Нейтрализация отработавших газов в выпускной системе дизель­ных двигателей

3. Нейтрализация отработавших газов в выпускной системе дизель­ных двигателей

В дизельном двигателе (рис.10) топливо впрыскивается в цилиндр, уже наполненный рас­каленным сжатым воздухом и на образование "правильной" горючей смеси просто не остается времени. Даже при тончайшем распылении (для чего и повышают давление) не все микрочастицы топлива успевают обзавестись нужным количест­вом молекул кислорода - вот вам и сажа. Сни­жение температуры в цилиндре по бензиновому рецепту только ухудшает картину. Вообще, ос­новное противоречие дизеля, которое еще никто до конца не разрешил, - между снижением вы­бросов сажи и окислов азота: улучшая один параметр, неизбежно пор­тим второй.

Комплексная очистка отработавших газов дизеля

Современные комплексные системы очистки отработавших газов для дизелей состоят из каталитических и жидкостных нейтрализаторов, а также сажевых фильтров.

Сажевые фильтры

Фирмы, пропагандирующие экономичные легковые дизели, ради эко­логии пускаются во все тяжкие. Например, предлагают устанавливать дополнительные бачки с дорогими реактивами, снижающими темпера­турный порог разложения нако­пившейся в специальном нейтра­лизаторе сажи ("Пежо-607"). Вы­жечь, то есть окислить, нако­пившиеся в порах фильтра час­тицы можно лишь при достаточно высокой температуре, которой выхлопные газы правильно на­строенного дизеля не достигают. Даже если приказать управляю­щему двигателем контроллеру пе­риодически увеличивать подачу топлива, все равно градусов не хватает. Решение видели в до­бавке к солярке мочевины (прямо на АЗС) либо незначительного количества специального реа­гента, хранящегося в отдельном бачке (5 литров хватает на 80 000 км пробега). Это снижало температуру начала реакции гра­дусов на 100 и позволяло, обо­гатив смесь, очищать фильтр. Реализовать эти решения весьма сложно. Неудивительно, что бачки с реагентом прижились в основном на дорогих автомоби­лях, например, «Пежо-607».

В фильтрах нового поколения общий принцип остался прежним: за­держать и уничтожить. Но как добиться нужной для сгорания частиц сажи температуры? Во-первых, фильтр разместили сразу за выпускным коллектором. Во-вторых, через каждые 300-500 км пробега контроллер включает режим многофазного впрыска, увеличивая количество посту­пающего в цилиндр топлива. И, наконец, главное: поверхность фильт­рующего элемента покрыта тонким слоем нового катализатора, который дополнительно повышает температуру выхлопных газов до необходимых 560-600°С. Отдаленно это напоминает работу каталитической бензино­вой грелки для рыболовов.

Фильтрующий элемент состоит, как правило, из керамической (кар­бид кремния) микропористой губки. Толщина стенок между ее каналами не превышает 0,4 мм, так что фильтрующая поверхность очень большая. Иногда эту «губку» делают из сверхтонкого стального волокна, также покрытого но­вым катализатором. Набивка настолько плотная, что задер­живает до 80% частиц размером 20-100 нм.

Новые фильтры стали ак­тивно участвовать в управле­нии работой двигателя. Ведь режим обогащения включается по сигналу от датчиков давле­ния, установленных на входе и выходе фильтра. Когда раз­ность показаний становится значительной, компьютер вос­принимает это как признак за­купоренности «губки» сажей. А выжигание контролируют с по­мощью датчика температуры.

Активные фильтры уже поя­вились на дизельных моторах «мерседес-бенцев» С- и Е-классов (рис.12), в начале 2004 года приживутся в «Опеле-Вектра» (рис.11) и «Сигнум», «Рено-Вель Са-тис» (рис.13)... До 2006 года об экологии легковых дизелей производителям можно не беспокоиться. Но ведь 20% частиц пока попадают в воздух, а есть еще пылинки размером меньше 20 нм... Наверняка производители уже кол­дуют над новыми устройствами.

Система DRNR

"Тойота" разработала свою, не менее эффективную систему очи­стки, названную DPNR (рис.14). Она одно­временно обезвреживает и канцероген­ные частицы сажи, и про­сто вредные окислы азота (о СН и СО сегодня говорить уже стыдно – прой­денный этап). Главную роль играет новый микропористый керамический фильтр, покрытый слоем накапливаю­щего азот материала и катализатором на ос­нове платины. Во время работы дви­гателя на бед­ной смеси частицы сажи окисляются атомарным кисло­родом, освобождаю­щимся при соединении NO и О₂ из выхлопных газов в процессе накопле­ния NO₂.

