التقنيات البيئية: كيف تتحول عوادم ICE السامة إلى "رائحة البنفسج"

الممتزات والمحفزات ، المسابير والمرشحات ، الخزانات وأقراص العسل الخزفية - يتم إخفاء مؤسسة صغيرة كاملة لمعالجة النفايات الكيميائية تحت غطاء سيارة حديثة تعمل بوقود هيدروكربوني. سنتطرق اليوم إلى موضوع التقنيات التي تم إنشاؤها وفقًا لمتطلبات المعايير البيئية المتغيرة بسرعة ، وسوف نفهم كيف يتم تحييد العوادم السامة لمحركات الاحتراق الداخلي ومحاولة تقييم احتمالات بقاء هذا القطاع من سوق السيارات مع مراعاة الاتجاهات العالمية الحالية.



في نهاية العام الماضي ، أعلنت الحكومة الألمانية أنه بحلول عام 2050 لن تكون هناك سيارات بمحركات احتراق داخلي ، والتي سرعان ما أصبحت أحد أسباب انضمام البلاد إلى التحالف الدولي ZEV (مركبة الانبعاثات الخالية) ، والذي يهدف طموحًا إلى الحد بشكل كبير من انبعاثات الاحتباس الحراري الغازات على نطاق الكواكب. وبالنسبة لشركات تصنيع السيارات التي تعمل بوقود الهيدروكربونات ، يعد هذا أكثر من تحدٍ واضح يحدد بوضوح الأولوية الرئيسية للبقاء - تطوير وسائل فعالة لتقليل سمية انبعاثات السيارات.

ولماذا ، في الواقع ، لتحييد غازات العادم - تسأل؟ على حد علمنا من دورة الكيمياء المدرسية ، يتشكل ثاني أكسيد الكربون والماء نتيجة احتراق أي وقود عضوي. لكن ثاني أكسيد الكربون بعيد عن المنتج الأكثر خطورة للتفاعل الذي يحدث في غرفة ICE. أولاً: لا يحترق الوقود بالكامل ، وترافق عملية الاحتراق تكوين مادة شديدة السمية - أول أكسيد الكربون (CO) ، وعلى طول الطريق ، كميات كبيرة من الهيدروكربونات التي لا يتم حرقها بالكامل حتى النهاية (من الساحات إلى البارافينات). ثانيًا ، يشارك النيتروجين (N2) من الهواء والشوائب الموجودة في البنزين - الكبريت ، وما إلى ذلك بنشاط في عملية الاحتراق. بدوره ، تتسبب انبعاثات أكاسيد النيتروجين (NOx) في الأمطار الحمضية والضباب الدخاني وثقوب الأوزون التي تتشكل الآن في كل مكان.ليس أقل خطورة على صحة الإنسان وجميع الكائنات الحية هي منتجات ثانوية للاحتراق تحتوي على مركبات الكبريت. هنا ، نلاحظ أنه في الولايات المتحدة الأمريكية ، يركز الاهتمام الخاص في مكافحة المشكلة على تركيز أكاسيد النيتروجين في غازات العادم ، والتي تنتج عن التحلل تحت تأثير ضوء الشمس ، الضباب الدخاني الكيميائي الشهير في كاليفورنيا.

المحول الحفاز

كما تعلمون ، مرة أخرى من المناهج المدرسية ، المواد الحفازة هي مواد تسرع التفاعلات الكيميائية ، لكنها لا تدخل فيها. يمكن أن تكون المعادن النبيلة بمثابة مثال ممتاز. يغطي المحول الحفاز ثلاثي المكونات بتكوين البلاديوم (Pd) والبلاتين (Pt) والروديوم (Rh) قرص العسل الخزفي بطبقة رقيقة. علاوة على ذلك ، تبلغ المساحة الإجمالية لطلاء هذه الخلايا ، في المتوسط ​​، ما يصل إلى 20000 متر مربع. (!) تساعد هذه المنطقة المثيرة للإعجاب على تحسين الاتصال بغازات العادم مع المعادن النبيلة ، والتي ، لكل محول ، لا تأخذ سوى 2-3 جم. تحرق الوحدة التي تحتوي على محول بقايا أول أكسيد الكربون وتتحلل جزءًا من الهيدروكربونات غير المحترقة إلى ثاني أكسيد الكربون والماء. أكاسيد أكاسيد النيتروجين الضارة للنيتروجين الجوي تعيد الروديوم.

