РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

А.Л. Новоселов, А.В. Унгефук, А.А. Мельберт

Ежегодный прирост количества двигателей внутреннего сгорания (ДВС) во много раз опережает темпы улучшения их экономических качеств. Вопреки всем прогнозам, к 2000-му году не появилось экологически чистых двигателей, способных составить конкуренцию поршневым двигателям. По-видимому, в течение последующих 30 - 40 лет таковых конкурентов и не появится. Поэтому решение проблемы снижения вредных выбросов относится сейчас и в будущем к поршневым двигателям.
В связи с вступлением России в состав Европейского Экономического сотрудничества ЕЭС, отечественные стандарты, ограничивающие уровни вредных выбросов двигателей внутреннего сгорания, перестали быть определяющими их качество. ЕЭС разработало нормы ЕВРО-0, ЕВРО-1, ЕВРО-2, ЕВРО-3 в 1970 году. Предполагалось, что промышленность стран-участниц 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 по уровням вредных выбросов нормам ЕВРО-2 удовлетворяют автомобильные дизели фирм DAF, Mersedes, Cummins, Ivесо, МАN, Scania,Volvo, Renault. В России на уровень ЕВРО-1 вышли дизели КамАЗ, АО "Барнаултрансмаш", АО "Алтайдизель" и ведутся интенсивные работы, направленные на снижение уровней вредных выбросов до норм ЕВРО-2.
Ведущие дизелестроительные фирмы Запада 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%.
Существенное влияние на уровни вредных выбросов оказывает температурный режим двигателей и их охлаждение. Проведенный анализ влияния температуры охлаждающей жидкости на дымность и токсичность, например, дизеля Ч413/14, показал, что повышение температуры охлаждающей, жидкости с 40 до 85° С приводит к снижению дымности ОГ на 24-26%, выбросов СО на 8% и приводит к увеличению выбросов окислов азота на 20% (опыты при 1700 мин -1 и Ре=0,56 МПа).
Степень влияния режима охлаждения на дымность дизелей зависит от типа смесеобразования в них. Наименее подвержены влиянию температурных режимов на дымность ОГ дизели с объемным смесеобразованием, а наиболее - дизели с объемно-пленочным смесеобразованием.
Установлено, что дымность ОГ связана с разрежениями на впуске, которые в практике эксплуатации могут возникать при засорении воздушных фильтров, неисправностях турбокомпрессоров или при подъеме техники на большие высоты.
Выяснено, что увеличение разряжения на впуске до 600 мм.рт.ст. приводит к росту дымности ОГ дизеля Д-460 в 2,7 раза, росту температуры ОГ на 120° С и падением коэффициента избытка воздуха с 1,87 до 1,20. При увеличении противодавления на выпуске количество выбросов сажи дизеля 4Ч12/14 увеличиваются в 1,4 раза, дизеля 1Ч13/14 - в 4 раза. Увеличение разрежения на впуске до 600 мм.вд.ст. привело к росту дымности ОГ дизеля 6ЧН15/18 на 9%, дизеля 12ЧН15/18 -на 13 %.
Существует прямое влияние атмосферных условий на дымность дизелей. Установлено, что, например, при снижении температуры окружающей среды с 288 К до 243 К происходит улучшение топливной экономичности на 3,5-4%, а содержание сажи в отработавших газах дизеля СМД-62 снижается на 20%. Повышение температуры окружающей среды на один градус приводит к увеличению сажесодержания отработавших газов на 0,0615 г/м3. При изменении температуры окружающей среды в пределах 243-303 К дымность отработавших газов дизеля СМД-62 увеличивается на 12%, а дымность ОГ дизеля А-41 -на 18%.
Изменение атмосферного давления оказывает существенное влияние на дымность дизелей через рабочий процесс. Отмечено, что, например, при изменении атмосферного давления с 96,5 до 102,5 кПа дымность отработавших газов дизеля СМД-62 снижается на 10%, а дымность ОГ дизеля А-41 - на 14%.
Влажность окружающей среды, так же через рабочий процесс, влияет на дымность отработавших газов и уровни вредных выбросов дизелей. Изменение относительной влажности окружающей среды с 35 до 95% при одинаковой температуре 298 К приводит к увеличению дымности отработавших газов дизеля СМД-62 на 8%, а дизеля А-41 - на 12%.
Анализ показал, что состояние атмосферы в значительной мере влияет на дымность отработавших газов дизелей: дизели с газотурбинным наддувом (например, СМД-62) менее чувствительны к изменениям условий окружающей среды, чем дизели без наддува (например А-41).
