Системы нейтрализации отработавших газов на дизельных моторах.
Введение : Работая над преамбулой к описанию систем нейтрализации выхлопных газов (Selective Catalytic Reduction ) задумался о освещении, так сказать, предистории возникновения данных систем. Частично о проблеме выброса ОГ (отработавших газов)я уже писал, разбирая систему возврата отработавших газов (EGR) и ее проблемы в конкретных конструктивных решениях, теперь пришло время поговорить о другом . Опору сделаем на конкретные параметры. Для оценки эффективности сгорания топлива в дизельном моторе есть два основополагающих фактора это количество частиц сажи и количество оксидов азота (NOx) которое измеряется в милиграммах на км .
Как видите данные показатели составляют значительную часть всех компонентов OГ влияющих на экологию негативно .При нормах Евро 3 (2000г) в ОГ допускалось содержание 500 мг NOx, в настоящее время, уже при нормах 2018 года (евро 6, 2018) их количество должно быть сокращено практически в 6 раз ! (80) . Надо отчетливо понимать, что приведение этого показателя в норму в принципе становится недостижимым только средствами инженерных решений при компоновке элементов ДВС и разработки их конструкции ( форма камера сгорания, система впуска, модернизации топливной системы и т.д.), а требует и непосредственной работы с самими выхлопными газами .Практически это означает, что любой дизельный ДВС не оснащенный этими двумя системами просто будет запрещен к эксплуатации в данных странах (что бы подчеркнуть важность данного вопроса, хочу напомнить, что согласно статистике, более 65% частного легкового автомобильного парка в таких странах как Бельгия, Франция, Испания и др. составляют автомобили именно с дизельным мотором, и вопрос, учитывая их законодательства, по допуску к эксплуатации стоит весьма остро ). Размышляя по вопросу дальнейших перспектив детища Рудольфа Дизеля и просматривая материалы по этому вопросу мне попалась очень интересная точка зрения, когда ужесточение экологических норм относительно дизельных моторов было связано с процентным соотношением выхода фракций при нефтепереработке (диз. топливо относительно бензина 20 к 45 в среднем ), правда не стоит забывать о коммерческом транспорте, подавляющее количество которого по- прежнему работает на дизельных ДВС (и это не электрический городской автобус, а автопоезда которые приносят весьма солидную прибыль, расскажите дальнобойщикам Австралии например, про преимущество электрической тяги или экономичность бензинового мотора)) .Но нам разумеется ближе то, что происходит у нас, а у нас ситуация совершенно иная, можно сказать, зеркальная. .Для начала, хочется отметить тот факт, что автомобили оборудованые сажевыми фильтрами и системой «Ad blue»(впрыск мочевины) официально не поставлялись ОД для реализации в России, скорее всего из- за больших претензий к качеству диз.топлива (и они по большей части обоснованы ), основополагающей примесью в котором была сера (она и приводила в негодность весьма недешевые компоненты этих систем). Я отлично помню, работая в структуре VW c 1999-2008 с какой гордостью (если не сказать с апломбом )) подавались тезисы «о самом чистом и в то же время экономичном дизельном моторе», о преимуществе этих моторов выраженном в цифрах, по Американскому континенту с его мизерным 1.5 % общей реализации выпуска дизельных автомобилей, все таки больше 56% были моторы VW . Не могу не отметить то, что эти 1.5 % и стали в дальнейшем «костью в горло», и думаю, на долгое время, поскольку нашлись пытливые виргинские товарищи которые смогли сопоставить то, что выделяет двс на дороге и при стандартном контрольном ездовом цикле . «слегка» отличаются)).Это «слегка», напоминаю, заключается в цифре СОРОК ! Жалко, что премий за такие «открытия» не существуют и Оскара не дают)), можете себе представить какой масштаб скандала, действительно натуральный дизельгейт . Обычным людям остается только сожалеть, о том что все это великолепие .
.в конце концов просто сгниет на стоянке в Потомаке )).Ведь все потуги со сменой программного обеспечения или установке(по акции) «специального сепаратора» воздушного потока (обычная сетка как на расходомере) не приведут к выполнению необходимых норм, а вывезти автомобили для реализации в другом месте слишком накладное мероприятие . Почему проблема таких огромных масштабов кардинально не решается мы разберем когда будем рассматривать компоненты системы впрыска мочевины в ОГ (универсальное обозначение системы «Ad Blue») более подробно . Итак, простите за длинное «предисловие «, пожалуй начнем рассматривать системы более подробно и первая по списку у нас будет система наиболее известная большому количеству автовладельцев с дизельными моторами под названием «Сажевый фильтр « .))
Часть 1 .Сажевый фильтр или DPF (Diesel Particulare Filter).
Возникновение частиц сажи (средний диаметр около 5мкм) при работе дизельного мотора неизбежно, поскольку обеспечить полное сгорание дизельного топлива по всему объему камеры сгорания невозможно, всегда найдутся зоны, где топливо полностью не сгорает (зоны переобогащения) . Да, разумеется, общее количество таких зон (и сажи как следствие) вы можете значительно снизить ( тут можно упомянуть в качестве влияющих факторов повышение давление впрыска при котором повышается температура цикла, изменение формы днища поршня для улучшения процесса сгорания, применение вихревых каналов вместе с вихревыми заслонками (которые владельцы, как правило, потом вырезают полностью устав оплачивать их периодическую замену)), однако, убрать эти зоны до величины погрешности все равно не получится, а если не получается повлиять на чистоту сгорания внутри мотора, значит надо придумать способ …улавливать не желательный продукт на выходе(напоминает биологический процесс не находите ?)) . Сама частица сажи тоже продукт комбинированный, адсорбирующая примеси на поверхности .
Почему же состояние сажевого фильтра сейчас вызывает гораздо больше опасений и разговоров чем, скажем обычный катализатор на бензиновых моторах ранее ? Дело в том, что рабочая среда катализаторов –газы (COх, NHx, NOx) требует только максимальную площадь воздействия каталитических элементов для которых вполне подходят идеально прямые по всей длине соты, с сажевым же фильтром нужно улавливать и взвешенные частицы, помимо нейтрализации описанных газов, а для этого прямые соты не подойдут, на первых типах выхлопных систем они конструктивно выполнялись отдельно, где нейтрализаторы каталитическое типа с прямыми сотами стояли до сажевого фильтра, в TDi последних выпусков они стали объединятся в один корпус, где сажевый фильтр работал в «межстеночном» пространстве, а сами прямые каналы были попеременно закрыты со стороны впуска и выпуска .
В итоге пришли вот к такой конструкции .
Так в чем «соль» постоянного обсуждения состояния этого узла среди владельцев автомобилей оборудованных такой системой ? Дело в том, что проходимость данного фильтра довольно жестко завязана на пожарную безопасность автомобиля и любое отклонение по сопротивлению потоку ОГ тут же вызывает принудительно ограничение мощности ДВС инициируемое ЭБУ (с соответствующей индикацией на комбинации приборов).
