ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫЙ ТРАНСПОРТ ХХI ВЕКА

А.А.Мельберт, О.А.Лебедева, А.А.Новоселов

В связи с вступлением России в состав ЕЭС ранее разработанные отечественные стандарты, ограничивающие уровень вре-дных выбросов двигателей внутреннего сгорания, перестали быть определяющими экологические качества. ЕЭС разработало ЕВРО-0, ЕВРО-1, ЕВРО-2, ЕВРО-3, в 1970 году. Предполагалось, что промышленность стран ЕЭС будет постепенно, ориентируясь на указанные нормы, совершенствовать выпускаемые двигатели внутреннего сгорания. Нормы ЕВРО-0 большинством производителей ДВС удалось внедрить лишь в 1988 году. С 1993 года вступили в действие нормы ЕВРО-1, с 1.10.95- ЕВРО-2 с обязательной установкой двигателей по нормам с 1.10.96. С 1.10.99- начало действия норм ЕВРО-3.

Необходимо отметить, что в настоящее время нормам ЕВРО-2 удовлетворяют по уровням вредных выбросов автомобильные дизели фирм DAF, Mercedes, Cammins, IVECO, MAN, Scania, Volvo, Renault. В России на уровень ЕВРО-1 вышли дизели АО “КамАЗ”, АО “Барнаултрансмаш”, АО “Алтайдизель” и ведутся интенсивные работы, направленные на снижение уровней вредных выбросов до норм ЕВРО-2.

Ведущие двигателестроительные фирмы Европы, Японии, США ориентируются на повышение давления впрыска до 1100…1400 бар, применение ТНВД с электронным регулированием, многоточечный впрыск, применение топлив с содержанием серы не выше 0,05%.

Совершенствование бензиновых ДВС в последние годы было направлено в основном на создание новых систем приготовления смеси и повышения стабильности ее воспламенения, а также на автоматическое электронное регулирование составом смеси и своевременностью зажигания.

Перспективы, обозначенные ранее форкамерными двигателями, не обозначились реальностью, хотя эксплуатация двигателей 4Ч 9,2/ 9,2(ЗМЗ-4022.10) подтвердила преимущества этих двигателей по выбросам СО. В то же время выявились недостатки: нестабильность показателей топливной экономичности и токсичности на режимах холостого хода. Это привело к тому, что форкамерные двигатели не смогли занять рынка и были вытеснены двигателями с центральным впрыском (ЦВС).

Двигатели с ЦВС имели преимущества по приготовлению состава смеси по сравнению с карбюраторными, выше полноту сгорания топлива и уверенно вошли в требования норм ЕВРО-1. Однако, так и не получив распространения, были вытеснены двигателями с многоточечным впрыском на клапаны (МВС). На 1.12.97 по исследованиям авторов МВС применялся фирмой “Alfa Romeo”- на 20 из 23 моделей автомобилей, “Aston Martin”- на 5 из 5; “Audi”- на 36 из 45; “BMW”- на 40 из 48; “Cadillac”- на 8 из9; “Chevrolet”- на 31 из 41; “Citroen”- на 23 из 43; “Daewoo”- на 10 из 11; “Daihatsu”- на 10 из 14; “Dodge”- на 13 из 15; “Ford”- на 84 из 121 моделей и так далее.

Таблица 1

Экологические нормы ЕВРО-стандартов для автомобильных двигателей

 

ЕВРО стандарты

Компоненты отработавших газов,г/кВт*ч

Дата введения

Окислы азота NOX

Твердые частицы ТЧ

Углеводороды СXHY

Окись углерода СО

ЕВРО-0

14,40

0,70

3,50

14,00

ЕВРО-1

8,00

0,36

1,10

4,50

1.10.93

ЕВРО-2

7,00

0,15

1,10

4,00

1.10.95

ЕВРО-3

5,00

0,10

0,60

2,00

1.10.99

С дизелями в настоящее время выпускают автомобилей фирмы: “BMW”- 16%, “Citroen”- 34%, “Fiat”-16,6%. Применение наддува отмечено на 26% продукции “Alfa Romeo”, на 33% фирмы “Audi”.

Выполнение норм ЕВРО-3 бензиновыми двигателями связано с комплексом мероприятий, состоящих полностью или частично :

-из применения датчиков обеднения смеси и термостатирования последней с помощью встроенных электроподогревателей;

-применения камер сгорания в поршнях и завихрителей, обеспечивающих осевой вихрь в цилиндре;

-применения систем зажигания с повышенной энергией искрового разряда и многоточечных систем зажигания;

-применения “быстрого сгорания” с движением заряда в цилиндре с вихревым отношением, равным 3,8;

-повышения надежности микропроцессорных систем управления рабочим процессом;

-развития точности дозирования топлива по цилиндрам.