Одной из основных причин дымления дизелей является нарушение угла опережения начала подачи топлива. Сокращение угла опережения начала подачи топлива θ приводит к росту содержания сажи в ОГ дизелей. Есть данные о том, что сокращение угла θ, на 5° п.к.в. (поворота коленчатого вала) приводит к увеличению содержания сажи в ОГ на 30% для дизелей с пленочным смесеобразованием; на 8° п.к.в. - к увеличению выбросов сажи в 1,6 раза для дизелей с объемно-пленочным смесеобразованием; на 6° п.к.в. - к увеличению выбросов сажи в 3,4 раза для дизелей с объемным смесеобразованием.
При сокращении угла θ в целях снижения выбросов окислов азота резко увеличивается дымность ОГ. Так, при использовании процесса "Сквиш-Лип" и уменьшении угла θ на 5° выбросы сажи с ОГ возрастают в 1,74 раза, а при той же регулировке 6 и подаче воды на впуск - в 2,02 раза.
При нормальной регулировке дизеля Д-440 по техническим условиям (ТУ) θ=30° п.к.в. до ВМТ, выбросы сажи составляют около 0,65 г/м3. При такой регулировке дизель имеет лучшие показатели топливной экономичности. Отклонение регулировки до 39° п.к.в приводит к снижению выбросов сажи до 0,3-0,32 г/м3.
Характеристики дымления дизелей в зависимости от регулировок следует рассматривать вместе с характеристиками выбросов других вредных веществ. Характер изменения выбросов продуктов неполного сгорания СxНy, СО с ОГ дизеля Д-37Е при изменении регулировки угла θ при n = 2000 мин -1 одинаков, и совпадает с характером изменения дымности ОГ, характеризующей сажесодержание ОГ.
Отмеченная выше картина влияния регулировок угла θ на дымность ОГ и вредные выбросы подтверждается результатами испытаний.
Влияние угла опережения начала подачи топлива θ на выбросы окислов азота изучено по нагрузочным характеристикам дизеля 1Ч13/14, n = 1750 мин -1. Было выяснено, что с увеличением угла опережения начала подачи топлива во всем диапазоне нагрузок выбросы NОx возрастают, подчиняясь одной закономерности. При больших углах опережения подачи топлива наблюдаются наибольшие перегибы кривых концентраций в районе нагрузок, близких к номинальным.
Следует отметить и то обстоятельство, что с изменением частоты вращения коленчатого вала характеристики имеют сложный пространственный характер изменения. По скоростной характеристике характер изменения выбросов NОx имеет падающий вид от частоты вращения, соответствующей Мкрmах , до частоты вращения, соответствующей номинальной мощности Nен. Однако последняя закономерность прослеживается не для всех типов дизелей и во многом зависит от регулировок систем газотурбинного наддува и подачи топлива, подбора закона подачи топлива.
В практике эксплуатации дизелей на выбросы окислов азота NОx обычно оказывает влияние совместное изменение нескольких параметров, и при разработке систем снижения вредных выбросов необходимо это учитывать. Примером такого влияния может служить одновременное изменение условий окружающей среды, параметров наддува и регулировок подачи топлива в условиях эксплуатации.
Отмечено, что если на режиме Ре = 0 дизеля 6Ч15/18 изменение регулировок угла θ сказывается на выбросы NОx незначительно, то с ростом нагрузки до Ре = 0,2 МПа начинает проявлять себя более четко. Так, при Ре = 0,2 МПа и изменении регулировки угла θ с 25 до 33 град.п.к.в. до ВМТ выбросы NОx возрастают в два раза. Эта закономерность сохраняется при дальнейшем росте нагрузки до Ре = 0,77 МПа.
Это обстоятельство указывает на то, что регулирование угла θ по уровням вредных выбросов должно происходить для конкретных дизелей в условиях стендовых испытаний и под нагрузкой не менее 25 % от номинальной.
При осуществлении рециркуляции или межцилиндрового перепуска отработавших газов без значительного ухудшения топливной экономичности можно добиться снижения выбросов NОx на 34-35 %. При этом требуются новые регулировки угла опережения начала подачи топлива θ.
Ранее в АлтГТУ Д.Д. Матиевским, М.А. Губиным, М.А. Челяденковым выполнено определение содержания окислов азота и дымности ОГ (в единицах БОШ) дизеля Д37Е по нагрузочным характеристикам при использовании межцилиндрового перепуска ОГ по авторскому свидетельству № 954583. Характерно, что при использовании перепуска ОГ при неизменной регулировке угла θ = 24 град.п.к.в. до ВМТ выбросы NОx снижаются на 35 %, а при изменении θ до 21 град.п.к.в. до ВМТ - на 61-62 %.