Если говорить простым языком, массу сажи, которую мы видим в параметрах, физически никто «взвесить» не может, определение величины достигается расчетным способом. Базовым показателем расчета является массовый расход воздуха( расходомер, еще одна его важная функциональная обязанность ) на основании которого и температуры ОГ (датчик температуры ОГ ) определяется объемный расход ОГ, учитывающий температурные показатели цикла, далее имея параметр газодинамического сопротивления (по датчику перепада давлений в сажевом фильтре) уже можно вычислить количество сажи которое находится в сажевом фильтре. Поскольку речь идет о фильтре, который, тем не менее, невозможно просто сменить, то сажу нужно каким то образом из него все-таки удалять )) . Известны два программных способа очистки такого фильтра -штатная(в процессе эксплуатации автомобиля ) и аварийная( посредством диагностического прибора на сервисе ), если же заполнение сажей фильтром превышает 80% то без его фактической замены не обойтись, об этом надо помнить! Разумеется проверять его при ТО и предупреждать владельца о его состоянии сервис просто обязан!(хотя большинство обращений по поводу этих работ к сервисменами обычно заканчивается словами «Резать к чертовой матери !»))) Если говорить о экологичности данных процессов (а зачем собственно сажевый фильтр нужен ?), то наблюдается странный парадокс, когда штатная операция при эксплуатации автомобиля выполняемая не в полном объеме приносит больше вреда, чем аварийная в сервисе .Довольно часто при проведении аварийной (активной) регенерации задают вопрос о вредности самого процесса, поэтому уточняю этот момент отдельно ) ) .судите сами .Вот химические процессы последовательно протекаемые в сажевом фильтре при, пассивной регенерации .
Обратите внимание, много условностей для нормального протекания трехступенчатого процесса и катализатор (платина ) должен быть использован максимально для связывания NOx(чему препятствуют примеси в топливе и сера в особенности), и образуемого NO2 должно хватать для взаимодействия с углеродом на составляющие газы и, наконец, избыточное количество кислорода (вспоминаем EGR, заслонки, сам процесс сгорания диз.топлива с переобогащенными зонами и понимаем, что с этим тоже проблема) для связывания обоих вредных примесей.При активной же регенерации частички сажи сгорают благодаря высокой температуре ОГ. При этом образующий частицы сажи углерод соединяется с кислородом, образуя диоксид углерода.
C + O2 образуют CO2
Просто нагрей и получишь результат )) .
(Конечно при такой процедуре и рабочей температуре под 600 градусов фильтр разогревается до красна, и обязательно нужен обдув и соблюдение пожарной безопасности, но все же.))
Если говорить о режиме сложности проведения штатной регенерации, то дело не только в самом топливе, но и в условиях возникновения оптимальной регенерации (восстановления) сажевого фильтра, ведь при длительной эксплуатации автомобиля в режиме движения на короткие расстояния регенерация сажевого фильтра может оказаться невозможной из-за слишком низкого уровня температур ОГ. В таких случаях фильтр может быть поврежден или заблокирован сажей. Именно в такой момент водитель задается вопросом, что это за новый непонятный значек появляется на комбинации приборов и еще моргать начинает и он, разумеется, делает …не то, что нужно –давит на тормоз)), оказывается, если эта лампа загорелась, то водителю, наоборот, рекомендуется двигаться в течение приблизительно 15 минут с равно- мерной по возможности скоростью, которая должна превышать 60 км/ч.Более того наиболее эффективно фильтр регенерируется при движении автомобиля на 4-ой или 5-ой передачах и работе двигателя с частотой вращения около 2000 об/мин. Ну перед немцем с его автобанами высшего класса до местной деревни такой вопрос не стоит, а вот что делать нам с вездесущими пробками ? Штатные мероприятия, предусмотренные конструкторами(здесь и далее фрагменты SSP 336), когда нет возможности провести регенерацию по впрыску дополнительного количества топлива (что бы топливо догорало прямо в катализаторе, поднимая таким образом его температуру ).
.тоже не помогают ( но автомобиль в это время ведет себя подозрительно вяло)) и в итоге, хорошо если в сервисе при обслуживании следят за количеством сажи и проводят аварийную регенерацию своевременно, а если нет ?
Если «нет» существуют два пути — попытка отмыть фильтр паровой смесью которая впрыскивается перед катализатором и просто связывает сажу вытекая черной субстанцией (В качестве примеров можно привести -DPF Cleaner, Pro-Line Diesel Partikelfilter Reiniger от Liqui Moly, Tunap -широко рекламируемый, можно также вспомнить различные присадки в само топливо от Wynn’s, Valvoline, Verylube использование которых весьма желательно при начале эксплуатации автомобиля с сажевым фильтром, а не с возникновением самих проблем .
p/S/ Кстати, хотелось бы отметить сходную механику по части добавления специальных примесей в ОГ, демонстрируют сажевые фильтры на пежо, Ситроен(общепринятое обозначение FAP (Filtre a Particules) где в выпуск впрыскивается специальная присадка и говоря простым языком «готовим барбекю» только вливаем на «угли» не жидкость, а соединение церия который сгорая поднимает температуру до приемлимых 1000 градусов выжигая таким образом сажу )) .
К сожалению жидкие субстанции нормально очищают, как правило, небольшое количество сажи, а когда наступает момент и штатная регенерация не помогает, то обычно все происходит, как описано вот здесь .Второй путь — просто его удалить в том числе и программно. Первый способ не является ультимативным и фильтр все равно накапливает больше сажи, хотя у него есть и сторонники и противники (вреда то точно не нанесет ), чем ее теряет, может быть просто удалить ?
Для начала какой дизельный мотор имеется ввиду если PD-TDi (насос форсунка ), то имеет смысл учитывать, к примеру, вот такое обстоятельство .
…которое приведет к дополнительному расходу топлива и переобогащению смеси, и вполне можно получить вот такой эффект при перегазовке (запах кстати тоже соответствующий)) .
…через некоторое время и сам оконечник выхлопной трубы начинает выглядеть неприглядно .Впрочем и на CR-TDi к сожалению от такого «приятного «сюрприза полностью обойтись тоже не удастся, подозреваю, что механика привода и там переработана. Лично меня, в такой операции, которую называют «перепрошивка при удалении сажевого фильтра «удивляет ее не адекватная стоимость((. Хочу напомнить речь идет не о переработке параметров трехмерной характеристики, с подгоном отдельным параметров на мощностном стенде . Надо четко понимать, что в случае с сажевым фильтром, заводом изготовителем была предусмотрена возможность установка его в качестве ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО оборудования .
…а это значит, что при такой установке допускается изменение минимального набора «ключей» которые уже в заводской прошивке имеются и такое перепрограммирование не является сложным процессом .Хорошо, допустим, Вы решили раз и навсегда избавиться от данной детали и не хотите больше вспоминать радостные ощущения от внезапного снижения мощности, зажигания лампочки, переживаний о потере времени в сервисе. Что в этом случае Вы получаете ? Среди положительных моментов, кроме вышеописанного это снижение расхода топлива, возможность в дальнейшем повышения мощности ДВС посредством тюнинговой прошивки, довольно часто снижение порога частоты оборотов при «подхвате « вовремя ускорения, использование обычного НЕ малозольного масла (т.е. существенно увеличивается выбор и снижается стоимость такого масла ), а среди отрицательных ? Первым делом можно забыть о посещении европейских стран, самый простой дымомер поставит крест на Вашем желании покатать на своем авто по улицам не только Парижа и Берлина, но и Риги и Таллина, законодательство по этой части очень жесткое . Далее, в свое время я долго пытался решить как найти сервис который удаляя сажевый фильтр и меняя прошивку, подберет ТАКОЙ резонатор/глушитель, который будет хотя бы частично снижать количество сажи при перегазовке для этой цели рассматривались обычные «проходные» катализаторы, смещение банки вдоль выпускного тракта, изменение топливной карты в прошивке поднимая температуру цикла одновременно с отключением системы EGR и т.д, а если нет такого решения, то хотя бы снизить уровень шума на выхлопе(очень четко прослушивается подключение турбокомпрессора под нагрузкой, общий фон шумности, вибрационные нагрузки порой, довольно часто жалуются на явно выраженный «солярочный» запах выхлопа), к сожалению такую задачу полностью так и не удалось решить, не зря расчет выхлопной системы это особо охраняемая тайна, а комплект таких специализированных изделий стоит не малых денег .
