_Улучшение энерго-экологических характеристик автомобилей. Государственный технический
 Скачать 3.39 Mb.
|
|
стартового нейтрализатора уменьшенного размера, устанавливаемого в непосредственной близости от выпускного коллектора. В качестве катализатора обычно используется палладий, как более устойчивый к высоким температурам. Для повышения долговечности стартового нейтрализатора практикуется его установка в байпасном патрубке для выключения после прогрева основного нейтрализатора. Использовались и другие методы, включая адсорберы из специального материала, которые встраивались в выпускную систему близко к двигателю и адсорбировали СН при низких температурах, выделяя их обратно в поток ОГ после прогрева, когда начинал полноценно функционировать основной нейтрализатор. Адсорбент в таких устройствах быстро «отравляется» серой, содержащейся в топливе. Поэтому топливо должно быть малосернистым. Рассматриваются также способы ускорения прогрева основного нейтрализатора с использованием электричества (что вызывает быструю 116 разрядку стандартных аккумуляторов, но может оказаться более практичным для гибридных автомобилей), путём сжигания дополнительного топлива в горелке, устанавливаемой перед нейтрализатором, или путём подачи в нейтрализатор специально для этой цели вырабатываемого и хранящегося на борту автомобиля водорода. Очистка ОГ ДВСПВ при работе на бедной смеси Чтобы трёхкомпонентный каталитический нейтрализатор работал эффективно, в двигатель необходимо подавать стехиометрическую рабочую смесь ( =1). ДВСПВ с непосредственным впрыском топлива работает на бедной смеси ( =1,5…1,7, что позволяет снизить расход топлива до 10%), при этом концентрации СН и СО в ОГ, поступающих в нейтрализатор из двигателя, уменьшаются, но в ОГ появляется кислород, препятствующий эффективному восстановлению в нейтрализаторе NO X В настоящее время существует три основных способа решения этой проблемы. Первый способ — попытаться найти катализатор, который будет восстанавливать NO x , несмотря на окислительную среду в нейтрализаторе. Некоторые фирмы (Mitsubishi GDI – иридиевый катализатор) имели определенный успех, в основном используя субстрат, образованный из пористого керамического материала, известного под названием цеолит, но эффективность нейтрализации NO x при этом составляла всего около 30% по сравнению с 80% у трехкомпонентного нейтрализатора. Учитывая, что при этом проводилась активная политика воздействия на рабочий процесс с целью уменьшения образования NO X (рециркуляция ОГ, уменьшение угла зажигания и т.п.), то эффективность нейтрализации в 30% иногда оказывалась достаточной, для того чтобы итоговые выбросы NO X не превышали законодательные нормы. Второе направление заключается в применении адсорбции NO X Механизм адсорбции NO x в нейтрализаторе протекает в следующей последовательности: NO с помощью кислорода окисляется до NO 2 на платиновом катализаторе; NO 2 реагирует с оксидами металлов (например, с оксидом бария) и 117 трансформируется в нитраты этих металлов: MeO + NO 2 → MeNO 3 ; образовавшиеся нитраты адсорбируются в специальном отсеке нейтрализатора [69]. Длительное время адсорбция происходить не может, поэтому нейтрализатор должен регулярно регенерироваться. Для этого системой управления двигателем индуцируется фаза работы на обогащённой рабочей смеси ( α<1), когда в нейтрализаторе создаются восстановительные условия. При этом накопленные нитраты разлагаются с выделением NO , который, в свою очередь, восстанавливается до молекулярного азота: MeNO 3 → MeO + NO + 0,5O 2 , NO + HC → 0,5N 2 + H 2 O + CO 2 , NO + CO → 0,5N 2 +CO 2 После завершения регенерации адсорбента двигатель вновь переходит на работу на обеднённой рабочей смеси. Процесс циклически повторяется. В качестве адсорбентов используются щёлочноземельные элементы, но их отравляет сера, содержащаяся в топливе. Поэтому этот тип накопительно-восстановительного нейтрализатора (англ. NO x storage catalyst, NSC) очень чувствителен к наличию в бензине примесей серы и может быть использован только тогда, когда доступно топливо с гарантированно низким содержанием серы (<0,001% по массе). Необходимость регенерации адсорбента определяется по сигналу, формируемому датчиком содержания оксидов азота в ОГ. Датчик устанавливается за накопительным нейтрализатором. Конструктивно датчик NО х включает две камеры, две насосные ячейки, несколько электродов и подогреватель. Сенсорный элемент датчика состоит из диоксида циркония, в котором при наличии разности потенциалов отрицательно заряженные ионы кислорода перемещаются