Экология

За счет каких же мер предполагается обеспечить соответствие дизельных двигателей внедорожных машин ужесточающимся нормам Stage/Tier?

Существует две принципиальных технологии снижения уровня токсичности ОГ: либо рециркуляция ОГ (англ. EGR), либо селективная каталитическая нейтрализация – технология с использованием раствора мочевины AdBlue (SCR). Для краткости мы будем использовать принятые и известные во всем мире английские аббревиатуры, указанные выше.

При использовании технологии EGR часть ОГ направляется в систему впуска (часто с промежуточным охлаждением) и снова попадает вместе с воздухом в камеру сгорания. В результате температура сгорания уменьшается, и оно происходит при недостатке воздуха. В таком процессе окислов азота в ОГ образуется меньше, чем при обычном сгорании. Правда, такой способ интенсифицирует образование сажи, а также газообразных СО и СН. Эти вещества должны потом нейтрализоваться в системе выпуска.

При использовании технологии SCR в систему выпуска впрыскивается реагент AdBlue, представляющий собой раствор мочевины. Реагент испаряется в горячих ОГ, и из него выделяется аммиак NH₃. Затем в каталитическом нейтрализаторе аммиак вступает в реакцию с окислами азота, в результате образуется нейтральный азот и водяной пар (NH₃ + NO_x = N + H₂O).

Недостатки системы нейтрализации SCR – это зависимость от источников заправки реагентом AdBlue, необходимость возить с собой кроме топливного бака еще и бак с мочевиной, к тому же AdBlue – токсичная и коррозионно-активная жидкость, при работе с которой требуется соблюдать строгие меры техники безопасности, AdBlue замерзает при -11 °С, что создает большие трудности в зимний период.

До недавнего времени считалось, что технологию EGR предпочитают в США, тогда как SCR преимущественно используется европейскими машиностроителями. Однако в последнее время все больше американских производителей используют SCR, а европейцы применяют EGR. Это происходит по той причине, что обе технологии имеют недостатки и с целью уйти от них производители машин обращаются к альтернативной технологии.

При использовании любой из технологий, EGR и SCR, ОГ должны очищаться в системе выпуска. Причем во всех современных системах очистки ОГ в системе выпуска традиционно сажевый фильтр располагается перед каталитическим нейтрализатором, хотя специалисты отмечают, что такой порядок не обязателен.

 

ОГ дизельных двигателей в системе выпуска очищаются от сажи при помощи сажевых фильтров различной конструкции. Во-первых, существуют сажевые фильтры с так называемой «активной регенерацией», в которых накопившуюся со временем сажу выжигают во время специального процесса регенерации – в систему выпуска автоматически впрыскивается дизельное топливо, автоматика увеличивает обороты холостого хода двигателя (либо двигатель работает с полной нагрузкой). За счет горения топлива температура ОГ повышается до 600 ºС. Такие системы устанавливаются на машинах, часто работающих с небольшими нагрузками и остановками, у них температура ОГ невысока и поэтому сажа в фильтре не может выгорать самостоятельно. Фильтры данного типа неудобны тем, что машина должна иногда прерывать работу, чтобы выполнить регенерацию фильтра. К тому же на сжигание сажи затрачивается топливо.

Например, немецкая компания HJS Fahrzeugtechnik GmbH & Co KG разработала модульную фильтрующую систему с активной регенерацией SMF^®-AR для машин, которые работают с частыми остановками и медленным движением. В системе SMF^®-AR благодаря подаче топлива сажа в фильтре может выжигаться практически на любом режиме работы дизеля, независимо от температуры ОГ. Время и объем подачи топлива регулирует электронная система управления.

Существуют также сажевые фильтры с непрерывной регенерацией. В них сажа выжигается постоянно и самопроизвольно, без впрыска дополнительного топлива. Такие фильтры удобнее – не нужно прерывать работу на регенерацию. Однако условием регенерации является высокая температура ОГ (не менее 350-500 ºС, с каталитическим покрытием 220 ºС), а достигнуть ее можно только при работе двигателя на режимах высоких нагрузок. Поэтому фильтры с постоянной регенерацией обычно устанавливают на машины, которые постоянно работают почти с полной нагрузкой.

Так, компанией MAN Nutzfahrzeuge Gruppe разработан сажевый фильтр с непрерывной регенерацией PM-KAT^®, оснащенный оригинальным фильтрующим элементом из металлокерамических волокон. PM-KAT^® предназначен для двигателей, оборудованных системой рециркуляции ОГ EGR. Он работает совместно с окислительным конвертором. В окислительном конверторе на платиновом покрытии оксид азота NO окисляется до двуокиси NO₂. Далее в сажевом фильтре сажа (углерод) вступает в реакцию с двуокисью азота NO₂, в результате образуется СО₂ и NO. Химические процессы в PM-KAT^® проходят без потребления внешней энергии. Как утверждают специалисты MAN, PM-KAT^® практически не засоряется и не требует технического обслуживания. PM-KAT^® позволяет уменьшить уровень содержания NO_x в ОГ на 60% и задерживает до 80-90% сажи.

