|
|
| |
|
|
|
|
|
|
| |
Дизельный двигатель автомобиля и окружающая среда. |
|
| |
| |
В то время, когда в течение многих лет велась интенсивная разработка более или менее перспективных приводных систем, двигатель внутреннего сгорания, которому уже больше ста лет, только недавно показал свой огромный потенциал развития. Этот потенциал включает в себя новые разработки в оптимизации процессов сгорания и улучшения состава топлива и смазок. Как один из участников соревнования между типами двигателей, дизельный двигатель достиг уровня развития, являющегося очень близким к теоретическим значениям эффективности, благодаря новым разработкам в области подачи топлива. И именно успехи, достигнутые в области воспламенения от сжатия, в свою очередь, стимулируют продолжающееся развитие легкотопливных двигателей с искровым воспламенением рабочей смеси, например, совершенствование непосредственного впрыска бензина. Благодаря более эффективному формированию смеси, два типа двигателей отвечают одинаковым требованиям, однако благодаря большей эффективности, дизельный двигатель остается более экономичным источником энергии. Несмотря на все эти преимущества, дизельный двигатель вынужден постоянно бороться против предубеждений. Хотя уже сегодня этот тип двигателей больше не рассматривается как шумный и вялый, остается устойчивое предубеждение, основанное на том, что автомобили с воспламенением от сжатия производят большее количество вредных составляющих отработавших газов, чем автомобили, работающие на легком топливе. Однако, по этому поводу, в последнее время появились новые результаты и новые авторитетные мнения, которые должны быть рассмотрены при оценке загрязнения окружающей среды.
С переходом к высоким давлениям впрыска топлива, используя такие современные системы впрыска, как насос-форсунки, Common Rail, насосные секции PLD, были получены данные, достаточные для ответа на следующие вопросы:
- как должны оцениваться, согласно текущим аспектам, число и размер частиц, содержащееся в выхлопном газе дизельного двигателя? Разрушат ли новые разработки старые предубеждения против дизельных двигателей?
- какие усовершенствования для изменения состава отработавших газов допускаются внутренними ресурсами двигателя, и будут ли усовершенствования достаточно быстрыми для удовлетворения будущих стандартов эмиссии?
- какие применяются дополнительные меры очистки отработавших газов, для обеспечения развития технологии?
Несомненно то, что дизельный двигатель останется обязательной частью будущего развития двигателей внутреннего сгорания. Причиной этому является то, что без дизельных двигателей не может быть достигнуто сокращения эмиссии CO2, заявленных перспективными нормами токсичности отработавших газов, и сокращение топливного потребления двигателей.
Поэтому все производители двигателей внутреннего сгорания уже сейчас работают над последовательным достижением будущих стандартов эмиссии отработавших газов.
|
|
| |
Что такое частицы в отработавших газах и как они формируются?
Жидкие или твердые непосредственные составляющие в воздухе имеют различное происхождение. Типичные источники частиц, вызванные хозяйственной деятельностью в промышленных странах, включают частные домашние хозяйства (32 процента) и промышленность (31 процент). Дизельные двигатели, работающие на транспортных средствах всех видов, производят около 20 процентов от частиц, обнаруживаемых в промышленных странах, но только 2 процента могут быть приписаны легковым автомобилям с дизельными двигателями. Благодаря все более и более строгим требованиям к составу выхлопных газов, эмиссии частиц от дизельных двигателей были уменьшены на 90 процентов, начиная с 1970 года. И, с введением норм Euro-4 , даже это маленькое количество уменьшено еще на 50 процентов.
Высокое содержание сажи 20 - 90% , является типичным для частиц в эмиссии дизельных двигателей. Частицы сажи сформированы в так называемой газовой стадии и вызваны неполным процессом сгорания.
Если рассматривать более подробно, то частицы различного размера и форм формируются из первоначальных молекулярных структур под влиянием химических и физических процессов, главным образом под влиянием местного состава топливно-воздушной смеси и фактической температуры.