При изменении регулировки угла θ с 21 до 29 град.п.к.в. до ВМТ дымность ОГ снижается почти в два раза. Однако при этом выбросы окислов азота возрастают в два раза. Существование противоречивых требований к регулировке угла θ с точки зрения дымности и токсичности ОГ можно решить лишь путем применения антидымных присадок в топлива дизелей.
Отклонения регулировок угла опережения начала подачи топлива на величину допуска приводит к изменению выбросов NОx на 10-20 %.
Параметры окружающей среды (атмосферное давление, температура, влажность и запыленность воздуха на впуске) во многом определяют как протекание рабочего процесса, так и уровни вредных выбросов с ОГ дизелей. При росте температуры воздуха на впуске Т0 происходит повышение температур конца сжатия и сгорания в цилиндре, что, в свою очередь, приводит к росту выбросов NОx . Так, повышение температуры окружающей среды Т0 с 243 К до 288 К приводит к росту выбросов NОx дизелем СМД-62 на 22 %. Установлен рост выбросов NОx дизелями при изменении Т0 от 260 К до 290 К на величину 0,03 г/м3 град.
При изменении барометрического давления выбросы окислов азота для автотракторных дизелей с объемно-пленочным смесеобразованием без наддува изменяются на 3-5 % на 10 КПа.
Уровни вредных выбросов связаны и с разрежением на впуске, которое на практике возникает из-за засорения воздушных фильтров, неисправностей турбокомпрессоров (ТКР). Так, дополнительное увеличение разрежения на впуске до 500 мм вод.ст. приводит к увеличению дымности ОГ в 2,7 раза, сопровождается ростом температуры ОГ на 120°, снижением коэффициента избытка воздуха с 1,87 до 1,27. Выбросы окислов азота при этом возрастают в 1,7 раза. Например, разрежение на впуске и противодавление на выпуске могут через рост температур влиять на выход окислов азота с ОГ.
Так, дополнительное увеличение разрежения ΔРвп на впуске дизелей 6ЧН15/18 на 600 мм вод.ст., противодавления на выпуске ΔРВЫГ. на 1000 мм.вод.ст. приводит к росту выбросов NОx на 27%.
Повышение давления наддувочного воздуха Рк на впуске дизеля приводит к значительному улучшению условий сгорания, снижению дымности ОГ. Так, уже при увеличении Рк до 0,16 МПа происходит резкое снижение выбросов углеродосодержаших продуктов неполного сгорания. При росте Рк свыше 0,20 МПа в ОГ автотракторных дизелей снижается содержание: альдегидов - на 70%, СО - на 50-60%, сажи - на 40-70%, но возрастают, вследствие увеличения температур цикла и большого избытка кислорода, выбросы окислов азота.
Определено, что увеличение давления воздуха на впуске с 0,145 до 0,21 МПа (при одинаковых частотах вращения n = 2100 мин -1, цикловой подаче Вц = 122 мг/цикл, степени сжатия ε = 16) приводит к росту выбросов NОx с ОГ дизелей Ч14/14 с 1,8 до 2,5 г/м3 при росте мощности на 13% и снижении удельного расхода топлива на 14%.
Увеличение температуры воздуха после компрессора с 300 К до 420 К при постоянном расходе топлива приводит к росту содержания окислов азота в ОГ, например, дизелей ЧМЗ-240 с 2,73 до 3,75 г/м3. При этом эффективная мощность дизеля снижается на 22%, а удельный расход топлива увеличивается на 21%. Увеличение давления Рк (при постоянных частоте вращения n = 2100 мин -1 и Вц = 122 мг/цикл) с 0,145 до 0,214 МПа на дизелях типа Ч13/14 приводит к увеличению выбросов окислов азота с 1,87 до 2,69 г/м3.
Эффективным воздействием на уровни выбросов окислов азота является одновременное использование газотурбинного наддува (ГТН), с охлаждением наддувочного воздуха (ОНВ), оптимизации фаз газораспределения, регулировки угла начала подачи топлива θ с одновременным сокращением и интенсификацией процесса топливоподачи, уменьшением степени сжатия.
Скорость процесса окисления азота в процессе сгорания топлива во многом определяется местной (или локальной) температурой рабочего тела и местным (или локальным) избытком кислорода. При рассмотрении процесса образования окислов азота в цилиндре дизеля особый интерес представляет избыток кислорода со стороны продуктов сгорания.
