Ökologische Technologien: Wie giftige ICE-Abgase zu „violettem Aroma“ werden

Adsorbentien und Katalysatoren, Sonden und Filter, Tanks und keramische Waben - ein ganzes Mini-Unternehmen für die Verarbeitung chemischer Abfälle ist unter der Motorhaube eines modernen Autos versteckt, das mit Kohlenwasserstoff betrieben wird. Heute werden wir das Thema Technologien ansprechen, die gemäß den Anforderungen sich schnell ändernder Umweltstandards entwickelt wurden. Wir werden verstehen, wie giftige Abgase von ICE neutralisiert werden, und versuchen, die Überlebensaussichten dieses Segments des Automobilmarkts unter Berücksichtigung der bestehenden globalen Trends zu bewerten.



Ende letzten Jahres kündigte die Bundesregierung an, dass es bis 2050 keine Autos mit Verbrennungsmotor mehr geben werde, was bald zu einem der Gründe für das Land wurde, der internationalen Allianz ZEV (Zero-Emission Vehicle) beizutreten, deren ehrgeiziges Ziel es ist, die Treibhausgasemissionen drastisch zu senken Gase auf planetarischer Ebene. Für die Automobilhersteller von Kohlenwasserstoffkraftstoffen ist dies mehr als eine klare Herausforderung, die die Schlüsselpriorität für das Überleben klar definiert - die Entwicklung wirksamer Mittel zur Verringerung der Toxizität von Autoemissionen.

Und warum eigentlich Abgase neutralisieren - fragen Sie? Soweit wir aus dem Schulchemiekurs wissen, entstehen bei der Verbrennung von organischem Kraftstoff Kohlendioxid und Wasser. Kohlendioxid ist jedoch bei weitem nicht das gefährlichste Produkt der Reaktion in der ICE-Kammer. Erstens: Der Brennstoff verbrennt nicht vollständig und der Verbrennungsprozess geht mit der Bildung einer sehr giftigen Substanz einher - Kohlenmonoxid (CO) und dabei große Mengen an Kohlenwasserstoffen, die nicht bis zum Ende verbrannt werden (von Arenen bis zu Paraffinen). Zweitens sind Stickstoff (N2) aus der Luft und Verunreinigungen in Benzin - Schwefel usw. - aktiv am Verbrennungsprozess beteiligt. Die Emissionen von Stickoxiden (NOx) verursachen wiederum sauren Regen, Smog und Ozonlöcher, die sich heute überall bilden.Nicht weniger gefährlich für die menschliche Gesundheit und alle Lebewesen sind Verbrennungsnebenprodukte, die Schwefelverbindungen enthalten. Hier stellen wir fest, dass in den USA im Kampf gegen das Problem ein besonderes Augenmerk auf die NOx-Konzentration in den Abgasen gerichtet ist, die aus der Zersetzung des Sonnenlichts unter dem Einfluss des berüchtigten photochemischen Smogs von Kalifornien resultiert.

Katalysator

Wie Sie bereits aus dem Lehrplan wissen, sind Katalysatoren Substanzen, die chemische Reaktionen beschleunigen, aber nicht in sie eingehen. Edelmetalle können als hervorragendes Beispiel dienen. Ein Dreikomponenten-Katalysator mit der Zusammensetzung aus Palladium (Pd), Platin (Pt) und Rhodium (Rh) bedeckt die keramische Wabe mit einer dünnen Schicht. Darüber hinaus beträgt die Gesamtoberfläche der Beschichtung solcher Zellen im Durchschnitt bis zu 20.000 Quadratmeter. (!) Eine solch beeindruckende Fläche trägt dazu bei, den Kontakt von Abgasen mit Edelmetallen zu verbessern, was pro Konverter nur 2-3 g benötigt. Eine Einheit mit einem Konverter verbrennt die Reste von Kohlenmonoxid und zersetzt einen Teil der unverbrannten Kohlenwasserstoffe in Kohlendioxid und Wasser. Schädliche NOx-Oxide für Luftstickstoff stellen Rhodium wieder her.

Die Arbeitstemperatur des Katalysators beträgt 400-800 ° C, daher bestehen die inneren Fragmente des Gerätedesigns aus thermisch stabilen Keramiken - Siliziumkarbid oder Cordierit. Das Problem, mit dem Ingenieure ständig konfrontiert sind, besteht darin, den optimalen Standort des Konverters zu bestimmen. Tatsache ist, dass letzteres einige Zeit benötigt, um das Betriebstemperaturregime zu erreichen, und ein kalter Motor praktisch unbehandelte Gemische in die Atmosphäre abgibt. Die Frage ist, ob der Wandler näher am Motor platziert werden soll, wo er sich schneller erwärmt, oder näher am Schalldämpfer, wo das Gerät in einem sanfteren Temperaturbereich arbeitet.

