Некоторые аспекты очистки отработавших 
газов дизельного двигателя автомобиля 
повышенной проходимости КРАЗ-260

В странах Европы в наше время усиленное внимание уделяют экологическим проблемам окружающей среды. По оценкам Департамента охраны окружающей среды Германии пылевая нагрузка на окружающую среду вызывается тремя основными факторами:

• - приблизительно 50% общей пылевой нагрузки составляет эмиссия дизельных автомобилей (в том числе грузовые автомобили, легкие грузовики, автобусы, легковые автомобили);
• - около 25% - это последствия движения автомобильных потоков (пыль от износа тормозніх колодок, шин, дорожного покрытия);
• - около 25% - привнесенные частички пыли, которые образуются от расположенных на большом расстоянии источников.

Рис. 1. Система фильтрации частиц Peugeot-Citroen

Пыль может оказывать различное влияние на людей и окружающую среду. В отличие от относительно больших частиц пыли маленькие частички проникают по дыхательным путям в легкие. Токсикологическое влияние оказывают прежде всего такие вещества как свинец, ванадий, бериллий и другие, которые способствуют возникновению астмы, раковых заболеваний. К тому же очень маленькие частички других вредных веществ, таких как углеводороды, соединения серы или соединения азота, которые попадают на слизистую оболочку органолв дыхания, усиливают действие основных вредных веществ. Наряду с вредным действием пыли на здоровье человека, она оказывает определенное влияние и на климат Земли.

Рис.2. Система фильтрации частиц Peugeot-Citroen с увеличенным до 250000 км периодом обслуживания.

В последнее время дизельные двигатели, доля которых в общей пылевой нагрузке составляет половину, благодаря снижению шумности, улучшению экономичности и динамических качеств становятся и далее все более популярнее своих бензиновых конкурентов. Поэтому актуальность проблемы очистки выхлопных газов автомобилей с дизельными двигателями возрастает.

Частички сажи в выхлопных газах дизельного двигателя постоянно находятся в зоне внимания по причине их вредного влияния на здоровье человека. Поэтому в нормах выброса вредных веществ Euro IV та V на законодательном уровне устанавливаются очень низкие предельные значения их содержания. Снижение эмиссии вредных веществ является важной задачей при разработке дизельных двигателей грузовых автомобилей. В химический состав отработавших газов наряду с другими составляющими в частности входят: частички угольноъ сажи (EC), металлосульфаты и металлофосфаты (зола моторного масла, ASH), серная кислота/ вода (Sulfuric Acid, SA) и несгоревшие углеводороды (Organic Carbon, OC). Эмиссия твердых частиц двигателя по требованиям EuroV для этих составляющих должна быть в пределах: 12 мг/кВт·час: в том числе угольной сажи (EC) - 7 мг/кВт·час, соединений серной кислоты (SA) - 2 мг/кВт•час и золы моторного масла (ASH) - 3 мг/кВт•час [10]. По некоторым данным исследований выхлопа дизельного двигателя фильтр сажи (Partikelfilter) в варианте системы CRT; которая сейчас наиболее часто применяется на автобусах, отделяет долю EC и ASH в основном количественно, окисляет долю углеводородов, которые не сгорели, и создает соединения серной кислоты. Образования ASH и SA можно избежать только, применяя топлива с минимальным содержанием серы и бедные золой та фосфором моторные масла, а также с помощью снижения расходов моторных масел. Так как золу моторных масел (ASH) в данное время невозможно удалить, система во время эксплуатации постепенно засоряется и окончательно блокируется, и поэтому должна быть очищена или заменена. Ввиду этого целью систем очистки является разроботка надежной системы для селективного уменьшения общего содержания углеводородов (TC), причем общее содержание углеводородов состоит из содержания углеводородов., которые не сгорели (ЕС), и содержания сажи (ОС). Автопроизводителями достигнут большой прогресс в решении сложной проблемы уменьшения токсичности выхлопа дизельных двигателей, причем не только сажи, но и газоподобных компонентов СО, СН и NOx. Уменьшение выбросов сажи дизельных двигателей достигнуто за счет применения специальных фильтров, а уменьшение токсичности (СО, СН и NOx) – с помощью использования каталитических нейтрализаторов, которые с самоного начала использовались на бензиновых двигателях. Первые сажевые фильтры появились в 90-ые годы теперь уже прошлого столетия на грузовых автомобилях, но адаптировать эти громоздкие конструкции для легковых автомобилей первое время не удавалось из-за больших габаритов и большой стоимости. Сейчас эта проблемма решается использованием компактных фильтров сажи новой конструкции.

В 2006 году Европа ввела экологические стандарти Euro IV. В борьбе за исполнение норм вибросов Евро IV и V производители автомобилей, комплектующих и отдельных систем для автомобилестроения решают проблемму разными путями. Разработка систем очистки выхлопных газов дизельных двигателей ведется в нескольких направлениях:

• 1. Система очистки отработавших газов Peugeot-Citroen;
• 2. Система сажевых фильтров Volkswagen;
• 3. Система рециркуляции выхлопных газов EGR с применением фильтров MAN (автопроизводители MAN, Scania);
• 4. Очистка отработавших газов в дизеле системой впрыска в выхлопную систему автомобиля аммиачного раствора AdBlue (концерн Daimler Benz);
• 5. Система регенерации сажевых фильтров концерна BOSCH.
• 6. Другие системы.

