Экология "Европа втянулась в гонку стандартов"


Виктор СТЕПАНОВ

 

Так же, как и раньше, гонка вооружений, гонка экологических стандартов на просторах уже ничем не разделённой Европы стала стимулом для нарастающего технического прогресса. В то время как европейские производители наперегонки осваивают производство соответствующих этим стандартам новинок, на просторах бывшей Страны Советов пытаются понять значение этого процесса. Ещё одним усилием в этом направлении стало проведённое Белорусским научно-исследовательским институтом «Транстехника» исследование, посвящённое особенностям создания и эксплуатации современных двигателей, а также применению их в современных автотранспортных средствах.

 

Учёные отмечают, что за последние 30 лет коренным образом изменилась конструкция двигателей внутреннего сгорания и систем питания. Снижение запасов нефти, повышение стоимости топлива, жёсткие нормы на выбросы отработавших газов, конкурентная борьба за рынки сбыта – всё это способствовало совершенствованию двигателей. Современный двигатель должен быть мощным, экономичным и экологически чистым. Отработавшие газы автомобиля содержат соединения свинца, кадмия, цинка, меди, железа, марганца, хрома, кобальта, олова. Существует статистика: в масштабах земного шара автомобили вносят в атмосферу половину всех оксидов азота, 40 % углеводородов, 65 % угарного и 15 % углекислого газа. А каждая легковая машина белорусского производства ежегодно выбрасывает в атмосферу примерно 4 тонны выхлопных газов. В мегаполисах автотранспорт ежегодно выбрасывает до 10 тысяч тонн загрязняющих веществ на квадратный километр. В Европе ежегодно 100 тысяч человек получают из-за дизельного выхлопа рак лёгких, сердечно-сосудистые заболевания и проблемы с дыхательной системой. Считается, что только в Германии дизель виноват в преждевременной смерти примерно 15 тысяч человек ежегодно.

Предотвращение загрязнения воздушного бассейна газообразными выбросами, как и твёрдыми примесями, может быть достигнуто очисткой газообразных отходов производства перед выбросом их в атмосферу, совершенствованием технологий.

За последние 10 лет нормы на вредные выбросы с отработавшими газами стали жёстче в три раза (стандарт Евро-4, 2005 г.), что предъявляет высокие требования к современным ДВС и топливным системам.

С 1 октября 2006 г. в странах Евросоюза вступают в силу строгие экологические нормы Евро-4, а с 2009 г. – ещё более суровые, Евро-5, ужесточающие ограничения на выброс газообразных загрязнений двигателей легковых и грузовых автомобилей. Нормы Евро-4 и Евро-5, по сравнению с Евро-3, подразумевают 80-процентное снижение выброса сажи и 60-процентное – оксидов азота.

Анализ мировой практики позволил белорусским учёным выделить основные проблемы, которые решаются ведущими моторостроительными и автомобильными заводами в целях обеспечения требований стандарта Евро-4 и Евро-5. Среди них называются совершенствование с помощью микропроцессоров рабочего процесса ДВС путём оптимизации подачи топлива, смесеобразования, сгорания; внедрение малотоксичных и экономичных регулировок аппаратуры; разработка нейтрализаторов отработавших газов. Также для этого автомобилестроители внедряют наддув воздуха с системой регулирования; ведут совершенствование качества топлива, используемого в ДВС, и разработку добавок, позволяющих снижать токсичность выхлопных газов.

Причём топливные системы ДВС совершенствуется следующими известными способами:

- повышением давления впрыскиваемого топлива у дизелей до 200 МПа и более, вместо 30-50 МПа;

- внедрением малогабаритных насосов и форсунок с электромагнитным и пьезоэлектрическим управлением;

- применением регуляторов с микропроцессорным управлением;

- вытеснением карбюраторов инжекторными системами впрыска с электронным и микропроцессорным управлением;

- разработкой систем впрыска бензина в камеру сгорания под высоким давлением (15 МПа).