——————————————————————————————————————————————————-
Что же можно сказать напоследок по данному вопросу и какой вывод сделать в общем по системе ? По моему разумению если Вам «повезло» и Ваш автомобиль оборудован такой системой, нужно, все таки по возможности максимально растянуть срок ее работы, в том числе и используя вышеописанные присадки в топливо и проводя своевременно регенерацию фильтра, и только тогда когда провести ее не будет никакой возможности думать о решении вопроса «операционным» методом, здесь полная аналогия с медициной, после удаления Ваш комфортный, немецкий автомобиль не будет уже таким комфортным …и немецким, к сожалению по сравнению с удалением катализатора на бензиновым моторе разница будет существенная, об этом желательно помнить, и не махать скальпелем преждевременно )) На этом повествование завершаю, а в части второй мы погрузимся поговорим )) с Вами о волшебном мире мочевины»Ad Blue» и почему без нее сейчас совсем не обойтись при эксплуатации дизельных моторов . До встречи.
Денис Карпов
Современные технологии очистки отработавших газов
И к бензиновым, и к дизельным двигателям внутреннего сгорания (ДВС), которыми оснащают в том числе средства напольного транспорта, экологи постоянно предъявляют претензии. Если привод первого типа вызывает их недовольство по причине повышенного содержания в отработавших газах таких токсичных для организма человека соединений, как угарный газ СО, углеводород СН, окиси азота NОх, то дизельные двигатели – из-за содержания частиц сажи и окиси азота NOх в выхлопе.
Изначально эти проблемы решали одним способом – совершенствуя систему питания. Для бензиновых двигателей этого оказалось недостаточно, и потому был создан каталитический нейтрализатор отработавших газов, который установили в выпускную систему. С дизелями дело обстояло проще, но лишь до начала нового тысячелетия, а точнее, до ввода в действие норм Еuro 4 (2005 г.) и Еuro 5 (2008 г.). Как только были обнародованы новые требования экологов, разработчики топливных систем для дизелей совместно с автопроизводителями бросили все силы на усовершенствование своих разработок и системы выпуска отработавших газов, внедрив в нее еще более эффективные сажевые фильтры и каталитические нейтрализаторы.
Сажевые фильтры
Сажевые фильтры могут иметь как отдельный корпус, так и находиться «под одной крышей» с каталитическим нейтрализатором. Рабочий элемент сажевых фильтров обычно делают из керамики или металлокерамики; чаще всего он имеет особую конструкцию, которая обеспечивает равномерное накапливание сажи на его поверхностях. Принцип действия и функции нейтрализатора и фильтра значительно различаются. Если первый превращает токсичные газы в безвредные, то второй механически удерживает частицы сажи, из-за чего возрастает противодавление в системе выпуска. В среднем это противодавление не должно превышать 150 мбар, как установили разработчики двигателей. Лишь только сопротивление фильтра из-за засорения сажей приблизится к этому предельному значению, его надо либо заменять, либо подвергнуть очистке (регенерации), сжигая в фильтре твердые частицы. В настоящее время более широко применяют конструкции второго типа.
В автомобилях режим «сжигания» сажи активизируется блоком управления двигателем, если он получил от специальных датчиков в системе выпуска информацию о заполнении фильтра. Особенность этого режима в том, что в цилиндры на дожиг подается большее количество отработавших газов, впрыскивается больше топлива и снижается подача воздуха. Температура отработавших газов при этом заметно возрастает, благодаря чему сажа выгорает. В погрузчиках и других типах машин, двигатели которых работают не постоянно, а периодически, температура отработавших газов не достигает нужного для сгорания сажи значения, поэтому в них используются специальные системы дожига, о которых будет рассказано ниже.
Нормативы ужесточаются
Принятые документы предусматривают, что содержание вредных веществ в отработавших газах в ближайшие годы во всех странах Европы будет снижаться. Уже существуют многочисленные нормативы (Еuro 1. 5 для легковых и грузовых автомобилей), которые для защиты здоровья людей требуют устанавливать на технику фильтры, являющиеся основной составляющей системы нейтрализации отработавших газов. Сегодня можно исходить из того, что все новое транспортное оборудование будут поставлять только с такими фильтрами.
Частицы сажи настолько мелкие (их размер от 0,001 до 1 мкм), что при вдыхании они осаждаются в легких человека и по кровеносной системе могут достичь любого внутреннего органа, включая мозг. В зависимости от размера они могут проникать в легкие на разную глубину и действовать как возбудители опасных заболеваний. Нормативы ЕС 1999/30/EG уже сейчас регулируют предельные значения концентрации таких мелких частиц, как сажа, следующим образом: «Доза в 50 мкг/м 3 не должна превышаться чаще, чем 35 раз в год» (Приложение III). С января 2010 г. допускается лишь семь превышений.
Технические требования TRGS-554, принятые в Германии, предписывают применять сажевые фильтры для дизельных двигателей в закрытых или частично закрытых помещениях, начиная с 1996 г. В соответствии с этим документом также должны выдерживаться определенные предельные значения содержания мелких частиц сажи в отработавших газах в городах и местах скопления людей. В документе редакции 2001 г. вопросам токсичности отработавших газов дизелей уделено еще больше внимания. Причина этого в том, что действие отработавших газов может стать в том числе причиной заболевания раком (см. § 35, абзац 4 постановления № 4 по вредным веществам Gef-StoffV). Область действия норм TRGS-554 охватывает все полностью или частично закрытые помещения, в которых используется транспортное оборудование с дизельным приводом и персонал подвержен воздействию отработавших газов. Это помещения складов, производственные цехи, мастерские, туннели, контейнеры, закрытые кузова автотранспортных средств, грузовые помещения судов и самолетов, места стоянки и ремонта транспортного оборудования, применения на подземных выработках в горнодобывающей промышленности и тоннельном строительстве (ср. TRGS-554, 2001, с. 3f).
Этот документ не ограничивается определением зоны защиты и мероприятий по снижению эмиссии, но «осмеливается» также определять параметры фильтров твердых частиц. Так, в нем уточнен метод измерения токсичности отработавших газов и установлена величина степени очистки выхлопа (на данный момент она должна составлять не менее 95%) вне зависимости от нагрузки на двигатель (TRGS-554, 2001, с. 10), а также имеются указания на то, каким должно быть состояние техники. Кроме этого предписано, что пропуск отработавших газов мимо фильтров и использование снижающих токсичность добавок в топливо без подключения фильтров не допускается, а также что окислительные каталитические нейтрализаторы фильтрами не являются. Указано и на то, что при регенерации фильтра не должно возникать вторичной эмиссии вредных веществ.
В других странах предписания еще более жесткие. В Швейцарии уже с марта 2000 г. действуют требования к установке фильтров на технику, применяемую в подземных выработках (на строительстве туннелей) и на крупных строительных площадках. На крупных стройплощадках существует требование к оснащению фильтрами с 01.09.2003 г. двигателей мощностью 37 кВт, а с 01.09.2005 г. – мощностью 18. 37 кВт. Швейцария – страна, которая считается лидером в защите окружающей среды, и к продаже там допускаются лишь фильтры, которые соответствуют самым строгим нормативным требованиям и сертифицированы по VERT, например, такие, как выпускает фирма HUSS Umwelttechnik. Жесткие требования по установке фильтров на транспортное оборудование с дизельными двигателями действуют и в Дании. Законодательная инструкция № 82, принятая в Австрии, предписывает установку фильтров сажевых частиц на технику с дизелями мощностью более 18 кВт, работающую на строительных площадках.