Подозрения, что увеличение давления впрыска топлива могло формировать меньшие частицы, благодаря уменьшению размера топливных капель, (что породило бы очередную проблему с их очисткой ввиду особого вреда для здоровья человека) не подтвердились. Частицы нано-размера, которые обнаруживаются в отработавших газах дизельных двигателей, и которые меньше чем 0.05 микронов (0.00005 миллиметров) являются, главным образом, продуктом, сформированным из серы, которая все еще входит в состав дизельного топлива. Они отличаются от существенно большего количества "обычных частиц", которые имеют размер приблизительно 0.1 микрона.
Результаты исследований, предоставленные различными независимыми институтами, и изготовителями автомобилей по этой теме, могут быть обобщены следующим образом:
- Большинство частиц в дизельной эмиссии имеют размер от 0.05 до 0.18 микрона. Несомненным фактом стало то, что равные количества больших и меньших частиц находятся в отработавших газах, независимо от того, для какого дизельного двигателя производились измерения. Это распределение размера одинаково как для старых процессов сгорания, так и для современных систем с высоким давлением впрыска. Этот факт лишает основания самое современное предубеждение, основанное на предположении, что увеличение давления впрыска приведет к увеличению частиц меньшего размера, которые более вредны для человеческих легких.
- Количество и масса частиц будет падать пропорционально, в соответствии с новыми стандартами эмиссии. Другими словами, чем ближе автомобиль к следующему стандарту Euro , тем более низкая масса и число частиц в его выхлопном газе.
- Количество частиц, которые попадают в атмосферу, нормируется законодательством. Не имеется никаких методов слежения за распределением частиц в атмосфере. Следовательно, в настоящее время не имеется достаточных знаний о поведении частиц в воздухе, который мы вдыхаем.
|
|
| |
Оценка риска здоровья, вызываемого частицами - наиболее спорная тема в обсуждении состава отработавших газов. И должны быть найдены ответы на следующие вопросы:
Частицы в составе эмиссии дизельного двигателя представляют угрозу нашему здоровью? Если так, до какой степени?
В течение более 40 лет ведется исследование влияния частиц сажи на здоровье, чтобы выяснить, могли ли бы они быть причиной рака легких. Исследования ведутся в двух направлениях: токсикологические испытания на животных и статистические исследования групп людей.
Каким образом можно уменьшить выброс вредных веществ в выхлопных газах дизельного двигателя?
Несмотря на все спорные обсуждения, которые имеют место относительно сокращения вредных составляющих в выхлопном газе транспортного средства, изготовители двигателей, должны, тем не менее, руководствоваться фактической ситуацией. В случае с дизельными двигателями, сегодня нормы эмиссии определены значениями предела, установленными в стандарте Euro 4, который введен в действие в Европейском сообществе с октября 2006 года. Однако не за горами ввод в действие и следующего, ещё более жесткого стандарта Euro 5. По этой причине производители автомобилей продолжают работу в направлении соответствия с этими юридическими требованиями, используя все доступные технологии и инженерные разработки.
В сравнении с двигателями, работающими на легком топливе, дизельный двигатель не является лидером в исполнении норм по снижению токсичности выхлопных газов в силу того, что способы снижения содержание оксидов азота (NOx) и частиц пока не совершенны, что ограничивает возможности форсирования дизельных двигателей. Хотя, надо заметить, переход на использование насос-форсунок, систем Common Rail и PLD привел к значительному шагу вперед в продолжающемся сокращении объема частиц сажи в выхлопных газах, поскольку многочисленными исследованиями было доказано, что число и объем частиц сажи в отработавших газах дизельного двигателя снижается с ростом давления впрыска топлива.