от отрицательного электрода к положительному электроду. Принцип работы датчика NO x основан на измерении количества кислорода. В первой (насосной) камере из ОГ удаляется кислород, который препятствует процессу восстановления оксидов азота во второй камере. При подаче напряжения на электроды датчика молекулы 118 кислорода распадаются на ионы и протекают через твердый электролит из диоксида циркония. Во второй (восстановительной) камере оксиды азота распадаются на азот и кислород. Протекающий при этом между электродами ток пропорционален содержанию образовавшегося кислорода (а, значит, и оксидов азота) в ОГ. Датчик NO x имеет собственный блок управления, расположенный на минимальном расстоянии от датчика. Такая компоновка снижает внешние помехи при передаче сигналов датчика. Блок управления усиливает сигналы датчика и передает их в блок управления двигателем. Третий способ кардинально отличается от первых двух. Он заключается в создании поля газовой плазмы внутри нейтрализатора. Газы высокой концентрации, проходя через это поле, разлагаются на составляющие их химические элементы. Затем СО и NO X могут быть преобразованы в углекислый газ и азот. Для уменьшения выбросов СН устанавливается простой окислительный нейтрализатор [64]. Однако для того, чтобы такая система работала эффективно, требуется большой расход электричества высокого напряжения. Ограничение выбросов при работе двигателей на бедных смесях усложняется в связи с тем, что они работают на этих смесях только на малых и средних нагрузках. На режимах полной нагрузки все современные бензиновые двигатели работают при =1, и поэтому для очистки ОГ здесь нужен обычный трехкомпонентный каталитический нейтрализатор. В действительности новое поколение двигателей нуждается в комбинации двух нейтрализаторов, один − трёхкомпонентный, другой − для снижения выбросов NO X при работе на бедной смеси. Очистка отработавших газов ДВСВС Отработавшие газы ДВСВС отличаются от ОГ ДВСПВ тем, что в них всегда присутствует кислород (т.к. дизель работает на бедной смеси), а их температура на 200…300°С ниже. Кроме того, состав ОГ ДВСВС заметно отличается от состава ОГ ДВСПВ: в дизельном выхлопе концентрации СО и СН значительно меньше, однако присутствуют дисперсные частицы, состоящие в основном из сажи. 119 Очистка ДВСВС от дисперсных частиц Для снижения выбросов дисперсных частиц используются керамические сажевые фильтры (англ. diesel particulate filter, DPF). Керамические фильтры задерживают не менее 95% мелкодисперсных (размером менее 100 мкм) дисперсных частиц по массе и не менее 99% по количеству во всём диапазоне возможных режимов работы двигателя [67]. Однако задерживаемые ДЧ забивают поры фильтрующего материала, увеличивая аэродинамическое сопротивление фильтра. Периодическую очистку фильтра производят, увеличивая температуру фильтра до 500°С и более. При этом частицы, которые в основном состоят из сажи, сгорают (окисляются) с образованием СО 2 Такие фильтры называются «регенерируемые». Регенерируемые фильтры очень хорошо работают в грузовых автомобилях, двигатели которых большую часть времени работают в области больших нагрузок, где температура ОГ достаточно высока, чтобы происходила регенерация. Но в городских условиях двигатели автомобилей много времени работают в области малых нагрузок и частот вращения коленчатого вала. При этом температура ОГ не достигает даже 300°С. Для решения этой проблемы используется одно или комбинация нескольких мероприятий, направленных на периодическое повышение температуры фильтра: введение в топливо присадок, уменьшающих температуру, необходимую для регенерации фильтра FAP ™ ( фр. filtre a particules); установка на входе в фильтр нескольких свечей накаливания мощностью 1,2 кВт. Перед и после фильтра устанавливаются датчики давления, измеряющие противодавление, создаваемое фильтром. Когда датчики давления подают сигнал о том, что фильтр забит сажей, происходит включение свечей накаливания, которые «подогревают» ОГ до требуемой температуры регенерации; установка перед сажевым фильтром окислительного нейтрализатора, который, окисляя специально впрыскиваемую «регенерирующую» порцию испарённого топлива, повышает температуру ОГ, необходимую для регенерации каталитического дизельного фильтра дисперсных частиц (англ. catalyzed diesel particulate filter, CDPF) или каталитического сажевого фильтра (англ. catalyzed soot filter, CSF). 