Сажевые фильтры опасны для здоровья?
Сенсационное заявление о том, что сажевые фильтры нельзя рассматривать в качестве панацеи в борьбе за экологию городов, сделал еще в 2005 г. профессор Рейнхард Цельнер (кафедра химии университета Дуйсбурга). Представленные им аргументы были достаточно серьезными. По оценкам профессора, промышленные экземпляры фильтров и так работают на пределе дисперсности, и это приводит к увеличению расхода топлива на 10%. Если капилляры фильтров еще сузить, потребление топлива возрастает в геометрической прогрессии. Между тем существующие фильтры не обеспечивают задержку микрочастиц менее 10 мкм и ароматических фракций, а ведь именно эти составляющие выхлопа более всего инициируют развитие рака. Более того, по мере эксплуатации фильтров в них скапливаются отложения, и вместо задержки наиболее опасных для здоровья микрочастиц фильтры становятся их источником. С тех пор в Германии ведется дискуссия о запрете эксплуатации дизельных автомобилей без фильтров по выходным, а также бюджетном стимулировании их владельцев к применению фильтров.
За это, в частности, выступает местное министерство природы. По его данным, в крупнейших городах Германии, включая Берлин, содержание микрочастиц в воздухе в 10 раз превышает нормы ЕС. Противники тотального внедрения фильтров, в числе которых и некоторые автоконцерны, подсчитали тогда, что дизельный выхлоп становится причиной только 9% загрязнений атмосферы городов, а львиная доля приходится на промышленность и коммунальное хозяйство.
Какой погрузчик лучше?
Продолжительное время дизельный вилочный погрузчик вовсе не допускали в закрытые помещения, например, складские: он выбрасывал в воздух слишком много сажи. Разработчики погрузочной техники большее внимание уделяли более экологичной технике с электроприводом. Действительно, в создании противовесных погрузчиков с электродвигателем за последние десятилетия сделан большой шаг вперед. Из маломощной машины, которая зависит от внешнего питания сети и очень часто является причиной многочисленных простоев, они превратились в достойную альтернативу дизельной технике. С точки зрения привода дизельный погрузчик и сейчас сохраняет свое превосходство, но только при работе на трассах большой протяженности, на подъемах и при перевозке тяжелых грузов. В остальных случаях покупатель зачастую затрудняется в выборе погрузчика, особенно в случаях, когда техника приобретается по схеме лизинга, а проблемы с ремонтом и сервисным обслуживанием электропогрузчика возникают в большинстве случаев только после окончания гарантийного срока.
Электропогрузчик, кажется, может записать в свой актив еще один «плюс»: он не выбрасывает частиц сажи при сгорании дизельного топлива. В основном это правильно, однако при соответствующей переработке отработавших газов дизельный погрузчик может предложить высокую мощность, продолжительность автономной работы и. чистоту. Сегодня работа в помещениях погрузчика с дизельным приводом перестала быть проблемой. Соответствующие системы фильтров делают это возможным.
Основные характеристики системы очистки, определенные TRGS-554, не облегчают тем не менее потребителю выбор «правильного» фильтра. Однако хорошим критерием для принятия решения по выбору того или иного устройства может служить такой параметр, как степень очистки, и многие изготовители ориентируются в первую очередь на нее. Существуют компании, которые предлагают фильтрацию 99% частиц во всех своих изделиях вне зависимости от того, какой метод измерения эмиссии частиц применяется и какой конструкции отдает предпочтение потребитель. Целесообразно выбирать устройства с особенно высокой долей отделения самых мелких частиц размером всего несколько нанометров, ведь они проникают в организм человека наиболее глубоко и практически не выводятся из него, а потому особенно опасны для здоровья. Устройства с невысокой степенью очистки или такие, в которых этот параметр меняется в зависимости от частоты вращения двигателя, не только недопустимы по TRGS-554, но и не имеют смысла с точки зрения качества фильтрации частиц.
Новые решения: выбор – за потребителем
В последнее время направление разработок по снижению концентрации вредных веществ в выхлопе изменилось. Раньше нормативы, регламентирующие состав отработавших газов, предусматривали прежде всего снижение количества частиц сажи, а сегодня более актуальными являются мероприятия по снижению предельных значений содержания оксидов азота. Необходимые для этого технологии есть уже сейчас. А пока для большинства специалистов в этой области очевидно, что дизельный фильтр частиц сажи останется на машинах, которые будут выпускать в будущем, даже если более широкое применение найдет метод «сжигания» HCCI (Homogeneous Charge Compression Indition) или если станут еще более производительными системы селективного каталитического восстановления (Selective Catalytic Reduction, SCR), принцип действия которых основан на химической реакции аммиака с окисью азота отработавших газов, в результате чего образуется безвредный для здоровья азот и водяной пар.
Принятие более строгих нормативов по предельно допустимым концентрациям вредных веществ в США (с 2010 г.) или в Европе (в 2012–2013 гг.) нацелено прежде всего на снижение содержания в отработавших газах оксидов азота NОх. Современные технологии в целом позволяют выполнить эти предельные нормативы за счет изменения конструкции самих двигателей, однако затраты на это в итоге оказываются несоразмерно большими.
С помощью высокопроизводительной SCR-системы, разработанной фирмой Emitec (Ломар, ФРГ), более жесткие значения предельного содержания отработавших газов, которые уже прописаны в будущих нормативах, могут быть выдержаны при значительно меньших издержках. Ключом к успеху этого инновационного решения стал рабочий узел, получивший название Metallit. Он представляет собой металлические пластины-катализаторы, состоящие из слоев гладкой металлической фольги, перфорированной фольги, волнистых слоев из LS (продольных структур), а также специальных лопастных пластин, в которых происходит смешивание газовоздушных потоков. Metallit создает турбулентность, за счет которой обеспечивается высокоэффективное превращение вредных веществ в экологически безопасные. С помощью именно такой системы SCR известный производитель грузовых автомобилей компания МАN смогла снизить предельное содержание NОх ниже требуемого значения.
Фирма IVECO Motors, входящая в Fiat Powertrain Technologies (FPT, Турин, Италия), является ведущим изготовителем дизельных двигателей для внедорожников, к которым согласно классификации фирмы Jingheinrich относится также индустриальный транспорт, а значит, и вилочные погрузчики. Шестицилиндровые дизели типа Cursor 8, например, имеют рабочий объем 7,8 л и развивают мощность 265 кВт при 2400 мин -1 и крутящий момент 1500 Н•м при 1125 мин -1 . С помощью системы SCR достигнута степень эмиссии 3В, предусматриваемая в предельных значениях нормативов Евросоюза на 2012 г. Одновременно со снижением количества частиц сажи в выхлопе сильно сократился и уровень выбросов NОх.
Известный поставщик комплектующих для легковых и грузовых автомашин фирма Eberspcher (Есслинген) предлагает изготовителям грузовых автомобилей, а также фирмам – производителям напольного транспорта и строительных машин различное оборудование для очистки отработавших газов c использованием технологий SСR и/или сажевого фильтра. Чтобы удовлетворить требования нормативов, которые предусматривают более жесткие значения предельно допустимой концентрации (ПДК) вредных веществ (степень 3В) и вступят в силу уже довольно скоро, специалисты компании, работающие по теме очистки отработавших газов, разрабатывают более совершенные системы для двигателей новых поколений. В настоящее время уже создано компактное устройство, состоящее из комбинации систем очистки от сажи и NОх в одном корпусе и получившее название Onebох. Оно позволяет достичь лучшей очистки выхлопа, чем предусматривают нормы Euro 5. Швабская фирма уже несколько лет выпускает сажевые фильтры для вилочных погрузчиков и строительных машин, основой которых служит монолитный кордиерит. В зависимости от мощности двигателя фильтры имеют размеры 78 или 912 дюймов.
