СПОСОБЫ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ
В ВЫПУСКНОЙ СИСТЕМЕ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Промышленность стран ЕЭС постепенно, ориентируясь на Евростандарты, совершенствует выпускаемые двигатели внутреннего сгорания (ДВС). С 01.10.99 вступили в действие нормы Евро-3.
В настоящее время нормам Евро-2 по уровням вредных выбросов удовлетворяют автомобильные дизели фирм DAF, Mercedes, Cummins, MAN, IVECO, Scania, Volvo, Renault. В России на уровень Евро-1 вышли дизели АО «КАМАЗ», АО «Барнаултрансмаш», ОАО «Алтайдизель» и ведутся интенсивные работы, направленные на снижение уровня вредных выбросов до норм Евро-2.
В табл. 1 представлены нормы Евростандартов для автомобильных двигателей [1].
Таблиця 1 – Нормы Евростандартов для двигателей автомобилей
| Евростандарты | Компоненты отработавших газов, г/(кВт·ч) | |||
| Окислы азота | Твердые частицы | Углеводороды | Окись углерода | |
| Евро-0 | 14,40 | 0,70 | 3,50 | 14,0 |
| Евро-1 | 8,00 | 0,36 | 1,10 | 4,50 |
| Евро-2 | 7,00 | 0,15 | 1,10 | 4,00 |
| Евро-3 | 5,00 | 0,10 | 0,60 | 2,00 |
Всеми исследователями, в том числе фирмой AVL, выполнение норм Евро-3 связывается с применением каталитических нейтрализаторов отработавших газов (ОГ) для всех типов ДВС. Проведенный анализ состояния работ по нейтрализации отработавших газов ДВС говорит о том, что к числу перспективных путей ее развития далее не могут быть отнесены следующие: пламенная нейтрализация (ПН), жидкостная нейтрализация (ЖН), термокаталитическая нейтрализация (ТКН) и ряд других, разработке которых были посвящены исследования, начиная с 1965-1966 годов [2].
В настоящее время стали известны данные о производстве автомобилей с нейтрализаторами в 1996 году, представленные в табл. 2.
Пламенная нейтрализация отработавших газов неконкурентоспособна ввиду того, что требует дополнительного расхода топлива, затрат энергии на поддержание пламени, подачу воздуха. Кроме этого ПН имеет низкую эффективность очистки ОГ от NOx, CxHy, СО и сажи, высокую пожароопасность, необходимость системы автоматики.
Жидкостную нейтрализацию используют как дополнительную с другими видами нейтрализации только для снижения температуры ОГ на выходе из системы выпуска. К числу отрицательных факторов ЖН относятся следующие: увеличение габаритов техники, существование паров химических реагентов, испаряемых ОГ, большой расход жидкости и реагентов. Таким образом, системы ЖН неконкурентоспособны по сравнению с другими системами нейтрализации ОГ.
Термокаталитическая нейтрализация ОГ разработана достаточно хорошо, зарекомендовала себя высокой степенью очистки, особенно от окислов азота. С другой стороны, ТКН громоздки, тяжелы, не могут быть размещены вместо глушителей, расход топливодвигателя с ТКН увеличивается на 15 %. Установка ТКН на транспортных средствах требует надежной системы автоматики для обеспечения согласования системы подогрева ОГ с режимами эксплуатации двигателя [3].
Основное противоречие дизеля между снижением выбросов сажи и окислов азота: улучшая один параметр, неизбежно ухудшаем второй [4].
Таблиця 2 – Автомобили, выпущенные в 1996 году, тыс. ед.
| Страна | Всего | Автомобили с нейтрализаторами ОГ |
| Германия | 5078 | 2133 |
| Бельгия | 1220 | 281 |
| Франция | 3175 | 1143 |
| Великобритания | 1467 | 484 |
| Италия | 1341 | 281 |
| Испания | 1822 | 291 |
| Украина | 94 | 0 |
| Россия | 745 | Доля в экспорте |
| Япония | 7801 | 3354 |
| США | 6843 | 3627 |
Современные комплексные системы очистки ОГ для дизелей состоят из каталитических и жидкостных нейтрализаторов, а также сажевых фильтров [3].
Система DRNR одновременно обезвреживает и канцерогенные частицы сажи, и просто вредные окислы азота. 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 NOx на 80 % по сравнению с действующими сегодня нормами, но она применима лишь для дизелей последнего поколения, работающих с системой «Common Rail» [4].
Плазменный нейтрализатор – один из альтернативных методов нейтрализации отработавших газов. Исследования в Японии, США и России привели к созданию экспериментальных образцов оборудования, основанного на плазменных технологиях [5].
По предварительным расчетам плазменная очистка обойдется в 1,5–2 раза дешевле, чем в многокомпонентных устройствах, так как при этом не требуется использовать благородные металлы, значительно увеличивается ресурс систем нейтрализации, сокращается время на их техническое обслуживание [5].
Система Selective Catalytic Reduction (SCR) создана специалистами DaimlerChrysler [3]. Принцип действия системы SCR заключается в химической реакции аммиака с окисью азота выхлопных газов, в результате которой образуются безвредный азот и водяной пар. 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.
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.
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.
Однако нужно решить еще одну важную проблему – создать разветвленную сеть специальных автозаправочных станций, на которых можно будет заправляться топливом AdBlue.
Таким образом, в настоящее время более актуальными становятся комплексные системы очистки ОГ дизелей, в которых используются каталитические и жидкостные нейтрализаторы. Применение таких систем позволяет значительно снизить токсичность ОГ дизелей.
Список литературы
- Гзовский, М. Твердый курс ЕВРО / М. Гзовский // За рулем. – 2002. – № 5. – С. 88-91.
- Алексеев, А. Экологический триптих / А. Алексеев, М. Козлов // За рулем. – 1998. – № 6. – С. 112-115.
- Макаров, Ю. Нейтрализатор или наше будущее? / Ю. Макаров // За рулем. – 1997. – № 7. – С. 74-75.
- Казаков, Н. Экологическая безопасность транспорта / Н. Казаков, И. Мельникова // Автобизнесмаркет. – 2004. – № 14. – С. 12-15.
- Воробьев-Обухов, А. Плазматрон-нейтрализатор / А. Воробьев-Обухов, В. Стрелков // За рулем. – 2001. – № 3. – С. 64-67.