Михаил Ожерельев, журнал «Автопарк».

Снижение токсичности отработавших газов является сложной научно-технической задачей. Наряду с совершенствованием конструкции двигателей весьма эффективным методом ее решения является очистка продуктов сгорания в системе выпуска. Одну из оригинальных разработок, представленную в разделе автокомпонентов прошедшей выставки коммерческого транспорта в Ганновере, можно назвать альтернативой уже используемых «чистых» технологий.

В продуктах сгорания двигателя содержится до 300 химических веществ. Некоторые из них являются токсичными. Это, прежде всего, оксиды азота (NOx), соединения серы, а также продукты неполного окисления и термического разложения углеводородов топлива (СО, СН, сажа). Выпускная система должна снижать шум и иметь минимальное противодавление.

Исторически сложилось несколько основных путей снижения токсичности отработавших газов ДВС. Среди них, во-первых, совершенствование процессов смесеобразования и сгорания при одновременной оптимизации процессов управления двигателем. А во-вторых, нейтрализация токсичных веществ (СО, СН, NОх) в системе выпуска и ограничение содержания серы, ароматических углеводородов и прочих вредных компонентов в топливе.

На выставке коммерческого транспорта в Ганновере ряд компаний представили различные системы, состоящие из сажевых фильтров и каталитического нейтрализатора, работающего по технологии SCR (Selective Catalitic Reduction), то есть с использованием аммиака (NH3), получаемого из раствора мочевины AdBlue. Данная технология является распространенным решением для выполнения норм токсичности Euro 4 и Euro 5. Однако ее безоговорочное применение ограничивается рядом отрицательных факторов. К примеру, на грузовике должна размещаться дополнительная емкость с реагентом, что увеличивает снаряженную массу приблизительно на 130 кг и привязывает транспортное средство к инфраструктуре специализированных заправок. Одним из вариантов решения данной проблемы можно считать систему EAS (Eaton Aftertreatment System), которая использует такую же «аммиачную» технологию, но уже не требует применения дополнительного реагента. Завихрения, создаваемые этой деталью, способствуют перемешиванию реагента с отработавшими газами.

Скрытый аммиак

Суть новинки, разработанной известной американской компанией Eaton, сводится к получению необходимого для конечной реакции аммиака путем высокотемпературного разложения продуктов сгорания в выпускном тракте. Иными словами, разработчик применил известную технологию двойного расщепления окислов азота, увязав все это в одну систему для совместной работы. Представленные на выставке материалы позволили нам изучить новинку в подробностях.

Система выпуска объединяет в себе несколько последовательно расположенных элементов: преобразователь с дозатором дизтоплива, предварительную «ловушку» (Lean NOx Trap — LNT), накапливающую в себе NOx и серу, а также традиционные фильтр твердых частиц и SCR-катализатор. Перечисленные составные части могут находиться как в блоке, так и раздельно, соединяясь между собой выпускными трубами. К примеру, прототип системы EAS, смонтированный на грузовике Freightliner FLC120 (двигатель Detroit Diesel 60), имеет второй вариант: сажевый фильтр и SCR-катализатор расположены за кабиной вертикально, а преобразователь с дозатором топлива занимают место в близости к силовому агрегату. Топливный процессор, работая в качестве дополнительного обогревателя, ускоряет химические реакции.

Токсичные вещества, находящиеся в составе отработавших газов, нейтрализуются, последовательно проходя через тандем LNT-SCR. Первый компонент этой «двойки» работает с чередованием обедненного и обогащенного режимов работы. В одном случае он, подобно губке, задерживает в своих ячейках оксиды азота и серу, а в другом — подвергает «складские запасы» периодической регенерации, разлагающей исходное химическое соединение на азот и аммиак, количество которого вполне достаточно для последующих реакций. Кстати, такой режим подобен действию катализатора восстановительного типа, превращающего СН, СО, Н2 соответственно в N2, CO2 и NH3. Примечательно, что в свое время катализаторы восстановительного типа уже использовались для некоторых бензиновых двигателей, но не получили достаточного распространения по причине неудовлетворительной экономичности.

Далее, оставшаяся часть оксидов азота нейтрализуется в SCR-катализаторе по уже известной схеме, но с использованием ранее полученного аммиака. При этом конечными продуктами реакции являются нейтральный азот и вода. Конструктивно внутренность такого катализатора состоит из набора керамических блочных носителей с покрытием в виде активного вещества. Часто используется несколько монолитных блоков для ограничения их линейного расширения и обеспечения лучшего перемешивания отработавших газов.

Следующим важным компонентом системы EAS является фильтр частиц, или, как его часто называют, сажевый фильтр. В отличие от двигателей с искровым зажиганием, для дизелей характерны зоны с богатой смесью, в которых и образуются благоприятные условия для образования сажи. Размер ее частиц — 0,4–5 мкм, а в отработавших газах это химическое вещество проявляется в виде черного дыма. Несмотря на то, что углерод считается безвредным, для человека опасна способность сажи накапливать канцерогенные вещества и переносить их.

В рассматриваемой нами схеме фильтр частиц располагается непосредственно перед катализатором. Но по сравнению с керамическими блоками SCR, обеспечивающими свободный проход отработавших газов, в сажевом фильтре каналы установлены с чередованием открытых и закрытых концов, а продукты сгорания пропускаются через пористые стенки ячеистой конструкции без покрытия. При этом твердый углерод осаждается в порах стенок и в зависимости от свойств керамического тела такой фильтр способен задерживать до 90% частиц.