Выбор того или иного пути зависит от того, какой вид топлива используется в двигателе. Бензиновый двигатель является довольно неэффективным и способен преобразовывать всего лишь около 26 % энергии топлива в полезную работу. А дизельный двигатель обычно имеет коэффициент полезного действия в 36 %. К тому же дизельное топливо, как правило, дешевле.

Согласно выводам белорусских специалистов, исключение электрической системы зажигания является очевидным преимуществом. Это повышает надёжность, а также уменьшает уровень токсичных выбросов в выхлопных газах, что даже более важно. Дизельный двигатель также имеет высокий крутящий момент в широком диапазоне оборотов, что делает автомобиль с дизельным двигателем более «гибким» в движении, чем такая же машина с бензиновым двигателем.

Есть и другие преимущества. Выхлопные газы дизельного двигателя являются относительно «чистыми» по сравнению с выхлопными газами бензинового двигателя. Окись углерода (СО) практически отсутствует в выхлопных газах дизеля, поэтому токсичными газами, которые присутствуют в заметных количествах, являются углеводороды (НС или СН), окислы азота (NОх) и сажа (или её производные) в форме чёрного дыма.

Экономичность и токсичность двигателя зависят от конструктивного исполнения системы питания, её технического состояния. Тенденцией в развитии топливной аппаратуры ДВС является интенсификация процесса впрыска топлива с использованием микропроцессорного управления.

 

Рецепт компании Воsch: совершенствование рабочего процесса ДВС

Над оптимизацией рабочего процесса ДВС особенно активно работают специалисты компании Воsch. Они занимаются техническим усовершенствованием системы дизельного впрыска с целью уменьшения вредных выхлопов и придания им более высоких экологических характеристик.

Основным параметром новых систем дизельного впрыска является чрезвычайно точная дозировка топлива с целью уменьшения уровня вредных выхлопов. Особое значение приобретают топливные системы высокого давления и попеременное управление инжекторов, с помощью которых топливо подаётся в камеру сгорания.

Благодаря использованию новых пьезоэлектрических технологий и максимально высокого давления впрыска в 1600 бар, система Соmmon Rail третьего поколения, которая была представлена компанией Воsch в 2003 г., уже соответствует действующим стандартам Евро-4 без применения дополнительной обработки выхлопных газов. Принимая во внимание будущее совершенствование топливных смесей, немецкий концерн планирует развивать Соmmon Rail для систем с давлением впрыска до 2000 бар. Воsch также развивает системы Соmmon Rail четвёртого поколения с гидравлическим усилителем давления, что даст возможность поднять давление впрыска до 2500 бар.

Эта новая технология открывает возможность работы со значительно более низким давлением в Соmmon Rail с требуемым максимальным давлением, генерируемым непосредственно в инжекторе. В дополнение к новой технологии инженеры также усовершенствуют системы насос-форсунок.

Их новейшие модели третьего поколения (UIS3) оснащены двумя электромагнитами вместо одного. Это позволяет варьировать процесс впрыскивания, реализуя до пяти впрысков за цикл, что подобно системе Соmmon Rail третьего и четвёртого поколений.

Для максимального использования потенциала системы впрыска компания Воsch разрабатывает новый блок управления двигателем (ЕDС 17). Он запущен в серийное производство в 2006 г. Используя датчики, система анализирует параметры впрыска каждого цилиндра и настраивает их в случае  необходимости. Подобный впрыск топлива предполагает простую систему управления, которая может быть легко адаптирована к различным двигателям.