120 Наиболее распространённой является система CDPF, регенерация сажевого фильтра в которой представляет собой следующий процесс. Когда блок управления двигателем, анализируя сигналы датчиков давления, расположенных перед и после фильтра, определяет необходимость его очистки, запускается процесс активной регенерации. При этом выполняются следующие функции: прекращается рециркуляция ОГ, чтобы повысить температуру сгорания топлива; производится дополнительный впрыск небольшой порции топлива, подаваемого после основной дозы (см. раздел «Совершенствование систем впрыска топлива ДВСВС»); снижается подача воздуха в двигатель посредством регулируемой дроссельной заслонки с электроприводом; давление наддува поддерживается на уровне, при котором обеспечивается незаметность регенерации для водителя. Дополнительная порция топлива в испарённом состоянии (СН) доокисляется (догорает) в установленном перед сажевым фильтром окислительном нейтрализаторе, разогревая тем самым отработавшие газы до температуры 600…650°C, необходимой для выгорания сажи (окисления до СО 2 ). Кроме того, содержащийся в ОГ NO доокисляется в окислительном нейтрализаторе до NO 2 , который также реагирует с сажей, образуя молекулярный азот и CO 2 , причём эта реакция протекает уже при 250°С. Как только сажа выгорит, о чём засвидетельствует изменение противодавления, оказываемого фильтром, двигатель возвращается к обычному режиму работы. После проведения активной регенерации полностью восстанавливается способность фильтра задерживать содержащуюся в ОГ сажу. Регенерация выполняется через каждые 500 …700 км пробега. Её продолжительность составляет примерно 5…10 минут. Процесс регенерации происходит незаметно для водителя. В системе FAP ™ , разработанной специалистами концерна PSA Peugeot Citroen, температура, необходимая для сгорания сажи, может быть достигнута только при использовании цериесодержащей присадки, которая автоматически регулярно впрыскивается в дизельное топливо из отдельного резервуара. 121 Цериесодержащая присадка представляет собой жидкий коллоидный раствор дизельного топлива с микрогранулами церия. Микрогранулы состоят из частиц церия, заключённых в нерастворимой оболочке из вещества, по своим свойствам напоминающего желатин. Благодаря своему свойству при окислении (сгорании) выделять большое количество тепла церий дополнительно разогревает ОГ. Во время такта выпуска ОГ, когда выпускные клапаны открыты, происходит «послевпрыск 1 » небольшой порции топлива, содержащего присадку, в поток ОГ, вытесняющихся поршнем из цилиндра. ОГ, уже частично охлаждённые, не вызывают воспламенение церия, а лишь испаряют желатиновую оболочку микрогранул. В предварительно разогретом виде и с испарённой оболочкой частицы церия попадают на уже разогретую до необходимой температуры (400…500°С) поверхность FAP ™ - фильтра и в присутствии кислорода отработавших газов и углерода сажи мгновенно воспламеняются, поджигая частички сажи и этим локально поднимая температуру до 1000°С. Это, с одной стороны, не приводит к повреждению керамической решётки фильтра, а с другой стороны, максимально быстро и в полном объёме окисляет не только частицы сажи, но и более сложные составляющие ОГ дизельного двигателя. Присадка хранится в отдельном бачке, емкостью 3…5 л, которой хватает на 80…120 тыс. км пробега (срок службы фильтра). Конструктивно бачок может находиться в топливном баке или вне его. Уровень присадки в бачке контролируется с помощью датчика поплавкового типа. В топливный бак присадка подается с помощью электрического насоса. Подача присадки осуществляется при каждой заправке топливного бака пропорционально заправляемому объему топлива. Начало и продолжительность подачи присадки регулируется блоком управления двигателем (в некоторых конструкциях отдельным электронным блоком). Побочным эффектом применения присадки является то, что при сгорании она оседает в виде золы на стенки фильтра и не выводится из 1 Позднее дополнительное впрыскивание может вести к разжижению моторного масла дизельным топливом, поэтому применение этого процесса должно быть согласовано с производителем двигателей. 122 него, что сокращает ресурс устройства. «Ахиллесовой пятой» сажевого фильтра является то, что при движении АТС в условиях городских пробок он может быть быстро закупорен частицами сажи, а система автоматической регенерации не сможет запуститься из-за низкой температуры ОГ или других причин. В этом случае мощность и крутящий момент двигателя упадут, и автомобиль «перестанет ехать». Для обеспечения нормальной регенерации сажевого фильтра в руководствах по эксплуатации производители иногда рекомендуют «...