Периодически, когда компьютер кратковременно обогащает смесь, эти частицы окисляются кислородом, возникающим теперь уже при раз­ложении накопленных окислов в безвредный азот.

DPNR показала снижение содержания сажи и NO_x на 80% по срав­нению с действующими сегодня нормами, но применима лишь для дизелей последнего поколения, работающих с системой "коммон рейл" высокого давления на топливе с пониженным содержанием серы.

Плазменный нейтрализатор

Один из альтернативных методов нейтрализации отработавших газов – использование низкотемпературной плазмы. Исследования в Японии, США и в... России привели к созданию экспериментальных образцов оборудования, ос­нованного на плазменных технологиях.

Что такое низкотемпературная плазма? Она состоит из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов, получен­ных в специальных устройствах при различных видах импульсных высоковольтных электрических разрядов (коронный, барьерный и др.), а также из нейтральных атомов и молекул.

Принципиальная схема одного из вариантов разрядного устройства показана на рис.15. Оно включает узел подвода отработавшего газа и масла 1, кварцевую стеклянную или керамиче­скую трубку 2, используемую в качестве ди­электрического барьера, и два электрода – центральный 3 и внешний 4 – в виде металличе­ской сетки из нержавеющей стали. В разрядное устройство подается ток от источника, форми­рующего импульс напряжения длительностью 250–350 мкс. Барьерный разряд возникает при элек­трическом напряжении 0,5–35 кВ и частоте сле­дования импульсов 50–2000 Гц.

Как происходит процесс нейтрализации га­зов в системе и очистка их от сажи? Отрабо­тавшие газы дизеля направляются в плазмохими­ческий реактор, предварительно пройдя сушку во влагоотделителе. В плазмохимическом реак­торе к этим газам "подмешивают" масло. Под действием электриче­ского разряда в трубках разрядного устройства частички сажи ак­тивно абсорбируют масло на своей поверхности. Для удаления сажи, частички которой находятся как бы в масляном коконе, используется маслоотделитель. Сажа собирается в специальный контейнер, а масло после дополнительной очистки в фильтре продолжает циркулировать по замкнутому контуру. Таким образом, удается обеспечить очень высо­кую эффективность поглощения частичек сажи – до 100% во всем диа­пазоне оборотов дизеля. Из маслоотделителя часть отработавших га­зов можно направить во впускной коллектор дизеля (рециркуляция). Это снижает содержание оксидов азота в выхлопе.

Физическая и химическая сущность явлений, происходящих под действием барьерного разряда в плазмохимическом реакторе, изучена пока недостаточно. Однако упрощенно процесс можно представить сле­дующим образом. При подаче напряжения в электроразрядное устрой­ство в нем создается неравновесная слабоионизированная низкотемпе­ратурная плазма, которая воздействует на отработавшие газы. В ре­зультате многостадийных химических реакций оксиды азота, серы и углерода разлагаются на нетоксичные молекулы кислорода, азота, серы и углерода. Одновременно происходит конверсия (превращение) оксида азота в его диоксид, который связывается радикалом ОН в азотную кислоту в виде аэрозоля. Аналогичные реакции протекают с диоксидом серы и оксидом углерода, приводя к образованию аэрозо­лей. Аэрозоли улавливают в достаточно простых электрофильтрах, обеспечивающих степень очистки до 98–99%.

Судя по лаконичным сообщениям зарубежной печати, в Японии про­ходит испытания микроавтобус, на котором установлен дизельный дви­гатель "Ниссан-LD 20" мощностью 48,5 кВт/66 л. с., оборудованный нейтрализатором с плазмохимическим реактором.

По предварительным расчетам, плазменная очистка обойдется в 1,5–2 раза дешевле, чем в существующих многокомпонентных устройст­вах. Не требуется использовать благородные металлы, значительно увеличивается ресурс систем нейтрализации, сокращается время на их техническое обслуживание. Однако к промышленному выпуску плазмохи­мических реакторов (а значит, их широкому использованию) можно бу­дет перейти, когда удастся сократить затраты мощности на электро­питание реактора. В опытных и экспериментальных системах они дос­тигают 4–5% и более от мощности дизеля.

