Bensiinimootorite heitgaasid (1)

1
BENSIINIMOOTORITE HEITGAASID
Vastavalt keskonnakaitse karmidele nõuetele pööratakse kaasajal väga suurt tähelepanu mootori heitgaaside puhtusele. Selleks on mootorit ja tema toiteaparatuuri oluliselt täiustatud ning heitgaaside väljalaskesüsteemile on lisatud terve rida lisaseadmeid, mis ühest küljest küll vähendavad heitgaasides olevate kahjulike heitmete hulka, kuid teisest küljest vähendavad ka mootori efektiivsust.
1. Heitgaaside koostis.
Heitgaasi Heitgaasi komponendi Iseloomustus komponent tekkepõhjus O2 Põlemisel kasutamata jäänud hapnik Kahjutu N2 Õhus sisalduvat lämmastikku põlemis- Kahjutu protsessis praktiliselt ei kasutata CO2 Kütuses oleva süsiniku täielikust põlemi- Kahjutu, kuid annab siiski sest oma osa kliima üldisesse soojenemisesse H2 O Kütuses oleva vesiniku täielikust põlemi- Kahjutu sest CO Kütuses oleva süsiniku ebatäielikust põle- Mürgine! misest (küttesegu liiga rikas) HC Põlemata kütuseosakesed. Tekivad liiga Kahjulik! Päikesevalguse rikkast küttesegust, valest süütehetkest toimel tekivad nendest või madalast temperatuurist silindris. ühenditest kantserogeen- sed (vähkitekitavad) ained NOx Lämmastiku ühinemisest hapnikuga kõrge Mürgine! temperatuuri toimel põlemisprotsessis. SOx Kütuses leiduva väävli põlemisest. Kahjulik! Kokkupuutel veeauruga tekib väga agressiivne hape . C Põlemata süsinikuosakesed ( tahm ), mis Kahjulik! Süsinik ( tahm ) tekib väga rikkast küttesegust on ise kantserogeenne aine Pb Vanematest bensiinisortidest, kus oktaan - Väga mürgine! arvu tõstmiseks kasutati tetraetüülpliid.
Ülaltoodud tabelis näidatud kahjulikke ja mürgiseid heitgaasi komponente vähendatakse mootori ja toiteseadmestiku kaasaegse ehitusega, mis tagab kütuse täpse doseerimise ning täielikuma ärapõletamise. Vaatamata ka kõige täiuslikumale mootori ja tema toiteseadmestiku konstruktsioonile, on heitgaasides ikkagi veel liiga palju kahjulikke ühendeid ja nende neutraliseerimiseks kasutatakse katalüüs- neutralisaatoreid ehk viimasel ajal rohkem levinenud nimetust ­ katalüsaatoreid. Heitgaaside kahjulike komponentide vähendamise moodused: CO ­ kütuse täpne doseerimine , et küttesegu oleks vajaliku koostisega ja oksüdeeriva katalüsaatori kasutamine, kus toimub CO järelpõletamine CO2-ks. 2
HC - kütuse täpne doseerimine, et küttesegu oleks vajaliku koostisega; õige süütehetke ajastamine; õige mootori temperatuurireziimi tagamine ja oksüdeeriva katalüsaatori kasutamine, et põlemata kütuseosakesed (HC) järelpõletada H2O-ks ja CO2-ks. NOx ­ heitgaasi tagastus (EGR), mis mootori teatud tööreziimidel juhib põlemiskambrisse koos värske kütteseguga vanu, töötanud gaase , et halvendada küttesegu koostist ja sellega vähendada põlemistemperatuuri silindris. NOx kogus heitgaasides sõltub aga põlemistemperatuurist kuupfunktsioonis: kui natukenegi vähendada põlemistemperatuuri, väheneb NOx sisaldus kuubis. Peale selle on kasutusel ka taandavad katalüsaatorid, mis taandavad NOx-i puhtaks lämmastikuks (N2) ja hapnikuks (O2). SOx ­ Vääveloksiidide hulk heitgaasides sõltub suurel määral väävlisisaldusest kütuses ja kaasajal efektiivset lahendust SOx vähendamiseks heitgaasides praktiliselt ei ole. C ­ puhta süsiniku osakesed e. tahm on tavaliselt diiselmootorite probleem, kus rikka küttesegu korral ei moodustu põlemiskambris mitte CO, nagu bensiinimootoril, vaid kõrgema rõhu ja temperatuuri tõttu ­ tahm. Kaasaegsetel diiselmootoritel on kasutusele võetud tahmafiltrid, mis koguvad mootorist eralduvaid tahmaosakesi ning aeg-ajalt põletavad need ära. Pb ­ kaasagsetel bensiinisortidel ei kasutata enam oktaanarvu tõstmiseks tetraetüül- pliid , mistõttu ka kaasaegsetel autodel ei ole midagi tarvis ette võtta plii vähendamiseks või neutraliseerimiseks heitgaasides. 3