Изменения местного коэффициента избытка воздуха можно добиться организацией дополнительной турбулизации рабочего тела вблизи зон горения топлива. Разработана форсунка, позволяющая изменять дальнобойность струи топлива в зависимости от режима работы дизеля и тем самым добиваться необходимых значений α в зоне горения топлива.
Однако для дизелей с ГТН может наблюдаться рост выбросов NОx вследствие роста температур сгорания и увеличения массы свободного кислорода в цилиндре. С ростом выбросов NОx при использовании ГТН снижаются выбросы СО, СxНy , сажи и улучшается топливная экономичность дизелей. Выбросы продуктов неполного сгорания топлива лежат в противофазе с выбросами NОx, т.е. при высокой топливной экономичности и низкой дымности ОГ можно ожидать повышенных уровней выбросов окислов азота NОx.
В результате проведения расчетно-экспериментальных исследований было обнаружено и объяснено повышение выбросов NОx при введении ГТН на дизелях ПО АМЗ типа 4ЧН13/14.
При введении ГТН максимальные температуры пламени увеличиваются более чем на 110°. В условиях большого избытка кислорода начинаются более быстрые реакции окисления азота. Это четко видно из сравнения величин первых максимумов скоростей окисления азота. Превышение этих скоростей составляет 1,5 раза по сравнению со скоростями при отсутствии ГТН.
Введение охлаждения наддувочного воздуха после компрессора приводит к снижению температуры цикла, а, следовательно, к снижению выбросов окислов азота.
Если, как правило, для обычных дизелей с ГТН максимум выбросов окислов азота по внешней скоростной характеристике приходится на частоты близкие к nN , соответствующей максимальной мощности, то для двигателей постоянной мощности (ДПМ) максимальные выбросы окислов азота приходятся на режим работы, близкие к nM соответствующие максимальным крутящим моментам.
При n = nN , соответствующей Мкр, дизель 4ЧН13/14 ДПМ выбрасывает значительно большее количество NОx , чем при n = nN, соответствующей Nn , при одинаковых значениях эффективных мощностей. Так, при мощности Nе = 30 кВт выбросы NОХ составляют при n = nM 2,0 г/м3, что в два раза превышает выбросы NОx при n = nN . При мощности 57 кВт выбросы NОx при nM превышают выбросы при nN в 1,43 раза.
Это обстоятельство объясняется тем, что на режимах с меньшими частотами вращения коленчатого вала, что имеет место при n = nN, ДПМ работает с более высокими значениями среднего эффективного давления Ре, обусловленными высокими значениями цикловых подач Вц, и температура рабочего тела в цилиндре имеет более высокие значения. Последняя растет со снижением частоты вращения благодаря увеличению теплотворной способности смеси, обусловленному уменьшением коэффициента избытка воздуха α . Все это, в совокупности с имеющим место более ранним углом опережения начала подачи топлива, вследствие отсутствия муфт автоматического регулирования при n = nM, предопределяет увеличение выбросов NОx на режимах при nM в сравнении с режимами n = nN. При одинаковых значениях α происходит сближение значений выбросов NОx при nM и nN, хотя соотношение в концентрациях NОx сохраняется: выбросы NОx при nM выше, чем при nN. Это обусловлено наличием более высоких температур цикла и слишком ранним углом начала подачи топлива.
Состав отработавших газов довольно полно отражает техническое состояние дизеля. При нарушении технического состояния дизеля происходит качественное изменение рабочего процесса, изменения закона выделения тепла, температур цикла. Эти изменения влияют на внутрицилиндровые процессы и состав отработавших газов.
В ходе проведения комплекса исследовательских работ было отмечено, что при любых нарушениях технического состояния дизеля происходят увеличение концентраций продуктов неполного сгорания в отработавших газах. В первую очередь это касается окиси углерода СО, углеводородов СxНy и сажи, составляющей основу массы твердых частиц. При любых нарушениях технического состояния дизеля падает в различной мере и топливная экономичность. В таблице 1 сведены данные об изменении состава отработавших газов и топливной экономичности дизелей автотракторного типа размерности 13/14 и 12/12.