Также специалистами MAN разработана система CRTec – сажевый фильтр с непрерывной регенерацией и электронным управлением, связанным с электронным блоком управления (ЭБУ) двигателя. Благодаря электронному управлению температура ОГ двигателя регулируется вблизи оптимальных для работы сажевого фильтра значений. С помощью CRTec токсичность ОГ снижается до уровня требований стандарта EEV (выше Euro V).

Немецкая компания Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH создала сажевый фильтр с непрерывной регенерацией PM-METALIT^®. Инженерами Emitec разработаны металлические фильтрующие элементы оригинальной конструкции, благодаря которой в потоке ОГ возникают турбулентные завихрения, что увеличивает интенсивность химической реакции и позволяет уменьшить размер фильтра.PM-METALIT^® не нуждается в техобслуживании, задерживает более 80% частиц сажи. Сажа окисляется в PM-METALIT^® не в результате горения, а при помощи химической реакции. Этот фильтр работает совместно с окислительным конвертором. Когда NO₂ (поступающая из окислительного конвертора) контактирует с сажей, в результате химической реакции образуется углекислый газ, азот и водяной пар (NO₂ + СН -> СО₂ + N + Н₂О).

Замеры, выполненные на фильтрах PM-METALIT^®, прошедших по 500000 км, показали, что их эффективность не уменьшилась. Ни одного случая выхода из строя фильтра PM-METALIT^® не отмечено.

Основная часть всех систем очистки ОГ в системе выпуска, разработанных компанией HJS Fahrzeugtechnik GmbH & Co KG, это сажевые фильтры с элементами из спеченного металлического порошка SMF^® – надежные и требующие минимального технического обслуживания. Эти фильтры с непрерывной регенерацией задерживают до 99% сажи, содержащийся в ОГ. Благодаря этому двигатели, оборудованные такими фильтрами, могут соответствовать стандарту EEV, более высокому, чем Euro V. Фильтры SMF^® способны накапливать в 3-4 раза большее количество золы (продукта сгорания сажи) по сравнению с обычными керамическими фильтрами, благодаря тому что их «карманообразная» конструкция в принципе не может засоряться. Благодаря этому существенно увеличивается пробег между техническими обслуживаниями – чисткой фильтра (до нескольких лет), даже если двигатель не новый и потребляет увеличенное количество масла. На поверхности фильтра SMF^® может быть нанесен катализатор для интенсификации процесса регенерации и снижения температурного порога работоспособности.

 

Кроме сажи основными токсичными составляющими ОГ дизельных двигателей являются окислы азота NO_x, СО и газообразные СН. Они нейтрализуются (разлагаются, в результате чего образуется безвредный азот, СО₂ и пары воды) в системе выпуска при помощи каталитических нейтрализаторов. Нейтрализатор представляет собой агрегат наподобие глушителя, внутри которого находится «носитель» – обычно сотовая или пористая конструкция из керамического или иного материала, поверхность которого покрыта веществом – катализатором химической реакции разложения токсичных составляющих. ОГ проходят через нейтрализатор, и уровень их токсичности снижается.

Сажевые фильтры также могут выполнять нейтрализацию некоторых токсичных составляющих ОГ либо окисления сажи – по сути, сжигание без огня. С этой целью поверхность фильтрующего элемента покрывают жаростойким катализатором (что, понятно, сложно и недешево).

Реакция в нейтрализаторе идет при температуре 300-800 ºС. Если температура опустится до 250 ºС – реакция прекращается, а если поднимается выше 900 ºС – может выйти из строя (сгореть) каталитическое покрытие.

Каталитический нейтрализатор – агрегат весьма хрупкий в прямом и переносном смысле. От механических ударов его носитель может разрушиться. Катализатор может быть отравлен соединениями серы, содержащимися в топливе, особенно сульфатами аммония (NH₄)₂SO₄. Поэтому заправка машины высокосернистым топливом (характерным для России) может привести к отказу нейтрализатора. В некоторых системах перед нейтрализатором устанавливается агрегат, выполняющий десульфатацию ОГ, – окислительный конвертор, либо десульфатация происходит на каталитическом покрытии элемента сажевого фильтра. Нейтрализатор может выйти из строя в результате ошибочной заправки топлива в бак для мочевины. В результате заправки в этот бак чистой воды или сильно разбавленного раствора мочевины нейтрализатор не выйдет из строя, но его эффективность сильно уменьшится.