Компания Теnnесо Automotive Inc. (шт. Иллинойс, США) поставляет известным изготовителям грузовых автомашин и внедорожников такие изделия для систем выпуска, как каталитические нейтрализаторы, сажевые фильтры, а также глушители фирм Walker или Gillet. С целью организации производства самых разнообразных систем очистки отработавших газов специально для такой техники, как вилочные погрузчики, универсальные коммунальные и пожарные машины, в восточногерманское предприятие компании инвестировано свыше 5 млн. евро. Наряду с фильтрами сажи и SCR-системами компания поставляет также абсорберы оксидов азота, которые продаются главным образом в США, так как эти устройства увеличивают расход топлива на 5%.
При комплектации транспортного оборудования, предназначенного для эксплуатации на протяженных маршрутах, Теnnесо ориентируется на систему SСР, а для оснащения среднего и тяжелого транспортного оборудования – на сажевые фильтры с непрерывной регенерацией посредством оксидного катализатора. Для легкого транспортного оборудования используются сажевые фильтры с дополнительной системой очистки.
Чтобы максимально снизить противодавление выпуска, сажевый фильтр должен обладать большой пористостью. В фильтрах со связанным кремнием (Si–SiC) число каналов может регулироваться в зависимости от требований заказчика между 40 и 62%. Пористость рекристаллизованных сажевых фильтров в настоящее время составляет лишь 36. 45%. В зависимости от конкретного применения используются фильтры с разным количеством каналов. Если фильтр со связанным кремнием пористостью 53% заменяют фильтром с пористостью 60%, то сопротивление давлению меняется на 30%, что позволяет экономить топливо. Одновременно с количеством каналов японские инженеры смогли варьировать у Si–SiC-фильтров и размеры каналов в диапазоне от 8 до 33 мкм, что позволило удовлетворить самые различные требования в отношении двигателей и систем выпуска.
Наряду с технологиями регенерации, которые пока применяются довольно ограниченно, в будущем предполагается использовать и альтернативные материалы. Фирма NGK уже сегодня снабжает сажевыми фильтрами из кордиерита фирму Toyota, которая применяет их для систем DPNR, представляющих собой комбинацию фильтра с NОх-абсорбером. Преимуществами таких устройств являются большая пористость, возможность нанесения на них покрытия, а также пониженный коэффициент расширения. Фирма Сorning, ближайший конкурент NGK, не только выпускает кордиеритовые сажевые фильтры, но возлагает особые надежды на свою новую разработку из керамики на основе алюминия и титана. По данным изготовителя, эти так называемые АT-фильтры имеют такую же хорошую теплоемкость, как карбид кремния, и столь же малое тепловое расширение, как кордиерит. Это означает, что они обеспечивают температурный контроль во время фазы регенерации и могут быть изготовлены из одного монолитного куска. Не так давно одной из первых стала внедрять эти керамические фильтры в большие серии своих изделий компания Volkswagen.
Еще одна ведущая мировая компания по выпуску оборудования для очистки выхлопа Аrvin Meritor (Troy, шт. Мичиган, США) также имеет обширную номенклатуру продукции. Для значительного снижения концентрации всех составляющих отработавших газов она предлагает комбинировать оксидный катализатор с SCR- и фильтрующими системами. Чтобы контролировать возможную закупорку каналов фильтра, возникающую при кратковременной работе транспортного средства и перемещении небольших грузов (это типичная ситуация в работе вилочных погрузчиков), компания предлагает использовать различные способы активной регенерации. С помощью устройства Atomizer дизельное топливо распыляется на катализатор, который способствует его окислению, в результате чего выделяется тепло. При этом в противоположность системам дожигания ни катализатор, ни расположенный за ним сажевый фильтр не подвергаются экстремальным термическим нагрузкам, что позволяет применять вместо дорогого кремниевого сажевого фильтра более дешевый кордиеритовый.
При использовании «термического регенератора» восстановить полностью сажевый фильтр возможно с помощью электронагрева независимо от характера работы и условий эксплуатации двигателя. В эту систему входят устройство сжигания и сам фильтр. Система «термонагреватель», напротив, повышает температуру газов на выходе из двигателя, в результате чего регенерация сажевого фильтра возможна даже при очень низких температурах.
Разработчики, если хотят исключить недостатки имеющегося на рынке фильтра типа Wall-Flow, нe обойдут вниманием PM-фильтр-катализатор (Particulate Matters) компании Еmiteс. РМ-фильтр-катализатор в противоположность закрытым Wall-Flow-системам работает по принципу проникающего параллельного потока. Это гарантирует бесперебойную работу двигателя даже при неполной регенерации. Размеры задерживаемых частиц благодаря реакции с NO2, который вырабатывается в подключенном окислительном катализаторе, постоянно уменьшаются. РМ-фильтр-катализатор нельзя повредить, и сам он не может повредить дизельный двигатель, а расход топлива по мере его эксплуатации не повышается. Более того, этот фильтр не требует обслуживания в течение всего срока службы транспортного средства. Выделение вредных для здоровья мельчайших частиц снижается более чем на 90%, общее число частиц – на 80%, а масса частиц – по меньшей мере на 30%. Все РМ-фильтры-катализаторы удовлетворяют требования нормативов по эмиссии, которые будут приняты в недалеком будущем, и уже успешно применяются в серийных изделиях ведущих производителей легковых и грузовых автомобилей.
Поскольку в настоящее время действуют очень мягкие нормативы по ПДК для разных веществ в отработавших газах, средства напольного транспорта серийно поставляются без устройств очистки отработавших газов. Покупатели, которые хотят применять экологически чистое транспортное оборудование или вынуждены это делать, поскольку эксплуатируют технику в закрытых помещениях, должны дополнительно оснащать его средствами очистки. В Германии существует много поставщиков и изготовителей систем очистки выхлопа: DES Diesel (Менден), ЕНС Теknik GmbH (Зиген), ETB GmbH (Бремен), GAT Каtalysаtoren GmbH (Гладбек), GfA Gesellschaft fr Abgasentgiftungsanlagen (Хейдесхайм), Greentор GmbH (Нойе-Аншпах), HUSS Umwelttechnik (Нюрнберг), Johnson Matthey GmbН (Зульцбах), Krone GmbH (Ахим), Оbеrland Mangold GmbH (Эшенлое), а также Twintec GmbH (Кёнигсвинтер). Эти фирмы предлагают все многообразие различных концепций очистки от сажи – от монолитной керамики (компании EHC, ETB, GfA и др.), металлокерамических фильтров (DЕS), керамической или металлической губки (GAT) до катализатора на основе композиции металлическая фольга/ металлический нетканый материал РМ (Twintec).
Предлагает фирма HUSS
Немецкая фирма HUSS Umwelt-technik предлагает особенно большое число решений для транспортного оборудования, у которого температура отработавших газов достаточно низкая или меняется со временем (сюда относятся и вилочные погрузчики). Ее производственная программа обширна: от сменных фильтров, которые очищают на специальной стационарной станции, систем активной регенерации с помощью дизельной горелки, впрыска дизельного топлива или электрического нагрева до сажевых фильтров с дополнительной системой очистки. В ассортименте изделий этого производителя есть даже оригинальная SСR-система, что позволяет покупателю выбрать наиболее подходящую систему в зависимости от условий эксплуатации техники. Вилочные погрузчики таких компаний, как Hyster, Jungheinrich, Nissan, STILL, Tоуоtа и Yale, в большинстве уже оборудованы такими устройствами. Одно из последних успешных внедрений HUSS связано с решением компании Mitsubishi установить на свои погрузчики системы очистки FS 50 MKS – фильтры с дизельным дожигателем.