Таблица 1

Влияние восстановления отдельных неисправностей дизелей
на состав отработавших газов

Восстановление неисправностей

Кратность изменения состава

Изм. расх.

топлива

 

СО

Сx Нy

NOx

ТЧ

топлива

1.Восстановления степени сжатия после снижения на 15%

1,64…

1,68

-1,42…

1,49

+1,11…

1,21

-1,29...

1,55

-10…

12%

2.Восстановление температуры охлаждающей жидкости на 18-20%

-1,35...

1,46

-1,42...

1,44

+1,06…

1,15

-1,12…

1,53

-1,0…

2%

3.Снижение противодавления выпуску с 0,075 до 0,06 Мпа

-2,03...

2,15

-1,06…

1,16

-1,67...

1 76

-1,70…

1,25

-6…

8%

4. Снижение разреженности на впуске с 0,085 до 0,6 Мпа

-2,68…

2,82

-1.81...

1.91

+ 1,03..

1,08

-5

7%

5.Замена неисправного распылителя форсунки

-3,70…

3,80

-2,03...

2,34

+ 1,09.

1,30

-3,03…

2,98

-15…

20%

6.Восстановление затяжки пружин форсунок с 15 до 17,5 МПа

-1,19…

1,28

-1,21

1,27

+1,03..

1,11

-1,13...

1,31

-3..

4%

7.Очистка распылителей от кокса

-1,14…

1,28

-1.65…

1,54

+1,09

1,13

-2,33..

3,05

-2,75…

3,25%

8.Устранение утечек топлива через зазор в распылителе

-1,65…

1,69

-2,10...