 

Финская компания ЕсоСat: применение нейтрализаторов отработавших газов

Для нейтрализации вредных веществ в отработавших газах двигателей, как правило, применяется каталитический метод очистки. Суть метода заключается в нейтрализации присутствующих в производственных выбросах вредных веществ в результате их взаимодействия под влиянием катализатора, содержащего компоненты этого же газа или специальные добавки. На поверхности катализатора в результате его взаимодействия с компонентами выбросов (в том числе и с вредными примесями) образуются промежуточные соединения, которые вступают в дальнейшие преобразования, с восстановлением первоначального химического состава катализатора и связыванием вредных веществ. Эти процессы имеют характер многократно повторяющихся циклов. Возбуждение или изменение скорости химических реакций под влиянием катализаторов называется катализом. Различают гомогенный и гетерогенный катализы. При гомогенном катализе катализатор и реагирующие вещества образуют однородную систему. Примером такого катализа может служить каталитическое окисление оксида углерода до диоксида в присутствии паров воды. При гетерогенном катализе катализатор и реагирующие вещества находятся в различных агрегатных состояниях. Катализатором здесь обычно служит твёрдое тело, а реагирующие вещества находятся в жидком или газообразном состоянии.

Из катализаторов, ускоряющих окислительно-восстановительные реакции, наиболее распространёнными являются платина, палладий, никель, железо, медь, серебро, оксиды переходных металлов и др. Активность контактных (гетерогенных) катализаторов, при прочих равных факторах, определяется площадью контакта катализатора со средой, содержащей примеси подлежащих нейтрализации веществ.

На практике каталитические процессы нейтрализации вредных выбросов осуществляют в каталитических реакторах и нейтрализаторах. Это цилиндрические сосуды, внутри которых в виде насадки, сетки, пластин и т. п. размещается катализатор. При выборе конструктивного исполнения внутреннего заполнения нейтрализаторов и реакторов стремятся к получению максимальной площади поверхности катализатора при приемлемом гидравлическом сопротивлении. Эффективность очистки в каталитических реакторах и нейтрализаторах может достигать 95-98 %.

Вредность выхлопных газов в основном заключается в продуктах неполного сгорания топлива и оксидах азота. Нейтрализация продуктов неполного сгорания топлива может быть достигнута их каталитическим доокислением. В то же время нейтрализация оксида азота требует осуществления каталитического восстановления. Поэтому каталитические нейтрализаторы выхлопных газов автомобилей выполняются двухступенчатыми. Выхлопные газы через патрубок поступают к восстановительному катализатору, где происходит нейтрализация оксидов азота. В качестве восстановительного катализатора применяют монель-металл (медно-никелевый сплав) или катализатор из благородных металлов.

После восстановительного катализатора к отработавшим газам для создания окислительной среды через патрубок подаётся вторичный воздух. На окислительном катализаторе из благородных металлов или оксидов меди, никеля, хрома происходит нейтрализация продуктов неполного сгорания топлива – оксида углерода и углеводородов. Необходимо отметить, что содержащийся в этилированном бензине свинец является "отравителем" катализатора, что уменьшает срок его службы.

Для того, чтобы начался процесс нейтрализации, необходима высокая температура – около 250 ºС, а рабочая температура, обеспечивающая оптимальные условия для максимальной эффективности – от 400 до 800 ºС. Недогоревшие остатки (СО, СН, NO), касаясь поверхности каталитического слоя, окисляются до конца кислородом, присутствующим также в выхлопных газах. В результате реакции выделяется тепло, разогревающее катализатор, и тем самым активизируется реакция окисления.

Более эффективным признан трёхкомпонентный селективный двухсекционный каталитический нейтрализатор с обратной связью. Её обеспечивает так называемый лямбда-зонд, или кислородный датчик, который отслеживает объём свободного кислорода на выхлопе и даёт сигнал на электрический блок управления системой питания для обогащения и обеднения смеси.