В распоряжении HUSS имеются оригинальные устройства для регенерации фильтров. Наиболее распространенными видами очистки от сажи выхлопа вилочных погрузчиков в настоящее время являются регенерация с помощью присадок (система МА) и дизельных дожигателей (система МК).
Система МА (пассивная). В этой системе сажа сгорает в фильтре во время движения машины, а принцип ее работы основан на добавлении присадок в топливо. Для полного перемешивания топлива с присадкой применяют дозирующее устройство Additive Control System (АСS) (TRGS-554, 2001, с. 10), которое является «саморегулируемым»: в зависимости от нагрузки на двигатель оно обеспечивает добавку оптимального количества присадки, автоматически увеличивая или уменьшая его, или совсем прекращает подачу присадки. Благодаря этому не только эффективно защищается двигатель, но и параллельно сокращается до минимума расход присадки (на 3000 л топлива достаточно 1 л присадки). Это решение идеально, начиная со средних температур отработавших газов. Еще одним достоинством системы МА является то, что двигатель транспортного оборудования не надо останавливать.
Система МК (активная). Загрязненные сажей фильтры можно быстро регенерировать с помощью системы МК, которая использует имеющееся в машине дизельное топливо. Работающий на дизтопливе мощный дожигатель нагревает рабочий элемент фильтра до температуры выше температуры возгорания сажи. После работы машины в течение 8. 10 ч время регенерации фильтра составляет в зависимости от его размера от 5 до 35 мин. Высокая мощность (свыше 20 кВт) дожигателя HUSS обеспечивает очень быструю регенерацию. Расход топлива на регенерацию незначителен и составляет от 100 до 300 см 3 в зависимости от размера фильтра.
Эта система подкупает своей автономностью. Поскольку достичь температуры отработавших газов, необходимой для регенерации, сложно именно для вилочных погрузчиков, работа которых периодически прерывается, система МК является для этой техники оптимальным решением и позволяет отказаться от авантюрных предложений некоторых поставщиков фильтров с регенерацией типа «попробуйте быстро проехать на погрузчике по двору» или «попробуйте нагрузить мотор гидравликой, чтобы повысить температуру».
Разумеется, можно отрегулировать систему HUSS Control на допускаемое производителем двигателя противодавление в системе выпуска, при этом повреждение двигателя или турбонаддува при правильной эксплуатации фильтра будет исключено. И поскольку регенерация происходит на холостом ходу, оборудование не дает вторичной эмиссии, что полностью соотносится с требованием TRGS-554.
Фильтрующие системы Huss возможно устанавливать и на новые машины, и на уже находящиеся в эксплуатации. Там, где есть отделения компании Huss, сделать это могут ее сервисные инженеры. В большинстве случаев фильтр можно установить под противовесом, там его совсем не видно. После установки проводят инструктаж обслуживающего персонала. Для варианта установки до начала эксплуатации погрузчика компания разработала многочисленные специальные монтажные наборы, специфичные для конкретного оборудования каждого изготовителя, например, для погрузчиков фирм Jungheinrich, Mitsubishi и Caterpillar.
Благодаря согласованным решениям разных специалистов в области очистки отработавших газов по своим возможности дизельный погрузчик выходит на новый уровень. Приведение в соответствии нормам TRGS-554 по эмиссии делает эту технику совершенно безопасной для здоровья людей. Современные технические решения специально согласованы с типами транспортного оборудования и легко встраиваются в него.
Система SCR (Adblue) дизельных двигателей стандарта EURO 5
SCR – система доочистки выхлопных газов путем распыления водного раствора AdBlue в выпускную систему автомобиля для сокращения выброса вредных веществ в атмосферу до уровня, соответствующего стандарту Euro 5.
Экологический стандарт Euro 5 введен в Европейских странах с 2009 года. Согласно стандарту, производители большегрузной и другой техники обязаны обеспечить продукцию системой способной соответствовать нормам содержания вредных веществ в выхлопных газах.
Большинство производителей выбрали систему нейтрализации отработавших газов (SCR). Часто, можно услышать и такие термины:
— Euro 5
— Мочевина
— AdBluе
Как правило, используя такие названия, речь идет о SCR.
Система устанавливается на все виды грузовой и тяжелой техники – магистральные тягачи, самосвалы, автобусы, строительная техника, промышленные двигатели (дизель генераторы и др.), судовые двигатели. Другими словами, техника или установка, оснащенная дизельным двигателем, будет укомплектована системой доочистки выхлопных газов.
Рис.1
Основные компоненты (Рис.1):
1/2: дозирующий модуль/форсунка
3: насосный модуль
4: бак
5: блок управления
6: датчик температуры
7: датчик NOx
Блок управления SCR рассчитывает количество раствора необходимое для впрыска, учитывая параметры работы двигателя в текущий момент и температуры катализатора. Рассчитываемое количество жидкости впрыскивается через форсунку или дозирующий модуль. С помощью датчика NOx производится контроль качества доочистки выхлопных газов. Для получения информации о работе двигателя блок управления SCR имеет связь с блоком управления двигателем по сети шине CAN.
С помощью шины CAN блоки управления обмениваются информацией между собой и делают запросы на изменение параметров, необходимых для обеспечения работы всей системы.
Рис.2
Для эффективной работы SCR необходимо поддерживать температуру катализатора выше 300 градусов. SCR не имеет возможности самостоятельно увеличить температуру катализатора до нужного значения – поэтому для увеличения значений температуры блок управления (5) по шине CAN делает запрос на обогащение топливной смеси в блок управления двигателем (8). Так достигается необходимое значение температуры.
Режимы системы SCR
⦁ Обогащение топливной смеси
Данный режим необходим для прогрева катализатора и поддержания необходимой температуры катализатора во время работы SCR
⦁ Ограничение крутящего момента
Активируется при возникновении неисправности в SCR. При срабатывании данного режима на панели приборов автомобиля загорается сигнализатор неисправности SCR желтого или красного цвета, мощность автомобиля при этом ограничивается на 40%
⦁ Повышение оборотов холостого хода
Режим необходимый для прогрева катализатора на холостом ходу. Обороты ХХ будут увеличены до достижения необходимой температуры.
Эксплуатация системы нейтрализации (AdBlue)
Для исправной работы необходимо поддерживать в баке раствора SCR определенный уровень жидкости AdBlue, при этом, особое внимание нужно уделить качеству раствора AdBlue.
Также, владельцу транспортного средства или техники необходимо периодически проводить технические обслуживание: замена фильтра жидкости, диагностирование с целью выявления неисправностей.
Причины выхода из строя SCR
⦁ Неисправность электронных датчиков системы: температуры катализатора, NOx, давления жидкости AdBlue
⦁ Неисправности электрических цепей блока управления SCR
⦁ Использование некачественного раствора AdBlue, который не может обеспечивать необходимую доочистку выхлопных газов; наличие в растворе AdBlue сторонних жидкостей (например, дизельного топлива) может привести к выходу из строя насоса, закоксовыванию магистралей, форсунки, дозатора.
Появление любой из перечисленных неисправностей приводит к ограничению крутящего момента двигателя.
Способы отключения SCR (отключение мочевины)
Система Euro 5 досконально изучена и на рынке вам могут предложить несколько вариантов отключения SCR Euro 5. Среди этих вариантов есть качественные, надежные решения, но также присутствуют подделки или откровенно устаревшие, неэффективные решения.
Программное отключение
SCR отключается программно путем внесения изменений в прошивку автомобиля.