درجة حرارة العمل للمحول الحفاز هي 400-800 درجة مئوية ، لذلك فإن الأجزاء الداخلية من تصميم الوحدة مصنوعة من سيراميك مستقر حرارياً - كربيد السيليكون أو الكورديريت. المشكلة التي يواجهها المهندسون باستمرار هي تحديد الموقع الأمثل للمحول. والحقيقة هي أنه من أجل الوصول إلى نظام درجة حرارة التشغيل ، يحتاج الأخير إلى بعض الوقت ، ويصدر المحرك البارد مخاليط غير معالجة عمليًا في الغلاف الجوي. السؤال هو ما إذا كان وضع المحول أقرب إلى المحرك ، حيث سيتم تسخينه بشكل أسرع ، أو أقرب إلى كاتم الصوت ، حيث سيعمل الجهاز في نظام درجة حرارة أكثر لطفًا.

معظم السيارات الحديثة مجهزة بأنظمة تحييد ، وفي هذا الصدد ، يجب ألا تترك السيارة على العشب مع العشب المجفف - حيث أن غلاف المحول ، الذي يتم تسخينه بعد الرحلة ، قد يتسبب في التهاب العشب مع عواقب مشددة. لا يُنصح أيضًا بتشغيل المحرك بطريقة السحب ، حيث يمكن أن يتسبب ذلك في دخول الوقود إلى المحول ، والتفجير اللاحق ، مصحوبًا بتدمير الخلايا الخزفية.

ادمصاص أكاسيد النيتروجين

يعد محول LNT (Lean NOx Trap) أحد الأمثلة على الأنظمة الحديثة المصممة للتعامل مع أكاسيد النيتروجين في غازات عادم محركات الديزل. يتم تسهيل تراكم الأكاسيد في الغلاف بواسطة مادة ممتزة - أكسيد الباريوم أو غيره ، في اللحظة التي يتم فيها ملء المحول بالكامل ، يعطي الكمبيوتر أمرًا لإثراء خليط الوقود والهواء الذي يدخل إلى غرف الاحتراق. للوهلة الأولى ، هذا جنون ، لأن الخليط الذي يوجد فيه الكثير من البنزين وقليل من الهواء يزيد بشكل حاد من تركيز أول أكسيد الكربون السام في العادم. في الواقع ، كل شيء يسير في سيناريو مختلف قليلاً: داخل معادل LNT ، يتفاعل أول أكسيد الكربون مع أكاسيد النيتروجين ، ويتحللها إلى النيتروجين الجزيئي N2 غير المؤذي تمامًا وثاني أكسيد الكربون غير المشروط. في اللحظة التي يتم فيها تنظيف المحول بالكامل من NOx ، يعود المحرك إلى التشغيل العادي.كما تفهم ، سيكون من غير الصحيح التحدث عن فعالية التكلفة لإعادة التخصيب الدوري للخليط ، ولكن إذا كنا نتحدث عن أولوية مثل بيئة نظيفة ، فإن إدراج هذه المكونات في دورة العمل له ما يبرره.

ما هو مسبار لامدا

تحييد فعال يعني تركيز الأكسجين الأمثل. إذا كان الخليط مستنفدًا بشكل مفرط ، أي هناك نقص في الوقود بسبب الهواء السائد ، فإن تركيز أكسيد النيتروجين في غازات العادم يزداد. لن يرافق إثراء الخليط في ظل هذه الظروف احتراق كامل للوقود ، وسيزداد تركيز أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات غير المؤكسدة في العادم. للحفاظ على التوازن الأمثل للأكسجين ، يتم استخدام مسبار لامدا - وهو مستشعر يراقب مستوى الأكسجين في مشعب العادم للمحرك.