2,15

+1,09…

1,14

-1.21…

1.66

-2,45..

2,65%

9.Восстановление регул. угла опереж. начала подачи топлива на 3-4° п.к.в.

1,12...

1,14

-1,06...

1,07

-1,16…

1,23

-1.10...

1,42

-4…

8,5%

10. Восстановление подвижности поршневых колец

2,13…

2,15

-2,59...

2,50

-1,47…

1,53

-1,47...

1.53

-13…

15%

 

Восстановление технического состояния по каждой из неисправностей приводит к восстановлению топливной экономичности и снижению выбросов нормируемых вредных веществ. Это обстоятельство исследовано на структурно-следственных моделях, разработанных для систем: питания, смазки, впуска, выпуска, цилиндропоршневой группы и системы газораспределения, анализ структурно-следственных моделей позволил проследить пути формирования рабочих процессов при различных неисправностях дизелей.
Данные, полученные в процессе исследования, можно успешно применить при разработке систем диагностики автотракторных дизелей по составу отработавших газов, а также в целях снижения вредных выбросов с отработавшими газами дизелей путем восстановления их технического состояния.
Угол опережения начала подачи топлива θ, как правило, регулируется у дизелей в расчете на наивысшую топливную экономичность при частоте вращения, соответствующей максимальной мощности. Проведенный анализ многопараметровых характеристик дизелей показывает существование наибольших уровней выбросов окислов азота во всем диапазоне сочетания частот вращения и нагрузок, соответствующих наименьшим удельным расходам топлива для дизелей с разделенными, полуразделенными и неразделенными камерами сгорания.
Муфты автоматического регулирования угла θ начала подачи топлива обеспечивают изменение его в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, и их не регулируют по уровням выбросов NОx.
Изменение регулировки угла θ начала подачи топлива с 25 до 37 град, поворота коленчатого вала (п.к.в.) до верхней мертвой точки (ВМТ) при 1300 мин -1 и цикловой подаче топлива Вц=100 мг/цикл приводит к увеличению выбросов окислов азота дизелем типа Ч14/14 с 1,7 до 3,6 г/м3. Установлено, что изменение регулировки угла θ с 26 до 34 град, п.к.в. до ВМТ приводит к росту выбросов NОx почти в четыре раза.
С увеличением угла в снижается дымность отработавших газов (ОГ) и содержание в них окиси углерода СО. Так, на режимах нагрузок, близких к номинальной, изменение регулировки угла θ в сторону увеличения приводит к уменьшению содержания СО в ОГ дизелей типа А-01М на 0,071 г/м3, содержания сажи (Сж) приблизительно на 0,166 г/м3, дымности ОГ на 0,35 единицы БОШ. Таким образом, оптимальность регулировки угла θ необходимо различать как по топливной экономичности, так и по выбросу отдельных токсичных компонентов, и, в первую очередь - окислов азота NОx .
Характер изменения уровней выбросов NОx с ОГ предопределяется особенностями организации рабочего процесса, обеспечивающего в ДПМ поддержание постоянной мощности с изменением частоты вращения коленчатого вала. К общим особенностям организации рабочего процесса ДПМ при увеличении частот вращения следует отнести уменьшение времени, отводимого на процесс сгорания, что способствует увеличению количества продуктов неполного сгорания в ОГ с одной стороны и умеренный рост коэффициента избытка воздуха - с другой, снижение температуры рабочего тела, и, как следствие - снижение цикловой подачи при увеличении α.
Сказанное выше подтверждается результатами исследования по внешней скоростной характеристике ДПМ на базе дизеля 4ЧН13/14. Обнаружено, что выбросы NОx с ОГ снижаются по скоростной характеристике с 3,11 г/м3 при 1200 мин -1 до 2,50 г/м3 при 1750 мин -1, или на 20%. Это снижение объясняется понижением температуры рабочего тела в процессе сгорания, связанным с обеднением смеси, то есть с увеличением коэффициента избытка воздуха α при выходе на высокие частоты вращения до nN.