2.Katalüüs-neutralisaatorid. Kaasajal on rahvakeeles neid hakatud nimetama lihtsalt katalüsaatoriteks, mis terminoloogiliselt pole küll täiesti korrektne, kuid sellegipoolest on kasutusele võetud ka käesolevas kirjatükis. Probleem seisneb selles, et katalüsaatoriks tuleb nimetada ainet, mille juuresolekul keemiline protsess toimub kiiremini. Selliste katalüsaatoritena kasutatakse autode katalüüs-neutralisaatorites järgmiseid aineid: 1.Plaatina või pallaadium oksüdeerivates katalüsaatorites, mis järelpõletavad CO ja HC vastavalt CO2-ks ja H2O-ks. 2. Roodium või ruteenium taandavates katalüsaatorites, mis taandavad NOx vastavalt N2-ks ja H2O-ks.
Katalüsaatori ehitus:
a ­ kere b ­ soojusisolatsioon c ­ monoliitne sisu läbi- puuritud kanalitega
Katalüsaatori monoliitne sisu on valatud alumiiniumoksiidist (Al2O3), millesse on puuritud peened kanalid heitgaaside läbilaskmiseks. Kanalite sisepind on kaetud väga õhukese, mõne mikroni paksuse katalüseeriva aine kihiga. Katalüsaator hakkab tööle temperatuuril üle 300C , töötab kõige paremini 600C ...800C ja võib kokku sulada temperatuuridel üle 1000C. Ülekuumenemise oht tekib siis, kui mingi toiteseadme rikke tõttu tuleb katalüsaatorisse väga palju CO ja HC, mille taandamisega eralduv soojus võibki ülekuumutada katalüsaatori. Kaasaegsed katalüsaatorid on kolmetoimelised, st. et nad neutraliseerivad kolme liiki gaase: oksüdeerivad järelpõletusega COCO2, HCH2O+CO2 ning taandavad NOxN2. Nendest neutraliseeritavatest gaasidest CO ja HC eeldavad täielikuks neutraliseerimiseks lahjat küttesegu, sest siis on nende gaaside (CO ja HC) hulk heitgaasis väike, NOx kogus heitgaasis on aga väiksem just rikkama segu puhul. Seetõttu tuleb kolmetoimeliste katalüsaatorite puhul mootori toitesüsteemis kasutada -andureid, mis hoiavad küttesegu koostist pidevalt normaalsena, st. ei lahja ega rikka seguna. Ainult sellise seguga töötamisel on heitgaaside koostis paras selleks, et katalüsaator saaks kõiki kolme gaasi maksimaalselt neutraliseerida. Mõnedel uuematel mootoritüüpidel on hakatud kasutama ka lisaõhu andmist katalüsaatorile mõne aja jooksul pärast külma mootori käivitamist. Kuna sellel reziimil saab mootor natuke rikkamat küttesegu, siis lisaõhk soodustab katalüsaatoris CO ja HC järelpõletamist ning katalüsaator kuumeneb kiiremini vajaliku töösoojuseni. 4
3. - andurid . On ette nähtud küttesegu koostise kontrollimiseks. - andur paikneb väljalasketorustikus ja tegelikult hindab -andur vaba hapniku kogust heitgaasis: kui heitgaasis oli palju vaba hapnikku, siis mootori silindrisse antud küttesegu oli lahja (palju õhku vähe kütust); kui aga vaba hapnikku oli vähe, siis ilmselt oli segu rikas (vähe õhku, palju kütust). -andur saadab elektrilise signaali küttesegu koostise kohta mootori arvutile , mis teeb sellest vajaliku järelduse: kui segu oli lahja, siis antakse pihustile korraldus rikastada segu ja vastupidi. -anduri ehitus ja töötamine:
1 - -andur, 1a ­ tsirkooniumoksiidist ZrO2 tuub , 1b ­ õhuke (5m) plaatinakate, 1c ­ plaatinakattega siseelektrood koos välisõhu juurdepääsuga, 1d ­ pistik , 1e ­ soojenduselement, 1f - õhu juurdepääs, 1g ­ heitgaas