«+» довольно надежный метод отключения
«-« не все марки автомобилей поддерживают программное отключение
«-« на некоторых автомобилях, например Scania, при программном отключении SCR на дисплее автомобиля будут гореть ошибки, потушить которые просто невозможно (при этом SCR будет полностью отключена)
«-» на некоторых моделях автомобилей (Scania, Renault, Volvo) после программного отключения может активироваться функция прогрева, увеличивающая обороты холостого хода.
«-» подразумевает сохранение на автомобиле всей периферии SCR.
Отключение с помощью эмулятора
Устройство, которое имитирует рабочие процессы системы дозирования автомобиля. Эмулятор работает по сложным математическим моделям, подключен к линии передачи данных CAN и способен рассчитать необходимые параметры для корректной работы двигателя: температуры выхлопных газов, количество вредных частиц, давление и температуры реагента, давление воздуха и другие параметры, необходимые для предотвращения появления ошибок, приводящих к ограничению крутящего момента.
Иными словами, эмулятор с точностью до 100% повторяет действия и операции, которые выполняет система SCR автомобиля и передает информацию об этих процессах в линию передачи данных CAN автомобиля. Ни один блок управления не в состоянии отличить работу эмулятора от работы исправной системы.
Рис.3
«+» Данный метод покрывает все виды грузовой и другой техники
«+» Эмулятор подразумевает отключение SCR без каких-либо изменений в работе автомобиля (расход топлива, появление кодов неисправностей или иных параметров двигателя)
«+» Возможность демонтировать элементы SCR после отключения.
«-» Высокий риск купить некачественный эмулятор, который может привести к повышенному расходу топлива и/или другим неисправностям.
Эмуляторы Adblue– как выбрать?
В настоящее время на нашем рынке полно контрафактных копий и эмуляторов китайского производства, устанавливать их на автомобиль крайне не рекомендуется.
В чем отличие качественного эмулятора от копии или аналогов китайского производства?
Качественный эмулятор не вносит никаких изменений в работу автомобиля, точно рассчитывает все температурные режимы. Таких результатов достигают за счет постоянной работы специалистов-инженеров, своевременно вносящих обновление в программное обеспечение эмулятора, для того чтобы эмулятор идеально подходил к модели двигателя.
Копии эмуляторов – это, как правило, копии качественных, но устаревших моделей эмуляторов. Например, нам удавалось найти на рынке эмуляторы с прошивкой 2009года! В то время этот эмулятор отвечал всем требованиям, но в настоящее время он безнадежно устарел, такой эмулятор может неправильно рассчитывать температурные режимы, влекущие за собой повышенный расход топлива и ошибки.
Для того, чтобы избежать сбоев в системе, снизить затраты на топливо и ремонт, сэкономить ваше время и нервы, рекомендуем установить эмуляторы компании ProUnit. Все наши эмуляторы, включая эмуляторы первого поколения, разработаны и изготовлены в России из европейских и американских комплектующих.
Мы дорожим своей репутацией и даём 3 года гарантии на все устройства .
Возникли технические вопросы? Звоните +7-961-180-92-01, наш специалист поможет решить вашу проблему.
Технологии экологии: как токсичные выхлопы ДВС превращают в «аромат фиалки»
Адсорбенты и катализаторы, зонды и фильтры, резервуары и керамические соты – целое мини-предприятие по переработке химических отходов скрывается под капотом современного автомобиля с двигателем на углеводородном топливе. Сегодня мы коснемся темы технологий, создаваемых в согласии с требованиями быстро меняющихся экологических стандартов, разберемся, как нейтрализуются токсичные выхлопы ДВС и попробуем оценить перспективы выживания этого сегмента авторынка с учетом существующих глобальных тенденций.
В конце минувшего года правительство Германии объявило, что к 2050 году автомобилей с двигателями внутреннего сгорания не останется, что в скором времени стало одной из причин присоединения страны к международному альянсу ZEV (Zero-Emission Vehicle), амбициозная цель которого – кардинальное снижение уровня выбросов парниковых газов в масштабах планеты. И для производителей автомобилей на углеводородном топливе это более чем ясный вызов, четко определяющий ключевой приоритет выживания – разработка эффективных средств снижения токсичности автомобильных выбросов.
А зачем, собственно, обезвреживать выхлопные газы – спросите вы? Насколько известно еще из школьного курса химии в результате сгорания любого органического топлива образуются углекислый газ и вода. Но углекислый газ – далеко не самый опасный продукт реакции, происходящей в камере ДВС. Во-первых: топливо сгорает не полностью, а процесс горения сопровождается образованием очень токсичного вещества – угарного газа (СО) и, попутно, больших объемов не сгоревших до конца углеводородов (от аренов – до парафинов). Во-вторых, в процесс горения активно вовлекается азот (N2) из воздуха и примеси, содержащиеся в бензине – сера и пр. В свою очередь, выбросы оксидов азота (NOx) становятся причиной кислотных дождей, смога и образующихся сегодня повсеместно озоновых дыр. Не меньшую опасность для здоровья человека и всего живого представляют и побочные продукты сгорания, содержащие соединения серы. Здесь заметим, что в США особое внимание в борьбе с проблемой акцентируют именно на концентрации NOx в выхлопных газах, порождающих в результате разложения под воздействием солнечных лучей печально известный калифорнийский фотохимический смог.
Каталитический нейтрализатор
Как известно, опять же еще со школьной программы, катализаторы – вещества, ускоряющие химические реакции, но не вступающие в них. Прекрасным примером могут служить благородные металлы. Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор с составе палладия (Pd), платины (Pt) и родия (Rh) покрывает керамические соты тончайшим слоем. При этом общая площадь поверхности покрытия таких сот составляет, в среднем, до 20 000 м. кв. (!) Столь внушительная площадь способствует улучшению контакта выхлопных газов с благородными металлами, которых, в расчете на один нейтрализатор затрачивается всего 2-3 гр. Агрегат с нейтрализатором сжигает остатки угарного газа и разлагает часть не сгоревших углеводородов до углекислого газа и воды. Вредные оксиды NOx до атмосферного азота восстанавливает родий.
Рабочая температура каталитического нейтрализатора 400-800°C, поэтому внутренние фрагменты конструкции агрегата изготавливаются из термически устойчивой керамики – карбида кремния или кордиерита. Проблема, с которой постоянно сталкиваются инженеры – определение оптимального места расположения нейтрализатора. Дело в том, что для выхода на рабочий температурный режим последнему нужно некоторое время, а холодный мотор выбрасывает в атмосферу практически неочищенные смеси. Вопрос состоит в том, расположить ли нейтрализатор ближе к мотору, где он будет быстрее прогреваться, или же ближе к глушителю, где прибор будет работать в более щадящем температурном режиме.
Большинство современных автомобилей оснащены системами нейтрализации и в этой связи не стоит оставлять машину на газоне с засохшей травой – корпус нейтрализатора, раскаленный после поездки, вполне может вызвать воспламенение травы с отягощающими последствиями. Не целесообразно также заводить двигатель способом буксировки, поскольку это может спровоцировать попадание топлива в нейтрализатор, последующую детонацию, сопровождающуюся разрушением керамических сот.