Инженерами Emitec разработаны металлические носители для катализаторов. Благодаря особой конструкции носителя в нейтрализаторе создаются турбулентные завихрения в потоке ОГ, что увеличивает интенсивность химической реакции и позволяет уменьшить размер нейтрализатора. Объем сажевого фильтра и нейтрализатора SCR может составлять 1,5-2 рабочих объема двигателя, поэтому компоновка систем очистки на дорожно-строительных машинах, где обычно практически нет свободного места, – дело очень непростое. Решение предлагает Emitec: SCRi^® – самая компактная система очистки ОГ из предлагаемых в настоящее время на рынке.

В ряде случаев благодаря доводке процесса впрыска и сгорания топлива токсичность ОГ двигателя настолько низка, что для соответствия нормам Stage достаточно лишь сажевого фильтра (без какого-либо каталитического нейтрализатора). С другой стороны, возможно и применение одной системы SCR без сажевого фильтра. Все зависит от изначального уровня токсичных составляющих в ОГ, покидающих камеру сгорания двигателя, который, в свою очередь, зависит от того, как организован процесс сгорания в двигателе.

Например, специалистами MAN разработан окислительный нейтрализатор Oxi-KAT^®, разлагающий NO_x. Данный фильтр предназначен для двигателей MAN с EGR, у которых низкий уровень содержания сажи в ОГ обеспечивается применением системы впрыска высокого давления и двухступенчатого турбонаддува, и поэтому не нуждающихся в установке сажевого фильтра.

 

Как видно из приведенных выше примеров, многие компании предлагают нейтрализаторы и сажевые фильтры с металлическими или металлокерамическими носителями (элементами). Дело в том, что керамические носители массивны и медленно прогреваются, а пока нейтрализатор (и сажевый фильтр) не достигнет рабочей температуры, реакция не идет, и в период прогрева токсичность ОГ двигателя выше всех норм. Именно на режиме прогрева образуется до 80% всех токсичных веществ. Металлические носители прогреваются быстрее, однако они дороже керамических в среднем на 30-40%.

Некоторые компании предлагают устройства, позволяющие быстро прогревать нейтрализаторы и сажевые фильтры. Компания Emitec разработала электрическую систему подогрева EMICAT^® довольно давно. В настоящее время эта система переживает подлинный ренессанс и вновь предлагается потребителям. EMICAT^® – это нейтрализатор со встроенным электрическим нагревателем в виде металлической пластины, скрученной в спираль и изолированной от корпуса агрегата. Нагреватель EMICAT^® может также служить для регенерации сажевого фильтра, он надежен и не нуждается в обслуживании. В отличие от проволочных нагревателей, пластинчатый в принципе не может перегореть. К тому же спираль служит перегородкой, улучшающей перемешивание и распределение ОГ в корпусе нейтрализатора.

 

Особняком от прочих систем очистки ОГ стоит конструкция, разработанная американской корпорацией Eaton. Ею предложена оригинальная система удаления NO_x и сажи из ОГ в системе выпуска, работающая по технологии SCR, но без раствора мочевины AdBlue! Эта система, по словам специалистов Eaton, более эффективна и экономична, чем системы очистки ОГ других фирм. Она включает в себя:

– оборудование, дозирующее топливо;

– риформер, преобразующий топливо;

– фильтр, задерживающий NO_x (LNT);

– сажевый фильтр;

– каталитический нейтрализатор.

В системе, разработанной Eaton, аммиак образуется в самом устройстве непосредственно в автомобиле. В результате система обеспечивает очень высокий уровень очистки ОГ и при этом весьма удобна: заправлять автомобиль мочевиной не нужно, не нужен бак для мочевины.

Фильтр LNT захватывает NO_x. Когда фильтр насыщается окислами азота, дозатор впрыскивает дизельное топливо в поток ОГ перед риформером. Риформер разлагает топливо на водород и окись углерода СО – эти продукты в нефтепереработке называют реформатом или продуктами риформинга. Также в результате риформинга образуется тепло, необходимое для регенерации сажевого фильтра. В LNT продукты риформинга вступают в реакцию с NO_x и начинается процесс регенерации, в ходе которого NO_x разлагается на азот, аммиак (NH₃) и водяной пар (NO_x + СН_x – N + NH₃ + H₂O).

После фильтра LNT поток ОГ попадает в сажевый фильтр, в котором задерживаются и сжигаются частицы несгоревших углеводородов. Последним в системе расположен каталитический нейтрализатор SCR, который задерживает аммиак и использует его в постоянно протекающем процессе разложения оставшихся окислов азота NO_x.

В настоящее время Eaton работает с различными компаниями – производителями коммерческих автомобилей, дорожно-строительной, сельскохозяйственной и другой техники по внедрению своей разработки.