إذا كان معامل الهواء الزائد ، وهو نسبة حجم الهواء إلى حجم الخليط λ> 1 ، عندئذ يكون الخليط "ضعيفًا" ، إذا تم إثراء 1 <1. مسبار لامدا هو نوع من خلايا الوقود ذات أقطاب كهربائية من البلاتين مع إلكتروليت زركونيا. يتواصل أحد أقطاب الاستشعار مع الهواء الخارجي الذي يحتوي على عامل مؤكسد (أكسجين) ، والقطب الآخر بغازات العادم. "وقود" الخلية هو البنزين غير المحترق. عندما يتم إثراء الخليط ، يزداد الجهد عند المستشعر ، والذي يعمل كإشارة إلى الكمبيوتر لإعطاء أمر لإفقار الخليط.


_{- — . , . , . , O2 , . , . ( ), , .}





النيتروجين خامل للغاية ، ومن أجل دخول التفاعل المطلوب ، يجب إما ضغطه بقوة أو تسخينه. يتم استيفاء الشرطين الأول والثاني في أسطوانة محرك الديزل (بالنسبة لوحدات البنزين ، فإن هذا غير ذي صلة ، لأن نسبة الضغط أقل بكثير). من خلال خفض درجة الحرارة في الأسطوانة ، يمكن تقليل تركيز أكاسيد النيتروجين في العادم. يعالج نظام إعادة تدوير غاز العادم EGR هذه الوظيفة ، والتي تم تركيب التعديلات الأولى عليها في السبعينيات على نقل شحنات الديزل في الولايات المتحدة. باستخدام صمام خاص ، يتم خلط غازات العادم بهواء العادم ويتم إرسالها إلى الأسطوانة. تأخذ الغازات الخاملة جزءًا من الحرارة المصاحبة لاحتراق الخليط ، ونتيجة لذلك تنخفض درجة الحرارة في غرفة الاحتراق.

حقن اليوريا

عندما تأتي المعايير البيئية الخاصة بها ، تأتي اليوريا إلى الإنقاذ. يتم تقليل أكاسيد النيتروجين بشكل ممتاز إلى النيتروجين الجزيئي عن طريق التفاعل مع الأمونيا (NH3). شيء آخر هو أنه لا يمكنك تخزين الغازات السامة على متن الطائرة. كبديل لتخزين الأمونيا ، اقترح المهندسون الكيميائيون استخدام اليوريا (NH2) 2CO) ، المحقونة في أجزاء منفصلة في قناة عادم السيارة. في "الترادف" مع غازات العادم ، تدخل اليوريا معادلًا خاصًا ، حيث يتم تحويله إلى الأمونيا ، وهو ضروري لتحلل أكاسيد النيتروجين إلى نيتروجين وماء. التكنولوجيا الموصوفة تسمى التخفيض التحفيزي الانتقائي (SCR) ، وتم استبدال كلمة "urea" في هذه التكنولوجيا ، والتي كانت غير مريحة لجلستنا ، بـ AdBlue الرنان. على الرغم من أنه إذا نظرت ، فإن AdBlue يبلغ 32 عامًا فقط ،5٪ نقي (NH2) 2CO في الماء المقطر.

كما ترون ، اتضح أن المعايير البيئية حافزًا قويًا في إنشاء اتجاه كامل للصناعة الكيميائية ، ويجب على أصحاب محركات الديزل اليوريا تزويد السيارة بوقود الديزل و AdBlue ، الذي يكون استهلاكه ملحوظًا للغاية ويصل إلى 6 ٪ من كمية الوقود المستخدم.