время от времени активировать процесс регенерации фильтра, проезжая примерно 40 км со скоростью 80 км/ч на низких передачах, либо двигаться в обычном режиме, также используя низшую из возможных передач...». Проблема состоит в том, что обычный водитель не всегда имеет возможность осуществить действия, предписанные руководством по эксплуатации. Сажевый фильтр забивается сажей ещё больше и, в конце концов, может выйти из строя. По этой причине сажевые фильтры имеют ограниченный срок службы, который, судя по имеющимся данным, составляет порядка 120 …200 тыс. км. Если условия эксплуатации не благоприятствуют автоматическому включению процесса очистки сажевого фильтра, предусмотрена процедура принудительной регенерации, запускаемая с помощью оборудования сервисных станций, куда и следует обращаться в подобных случаях. Очистка ОГ ДВСВС от газообразных ЗВ Легковые дизельные автомобили до уровня Евро-3 оборудовались окислительным каталитическим нейтрализатором, который обеспечивал практически полное окисление выбросов СН и СО до водяного пара и СО 2 . При этом проблема снижения выбросов NO X , решалась насколько возможно воздействием на рабочий процесс ДВСВС. Степень рециркуляции ОГ и угол опережения впрыска топлива устанавливались на максимально возможном уровне даже в ущерб экономичности (на 5…10%) и уровню выделения сажи (до 60%). Для очистки ОГ от сажи использовалась система с регенерируемым фильтром. Однако такая стратегия не обеспечивает достижения нормативных 123 показателей Евро-4 и выше. Для наиболее радикального снижения выбросов NO X была разработана система селективной каталитической нейтрализации (англ. selective catalytic reduction, SCR). SCR возникла не вдруг − уже десятилетия она используется в стационарных установках для очистки отработавших газов на электростанциях. Принцип её действия прост: аммиак, добавляемый в качестве восстановителя, в нейтрализаторе вступает в реакцию с окислами азота, содержащимися в ОГ, в результате чего образуются безвредный азот и водяной пар ( рис. 34). В качестве катализаторов в устройствах данного типа применяют платину, оксид ванадия или цеолиты (Iron Zeolites, ZSM-5). Эффективность нейтрализатора оценивается при помощи датчика содержания оксидов азота в ОГ. Если Эффективность нейтрализатора меньше определенной величины, загорается сигнальная лампа «Check Engine » в комбинации приборов. Рис. 34. Пример реализации системы SCR [68] Однако транспортировка большого объёма токсичного аммиака допускается только с существенными ограничениями, поэтому в автомобилях вместо аммиака применяется синтетический 32,5% водный раствор карбамида (мочевины), получившей торговое название AdВlue 1 1 В США используется другое название − Diesel exhaust fluid, DEF. 124 Его состав внесён в стандарт DIN 70070. Расход AdBlue для выполнения норм Евро-4 составляет примерно 6% от расхода дизельного топлива. Это значит, что его запас можно пополнять каждый раз при выполнении планового ТО. Раствор AdВlue замерзает при минус 11,5°С, поэтому бак для его хранения и трубопроводы должны подогреваться при более низкой температуре окружающего воздуха. В технологии SCR сочетается экологичность и экономичность. Она выбрана ведущими производителями грузовых автомобилей в Европе среди конкурирующих систем, поскольку решает одновременно несколько задач: имеет эффективность нейтрализации NO x более 90%; сочетается с дизельным топливом разного качества (по содержанию серы); не требует специального обслуживания и рассчитана на весь срок службы автомобиля; никак не сказывается на интервалах между техобслуживанием и заменой масла; снижает расход топлива на 5…10% по сравнению с автомобилями, реализующими стратегию высокой рециркуляции ОГ; система SCR эффективно работает уже при температуре около 250 …300°С; увеличивает дальность пробега автомобиля при условии, что он оборудован баком для AdBlue соответствующей ёмкости. Уменьшение NO X может быть достигнуто также за счёт применения селективных по отношению к этим ЗВ катализаторов, которые уже упоминались при изучении методов очистки ОГ ДВСПВ, работающих на бедных смесях. Примерами могут служить использование в качестве катализатора «медно замещённого» цеолита ZSM5, эффективного только при высоких температурах, и платино-алюминиевого сплава, имеющего меньшую рабочую температуру. Платиновый нейтрализатор, который используется на бедных смесях в дизельных легковых автомобилях, работает при температурах 180 …300°С с эффективностью восстановления NO X порядка 40% [69]. В некоторых случаях могут применяться системы с адсорбцией NO X на специальной подложке. Регенерация адсорбирующего слоя |