Для нормальной работы фильтра он должен подвергаться периодической регенерации с дожиганием сажевых частиц. Как правило, сажа выжигается при температуре свыше 500°С. В системе EAS нагрев осуществляется за счет регулируемого впрыска дизтоплива, сго­ра­ние которого в течение короткого времени повышает температуру отработавших газов. Кроме того, периодическая подача топлива в выпускную систему требуется для работы катализатора LNT в обогащенный режим и его очистки от серы. Новинка американского разработчика объединила в системе выпуска несколько важных элементов.

Полноту картины можно дополнить заметкой о функциях преобразователя. Так, в процессе регенерации этот элемент превращает подаваемое через дозатор дизтопливо в монооксид углерода и водород. Именно эти химические элементы в дальнейшем служат своеобразными «канатами» для добычи аммиака. Один из примеров реакции: СO + H2O = CO2 + H2. Остается добавить, что дозировкой подачи топлива в выпускные трубопроводы управляет электроника.

По информации разработчиков данная технология пригодна к использованию как на магистральных грузовиках, так и на внедорожных машинах. Ее активное внедрение планируется начать в 2011 году, причем не только на американском, но, возможно, и на европейском рынке. О стоимости новинки пока не сообщается, однако в силу своей специфики система EAS вполне может выступить в роли конкурента общеизвестной технологии SCR. 1. Окислительный катализатор. 2. Фильтр частиц DPF. 3. Впрыск мочевины. 4. SCR-катализатор. 5. Глушитель.

«Грелка» под кузовом

Тем временем ведущие европейские компании предлагают новые усовершенствования уже существующих систем очистки отработавших газов. В этих новинках тоже активно используются принципы дозировки топлива в выпускную систему, но впрыскиваемые углеводороды могут использоваться по-разному. К примеру, в устройстве, представленном фирмой Eberspacher, таким способом обеспечивается дополнительный подогрев потока отработавших газов. Новинка под названием «топливный процессор» (Fuel Processor), похожая на одну из основных частей автономного отопителя, устанавливается непосредственно в выпускную систему и совмещает в одном компоненте дозирующее устройство и камеру сгорания со штифтом накала.

В случае необходимости данное устройство прогреет SCR-катализатор до температуры, при которой его работа будет наиболее эффективной, а также обеспечит равномерную регенерацию фильтра частиц при любых условиях работы. По информации производителя поддержание высокой температуры в выпускной системе способствует увеличению эффективности всех видов катализаторов и сажевых фильтров. Кроме того, использование топливного процессора позволяет отказаться от подачи дополнительной порции топлива в цилиндры при ступенчатом впрыске. При использовании технологии SCR емкость с реагентом существенно увеличивает снаряженную массу грузовика.

Еще один пример в тему — сажевый фильтр DBS-NO2, разработанный компанией Puri Tech с целью модификации уже находящихся в эксплуатации автомобилей и выполнения ими современных экологических нормативов. Для удаления сажи и очистки фильтра также используется дизельное топливо, подаваемое через форсунку на входе в устройство. Процесс регенерации может происходить при любом режиме работы двигателя. При этом необходимость впрыска топлива определяется блоком управления по сигналам датчиков давления и температуры, находящихся непосредственно в корпусе узла. Сегодня такие фильтры находят применение в городских автобусах, строительной и коммунальной технике — словом, там, где режим работы связан с частичными нагрузками, многочисленными остановками и, следовательно, относительно невысоким нагревом выпускной системы.

Другой вариант регенерации сажевого фильтра-уловителя предлагает компания NJS. Наружную поверхность изделия под названием SMF (Sintered Metal Filter) опоясывают три электронагревательных элемента. При подаче напряжения такие кольца быстро нагревают фильтрующие элементы до температуры, при которой сажа моментально выгорает. Как правило, для полной регенерации фильтра требуется не более 60 секунд. Подобными изделиями уже сейчас оснащаются грузовики, отвечающие экологическим нормам Euro 4.

Существуют и такие сажевые фильтры, которые в принципе не требуют дополнительного обогрева, впрыска топлива или каких-нибудь дополнительных реагентов. Но это при условии, что двигатель, с которым работает глушитель, должен быть оснащен системой рециркуляции отработавших газов EGR (Exaust Gas Recirculation). Одним из известных разработчиков необслуживаемых фильтров является фирма Emitec. Главной особенностью нового продукта под названием PM-Metallit является металлическая система-сепаратор для нейтрализации частиц, размещенная внутри глушителя. В процессе очистки частицы сажи с помощью преднамеренно вызванной турбулентности накапливаются в ловушке из спеченной металлической «шерсти». Далее углерод, составляющий основу задержанных частиц сажи, вступает в реакцию с другим компонентом отработавших газов — диоксидом азота. В результате образуются нетоксичные химические соединения. Открытые каналы предохраняют фильтр от засорения, а все реакции происходят без потребления внешней энергии.

Подводя итог, можно сказать, что при многообразии современных подходов к системам очистки отработавших газов вопросы применимости той или иной оригинальной конструкции главным образом будут зависеть от экономической целесообразности. Но в целом тенденцию избавления водителей от дополнительных хлопот, связанных с заправкой дополнительным реагентом, можно считать положительной.