Адсорбирование оксидов азота
Нейтрализатор LNT (Lean NOx Trap) – один из примеров современных систем, разработанных для борьбы с оксидами азота в выхлопных газах дизельных двигателей. Накапливанию оксидов в корпусе способствует адсорбент – оксид бария или др. В момент, когда нейтрализатор заполняется полностью, компьютер дает команду на обогащение топливовоздушной смеси, поступающей в камеры сгорания. На первый взгляд это безумие, ведь смесь, в которой много бензина и мало воздуха, резко увеличивает концентрацию токсичного угарного газа в выхлопах. В действительности все протекает несколько по другому сценарию: внутри LNT-нейтрализатора угарный газ реагирует с оксидами азота, разлагая их до вполне безобидного молекулярного азота N2 и условно безобидного углекислого газа. В момент, когда нейтрализатор полностью очищается от NOx двигатель переходит к нормальному режиму работы. Как вы понимаете, говорить об экономичности периодического переобогащения смеси было бы неправдой, но если речь идет о таком приоритете, как чистота окружающей среды, включение в рабочий цикл этих компонентов оказывается оправдано.
Что такое лямбда-зонд
Эффективная нейтрализация предполагает оптимальную концентрацию кислорода. Если смесь чрезмерно обеднена, т. е. наблюдается дефицит топлива за счет преобладающего воздуха, то концентрация NOx в выхлопных газах возрастает. Обогащение смеси при таких условиях не будет сопровождаться полным выгоранием топлива, а в выхлопе повысится концентрация угарного газа и не окислившихся углеводородов. Для поддержания оптимального кислородного баланса используется лямбда-зонд – датчик, который контролирует уровень кислорода в выпускном коллекторе двигателя.
Если коэффициент избытка воздуха, представляющий собой соотношение объема воздуха к объему смеси λ > 1, то смесь “бедная”, если же λ < 1 – обогащенная. Лямбда-зонд представляет собой некое подобие топливной ячейки с платиновыми электродами с электролитом из диоксида циркония. Один из электродов датчика сообщается с забортным воздухом, содержащим окислитель (кислород), другой электрод – с выхлопными газами. “Топливом” для ячейки служит не сгоревший бензин. При обогащении смеси напряжение на датчике возрастает, что служит сигналом компьютеру для подачи команды на обеднение смеси.
Лямбда-зонд — топливная ячейка из двух платиновых электродов и электролита из диоксида циркония. И электроды, и электролит проницаемы для кислорода. Внутрь зонда подается воздух снаружи, который подогревается нагревательным элементом. Если смесь богатая и выхлоп содержит мало кислорода, концентрация O2 внутри зонда становится намного больше, чем снаружи. Поэтому кислород из забортного воздуха проходит через электроды и электролит в виде ионов, вызывая тем самым электрический ток во внешней цепи. Как только молекулы кислорода появляются в выхлопе (при бедной смеси), концентрации выравниваются, и напряжение резко падает.
Рециркуляция отработанных газов
Азот очень инертен, и для того, чтобы он вступил в нужную реакцию его необходимо либо сильно сжать, либо нагреть. И первое и второе условие выполняется в цилиндре дизельного двигателя (для бензиновых агрегатов это не актуально, поскольку степень сжатия у них значительно ниже). Понижая температуру в цилиндре возможно снизить концентрацию оксидов азота в выхлопе. С этой функцией справляется система рециркуляции отработанных газов EGR, первые модификации которой были установлены еще в 1970-х годах на дизельном грузовом транспорте в США. С помощью специального клапана отработанные газы смешиваются с выпускным воздухом и направляются обратно в цилиндр. Часть тепла, сопровождающего горение смеси принимают на себя инертные газы, в результате чего температура в камере сгорания снижается.
Впрыск мочевины
Когда экологические стандарты вступают в свои права, на помощь приходит мочевина. Оксиды азота великолепно восстанавливаются до молекулярного азота вступая в реакцию с аммиаком (NH3). Другое дело, что хранить на борту токсичный газ нельзя. В качестве альтернативы хранению аммиака инженеры-химики предложили использовать мочевину ((NH2)2CO), впрыскиваемую в выпускной тракт автомобиля отдельными порциями. В “тандеме” с выхлопными газами мочевина поступает в специальный нейтрализатор, где и превращается в аммиак, необходимый для разложения NOx на азот и воду. Описанная технология именуется выборочным каталитическим восстановлением SCR (Selective Catalytic Reduction), а некомфортное для нашего слуха слово «мочевина» в этой технологии заменили звучным AdBlue. Хотя, если разобраться, AdBlue — это всего-навсего 32,5% чистой (NH2)2CO в дистиллированной воде.
Как видите, экологические стандарты оказались мощнейшим стимулом в создании целого направления химической отрасли, а владельцам “мочевинных” дизелей приходится заправлять машину и соляркой, и AdBlue, расход которой весьма ощутим и составляет до 6% от объема использованного топлива.
Прежде чем порция выхлопных газов вернется в цилиндр ее необходимо охладить, для чего может быть использован как жидкостный охлаждающий контур, так и воздушный, или же оба сразу. На рисунке изображена система рециркуляции грузового автомобиля Scania.
Сажевые фильтры
Нейтрализации до принятых норм требуют не только газообразные смеси выхлопных газов, но и твердые частицы. Именно такие микроскопические частицы сажи, размером от 10 до 1 мкм выбрасываются при разгоне хорошо знакомых нам всем перегруженных КамАЗов. Знакомое зрелище. Можно представить себе тот “оздоравливающий” эффект, который этот интенсивно извергаемый смог оказывает на наши легкие. Сажа в выхлопе, как и NOx — это, главным образом, проблема дизельных моторов, поскольку солярка – достаточно тяжелая фракция нефти, содержащая ненасыщенные соединения. Это способствует тому, что концентрация углерода в солярке выше, чем в бензине, а значит, и сажи при горении будет выделяться больше.
Справиться с проблемой позволяет устойчивая к высоким температурам керамика. Работает это так. До определенного момента специальные керамические фильтры DPF (Diesel Particulate Filter) адсорбируют сажу из выхлопных газов, а после накопления до определенного предела двигатель переводится на специальный режим работы при котором температура газов в системе выпуска резко повышается до 600 °C, что с учетом имеющегося с системе кислорода позволяет окислить сажу, после чего вывести наружу через выхлопную трубу. Для того, чтобы не подвергать фильтр DPF разрушающему воздействию высоких температур, некоторые производители покрывают его керамическую поверхность тонким слоем платины, выполняющей функцию катализатора. Инженеры концерна PSA (Peuqeot-Citroёn) предложили добавлять в дизельное топливо присадки на основе церия (Ce), что позволяет снизить температуру окисления сажи до 450 °C. А это вполне сопоставимо с обычной температурой выхлопных газов. В странах, где работают нормы Евро-5, с 2011 года на всех дизельных автомобилях установлены DPF-фильтры.
Низковольтный гибрид
Владельцам автотранспорта с двигателями на углеводородном топливе становится все сложнее втискивать существующие технологические решения в рамки непрерывно ужесточающихся экологических норм. Текущие тенденции все отчетливее определяют переход на гибридные решения. Одно из них на базе низковольтных гибридных схем (48В) предложила компания Bosch. И такие низковольтные системы уже в самом ближайшем будущем позволят “гибридизировать” многие существующие модели авто.
Несмотря на привлекательность предлагаемых инженерами инноваций с точки зрения экологического эффекта, конечная стоимость ДВС, да и самого автомобиля, “отягощенного” зелеными технологиями достаточно ощутимо возрастает. Поэтому, если описанная тенденция продолжится, в обозримом будущем использование двигателей внутреннего сгорания на фоне популяризации и совершенствования инфраструктуры электромобилей станет попросту неэффективным.
На этом всё, с вами был простой сервис для выбора сложной техники Dronk.Ru. Не забывайте подписываться на наш блог, будет ещё много интересного…
Спонсор поста кэшбэк-сервис LetyShops. Возвращайте деньги за любые покупки в интернете. Подробнее о том что такое кэшбэк-сервис читайте в нашей статье Выбираем кэшбэк-сервис на 6-летие Алиэкспресс