-anduri tööpõhimõte: Anduri normaalne töötemperatuur on 300C. Tsirkooniumoksiidist tuubil on omadus juhtida läbi hapniku ioone. Kui tuubi ümbritseb rikkast küttesegust moodustunud heitgaas, milles on vähe vaba hapnikku, siis hakkavad tuubi sisemusest, kus on puhas õhk ja hapniku ioone palju, hapniku ioonid liikuma välispinna poole, kus hapniku ioone peaaegu polegi. Ioonide liikumine tekitab tuubi sise- ja välispinna vahel umbes 1voldilise pinge, mis antakse arvutile. Vastavalt sellele signaalile annab arvuti pihustile korralduse lahjendada küttesegu. Kui aga heitgaasis on palju vaba hapnikku (lahja küttesegu), siis hapniku ioonid tuubi sisemusest välispinna poole liikuma ei hakka ning tsirkooniumoksiidist tuubi sise- ja välispinna vahel elektrilist pinget peaaegu ei ole. Ka see signaal antakse arvutile ning arvuti annab korralduse rikastada küttesegu. Lõpptulemusena hoiab arvuti küttesegu normaalkoostisega, tänu millele hoitakse kokku kütust ning heitgaasid on puhtamad. Kaasaegsetel -anduritel on sees soojenduselement, mis kiirendab anduri soojenemist normaalse töötemperatuurini. Uuematel mootoritel kasutatakse kahte - andurit : üks paikneb enne katalüsaatorit ja teine on katalüsaatori taga. Tagumise anduri ülesandeks on kontrollida katalüsaatori tööd. Kui katalüsaator hoiab heitgaasid puhtana, siis tagumise - anduri signaal on püsiv, umbes 0,4...0,5V. Kui aga katalüsaator enam ei toimi, siis esimese ja tagumise anduri signaalid on peaaegu ühesugused ja muutuvad piirides 0...1V. 5
- anduritel võib olla kas 1, 2,3 või 4 ühendusjuhet: Ühejuhtmelistel anduritel on ainult signaali juhe, massiühendus saadakse metallkorpuse kaudu. Kahejuhtmelistel anduritel on üks signaali- ja teine massijuhe. Kolmejuhtmelistel anduritel on kaks juhet anduri kütteks ja üks juhe on signaalijuhtmeks. Massiühendus on läbi korpuse. Neljajuhtmelisel anduril on kaks küttejuhet ja kaks signaalijuhet, millest üks on massiühendus. Kaasajal massiühendust läbi korpuse eriti ei kasutata, kuna pinged on väikesed ja väikseimgi oksiidi- või mustusekiht keermesliite vahel häirib anduri tööd.
2.6.4.Heitgaasi tagastus (EGR). Heitgaasi tagastus võimaldab vähendada lämmastikühendite (NOx) sisaldust heitgaasides juba mootori töötamise ajal. Lämmastikühendid tekivad lämmastiku ja hapniku ühinemisest põlemisprotsessis kõrgete temperatuuride (2000C ja rohkem) toimel, kusjuures lämmastikühendite hulga sõltuvus temperatuurist on kuupfunktsioonis: temperatuuri alandamine x korda vähendab NOx sisaldust heitgaasides x3 korda. Seetõttu ongi NOx vähendamisel põhirõhk suunatud temperatuuri alandamisele põlemiskambris ja seda tehakse heitgaaside juhtimisega (vähesel määral) sisselaske torustikku. See aga on küllalt komplitseeritud ettevõtmine, sest temperatuuri alandamine alandab ka mootori efektiivsust. Samal ajal aga tekib lämmastikühendeid kõige rohkem mootori töötamisel keskmistel koormustel, lahja kütteseguga. Seega, kui lasta heitgaase värske õhu või küttesegu hulka ainult mootori töötamisel keskmistel koormustel, ei ole võimsuse kadu isegi märgata.
a ­ plokikaas f ­ heitgaasi tagastusklapp b ­ heitgaasi toru g ­ termostaadi korpus c ­ sisselasketorustik d ­ drosselklapi korpus e ­ väljalasketorustik 1220 ­ jahutusvedeliku temperatuuri andur 1313 ­ auto kiiruse andur 1320 ­ mootori arvuti
Heitgaasi tagastuse (EGR) skeem