Die meisten modernen Autos sind mit Neutralisationssystemen ausgestattet. In diesem Zusammenhang sollten Sie das Auto nicht auf einer Wiese mit getrocknetem Gras stehen lassen. Das nach einer Fahrt beheizte Konvertergehäuse kann zu einer Entzündung des Grases mit schwerwiegenden Folgen führen. Es ist auch nicht ratsam, den Motor durch die Abschleppmethode zu starten, da dies dazu führen kann, dass Kraftstoff in den Konverter gelangt und anschließend detoniert und Keramikzellen zerstört werden.

Adsorption von Stickoxiden

Der LNT-Wandler (Lean NOx Trap) ist ein Beispiel für moderne Systeme, die für den Umgang mit Stickoxiden in den Abgasen von Dieselmotoren ausgelegt sind. Die Ansammlung von Oxiden im Gehäuse wird durch ein Adsorbens - Bariumoxid oder andere - erleichtert. In dem Moment, in dem der Konverter vollständig gefüllt ist, gibt der Computer den Befehl, das in die Brennräume eintretende Luft-Kraftstoff-Gemisch anzureichern. Auf den ersten Blick ist das verrückt, denn ein Gemisch, in dem viel Benzin und wenig Luft enthalten sind, erhöht die Konzentration an giftigem Kohlenmonoxid im Abgas stark. In der Realität läuft alles in einem etwas anderen Szenario ab: Im LNT-Konverter reagiert Kohlenmonoxid mit Stickoxiden und zersetzt sie zu vollständig harmlosem molekularem Stickstoff N2 und bedingt harmlosem Kohlendioxid. In dem Moment, in dem der Wandler vollständig von NOx gereinigt ist, kehrt der Motor zum normalen Betrieb zurück.Wie Sie verstehen, wäre es falsch, über die Wirtschaftlichkeit einer regelmäßigen Anreicherung der Mischung zu sprechen. Wenn es sich jedoch um eine Priorität wie eine saubere Umwelt handelt, ist die Einbeziehung dieser Komponenten in den Arbeitszyklus gerechtfertigt.

Was ist eine Lambdasonde? Eine

effektive Neutralisation setzt eine optimale Sauerstoffkonzentration voraus. Wenn das Gemisch übermäßig erschöpft ist, d. H. Aufgrund der vorherrschenden Luft ein Kraftstoffmangel vorliegt, steigt die NOx-Konzentration in den Abgasen an. Die Anreicherung des Gemisches unter diesen Bedingungen geht nicht mit einem vollständigen Ausbrennen des Kraftstoffs einher, und die Konzentration von Kohlenmonoxid und nicht oxidierten Kohlenwasserstoffen im Abgas steigt an. Um ein optimales Sauerstoffgleichgewicht aufrechtzuerhalten, wird eine Lambdasonde verwendet - ein Sensor, der den Sauerstoffgehalt im Abgaskrümmer des Motors überwacht.

Wenn der Luftüberschusskoeffizient, der das Verhältnis des Luftvolumens zum Volumen des Gemisches λ> 1 ist, dann ist das Gemisch "schlecht", wenn λ <1 - angereichert ist. Die Lambdasonde ist eine Art Brennstoffzelle mit Platinelektroden mit einem Zirkonoxidelektrolyten. Eine der Sensorelektroden kommuniziert mit Außenluft, die ein Oxidationsmittel (Sauerstoff) enthält, und die andere Elektrode mit Abgasen. Der „Brennstoff“ für die Zelle ist unverbranntes Benzin. Wenn das Gemisch angereichert wird, steigt die Spannung am Sensor an, was als Signal an den Computer dient, um einen Befehl zur Verarmung des Gemisches zu erteilen.


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Stickstoff ist sehr inert und muss entweder stark komprimiert oder erhitzt werden, damit er in die gewünschte Reaktion eintritt. Sowohl die erste als auch die zweite Bedingung sind im Zylinder des Dieselmotors erfüllt (für Benzinaggregate ist dies nicht relevant, da das Verdichtungsverhältnis viel niedriger ist). Durch Absenken der Temperatur im Zylinder ist es möglich, die Konzentration von Stickoxiden im Abgas zu verringern. Das AGR-Abgasrückführungssystem übernimmt diese Funktion, deren erste Modifikationen bereits in den 1970er Jahren im Dieselgüterverkehr in den USA installiert wurden. Mit einem speziellen Ventil werden die Abgase mit der Abluft gemischt und zum Zylinder zurückgeführt. Inertgase nehmen einen Teil der Wärme auf, die mit der Verbrennung des Gemisches einhergeht, wodurch die Temperatur in der Brennkammer abnimmt.