С точки зрения текущих исследований, возможно определить пять задач, решение которых приведет к более чистому выхлопу:
- внутри двигателя:
- дальнейшая оптимизация процессов сгорания, процесса впрыска и рециркуляции выхлопных газов;
- после двигателя:
- более эффективный окисляющий каталитический конвертер;
- использование дополнительного фильтра частиц;
- эффективная повторная обработка отработавших газов, для удаления NOx включающая в себя NOx - катализатор или и систему SCR (селективной каталитической очистки NOx);
- Доступность топлива с низким содержанием серы;
Рассмотрим эти задачи более подробно.
|
|
| |
Оптимизация процесса сгорания
Использование четырех клапанов на цилиндр двигателя привело, благодаря улучшению наполнения цилиндра, к значительному увеличению мощности, при одновременном снижении токсичности отработавших газов. Основные особенности камеры сгорания с четырьмя клапанами - возможность размещения форсунки по центру цилиндра вертикально, что позволяет добиться симметричного формирования рабочей смеси, а также специальная конфигурация камеры сгорания в днище поршня, способствующие эффективному процессу сгорания. Эти элементы гарантируют лучшее формирование рабочей смеси и оптимизированное сгорание. Более благоприятное преобразование энергии также дает возможность получить более высокую мощность от двигателя, и уменьшить потребление топлива, что приведет к уменьшению количества вредных веществ в отработавших газах.
Однако всё здесь обстоит не так просто. Мероприятия по сокращению оксидов азота NOx неизбежно приводят к увеличению выброса сажи и расхода топлива. Наоборот, сокращение расхода топлива ведет к увеличению уровня эмиссии NOx.
При сгорании дизельного топлива путем самовоспламенения в гетерогенной среде из воздуха и топлива температура в камере сгорания достигает 2.400 С. При таких температурах и образовываются оксиды азота. Для снижения температуры в камере сгорания используется рециркуляция выхлопных газов, часть которых возвращается, смешиваясь с поступающим в цилиндры воздухом, тем самым, снижая в нем содержание кислорода, что приводит к снижению температуры сгорания рабочей смеси и уменьшению образования оксидов азота NOx.
|
|
| |
| |
Оптимизация впрыска топлива
Электронное управление подачей топлива в современных топливных системах наряду с повышением давления впрыска не только поднимает среднее эффективное давление двигателя и увеличивает его мощность и крутящий момент, но и приводит к сокращению массы сажи и других вредных компонентов в отработавших газах дизельных двигателей.
Возможность динамического управления фазами впрыска позволяет увеличить эффективное давление более чем на 30 процентов по сравнению с обычными механическими системами первого поколения, что значительно уменьшает эмиссию частиц.
В то же время, оптимизация сгорания и впрыска дает возможность двигателям, выполняющим нормы Euro 3 исполнять стандарт Euro 4.
Дальнейшие возможности сокращения эмиссии могут быть найдены, например, в переходной стадии, уменьшая внутренние потери двигателя на трения между рабочими частями, потреблением масла и температурным распределением, в использовании улучшенного окисляющего каталитического конвертера, в усовершенствованиях топлива и качества смазки, которые уже были упомянуты и в оптимизированном управлении двигателем.
|
|
| |
| |
|
|
| |
Следующий шаг вперед - разработка и совершенствование системы повторной обработки отработавших газов совместная с системой управлением двигателем. Другими словами, двигатель и повторная обработка отработавших газов больше не будут работать как независимые системы.
Управление новой системы даст возможность регулировать состав и температуру выхлопного газа дизельного двигателя согласно требованиям системы повторной обработки. Этот новый принцип делает повторную обработку выхлопного газа одним из ответственных параметров в управлении двигателем.
|
|
| |
| |
Новый фильтр частиц
Основной проблемой фильтров частиц, при большом времени использования - потребность восстанавливать их. Хотя они извлекают почти все частицы сажи из потока выхлопного газа, они перестают работать уже после нескольких часов интенсивного функционирования и вызывают сбои в работе двигателя.
По этой причине, наиболее известные системы фильтров частиц очищаются при температуре более чем 500°С, на момент когда фильтр почти полный. Такие циклические системы, однако, имеют такой недостаток как высокая тепловая нагрузка на компоненты, а также неспособность избежать более высоких показателей выброса вредных веществ в течение стадии регенерации. Кроме того, серьезная нагрузка на фильтр приводит к нежелательному увеличению потребления топлива.
Существуют, однако, и системы, действующие непрерывно. Такую систему используют на автомобилях концерна VAG. Эта "Активная CRT Система " не использует кислород общепринятым способом, а работает с диоксидом азота (NO2). Чтобы гарантировать, что CRT система может действительно работать непрерывно, требуется рабочая температура более 300°C. Она может быть достигнута, например, электрическим нагреванием, или умеренной формой подвпрыска, требующего небольшой расход энергии.