Всеми исследователями, в том числе фирмой AVL, выполнение норм ЕВРО-3 связывается с применением каталитических нейтрализаторов отработавших газов для всех типов двигателей внутреннего сгорания.

Проведенный анализ состояния работ по нейтрализации отработавших газов двигателей внутреннего сгорания 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.

Пламенная нейтрализация отработавших газов(ОГ) 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, связывающей режимы эксплуатации с осуществлением дополнительной подачи топлива и воздуха.

Жидкостная нейтрализация отработавших газов как самостоятельная не существует ни в одной стране мира. ЖН используют как дополнительную с другими видами нейтрализации только для снижения температуры ОГ на выходе из системы выпуска.

К числу непривлекательных факторов ЖН относятся увеличение габаритов техники, существование паров химических реагентов, испаряемых ОГ, большой расход жидкости и реагентов, низкий показатель всесезонности эксплуатации ввиду замерзания реагентов на стоянках в зимнее время, низкая эффективность снижения уровней содержания основных нормируемых токсичных веществ в ОГ. 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, и продолжает успешно применяться в горнодобывающей промышленности. С другой стороны ТКН громоздки, тяжелы, не могут быть размещены вместо глушителей, требуют дополнительного расхода энергии на привод воздуходувок, систем зажигания, подкачивания и подачи топлива, расход топлива в целом двигателем с ТКН увеличивается на 15%. Установка ТКН на транспортных средствах требует надежной системы автоматики для обеспечения согласования системы подогрева ОГ с режимами эксплуатации двигателя.

Применение КН с “кипящим” или псевдосжиженым слоем катализатора дает возможность достаточно высокой очистки газов от всех нормируемых компонентов. Недостатком является то, что катализаторы в таких процессах истираются и частично выносятся.

В настоящее время стали известными данные о производстве автомобилей с нейтрализаторами в 1996 году:

На 1.12.97 стоимость каталитического нейтрализатора за рубежом составляет до 1000 долларов США, а для автомобилей производства стран Европы приблизительно 8-10% от стоимости автомобиля. Высокая стоимость объясняется использованием в КН платины и РЗМ.

Каталитические нейтрализаторы имеют различные конструкции и используют каталитические блоки: насыпные, тоннельные, рулонные, сотовые и пористые проницаемые. Фирмы Германии на автомобили устанавливают КН с пористыми каталитическими блоками из вспененного металла, покрытого катализаторами. Фирмы Японии устанавливают металлокерамические блоки в КН тоннельного и сотового типов. Ряд фирм США, Канады, Европы разрабатывают и приступили к установке пористых проницаемых каталитических блоков в КН.

Таблица 2

Производство легковых автомобилей с каталитическими нейтрализаторами

отработавших газов в 1996 году

Страна

Выпущено автомобилей,

тыс. единиц

Количество

с нейтрализаторами ОГ,

тыс. единиц

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

Новые возможности для изготовления высокоэффективных пористых каталитических блоков представляет самораспространяющийся высокотемпературный синтез /CBC/.

В АлтГТУ проведены успешные работы по применению СВС- технологий для получения пористых проницаемых каталитических блоков с заданными свойствами, получены и испытаны образцы катализаторов.

Новые высокие технологии открывают перспективу для получения и применения высокоэффективных недорогих катализаторов для КН без применения благородных и редкоземельных металлов.

В АлтГТУ им. И.И.Ползунова под руководством профессора В.В.Евстигнеева разработан процесс получения пористых проницаемых фильтров с заданными свойствами как по размерам и упорядоченности пор, так и по предназначению, по типу реакций при нейтрализации газов сложного состава. Процесс получения блочных проницаемых каталитических фильтров является развитием работ по использованию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС- технологий).

На основе блочных каталитических фильтров создана гамма устройств каталитических нейтрализаторов для дизелей автомобилей, тракторов, дорожной техники, защищенных патентами Российской Федерации. Ряд устройств прошел стендовые и дорожные испытания. В настоящей статье представлены результаты сравнительных испытаний каталитических нейтрализаторов для дизелей КамАЗ, устанавливаемых на автомобилях, эксплуатируемых в условиях с ограниченным воздухообменом. Учитывая, что современные дизели КамАЗ уже удовлетворяют нормам ЕВРО-1, использование на них КН позволит им удовлетворять нормам ЕВРО-2.

Сравнительные испытания дизеля КамАЗ-740 проведены по нагрузочным и скоростным характеристикам, а также на определение эффективности каталитической нейтрализации при наработке двигателем до 280 часов на режиме максимальной мощности.