Обратная связь дизеля

Компания Bosch, которая в 1976 году представила миру свой пер­вый лямбда-зонд для бензиновых двигателей, недавно создала анало­гичный узел и для дизельных моторов. Напомним, лямбда-зонд – это датчик, измеряющий содержание кислорода в отработавших газах авто­мобиля. Его внедрение позволяет оптимизировать топливоподачу в ци­линдры, благодаря чему снижается токсичность отработавших газов и уменьшается расход топлива, увеличиваются мощность и крутящий мо­мент мотора, а также улучшаются его пусковые характеристики.

Кроме того, лямбда-зонд вместе с электронной системой впрыска обеспечивают работу каталитического нейтрализатора отработавших га­зов, который выполняет свою функцию только при четком соблюдении пропорций состава топливовоздушной смеси.

Сегодня, когда системы питания дизелей управляются электрони­кой, а их механические ТНВД остались в прошлом, лямбда-зонд пришел на службу и этим моторам. Получая данные о количестве кислорода в выхлопе, электронные «мозги» современных дизелей корректируют ра­боту системы рециркуляции отработавших газов, определяют оптималь­ное время впрыска топлива и давление наддува (рис.16). Системы пи­тания с лямбда-зондом особенно эффективны в режиме полных нагрузок, когда увеличивается склонность к дымообразованию. «Бошевский» дат­чик кислорода будет использоваться и в накопительных катализаторах для измерения содержания окисей азота (NO_X). Планируется, что уже к концу этого года «лямбда-регулирование» будет внедрено на многих современных дизелях.

Система SCR

Совсем скоро, в октябре 2005 года, в странах Евросоюза для ав­томобилей начнут действовать более строгие экологические нормы Евро 4, которые сменят ныне действующие Евро 3. И сегодня мировые авто­производители активно работают над тем, чтобы сделать выхлоп двига­телей как можно чище.

В то же время необходимо считаться с покупателем, для которого важно, чтобы автомобиль был относительно дешев и прост в эксплуата­ции. Все это требует эффективных и вместе с тем недорогих систем. Специалисты DaimlerChrysler создали одну из них – SCR (Selective Catalytic Reduction, что можно перевести как «селектив­ный каталитический преобразователь»).

Принцип действия системы SCR (рис.17) заключается в химической реакции аммиака с окисью азота выхлопных газов, в результате кото­рой образуются безвредный азот и водяной пар.

Здесь, правда, возникает один вопрос: а как перевозить на ав­томобиле аммиак – довольно токсичное вещество? Известный концерн Total в свое время создал безопасный заменитель аммиака, разрабо­танный на водной основе и соответствующий стандартам DIN 70070. Сегодня он широко применяется в сельском хозяйстве, текстильной промышленности, а также при изготовлении косметики и парфюмерии. Данная жидкость – совершенно не токсичная, без цвета и запаха – в «автомобильном» исполнении называется AdBlue.

Селективный преобразователь состоит из двух основных узлов: непосредственно каталитического нейтрализатора с сотовой структу­рой, вмонтированного в глушитель автомобиля, и дополнительного бака под аммиачный заменитель AdBlue. Так что установка системы SCR на автомобили с моторами Евро 3 не потребует кардинального из­менения их конструкции.

Средний расход «голубой» жидкости – около 6% от потребляемого автомобилем дизтоплива: например, для магистрального тягача он со­ставляет около 2 л на 100 км. Таким образом, 100-литрового бака с AdBlue хватит на 5000 км пути.

Двигатель оснащается дополнительным модулем, совмещенным с электронной системой управления мотором, который точно дозирует количество жидкости AdBlue, подаваемой в выпускной коллектор.

Но это еще не все. Очень важно, что моторы с системой SCR су­щественно экономичнее: например, на дальнобойных грузовиках расхо­дуется на 30% меньше топлива. А чем выше экономия – тем меньше со­держание вредных веществ в выхлопных газах.

Работы над технологией очистки SCR были начаты еще в 90-е гг. Сегодня система практически готова к серийному производству. Осна­щать грузовики и автобусы Mercedes-Benz системой SCR должны начать в I-м полугодии 2005 года, с тем, чтобы к октябрю 2006 года – пре­дельному сроку перехода на Евро 4 – все вышеуказанные машины марки имели селективный преобразователь выхлопных газов. После небольшой модернизации системы SCR оснащенные ею дизельные моторы будут со­ответствовать экологическим нормам Евро 5, введение которых наме­чено на октябрь 2008 года.