В последнее время освоен выпуск нескольких новых типов катализаторов, в том числе учитывающих специфику российских конструкций двигателей и качество топлива. Их родина – Финляндия, «родитель» – компания ЕсоСаt. Наибольший интерес представляют нейтрализаторы для дизельных, двухтопливных и газовых двигателей, поскольку выпуск и область применения таких силовых агрегатов нарастают буквально в геометрической прогрессии. Для легковых и грузовых автомобилей с дизельными двигателями разработаны катализаторы нового поколения Particle Oxidation Catalyst – РОС. Их основа – металлическая лента с напылёнными на неё соединениями редкоземельных металлов. В зависимости от двигателей, для которых предназначены катализаторы, лента либо свивается в рулон (ЕсоСаt), либо сваривается в блоки в виде этажерок (ЕсоХсеll).

Применение даже одиночного катализатора нового поколения обеспечивает снижение содержания углеводов и окиси углерода в выхлопных газах на 90 %. При этом никакого дополнительного ухода за блоком или его чистки не требуется. На основе этих катализаторов разработаны выхлопные системы для двигателей внутреннего сгорания, отвечающие требованиям норм Евро-3 и Евро-4. На основе этой технологии финские специалисты подготовили разработки и для дизелей российского производства ЯМЗ.

Для более современных и перспективных дизельных силовых агрегатов, отвечающих экологическим требованиям норм Евро-5, финской компанией ЕсоСat разработана система Selective Catalytic Reduction (SCR). В ней вместо одного крупногабаритного катализатора применены четыре меньшего размера, выстроенные в последовательную цепь. Непосредственно на выпускной коллектор монтируется предкатализатор. Его задача – снижение содержания углеводородов и окиси азота. За ним установлен гидролитический катализатор, предназначенный для дополнительной очистки выхлопных газов и снижения давления выхлопа. Применённая в них технология SCR предполагает впрыск в катализатор соединений мочевины. Последним в цепочке стоит финишный катализатор, задача которого – снижение не только содержания вредных примесей в выхлопе, но и уровня шума. Отличительной особенностью этой разработки является возможность «наращивания» системы путём применения всех типов катализаторов в различных комбинациях, начиная с простейшего и заканчивая достижением полной конфигурации системы. Полноразмерная система из четырёх катализаторов обеспечивает очистку выхлопных газов более чем на 94 %.

Лучшие результаты работы комплекса катализаторов обеспечивает применение технологии ЕсоХсеll. Стальной ленте с нанесённым двусторонним покрытием придаётся сложный зигзагообразный профиль, и отдельные секции ленты свариваются между собой под углом 45°. В результате образуется система газоотводящих каналов с большой площадью контакта газов с катализатором. Такая структура обеспечивает эффективное очищение газов при одновременном снижении давления и, как следствие, снижении уровня шума. Высокие эксплуатационные характеристики катализатора такого типа сохраняются в широком диапазоне температур, вплоть до 1000 °С при положительном термическом градиенте 120 °С/с и отрицательном – 75 °С/с.

Большие изменения произошли в секторе катализаторов для двухтопливных двигателей. Объясняется это тем, что в последние годы в ряде стран резко увеличился парк автомобилей, как легковых, так и грузовых, оснащённых двигателями, работающими на традиционном жидком топливе и газе. Несмотря на то, что выхлоп газового двигателя считается более чистым по сравнению с дизельным топливом или бензином, европейские правила предписывают обязательное использование катализатора на таких автомобилях. Дело в том, что большинство этих машин эксплуатируется в городах, и европейцы вводят жёсткие ограничения по токсичности выхлопных газов. При этом рассматривается вопрос оснащения катализаторами уже существующих автомобилей и их обязательную установку вместе с газовым оборудованием на серийные машины. Если установка катализаторов на уже выпускаемые автомобили с бензиновыми двигателями (особенно инжекторными) практически невозможна из-за неизбежной замены электронной системы управления двигателем (ЭСУД), то в двухтопливных двигателях эта операция не требует столь радикального вмешательства в конструкцию двигателя.

