Кратко — причины изменения соотношения CO/CO2 и сажи, и практические методы уменьшить выбросы.
Причинно‑следственные факторы
- Стехиометрия / локальное богатство смеси:
- Эквивалентное отношение топлива: $\varphi =\frac{(\text{fuel}/\text{air})}{(\text{fuel}/\text{air}{)}_{st}}$, при $\varphi >1$ (богато) образуется больше CO и сажи; при $\lambda =1/\varphi =1$ — оптимально для полного окисления.
- Локальная концентрация кислорода и неоднородность смешения:
- Неполное смешение даёт участки глубокого обогащения — источник CO и предшественников сажи (радикалы, ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_2$, PAH).
- Температура и кинетика:
- Низкая температура замедляет окисление CO ($\mathrm{CO}+0.5{\mathrm{O}}_2->\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$) и окисление частиц; очень высокая температура может способствовать диссоциации CO2, но в двигателе главное — окисление.
- Время пребывания в окислительной зоне (residence time):
- Короткое время — недостаточная конверсия CO и сажи.
- Давление и турбулизация:
- Низкая турбулизация/плохая распылённость топлива → крупные капли/локально богатые зоны → больше сажи.
- Состав топлива:
- Наличие тяжёлых/ароматических фракций повышает склонность к сажевому образованию; метан в целом малообразует сажи, но при плохом смесеобразовании возможна сажа из побочных углеводородов/масляных аэрозолей.
- Рециркуляция отработавших газов (EGR):
- Повышает инерционные газы, снижает O2 и температуру — уменьшает NOx, но увеличивает CO и сажу при большом EGR.
- Транзиенты и управление (идущие вперёд форсунки, поздний впрыск и т. п.) создают богатые зоны.
Ключевые химические стадии сажевообразования (упрощённо)
- Термолиз/пиролиз → радикалы → образование ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_2$ и PAH → агрегирование в сажу.
- Примеры реакций:
- Полное горение: $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4+2{\mathrm{O}}_2->\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.
- Частичное: $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4+1.5{\mathrm{O}}_2->\mathrm{CO}+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$.
- Окисление CO: $\mathrm{CO}+0.5{\mathrm{O}}_2->\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$.
Методы для уменьшения CO/CO2 и сажевых выбросов
Химические (каталитические, добавки)
- Каталитическая постобработка:
- Oxidation catalyst (DOC) для CO и НС: $\mathrm{CO}+0.5{\mathrm{O}}_2->\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ (работает лучше при $\lambda \approx 1$ и достаточной температуре).
- Для частиц — DPF (с механической фильтрацией и каталитическим слоем для облегчения регенерации).
- Для обеднённых (lean) систем — специальные каталитические составы на основе Pd для окисления CH4 и CO.
- Добавки/обогащение:
- Добавление водорода или легко окисляемых компонентов (H2, CO) повышает скорость окисления и уменьшает сажу.
- Присадки-кислородосодержащие соединения в топливе уменьшают склонность к сажи.
- Каталитическое окисление сажи (NO2‑опосредованное):
- Наличие NO2 ускоряет окисление сажи: ${\mathrm{C}}_{\mathrm{s}}+\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2->\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+\mathrm{NO}$ — используется в системных стратегиях, но требует контроля NOx.
Инженерные (в камере сгорания и системе подачи)
- Улучшение смешения:
- Повышение турбулизации, оптимизация впрыска (большое давление, мелкий распыл, множественные впрыски), предварительное смешение (она‑пре‑смесь, HCCI/GDI стратегии).
- Управление впрыском/зажиганием:
- Смещение фазы впрыска/зажигания для уменьшения локальных богатых зон; использование нескольких импульсов для лучшего распыления.
- Контроль EGR и давления наддува:
- Оптимизировать EGR так, чтобы не создавать чрезмерно богатых, холодных зон; использовать турбонаддув для поддержания кислорода и температур.
- Повышение температуры окислительной зоны и времени пребывания:
- Увеличение пост‑смесевой зоны/рециркуляция потоков так, чтобы CO/сажу успели окислиться в цилиндре/выпуске.
- Снижение источников неполного сгорания вне топлива:
- Контроль утечек масла, испарений и аэрозолей, которые дают долгоживущие частицы.
- Топливная стратегия:
- Для метановых двигателей: перевод на стехиометрический режим ($\lambda \approx 1$) при использовании трёхкомпонентного катализатора (TWC) или оптимизация смеси для lean‑burn с эффективным DOC/particulate filter.
Комбинированные подходы (рекомендуемые практики)
- Включать меры на уровне цилиндра (улучшение смешения, впрыска, управление EGR) + постобработку (DOC + DPF или специализированный окислитель для CH4).
- Для газовых (метановых) двигателей: по возможности работать близко к стехиометрии для максимальной эффективности TWC; если lean, применять Pd‑базированные окислители и эффективные фильтры.
- Использовать H2‑обогащение или предварительное риформинг‑обогащение там, где это технически и экономически оправдано.
Короткий вывод
- Основные факторы: локальное богатство смеси ($\varphi >1$), недостаток O2, низкая температура и плохое смешение — ведут к росту CO и сажи.
- Решение: убрать локальные богатые зоны (лучшее смешение и управление впрыском), оптимизировать EGR/наддув и температуру, и поставить адекватную постобработку (DOC + DPF / специализированные окислители). Химические добавки (H2, кислородсодержащие компоненты) и каталитическая обработка дополняют инженерные меры.