Harnstoffinjektion

Wenn Umweltstandards zur Geltung kommen, kommt Harnstoff zur Rettung. Stickoxide werden durch Reaktion mit Ammoniak (NH3) hervorragend zu molekularem Stickstoff reduziert. Eine andere Sache ist, dass Sie kein giftiges Gas an Bord speichern können. Als Alternative zur Speicherung von Ammoniak schlugen die Chemieingenieure die Verwendung von Harnstoff ((NH2) 2CO) vor, der in getrennten Teilen in den Abgastrakt des Fahrzeugs eingespritzt wird. Im „Tandem“ mit Abgasen tritt Harnstoff in einen speziellen Neutralisator ein, wo er in Ammoniak umgewandelt wird, das für die Zersetzung von NOx in Stickstoff und Wasser erforderlich ist. Die beschriebene Technologie wird als selektive katalytische Reduktion SCR (Selective Catalytic Reduction) bezeichnet, und das für unser Gehör unangenehme Wort „Harnstoff“ in dieser Technologie wurde durch das sonore AdBlue ersetzt. Obwohl, wenn Sie schauen, AdBlue ist nur 32,5% reines (NH2) 2CO in destilliertem Wasser.

Wie Sie sehen, erwiesen sich Umweltstandards als starker Anreiz für die Schaffung einer ganzen Richtung der chemischen Industrie, und Besitzer von Harnstoffdieselmotoren müssen das Auto mit Dieselkraftstoff und AdBlue tanken, dessen Verbrauch sehr spürbar ist und 6% der verbrauchten Kraftstoffmenge beträgt.


_{Bevor der Teil der Abgase zum Zylinder zurückkehrt, muss er gekühlt werden, für den sowohl ein Flüssigkeitskühlkreislauf als auch ein Luftkreislauf oder beide gleichzeitig verwendet werden können. Die Abbildung zeigt das Scania-LKW-Recycling-System.}

Dieselpartikelfilter

Die Neutralisation nach anerkannten Standards erfordert nicht nur gasförmige Abgasgemische, sondern auch feste Partikel. Genau solche mikroskopisch kleinen Rußpartikel mit einer Größe von 10 bis 1 μm, die beim Beschleunigen überladener KamAZ-Lkw herausgeschleudert werden, sind uns allen bekannt. Ein vertrauter Anblick. Man kann sich vorstellen, welchen „heilenden“ Effekt dieser intensiv ausgebrochene Smog auf unsere Lunge hat. Ruß im Abgas ist wie NOx hauptsächlich ein Problem für Dieselmotoren, da Dieselkraftstoff eine ziemlich schwere Fraktion von Öl ist, das ungesättigte Verbindungen enthält. Dies trägt dazu bei, dass die Kohlenstoffkonzentration im Dieselkraftstoff höher ist als im Benzin, was bedeutet, dass bei der Verbrennung mehr Ruß freigesetzt wird.

Um mit dem Problem fertig zu werden, ist Keramik gegen hohe Temperaturen beständig. Es funktioniert so. Bis zu einem bestimmten Punkt adsorbieren spezielle Keramikfilter DPF (Dieselpartikelfilter) Ruß aus Abgasen, und nach einer bestimmten Akkumulation wird der Motor in einen speziellen Betriebsmodus geschaltet, in dem die Temperatur der Gase im Abgassystem unter Berücksichtigung des verfügbaren Systems stark auf 600 ° C ansteigt Durch Sauerstoff kann der Ruß oxidiert und dann durch das Auspuffrohr herausgeführt werden. Um den DPF nicht den schädlichen Auswirkungen hoher Temperaturen auszusetzen, beschichten einige Hersteller seine Keramikoberfläche mit einer dünnen Platinschicht, die als Katalysator wirkt. PSA-Ingenieure (Peuqeot-Citron) schlugen vor, Dieselkraftstoff mit Cer (Ce) -Additiven zu versehen.Dies reduziert die Temperatur der Rußoxidation auf 450 ° C. Und das ist durchaus vergleichbar mit der üblichen Temperatur der Abgase. In Ländern, in denen Euro-5-Normen gelten, sind seit 2011 DPF-Filter in allen Dieselfahrzeugen installiert.

Niederspannungshybrid

Für Besitzer von Fahrzeugen mit kohlenwasserstoffbetriebenen Motoren wird es immer schwieriger, vorhandene technologische Lösungen in den Rahmen einer kontinuierlichen Verschärfung der Umweltstandards zu drücken. Aktuelle Trends bestimmen zunehmend den Übergang zu Hybridlösungen. Eine davon basiert auf Niederspannungs-Hybridschaltungen (48 V) und wurde von Bosch vorgeschlagen. Und solche Niederspannungssysteme werden es in naher Zukunft ermöglichen, viele bestehende Automodelle zu "hybridisieren".

Trotz der Attraktivität der von den Ingenieuren unter dem Gesichtspunkt der Umwelteinflüsse vorgeschlagenen Innovationen steigen die Endkosten des Verbrennungsmotors und des mit umweltfreundlichen Technologien „belasteten“ Autos selbst erheblich. Wenn sich der beschriebene Trend fortsetzt, wird der Einsatz von Verbrennungsmotoren vor dem Hintergrund der Popularisierung und Verbesserung der Infrastruktur von Elektrofahrzeugen in absehbarer Zeit einfach unwirksam.

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Source: https://habr.com/ru/post/de394073/