Что же представляют собой катализаторы для двухтопливных силовых агрегатов? В отличие от элементов ЕсоСаt, сердечники этих катализаторов выполнены из гофрированной сверхтонкой стальной алюминированной ленты с двусторонним напылением. Одна сторона покрыта редкоземельным металлом платиновой или палладиевой группы, вторая – керамикой. Очистка выхлопных газов от углеводородов превышает 90 %. Металлические матрицы, обладающие исключительной проводимостью и вместе с тем высоким сопротивлением термическим нагрузкам, по своим показателям значительно превосходят более традиционные керамические катализаторы.

На основе такой же ленты выполняются катализаторы и для чисто газовых двигателей. Установка подобных силовых агрегатов на городские автобусы стала обязательной во многих европейских странах. Недавно и Правительство Москвы подготовило программу стопроцентного перевода городского общественного транспорта на двигатели, работающие на пропан-бутане или метане.

При разработке катализаторов для газовых двигателей компания ЕсоСаt много внимания уделила достижению высокого термосопротивления стальной ленты. Как известно, рабочие процессы в газовых двигателях происходят при более высоких температурах, и вся система отвода выхлопных газов должна обладать хорошими термостабильными данными. Катализаторы этого типа обладают также высоким сопротивлением сульфатации сердечника и более высоким уровнем осаждения окиси углерода и соединений метана. Предполагается, что их ходимость превысит 40-50 тыс. км.

Основные изготовители автобусов – компании Iveco, MAN, Scania – приняли решение об обязательной установке таких катализаторов на все новые машины.

 

Катализаторы в России

Широкое внедрение катализаторов в автомобили российского производства – вопрос практически решённый. Как отмечается в исследовании белорусских учёных, полным ходом идёт подготовка к организации производства высококачественных катализаторов на площадях Горьковского автозавода. Планируемый пуск первой очереди уже в этом году обеспечит выпуск 15 тыс. элементов для наиболее массовых моделей ГАЗа: «Волги», «Газели», «Соболя» и перспективного грузовика «Валдай». Финны уже разработали головные образцы катализаторов с узлами крепления на нижегородские автомобили. Далее последует расширение производства, с тем чтобы покрыть потребности «Иж-Авто», в том числе и для автомобилей «КИА-Спектра», ЯМЗ, КАМАЗ. На первом этапе планируется сборка катализаторов из элементов, поставляемых финской компанией ЕсоСаt, в корпуса, изготовленные в Нижнем Новгороде, а затем и организация собственного производства. Катализаторы, сконструированные специально для автомобилей российского производства, уже прошли испытания на ведущих автозаводах – ВАЗ, ГАЗ, «Иж-Авто». Их установка на легковые и грузовые автомобили российского производства обеспечит их соответствие требованиям Евро-3 и Евро-4.

 

Очистка дожигом

Заслуживает внимания применение термического метода очистки. Суть его заключается в том, что содержащиеся в выбросах горючие примеси нейтрализуются в результате их высокотемпературного дожигания. Дожигание возможно при высокой температуре уходящих газов, в которые подают свежий воздух (предварительно подогретый или без подогрева, что определяется температурой уходящих газов), в результате окислительных процессов происходит нейтрализация горючих примесей. Подобная технология находит применение для дожигания продуктов неполного сгорания топлива в автомобильных двигателях (СО и СxНy). В последнем случае свежий воздух целесообразно подавать в отработавшие газы непосредственно при их выходе из цилиндров двигателя – в зону максимальных температур. Важнейшее условие для эффективной реализации рассматриваемого варианта – качественное перемешивание обезвреживаемых газов со свежим воздухом, поддержание температур и содержания кислорода в смеси на необходимом уровне.