В более низком диапазоне нагрузки, накопление частиц отфильтрованной сажи происходит до точно определенного порогового значения, представляющего 30 процентов от полной вместимости фильтра. В этой точке начинается активная функция CRT.
|
|
| |
| |
|
|
| |
Окисляющий каталитический конвертер, который расположен близко к двигателю, очищает выхлопной газ, дожигая CO и HC, так, чтобы NO2, необходимый для дожигания сажи мог быть применен с высокой эффективностью во втором каталитическом конвертере. Если нагрузка ниже 20 процентов от вместимости фильтра, активная функция CRT не активизируется. Параметры управления разница давлений до и после фильтра, а также температуры должны быть надежно определены, ибо они играют существенную роль в правильной работе "Активной CRT Системы".
Так как дизельное топливо, в настоящее время представленное на рынке все еще имеет высокое содержание серы, каталитические конвертеры страдают от постепенного серного загрязнения, которое оказывает неблагоприятный эффект на функцию CRT что постепенно приводит к повышению уровня частиц сажи в фильтре.
Чтобы гарантировать эффективное действие в этих обстоятельствах, "Активная CRT Система" дает команду на дополнительный подвпрыск топлива таким образом, чтобы температура отработавших газов повысилась в течение короткого времени более чем до 500°C, то есть до температуры, в которой сажа в фильтре выжигается кислородом (O2). В то же самое время, это значительное увеличение температуры оказывает эффект очистки от налета серы в каталитических конвертерах. Применение дизельного топлива без содержания серы, позволило бы обходиться без увеличения температуры, которая способствует увеличению эмиссии и увеличило бы эффективность активной функции CRT.
Чтобы достичь стандарта Euro-4, даже ' Активный CRT ' метод недостаточен. Газообразные окиси азота (NOx) , на больших транспортных средствах, также должны быть понижены с помощью дополнительной обработки.
|
|
| |
| |
|
|
| |
Для достижения стандарта Euro-4 MAN Nutzfahrzeuge на своих грузовых автомобилях использует технологию, называемую PM-CAT и представляющую собой симбиоз из системы рециркуляции выхлопных газов EGR и фильтра частиц PM-KAT (PM - particular Matter). Преимущество системы, выбранной MAN, состоит в том, что для нее не требуется какой-либо дополнительный реагент, занимающий место и уменьшающий перевозимый транспортным средством груз. Конструкция PM-KAT позволяет разместить его в глушителе, изготовленном из нержавеющей стали. Размеры нового глушителя соответствуют размерам глушителей, устанавливаемых на автомобили с двигателями Euro-III, а масса увеличивается только на 10 кг.
В двигателях Euro-IV приблизительно 20% отработавших газов отбираются из главного потока. После этого они проходят через охладитель, остывая до температуры меньшей 200 град. С, и затем снова смешиваются с воздухом, поступающим в двигатель, благодаря этому уменьшается максимальная температура сгорания и, соответственно, образуется меньше окислов азота. Отработавшие газы проходят через PM-KAT, размещенный в глушителе. Технология очистки отработавших газов в PM-KAT разработана и запатентована MAN Nutzfahrzeuge. Система непрерывной регенерации состоит из окисляющего каталитического конвертора, в котором в ходе химического процесса на покрытой платиной поверхности оксид азота (NO) окисляется до диоксида азота (NO2), и фильтра, в котором частицы сажи помощью преднамеренно вызванной турбулентности накапливаются в ловушке из спеченной металлической "шерсти". Углерод (С), из которого главным образом состоят задержанные частицы сажи, вступает в реакцию с диоксидом азота (NO2), сформированным в первой стадии дожигания, в результате чего образуется углекислый газ (CO2) и оксид азота (NO). Химические процессы в PM-KAT проходят без потребления внешней энергии.
|
|
| |
| |
|
|
| |
| |
Открытые каналы предохраняют фильтр от засорения. Это значит, что система MAN не требует обслуживания.
