014). Эффективность рандомизированных клеточных структур Кельвина в качестве каталитических субстратов: анализ на основе массообмена. Хим. англ. науч. 112, 143–151. doi: 10.1016/j.ces.2014.03.023

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Мартин, А. П., Уилл, Н. С., Борде, А., Корнет, П., Гондоин, К., и Мутон, X. (2000). Влияние распределения потока на характеристики выбросов каталитических нейтрализаторов .Технический документ SAE № 2000-05-0175.

Академия Google

Папетти В., Димопулос Эггеншвилер П., Делла Торре А., Луччи Ф., Ортона А. и Монтенегро Г. (2018). Полиэдрические структуры с открытыми ячейками, изготовленные аддитивным способом, в качестве подложек для автомобильных катализаторов. Междунар. J. Тепломассообмен. 126, 1035–1047. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.06.061

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Понтикакис Г. Н., Константас Г. С. и Стамателос А.М. (2004). Моделирование трехкомпонентного каталитического нейтрализатора как инструмент современного инженерного проектирования. Дж. Инж. Газовые турбины Power 126, 906–923. дои: 10.1115/1.1787506

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Сантоликвидо, А., Бьянки, Г., Димопулос Эггеншвилер, П., и Ортона, А. (2017). Аддитивное производство периодических керамических подложек для автомобильных катализаторов. Междунар. Дж. Заявл. Керам. Технол. 14, 1164–1173. doi: 10.1111/ijac.12745

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Шамим, Т., Шен Х., Сенгупта С., Сон С. и Адамчик А. (2002). Комплексная модель для прогнозирования производительности трехкомпонентного каталитического нейтрализатора. Дж. Инж. Мощность газовых турбин 124, 421–428. дои: 10.1115/1.1424295

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Твигг, М., и Ричардсон, Дж. (2007). Основы и области применения структурированных пенокерамических катализаторов. Индивидуальный инж. хим. Рез. 46, 4166–4177. doi: 10.1021/ie061122o

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Фон Рикенбах, Дж., Луччи Ф., Нараянан К., Димопулос Эггеншвилер П. и Пуликакос Д. (2014). Многомасштабное моделирование ограниченных гетерогенных реакций массопереноса в пенопластах с открытыми порами. Междунар. J. Тепломассообмен . 75, 337–346. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.03.060

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Фон Рикенбах, Дж., Луччи, Ф., Нараянан, К., Димопулос Эггеншвилер, П., и Пуликакос, Д. (2015). Влияние сопротивления диффузии промывочного покрытия в сотовых и пенных каталитических реакторах. Хим. англ. J. doi: 10.1016/j.cej.2015.03.132

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Зигуракис, К. (1989). Переходный режим работы монолитных каталитических нейтрализаторов: двумерная модель реактора и влияние радиально-неоднородного распределения потоков. Хим. англ. науч. 44, 2075–2086.

Академия Google

Номенклатура

Каталитический нейтрализатор – Помощь в ремонте автомобиля

КАТАЛИТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
by Kyle McFadden

Когда автомобиль не проходит тест на выбросы, проводимый местной автомастерской, одной из наиболее распространенных причин является неисправный каталитический нейтрализатор.Каталитический нейтрализатор снижает уровень выбросов, превращая вредные загрязняющие вещества в относительно безвредные газы. Каталитический нейтрализатор работает за счет использования тепла в сочетании с каталитическими агентами для создания химического процесса, который превращает углеводороды (HC) и монооксид углерода (CO) в диоксид углерода и воду. Некоторые каталитические нейтрализаторы предназначены для уменьшения содержания дополнительных загрязняющих веществ, оксидов азота (NOx), путем их расщепления на основные компоненты, азот и кислород. Каталитический нейтрализатор напоминает глушитель и обычно размещается в выхлопной системе рядом с выпускным коллектором.Это делается для подачи большего количества тепла каталитическому нейтрализатору для более быстрого воспламенения катализатора. Механики по ремонту автомобилей обычно проводят тест обратного потока выхлопных газов, чтобы определить жизнеспособность каталитического нейтрализатора. Катализатор состоит из гранул или сотовой сетки, покрытых платиной, родием или палладием. Катализатор помещается в оболочку внутри преобразователя, а изоляция обычно размещается вокруг оболочки и закрывается внешним экраном. Поскольку тепло, выделяемое внутри каталитического нейтрализатора, может превышать 1400F, между нейтрализатором и днищем автомобиля обычно размещают теплозащитные экраны.Устранение неполадок и диагностика проблем с отсутствием питания часто требует, чтобы механик по ремонту автомобилей осматривал забитый каталитический нейтрализатор.