Подготовка для сжигания газовоздушной смеси заключается в добавлении воздуха, водяного пара или воды в подлежащие уничтожению газы. При достаточно больших для поддержания пламени концентрациях дожигание ведут без добавления топлива. Вероятность образования копоти и дыма возрастает с увеличением молекулярной массы примесей и степени ненасыщенности находящихся в газе органических соединений. Инжекция воды и пара подавляет возникновение дыма и копоти. Эффективность бездымного сгорания зависит от тщательного смешения пара, воздуха и факельного газа. Важную роль при водяной инжекции играет конструкция форсунок, поскольку в газовый поток должен быть подмешан мелкодисперсный туман. Для поддержания постоянного горения аппараты дожигания снабжены стартером или трубкой, подводящими пламя. Существуют также другие методы очистки: абсорбция, адсорбция и сжигание твёрдых и жидких топлив. Что касается остающейся серы, улучшения в системе впрыска топлива и в процессе сгорания в сочетании с отделителями частиц выпускной системы существенно уменьшают её выбросы. Качественное обслуживание дизельных двигателей помогает свести образование чёрного дыма к минимуму.

 

Система Соmmon Rail 

На классический дизель-мотор с механически управляемым впрыском практически невозможно установить современный нейтрализатор отработавших газов из-за нестабильного состава этих самых газов. Ситуация начала меняться лишь в последние годы в связи с внедрением дизелей так называемой системы Соmmon Rail. Ею уже оснащаются двигатели Минского моторного завода, предназначенные для новых автомобилей «Валдай» Горьковского автомобильного завода. Их серийное производство началось в канун 2006 г.

Минский моторный завод заключил договор с компанией Воsch, и та адаптировала к минскому двигателю электронную систему Соmmon Rail. Кроме того, специалисты моторного завода прошли обучение в Германии.

На предприятие уже поступили первые комплекты топливной системы Соmmon Rail. А это значит, что в опытных образцах оно уже достигло уровня стандарта Евро-4. В данном типе дизелей впрыск топлива осуществляется электрически управляемыми форсунками. Подачу управляющего электрического импульса осуществляет электронный блок управления, получающий сигналы от набора датчиков. Они же отслеживают различные параметры двигателя, влияющие на длительность и момент подачи топливного импульса. Так что по сложности современный – и экологически такой же чистый, как и бензиновый, – дизель-мотор ничем не уступает своему бензиновому собрату, а по ряду параметров и значительно его превосходит. Так, например, если давление топлива в форсунках обычного дизеля с механическим впрыском составляет от 100 до 400 бар, то в новейших Соmmon Rail оно находится в диапазоне от 1000 и до 2500 бар, что влечёт за собой немалые проблемы. И каталитическая система современных транспортных дизелей также значительно сложнее, чем у бензиновых моторов, так как катализатор должен "уметь" работать в условиях нестабильного состава выхлопных газов, а в ряде случаев требуется введение так называемого сажевого фильтра.

"Сажевый фильтр" представляет собой подобную обычному каталитическому нейтрализатору структуру, устанавливаемую между выхлопным коллектором дизеля и катализатором в потоке выхлопных газов. В сажевом фильтре развивается высокая температура, при которой частички сажи способны окислиться остаточным кислородом, содержащимся в выхлопных газах. Однако часть сажи не всегда окисляется и нередко остаётся в "сажевом фильтре", поэтому программа блока управления периодически переводит двигатель в режим очистки "сажевого фильтра" с помощью так называемой постинжекции, т. е. впрыска дополнительного количества топлива в цилиндры в конце фазы сгорания с целью поднятия температуры газов и очищения фильтра путём сжигания накопившейся сажи. Фактически стандартом в конструкциях транспортных дизель-моторов стало наличие турбонагнетателя, а в последние годы – и так называемого интеркулера – то есть устройства, охлаждающего сжатый турбонагнетателем воздух. Нагнетатель позволил поднять удельные мощностные характеристики массовых дизель-моторов, поскольку даёт возможность пропустить за рабочий цикл большее количество воздуха через цилиндры и соответственно впрыснуть больше топлива.

 

(Окончание следует.)