Однако нужно решить еще одну важную проблему – создать раз­ветвленную сеть специальных АЗС, на которых можно будет заправ­ляться «голубым» топливом AdBlue. Концерн Total и другие произво­дители уже активно работают над этим. Результат не заставил себя долго ждать: 26 ноября 2003 года в Штутгарте была торжественно от­крыта первая автозаправочная станция AdBlue. Пока на ней будут за­правляться только проходящие испытания с системой SCR автомобили Mercedes-Benz.

Заключение

Увы, нам пока не до таких нюансов, как токообогрев нейтрализа­торов или индивидуальный контроль сгорания с помощью специальных датчиков в каждом из цилиндров. Россия по уровню автомобильной техники находится сейчас на пороге первой фазы эры нейтрализации — нам надо хотя бы внедрить нейтрализаторы на отечественные автомо­били. Как это было сделано 30 лет назад в Америке и Японии, при­дется правительственными решениями "закрутить гайки" всем без ис­ключения автозаводам и принудить их к выпуску автомобилей, отве­чающих реально выполнимым экологическим требованиям. Правда, от этого немедленно пострадаем мы, покупатели, — ведь автомобили с впрыском и нейтрализатором немедленно станут дороже!

А еще надо обязательно решить проблему с этилированным и не­чистым, с большим количеством вредных примесей, бензином — иначе нейтрализаторы будут очень быстро терять свои способности. И пере­оборудование для этой цели нефтеперерабатывающих заводов по всей стране — это тоже вопрос государственного уровня.

Помимо этого, есть еще масса проблем. Оборудовать ли нейтрали­заторами те автомобили, что уже выпущены? В Соединенных Штатах, например, разрешено эксплуатировать старые карбюраторные машины — это позволяет высокая скорость обновления автопарка. В Германии это тоже разрешено, но владельцы машин без нейтрализаторов платят больший налог. И стремятся от них побыстрее избавиться.
У нас же автомобиль служит до тех пор, пока не сгниет второй кузов и не застучит после четвертой переборки мотор. А как будут обра­щаться с нейтрализаторами гаражные умельцы, уверенные в том, что "катализаторы" сильно ухудшают динамику и экономичность? Будут пробивать их ломом или вырезать из выпускного тракта?
Словом, пока у внедрения нейтрализаторов в России больше врагов, нежели сторонников. Но — "иного нет у нас пути"!

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА:

1.  Аркадий Алексеев, Михаил Козлов. «Экологический триптих». «За рулем» №6, 1998

2.  Леонид Голованов. «Дышать! Лучше поздно, чем никогда». «Авто­ревю» №1, 1998

3.  Алексей Воробьев-Обухов. «Освежить дыхание». «За рулем» №12, 2000

4.  Юрий Дацик. «Дизельный лямбда-зонд». «Автоцентр» №47, 2002

5.  Алексей Воробьев-Обухов. «Задержать и уничтожить». «За ру­лем» № 12, 2003

6.  Юрий Гоголев. «Будут сверхчистые Mercedes». «Автоцентр» №6, 2004

7.  Алексей Воробьев-Обухов, Витольд Стрелков. «Плазматрон-нейтра­лизатор». «За рулем» №3, 2001

8.  Владимир Корницкий. «Катализаторы с обратной связью». «Авто­центр» №49, 2002

9.  Алексей Воробьев-Обухов. «Датчик кислорода на дизеле». «За ру­лем» №9, 2002

10. Юрий Макаров. «Нейтрализатор или наше будущее?». «За рулем» №7, 1997

11. Михаил Гзовский. «Твердый курс ЕВРО». «За рулем» №5, 2002

12. Сергей Мишин. «Дышите глубже – мы в Европе». «За рулем» №11, 2000

13. Игорь Мельников. «Не пора ли очиститься?» «Автопрофи» №23, 2003

14. Оксана Сердюк. «Экология и автомобилестроение». «Автостан­дарт» №4, 2004

15. Николай Казаков, Ирина Масленникова. «Экологическая безопас­ность транспорта». «Автобизнесмаркет» №14, 2004