В странах с высокоразвитой промышленностью и высоким уровнем автомобилизации проблема защиты атмосферного воздуха от токсичных выбросов выросла до уровня проблем, которые требуют безотлагательного решения. Основным источником загрязнения атмосферы автомобильным транспортом являются отработавшие газы, в которых определено более 200 разных веществ в газообразном, жидком и твердом состоянии. Некоторые из этих соединений не только токсичные, но и канцерогенные. С каждым годом в ЕС внедряются все более жесткие требования к качеству отходящих газов автотранспорта. Чтобы выполнить эти требования необходимо создать действительно эффективный метод их очистки. Поэтому разработка дешевого, но в то же время более эффективного нейтрализатора отработавших газов, является одним из приоритетных направлений исследования.
В наше время с токсичностью отработанных газов борются несколькими способами: регулированием параметров двигателя; организацией процесса сгорания; установкой разного рода уловителей; установок дожигания; изменением состава топлива; применением разных присадок. Уменьшить содержание оксидов азота в отработанных газах можно путем ограничения максимальных температур и уменьшения количества топлива, которое подается на сжигание. Продукты неполного сгорания топлива – углеводороды и оксид углерода (ІІ) – могут быть нейтрализованы путем сжигания их в выпускной системе в присутствии воздуха, который подается к горячим отработанным газам в пространство перед выпускными клапанами. Однако все эти способы имеют технологические недостатки и не приводят к полному устранению токсичности отработанных газов.
Задачей исследования является изучение возможности достижения полной независимости процеса катализа от температуры отработавших газов с помощью использования электронно-ионного возбуждения молекул газового потока.
Нейтрализация токсичных компонентов отработанных газов с использованием химических реакций окисления и восстановления является наиболее эффективным средством снижения токсичности выбросов. Для этого в выпускающую систему двигателя устанавливают специальный термический реактор-нейтрализатор. При отсутствии катализаторов полное превращение оксида углерода (II) и недоокисленных углеводородов происходит в диапазоне температур от 700°С до 850°С при условии избытка кислорода. Нейтрализовать оксиды азота при этом невозможно, поскольку обязательным условием их восстановления является отсутствие свободного кислорода. В присутствии катализаторов температура снижается и обеспечивается нейтрализация всех токсичных компонентов. Обезвреживание токсичных компонентов газовых выбросов автомобильных двигателей происходит по следующим основным реакциям:
2CO+O2 →2CO2 (1)
HC+O2→CO2+H2O (2)
2CO+2NO→CO2+N2 (3)
HC+NO→ CO2+H2O+N2 (4)
2H2+2NO→2H2O+N2 (5)
То есть, по реакциям (1) и (2) очистка происходит в окислительном режиме, который обеспечивает исключение оксида углерода (ІІ) и углеводородов, а после использования кислорода возобновления оксида азота осуществляется по реакциям (3), (4) и (5). Применение соответствующих катализаторов обеспечивает одновременное окисление оксида углерода (ІІ) и углеводородов, а также восстановление оксидов азота. При оптимальном управлении процессом сгорания могут быть выполнены экологические требования, которые предьявляются к автомобилям. Хотя в таких нейтрализаторах есть ряд недостатков: они недолговечны, достаточно дорого стоят, имеют низкую эффективность при невысоких температурах, а также их применение приводит к увеличению расходов топлива и снижения мощности двигателя.
К каталитической массе выдвигаются жесткие требования, обусловленные условиями эксплуатации: высокая эффективность (близкая до 100 %) при малом времени контакта (0,01 с), термическая стабильность (до 1270 К), механическая прочность и стойкость к действию ядов. Однако нестационарный режим работы двигателя (особенно в условиях города) приводит к снижению температуры отходящих газов к закоксованности и осмолении каталитической массы и, как следствие, к снижению эффективности работы катализатора.
Предлагаемый новый метод – электрокаталитическая нейтрализация – заключается в прохождении отходящих газов через электроразрядную зону, а затем – на катализатор. Метод очистки базируется на ионно-радикальных процессах, которые протекают в зоне разряда на 150-200°С ниже, чем при обычном термическом катализе. Данный способ очистки позволяет перевести токсичные компоненты (оксид углерода (ІІ), оксиды азота, углеводороды) в нетоксичные (азот, воду, оксид углерода (ІV)) на 99,9-100%.
Основным отличием электрокаталитического процесса от термического является то, что при любых режимах работы двигателя через протекание ионно-радикальных реакций в зоне разряда наблюдается высокая степень возобновления и окисление токсичных соединений, а также полное сгорание сажи и смолы. Это возможно за счет снижения энергетических барьерных процессов, что особенно важно при пуске холодного двигателя, когда температура отходящих газов ниже от температуры воспламенения катализатора.
Предложенный способ дает возможность: заменить каталитический реактор на электрокаталитический, уменьшить температуру нейтрализации токсичных компонентов отработавших газов автотранспорта на 170-200 °С, достичь высокой степени нейтрализации, при нестационарном режиме роботы двигателя для выполнения требований Евро-3, Евро-4.
Таблица 1 -Результаты экспериментов
