Теория и практика диагностики пожароопасных режимов эксплуатации каталитических нейтрализаторов

Введение. Массовое применение на автомобильных двигателях каталитических нейтрализаторов и сажевых фильтров обострило проблему их возгорания и актуализировало научно-методическое обеспечение экспертизы причин пожарно-аварийных режимов (ПАР) эксплуатации топливно-каталитических агрегатов (ТКА). Подтверждена связь ПАР работы ТКА с отказами топливной аппаратуры, износами цилиндропоршневой группы двигателей и отклонениями состава топлива. Целью являлась разработка метода диагностики пожароопасных режимов эксплуатации ТКА автотранспорта.

Методология. Обоснована модель окислительного катализа в ТКА. Она обеспечивает расчет термокаталитической эффективности и генерации тепла в активном слое платинового катализатора на γ-Al2O3 в зависимости от температуры отработавших газов (ОГ), концентрации СО, СН и сажи. Установлено, что теоретически процесс катализа может развиваться в четырех предельных областях: внутренняя кинетическая область, внутридиффузионная область, внешнедиффузионная область, внешнекинетическая область.

Результаты и обсуждение. Экспериментально-расчетные исследования показали вероятность аварийных автомобилей с многократным превышением выброса сажи и термической напряженности. На двигателе КамАЗ 10‑кратное увеличение в ОГ СО, СН и сажи увеличивает тепловую производительность каталитической реакции с 17 282 до 491 907 кДж/ч, создавая угрозу возгорания. Для идентификации ПАР предложен метод диагностики на основе режима «свободного ускорения» (СУ) по ГОСТ 33997–2016. Процедура дополнена максимальными оборотами и ограничением (0,5 с) времени режима СУ. Последнее необходимо для гарантированного выхода двигателя на «внешнюю скоростную характеристику». Метод применен в пожарно-технических исследованиях автомобиля Ford Mondeo с дизелем TDCi («Common Rail System») и каталитическим сажевым фильтром. Лабораторными экспертно-аналитическими исследованиями было установлено, что основной причиной работы ТКА в аварийных (по экологической и пожарной опасности) режимах является накапливаемая при длительной эксплуатации коррозия прецизионных деталей топливной аппаратуры. Прогрессирующая коррозия происходит по причине избыточного содержания в топливе и масле серы и влаги.

Выводы. Показано, что аварийный разогрев каталитического нейтрализатора приводит к резкому увеличению риска возгорания автомобиля. Предложен оригинальный метод диагностики пожароопасных режимов эксплуатации нейтрализаторов на основе процедур ГОСТ 33997–2016 (ТР ТС 018/2011).

1. Al-Delaimy W., Ramanathan V., Sorondo M. Health of people, health of planet and our responsibility: Climate change, air pollution and health. Springer, 2020. 417 p. DOI: 10.1007/978-3-030-31125-4

2. Lozhkin V., Lozhkina O., Dobromirov V. A study of air pollution by exhaust gases from cars in well courtyards of Saint Petersburg // Transportation Research Procedia. 2018. Vol. 36. Pp. 453–458. DOI: 10.1016/j.trpro.2018.12.124

3. Alegbeleye O.O., Opeolu B.O., Jackson V.A. Polycyclic aromatic hydrocarbons: A critical review of environmental occurrence and bioremediation // Environmental Management. 2017. Vol. 60. Issue 4. Pp. 758–783. DOI: 10.1007/s00267-017-0896-2

4. Lozhkina O.V., Lozhkin V.N. Estimation of nitrogen oxides emissions from petrol and diesel passenger cars by means of on-board monitoring: Effect of vehicle speed, vehicle technology, engine type on emission rates // Transportation Research. Part D: Transport and Environment. Elsevier Science Publishing Company, Inc. 2016. Vol. 47. Pp. 251–264. DOI: 10.1016/j.trd.2016.06.008

5. Ложкин В.Н. Теория и практика безразборной диагностики и каталитической нейтрализации отработавших газов дизелей : дис. … д-ра техн. наук. СПб., 1995. 444 с.