Научное направление "Снижение уровней вредных выбросов ДВС в атмосферу" зародилось на автотракторном факультете в 1968 году. У истоков первых работ, начатых под руководством д.т.н., проф. В.К. Нечаева, стояли Д.Д. Матиевский, Л.В. Нечаев, А.Л. Новоселов. В этот же период появились первые разработки конструкций каталитических нейтрализаторов с псевдосжиженным слоем катализатора. Результатом работ в этом направлении явилось получение патентов и авторских свидетельств №№ 1188344, 1776837, 1728508, 2013580. Работы по каталитической нейтрализации отработавших газов были всегда органично слиты с комплексом других работ, проводимых в названном направлении.
Начиная с 1970 года, проводились работы по применению антидымных присадок в топлива дизелей А.Л. Новоселовым, Д.Д. Матиевским, И.Ф. Ефремовым, а результаты этих работ были использованы при создании отраслевых стандартов ГОСТ 17.2.2.02 - 86 и ГОСТ 17.2.2.05 - 86. Развитие работ по исследованию теплонапряженности, дымности и токсичности дизелей размерности 13/14, 15/18 привело к разработкам конструкций камер сгорания, защищенных, например, авторскими свидетельствами №№ 1188348, 1320474.
В то время, как В.А. Вагнером, Д.Д. Матиевскмм, С. В. Новоселовым, В.И. Дудкиным решались вопросы осуществления присадок газов (а.с. 1312230) сжатого воздуха и водорода (а.с. 1469195, 1087681), снижения уровней вредных выбросов за счет рециркуляции части отработавших газов на впуск и межцилиндрового перепуска М.А. Губиным, А.В. Шкловером, Д.Д. Матиевским, М.А. Челяденковым, В.А. Челяденковым, В.А. Синицыным и другими (а.с. №№ 1463946, 1112139, 1186815, 954583, 918467), за счет подачи спиртов и топлив с газами при межцилиндровом перепуске (а.с. 1149043), осуществления подачи двух топлив через одну форсунку, выполненной А.Е. Свистулой (а.с. № 1576360), шел поиск места научного направления каталитической очистки отработавших газов в решении общей проблемы. В это время были созданы и апробированы расчетные методики, изучены характеристики отдельных катализаторов, изучен и использован опыт ученых Казахстана в разработке каталитических нейтрализаторов, используемых при подземных работах.
Несмотря на то, что коллективом сотрудников АлтГТУ, предприятий края к этому времени были даны основные рекомендации по снижению вредных выбросов автотракторной техники, поиски дальнейших путей продолжались в связи с появлением стандартов ЕВРО-0, ЕВРО-1, ЕВРО-2, ЕВРО-3.
Попытки решения проблемы только классическим путем - за счет совершенствования рабочего процесса тепловых двигателей - не давали возможностей выполнять требования ЕВРО-стандартов, как в России, так и за рубежом. В АлтГТУ были разработаны Д.Д. Матиевским, А.Л. Новоселовым и В.Ю. Русаковым способы организации малотоксичных рабочих процессов (см. а.с. №№ 1455021, 1456620, 1550196, 1455008). В этом же направлении с хорошими обнадеживающими результатами были разработаны рабочие процессы в ЦНТИ, НАМИ, НИКТИД.
Совершенствование конструкций каталитических нейтрализаторов происходило под воздействием результатов разработок научных школ А.Г. Мержанова (Черноголовка) и В.В. Евстигнеева (АлтГТУ им. И.И. Ползунова).
Приблизительно к 1990 году были сформулированы требования, предъявляемые к каталитическим нейтрализаторам, поскольку стало ясно, что выполнение требований стандартов ЕВРО-2 и ЕВРО-3 (с 1.10.99) для подавляющего большинства двигателей автотракторной техники остается проблематичным. Сложились следующие требования к каталитическим нейтрализаторам отработавших газов:
  1. Газодинамическое сопротивление нейтрализаторов не должно вызывать потерь мощности более чем на 5-10%;
  2. В процессах нейтрализации вредных веществ не должно появляться как новых вредных веществ, так и веществ, отравляющих, дезактивирующих катализаторы;
  3. Интервал рабочих температур должен обеспечивать функционирование системы каталитической очистки газов в пределах 100-900° С;
  4. Катализаторы, применяемые в системах очистки, должны обладать достаточной химической стойкостью к воздействию агрессивных сред в виде соединений серы и азота, а также к термической регенерации;
  5. Применяемые катализаторы должны обладать достаточной (до 80%) пористостью носителей и высокой (не менее 50-100 м2/г) удельной поверхностью;
  6. Применяемые катализаторы должны быть достаточно дешевы, доступны и обладать полифункциональными свойствами.
Правилом 83-02 ЕЭК ООН установлены контрольные пределы эффективности каталитических нейтрализаторов, которые составляют по отдельным компонентам отработавших газов: - окиси углерода СО - 78%; углеводородам суммарно СxНy - 79,5%; - окислам азота суммарно NOx - 88,5%; по окислам азота и углеводородам суммарно - СxНy + NOx - 86%. По городскому (прогретому) циклу испытаний эффективность каталитических нейтрализаторов регламентируется по компонентам: СО - 98%; СxНy - 88%; NOx - 81%.
Удовлетворение всем выдвигаемым требованиям одновременно представляет собой очень сложную задачу, решение которой может быть достигнуто только путем ряда компромиссов. Например, если не обращать внимания на стоимость нейтрализаторов (цена их достигает за рубежом до 10% стоимости легкового автомобиля) или воздействие на мощность двигателя.
Используя разработки в области создания материалов по технологиям самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС - технологии), в какой то мере удалось подойти к решению задачи создания полифункциональных пористых проницаемых каталитических блоков, на базе которых спроектированы, изготовлены и прошли испытания каталитические нейтрализаторы для автомобилей КамАЗ, автобусов "Икарус", тракторов и ДГУ с дизелями размерностей 13/14, автобусов и ДГУ с дизелями размерностей 15/18. А.А. Мельберт, А.С. Павлюком, С.Л. Бесединым, О.В. Ударцевой, А.В. Унгефуком, Л.А. Ковалевой, М.В. Бойчуком получены патенты Российской Федерации на изобретения конструкций нейтрализаторов №№ 2008449, 2023178, 2013580, 2087725, 2087726, 2075608, 2075609, 2075604, 2075605, 2075606, 2075607 и др.
В процессе испытаний разработанных нейтрализаторов в АлтГТУ и на стендах предприятий обнаружено, что требования, предъявляемые к каталитическим нейтрализаторам Правилом 83-02 ЕЭК ООН не выполняются по выбросам: СО - на 8... 10%; СxНy -на 9-12%; NOxна 36%.
Процесс доводки каталитических нейтрализаторов ступенчат, зависит от прямых затрат на благородные металлы, например, платину, палладий, редкоземельные - родий, иридий и другие. В то же время, испытания лучших в мире нейтрализаторов фирмы "Delphi" (США) на автомобиле ВАЗ 21099 показали, что их эффективность по отдельным компонентам не превышает 80% на сотовом металлокерамическом пористом блоке с напылением Pt, Pd, Rh .
Таким образом, учитывая, что уже разработан новый стандарт ЕВРО-4, который содержит ужесточающиеся требования к уровням вредных выбросов автотракторной техники, совершенствование каталитической очистки отработавших газов остается актуальным научным направлением в комплексе с другими научными направлениями, позволяющим решить важнейшую для человечества задачу - снижения техногенного воздействия на атмосферу планеты.