MAN Nutzfahrzeuge в настоящее время единственный изготовитель на рынке, способный предложить для серийных грузовиков систему очистки частиц PM-KAT в качестве опции.
Благодаря PM-KAT грузовики MAN уже сегодня выполняют требования Euro-IV, ограничивающее выброс твердых частиц величиной 0,02 г/кВт.ч. Выбросы дизелем твердых частиц система уменьшает по массе примерно на 60%. Даже самые маленькие частицы сажи диаметром приблизительно 0,0001 мм улавливаются фильтром. Важно обратить внимание, что самые маленькие частицы (<40 нм) задерживаются в необычно высокой степени - от 80 до 90%. Фильтр частиц PM-KAT может использоваться почти со всеми двигателями Euro-III.
|
|
| |
|
|
| |
| |
Для выполнения требований перспективных стандартов Euro-V компания MAN Nutzfahrzeuge разрабатывает технологию, получившую название MAN AdBlue. Здесь MAN использует процесс селективной каталитической очистки - SCR. В дальнейшем MAN Nutzfahrzeuge намеревается вывести на рынок двигатели, которые будут выполнять требования Euro-V без каких либо добавок.
|
|
| |
| |
Каталитический конвертер для окисей азота (NOx)
В принципе, каталитический конвертер для окисей азота может исполнять эту задачу; такие устройства знакомы и применяются на бензиновых двигателях с непосредственным впрыском бензина. Каталитический конвертер имеет покрытие, которое адсорбирует окиси азота (NOх) и хранит их таким же образом, как губка поглощает воду. Так как вместимость этого устройства ограничена, оно должно самостоятельно очищаться. Для этого нужно уменьшить для фазы подвпрыска обычный для дизельного двигателя значительный коэффициент избытка воздуха. Этот процесс имеет место каждые пять - десять километров без вмешательства водителя и этот процесс гарантирует, что конвертер будет очищаться при достижении 50 - 70 процентов заполнения окисью азота (NOX).
Однако, сера, содержащаяся в современном топливе, загрязнила бы конвертер за очень короткое время. В пределах нескольких часов его эффективность понизилась бы до первоначального значения загрязнения. По этой причине, введение каталитических конвертеров этого типа полностью зависит от дизельного топлива, не содержащего серу.
По этой причине на сегодняшний день в подавляющем большинстве случаев производителями автомобилей используется метод SCR - Selective Catalytic Reduction
|
|
| |
| |
SCR каталитический конвертер
Карбамидный каталитический конвертер известен уже довольно давно и активно применяется большинством европейских производителей грузовых дизельных автомобилей. Он способен преобразовывать окиси азота (NOx) в отработавших газах в азот (N2) и воду (H2O) в результате химической реакции при подаче водного раствора мочевины (карбамида) в отработавшие газы. Использование этого метода на грузовых автомобилях позволяет достигнуть норм токсичности отработавших газов соответствующих требованиям Euro-5.
Однако остается ряд проблем, которые необходимо решить для принятия на вооружение данной технологии для использование её на легковых дизельных автомобилях. Нужно обеспечить хранение на легковом автомобиле водного раствора мочевины в отдельном баке и возможность оперативного пополнения. Кроме того, эта жидкость замерзает в условиях зимних температур. По этим причинам широкого применения технология SCR на легковых автомобилях пока не получила.
Тем не менее, эта технология находит всё большее применение. Жидкость для SCR систем уже продается на многих европейских заправочных станциях под торговым названием Ad-Blue. SCR конвертер предоставляет ряд преимуществ по сравнению с конвертером для окисей азота - его работа не вызывает никакое дополнительное топливное потребление и более эффективна, без улучшения качества топлива. Более того, расход топлива снижается примерно на 6%. Удельный расход AdBlue по отношению к дизтопливу составляет в зависимости от условий от 4 до 6 литров на 100 литров дизтоплива. Если взять в расчет цену дизтолива в 0,8 евро за литр и цену AdBlue ок. 0,4 евро, получается экономия в 3 евро на 100 литров дизтоплива.
|
|
| |
|