6. Shancita I., Masjuki H., Kalam M., Fattah I.R., Rashed M., Rashedul H. A review on idling reduction strategies to improve fuel economy and reduce exhaust emissions of transport vehicles // Energy Conversion and Management. 2014. Vol. 88. Pp. 794–807. DOI: 10.1016/j.enconman.2014.09.036

7. Baturin S.A., Lozkin V.N., Keiser E. Experimentelle Flammen temperaturbestimmung in Zulinder schnelldrehender Diselmotoren // Kraftfahrzeingtechnik. 1979. Vol. 2. S. 44–46.

8. Kaiser E.W., Siegl W.O., Trinker F.H., Cotton D.F., Cheng W.K., Drobot K. Effect of engine operating parameters on hydrocarbon oxidation in the exhaust port and runner of a spark-ignited engine // SAE Technical Paper Series. 1995. DOI: 10.4271/950159

9. Gao J., Tian G., Sorniotti A. On the emission reduction through the application of an electrically heated catalyst to a diesel vehicle // Energy Science and Engineering. 2019. Vol. 7. Issue 6. Pp. 2383–2397. DOI: 10.1002/ese3.416

10. Ложкина О.В., Онищенко И.А. Методика оценки выбросов опасных компонентов отработавших газов при пуске и прогреве двигателей автотранспортных средств в климатических условиях Арктики // Вестник Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России. 2020. № 3. С. 30–37. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=44108901

11. Costagliola M.A., Prati V., Mariani A., Unich A., Morrone B. Gaseous and particulate exhaust emissions of hybrid and conventional cars over legislative and real driving cycles // Energy and Power Engineering. 2015. Vol. 07. Issue. 05. Pp. 181–192. DOI: 10.4236/epe.2015.75018

12. Gänzler A.M., Casapu M., Doronkin D.E., Maurer F., Lott P., Glatzel P. et al. Unravelling the different reaction pathways for low temperature CO oxidation on Pt/CeO2 and Pt/Al2O3 by spatially resolved structure–activity correlations // The Journal of Physical Chemistry Letters. 2019. Vol. 10. Issue 24. Pp. 7698–7705. DOI: 10.1021/acs.jpclett.9b02768

13. Gao J., Tian G., Sorniotti A. Review of thermal management of catalytic converters to decrease engine emissions during cold start and warm up // Applied Thermal Engineering. 2019. Vol. 147. Pp. 177–187. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2018.10.037

14. Leman A.M., Jajuli A., Feriyanto D., Rahman F., Zakaria S. Advanced catalytic converter in gasoline engine emission control: A review // MATEC Web of Conferences. 2017. Vol. 87. P. 02020. DOI: 10.1051/matecconf/20178702020

15. Khan S.R., Zeeshan M., Iqbal S. Thermal management of newly developed non-noble metal-based catalytic converter to reduce cold start emissions of small internal combustion engine // Chemical Engineering Communications. 2018. Vol. 205. Issue 5. Pp. 680–688. DOI: 10.1080/00986445.2017.1412311

16. Getsoian A.B., Theis J.R., Lambert C.K. Sensitivity of three-way catalyst light-off temperature to air-fuel ratio // Emission Control Science andTechnology. 2018. Vol. 4. Issue 3. Pp. 136–142. DOI: 10.1007/s40825-018-0089-3

17. Kannepalli S., Gremminger A., Tischer S., Deutschmann O. Optimization of axial catalyst loading in transient-operated zone-structured monoliths: Reduction of cumulative emissions in automotive oxidation catalysts // Chemical Engineering Science. 2017. Vol. 174. Pp. 189–202. DOI: 10.1016/j.ces.2017.09.013

18. Gao J., Tian G., Sorniotti A. On the emission reduction through the application of an electrically heated catalyst to a diesel vehicle // Energy Science & Engineering. 2019. Vol. 7. Issue 6. Pp. 2383–2397. DOI: 10.1002/ese3.416

19. Ning J., Yan F. Temperature control of electrically heated catalyst for cold-start // Emission Improvement. IFAC-PapersOnLine. 2016. Vol. 49. Issue 11. Pp. 14–19. DOI: 10.1016/j.ifacol.2016.08.003

20. Tsinoglou D.N., Weilenmann M. A simplified threeway catalyst model for transient hot-mode driving cycles // Industrial and Engineering Chemistry Research. 2009. Vol. 48. Issue 4. Pp. 1772–1785. DOI: 10.1021/IE8010325