В систему выпуска ОГ дизеля КамАЗ, установленного на стенде и оборудованного измерительной аппаратурой согласно ГОСТ 17.2.2.01-84 и ОСТ 37.001.234-81, монтировались на расстоянии 2,20 м от выпускных коллекторов два типа КН конструкции АлтГТУ им.И.И.Ползунова: комбинированный нейтрализатор с окислительным блоком с “кипящим” слоем окисного катализатора ШПК-0,5 (платинового) и восстановительным пористым проницаемым каталитическим блоком, выполненным по СВС- технологии (КНКС); двухступенчатый нейтрализатор с пористыми проницаемыми каталитическими элементами, выполненными по СВС- технологии (ПКЭН).

Результаты испытаний, проведенных по нагрузочной характеристике по ГОСТ при 2600 мин-1, показали, что при использовании нейтрализатора КПКС выбросы окислов азота (NOX) по нагрузочной характеристике снижаются с 3,82 г/м3е=0,03 МПа)…11,62 г/м3е= 0,55 МПа)…9,49 г/м3е=0,77 МПа) до 3,61…6,92…5,54 г/м3 соответственно или примерно на 3…41…42%. При использовании нейтрализатора ПКЭН выбросы NOX по нагрузочной характеристике снижаются при тех же значениях Pе до 3,23…6,52…4,61 г/м3 соответственно, что составляет примерно 13..14…53%.

Снижение выбросов твердых частиц (ТЧ) наблюдалось при указанных выше значениях Ре по нагрузочной характеристике при использовании нейтрализатора КНКС на 50…28…51%, а при использовании нейтрализатора ПКЭН- на 75…45…63%.

Снижение выбросов углеводородов на тех же значениях Ре составило при использовании КНКС- 64…33…27%, а в случаях применения нейтрализатора ПКЭН- 72…53… 54%.

Противодавление выпуску в случае применения указанных нейтрализаторов не превышало 650...660 мм вод. ст., что не приводило к заметному увеличению расхода топлива.

Эффективность применения КН подтверждена и при испытаниях дизеля КамАЗ по внешней скоростной характеристике. Обнаружено, что при использовании нейтрализатора КНКС происходит снижение выбросов СXHY с 3,12…1,21 г/м3 до 1,96…0,83 г/м3 или на 37…32%, а при использовании ПКЭН на 45…42%. Сравнительно низкая эффективность снижения выбросов СXHY объясняется низкими температурами ОГ, составляющими в местах установки нейтрализаторов 150…2500С. В то время, как согласно закону Гесса, что при увеличении температуры на каждые 100 скорости реакций возрастают в 2…4 раза. При установке нейтрализаторов ближе к выпускным коллекторам эффективность очистки может быть повышена. Но этого нельзя делать по причине невозможности компоновки нейтрализаторов на автомобилях КамАЗ.

Эффективность нейтрализации СО в случае применения нейтрализатора КНКС составила 69…77%, а нейтрализатора ПКЭН- 78…73%.

Эффективность нейтрализации СО может быть повышена в случае повышения температуры на входе в реактор нейтрализатора.

Эффективность нейтрализации окислов азотаNOX достигает в случае применения обоих типов нейтрализаторов 28…32%.

Эффективность очистки ОГ от твердых частиц можно повысить тремя путями:

-введением в состав пористых каталитических блоков элементов, снижающих температуру воспламенения сажи или другими словами - энергию активации в реакциях окислениях углерода;

-повышением температуры пористых каталитических блоков путем их подогрева;

-снижением среднего диаметра пор в стенках каталитических блоков и введением турбулизации потока ОГ на входе в реактор нейтрализатора.

Однако и указанная выше эффективность каталитических нейтрализаторов уже на настоящем этапе позволяет решать вопросы о приведении уровней выбросов автомобильных дизелей к нормам ЕВРО-2.

Испытания дизеля с указанными нейтрализаторами на ресурс их эффективности проведены: для нейтрализаторов КНКС-265 моточасов, для нейтрализаторов ПКЭН- 280 моточасов. При этом к окончанию испытаний противодавления выпуску составляли для КНКС- 665 мм вод. ст., для нейтрализатора ПКЭН- 610 мм вод. ст.

Повышение противодавления объясняется накоплением твердых частиц в стенках пористых проницаемых каталитических блоков. Регенерация блоков происходит непосредственно по месту установки на автомобиле. При этом на холостом ходу и повышенной частоте вращения коленчатого вала через специальное отверстие возле выпускного коллектора в полость трубы подается раствор CaCl2+NaCl в 90% этиленгликоля и 0,5% тиофена. В течение одного часа работы происходит полная очистка каталитических блоков нейтрализатора и противодавление выпуску снижается до 550 мм вод.ст.