_{قبل عودة جزء غازات العادم إلى الأسطوانة ، يجب تبريدها ، حيث يمكن استخدام كل من دائرة التبريد السائل ودائرة الهواء ، أو كليهما في وقت واحد. يوضح الرسم التوضيحي نظام إعادة تدوير الشاحنات سكانيا.}

مرشحات جسيمات الديزل

تحييد المعايير المقبولة لا يتطلب فقط مخاليط غازية من غازات العادم ، ولكن أيضًا الجسيمات الصلبة. هذه الجسيمات الدقيقة من السناج ، التي تتراوح في الحجم من 10 إلى 1 ميكرومتر ، هي التي يتم التخلص منها أثناء تسريع شاحنات كاماز ذات الحمولة الزائدة المألوفة لنا جميعًا. مشهد مألوف. يمكن للمرء أن يتخيل تأثير "الشفاء" الذي يحدثه هذا الضباب الدخاني بشكل مكثف على رئتينا. يعتبر السخام في العادم ، مثل أكاسيد النيتروجين ، مشكلة رئيسية لمحركات الديزل ، لأن وقود الديزل هو جزء ثقيل إلى حد ما من الزيت يحتوي على مركبات غير مشبعة. وهذا يساهم في حقيقة أن تركيز الكربون في وقود الديزل أعلى منه في البنزين ، مما يعني أن المزيد من السناج سوف ينبعث أثناء الاحتراق.

لمواجهة المشكلة يسمح بمقاومة درجات الحرارة العالية للسيراميك. يعمل مثل هذا. حتى نقطة معينة ، تقوم المرشحات الخزفية الخاصة DPF (مرشح جسيمات الديزل) بامتصاص السخام من غازات العادم ، وبعد التراكم إلى حد معين ، يتم تبديل المحرك إلى وضع خاص للتشغيل ترتفع فيه درجة حرارة الغازات في نظام العادم بشكل حاد إلى 600 درجة مئوية ، والتي ، مع مراعاة النظام المتاح يسمح الأكسجين بأكسدة السخام ، ثم يُخرج من خلال ماسورة العادم. من أجل عدم تعريض DPF للتأثيرات المدمرة لدرجات الحرارة المرتفعة ، يقوم بعض الشركات المصنعة بتغطية سطحه الخزفي بطبقة رقيقة من البلاتين ، والتي تعمل كمحفز. اقترح مهندسو PSA (Peuqeot-Citron) إضافة إضافات السيريوم (Ce) إلى وقود الديزل ،مما يقلل من درجة حرارة أكسدة السخام إلى 450 درجة مئوية. وهذا قابل للمقارنة تمامًا مع درجة الحرارة المعتادة لغازات العادم. في البلدان التي تعمل فيها معايير Euro-5 ، تم تثبيت مرشحات DPF على جميع سيارات الديزل منذ عام 2011.

هجين منخفض الجهد

أصبح من الصعب بشكل متزايد على أصحاب المركبات ذات المحركات التي تعمل بالهيدروكربونات الضغط على الحلول التكنولوجية الحالية في إطار التشديد المستمر للمعايير البيئية. تحدد الاتجاهات الحالية بشكل متزايد الانتقال إلى الحلول الهجينة. تم اقتراح إحداها على أساس دوائر هجينة منخفضة الجهد (48 فولت) من Bosch. ومثل هذه الأنظمة ذات الجهد المنخفض في المستقبل القريب ستسمح "بتهجين" العديد من طرازات السيارات الحالية.

على الرغم من جاذبية الابتكارات التي اقترحها المهندسون من وجهة نظر التأثير البيئي ، فإن التكلفة النهائية لمحرك الاحتراق الداخلي ، والسيارة نفسها ، "المثقلة" بالتقنيات الخضراء ، تتزايد بشكل ملحوظ. لذلك ، إذا استمر الاتجاه الموصوف ، في المستقبل المنظور ، سيصبح استخدام محركات الاحتراق الداخلي على خلفية تعميم وتحسين البنية التحتية للمركبات الكهربائية غير فعال.

---

هذا كل شيء ، كانت هناك خدمة بسيطة لاختيار معدات Dronk.Ru المعقدة  . لا تنسى الاشتراك في  مدونتنا ، سيكون هناك الكثير من الأشياء المثيرة للاهتمام ... الراعي لهذا المنشور هو خدمة استرداد النقود  LetyShops . رد الأموال لأي مشتريات على الإنترنت. اقرأ المزيد عن خدمة استرداد النقود في مقالنا  اختر خدمة استرداد النقود للذكرى السادسة لـ Aliexpress.

Source: https://habr.com/ru/post/ar394073/