Каталитические нейтрализаторы стали обязательным оборудованием, начиная с 1975 года. Первым каталитическим нейтрализатором, появившимся и используемым до сих пор, был катализатор окисления. Катализатор окисления предназначен только для углеводородов и CO. Он содержит каталитический материал, состоящий из платины и палладия, либо в форме гранул, либо в виде сот. Когда выхлопные газы проходят через катализатор и достигаются минимальные температуры, начинается процесс сгорания, в результате чего кислород соединяется с молекулами HC и CO.Этот процесс превращает HC и CO в водяной пар и углекислый газ. Для работы катализатора окисления требуется более высокое, чем обычно, содержание кислорода в выхлопных газах, поэтому они обычно используются в сочетании с системой воздушного насоса. Автомобили, в которых не используется воздушный насос, добавляют кислород в выхлопную систему, используя обедненные воздушно-топливные смеси.

Конвертер с двойным слоем впервые появился в 1980 году. Он предназначен для снижения NOx в дополнение к преобразованию HC и CO. Конвертер с двойным слоем фактически представляет собой два типа катализатора, объединенных в один блок.Передняя секция работает с NOx, а задняя секция, представляющая собой катализатор окисления, предназначена для преобразования углеводородов и CO. Шланг подачи воздуха обычно подсоединяется к центру двойного слоя катализатора для подачи дополнительного кислорода в заднюю секцию катализатора окисления. Передний каталитический нейтрализатор NOx предназначен для работы в атмосфере с низким содержанием кислорода, поэтому к нему не подается воздух. Секция восстановления NOx конвертера обычно содержит родий в качестве катализатора. Катализатор расщепляет NOx на отдельные основные компоненты азота и кислорода.Оставшиеся выхлопные газы направляются вниз по потоку в секцию окисления для преобразования НС и СО. Лучше оснащенные авторемонтные мастерские имеют диагностическое оборудование для проверки такой переделки.

Трехкомпонентный катализатор работает аналогично катализатору с двойным слоем, но обеспечивает восстановление NOx и окисление углеводородов и CO с использованием одного катализатора. Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор эффективно работает только при соотношении топливовоздушной смеси около 14,7 к 1, поэтому он обычно используется только на автомобилях с компьютеризированным контролем топлива и выбросов.Трехкомпонентный катализатор содержит платину, родий или палладий в качестве катализирующего агента. Некоторые трехкомпонентные катализаторы также содержат элементы, накапливающие кислород, такие как церий, для облегчения каталитического процесса. Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор работает вместе с обычными циклами обогащения и обеднения, которые происходят с использованием датчиков обратной связи датчика кислорода. Когда выхлопной цикл обогащен кислородом и содержит мало кислорода, восстановительная часть нейтрализатора работает для контроля NOx. Когда выхлопные газы возвращаются к обедненной смеси, уровень кислорода становится высоким, а в процессе окисления углеводороды и углекислый газ превращаются в воду и углекислый газ.Три катализатора зависят от постоянного переключения с богатой смеси на обедненную, чтобы работать должным образом и контролировать все три целевых выброса.

Катализаторы обычно не изнашиваются. Скорее, они обычно выходят из строя из-за внешних физических повреждений, таких как удары дорожным мусором или внутренние повреждения катализатора из-за перегрева. Перегрев катализатора обычно происходит из-за чрезмерно богатой топливной смеси или пропусков зажигания в двигателе. Когда это происходит, сырое топливо попадает в каталитический нейтрализатор и воспламеняется.Результатом являются чрезвычайно высокие температуры, которые превышают температуру плавления компонентов катализатора. Таким образом, забитый каталитический нейтрализатор обычно может быть связан с проблемой топливной системы; любой компетентный автомеханик примет это во внимание. Типичным результатом является ограниченная выхлопная система из-за плавления каталитического материала внутри нейтрализатора. Материал катализатора также может быть загрязнен кремнием или этилированным топливом. Всякий раз, когда заменяется поврежденный каталитический нейтрализатор, необходимо также определить и устранить причину отказа каталитического нейтрализатора. Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.