Рассмотрим подробнее эти направления.

Система очистки отработавших газов Peugeot-Citroen

Одною из первых такие системы на легковых автомобилях внедрила компания Peugeot. Фильтр в дизельных двигателях входит в состав целой системы, которая включает в себя блок управления работой двигателя, датчики давления, систему дозирования специальной присадки к топливу и систему питания Сommon Rail. Рабочим элементом фильтра служит карбид кремния, который имеет пористую структуру с десятками тысяч каналов, где накапливаются частички сажи. Каналы через некоторое время засоряются, поэтому их нужно очищать. Для этого топливо в цилиндры подаеться с запаздыванием, и часть его сгорает в выпускном тракте, что вызывает повышение температуры отработавших газов перед входом в фильтр со 150°С до 250°С. После этого отработавшие газы еще раз нагреваются в процессе окисления в катализаторе – теперь уже до 450°С. Такой температурный режим обеспечивает сгорание частиц сажи в фильтре. В обычных условиях для этого необходима температура не менее 550°С, однако для снижения этой границы применяется специальное устройство, вмонтированное в топливный бак (или располагается рядом с ним), и добавляется в дизельное топливо в необходимой пропорции.

Принципы модификации системы: разрабатывется новое поколение специальной добавки Eolys и новая структура фильтра с 8-гранными проходными каналами большого сечения (рис.2).

Краткое техническое описание сажевых фильтров, используемых в автомобилях Рeugeot и Citroen:

• Сажевый фильтр
  поставщик: Ibiden 
  материал: карбид кремния 
  плотность ячеек: 200 cpsi 
  толщина стенок: 0,4 мм 
  размеры фильтра: длина 250 мм; диаметр 144 мм; объем 4,15 л (в зависимости от двигателя); 
  Эффективность очистки: почти 100 % для всех условий движения. 
  Период работоспособности: приблизительно 120 000 км в зависимости от автомобиля.
• Добавка к дизельному топливу, для улучшения регенерации 
  поставщик: Rhodia 
  тип: на основе Eolys 176 
  цель: регулярно вводится в топливный бак для понижения температуры и увеличения скорости сгорания сажи.
• Дозирующий насос 
  поставщик: Marwall
  цель: осуществляет впрыск добавки в топливо.
• Компьютер управления впрыском 
  поставщик: Magnetti Marelli 
  цель: управление процессом впрыска добавки в топливо.

Емкость резервуара для хранения добавки составляет 5 литров (в зависимости от двигателя).

Способ сжигания сажи в фильтре Toyota

Кроме технологии очистки сажевых фильтров, разработанной Peugeot, существует еще один способ сжигания сажи в фильтре (керамическом или металлокерамическом) – без использования спецприсадки. Режим «сжигания» активизируется, как и у Peugeot, блоком управления двигателем после получения информации о заполнении фильтра от датчиков давления в системе выхлопа. Особенность режима сгорания состоит в том, что системой рециркуляции подается в цилиндры на повторное сжигание большее количество отработавших газов, впрыскивается больше топлива и снижается подача свежего воздуха. Это ведет к заметному увеличению температуры выхлопа, благодаря чему и выгорает сажа. Одной из первых данную технологию использовала Toyota.

Система сажевых фильтров Volkswagen

В автомобилях Volkswagen для вышеперечисленных целей используется Diesel Particular Filter (DPF). Конструктивно – это фильтр твердых частиц выхлопа дизельных двигателей, встроенный в выхлопной трубопровод за окислительным катализатором. Он отфильтровывает из выхлопной системы двигателя частицы сажи, которые образуются при сгорании дизельного топлива. На размещенной ниже иллюстрации показаны основные компоненты фильтра твердых частиц выхлопа дизельных двигателей.

Рис. 3. Система фильтра твердых частиц Volkswagen.

1- приборы панели управления; 2 - панель управления силовым агрегатом; 3 - бак с топливной смесью; 4 - датчик уровня горючей смеси в баке; 5 - деталь фильтра насоса топливной смеси; 6 - топливный бак; 7 - дизельный двигатель; 8 - датчик температуры воздуха турбины; 9 – турбина; 10 - лямбда-зонд; 11 - окислительный катализатор; 12 - датчик температуры выхлопних газов фильтра твердых частиц дизельного двигателя; 13 - фильтр твердых частиц дизельного двигателя; 14 - датчик давления выхлопных газов; 15 – глушитель; 16 - измеритель массы воздуха.

Матрица сажевого фильтра представляет собою ячеистую структуру из керамики на базе карбида кремния. Керамическая матрица заключена в металлический корпус. Она пронизана множеством параллельно расположенных каналов малого сечения, закрытых попеременно с одной или другой стороны. Поэтому различают впускные и выпускные каналы, разделенные между собой фильтрующими стенками.

Рис. 4. Фильтр твердых частиц Volkswagen в разрезе.

Фильтрующие стенки состоят из пористого карбида кремния. Они покрыты смесью оксидов алюминия и церия, выполняющих функцию подложки для катализатора, в качестве которого используется благородный металл – платина. Катализатор – это вещество, которое способствует протеканию химической реакции, но само при этом не изменяется и новых соединений не образует. Так как каналы фильтра закрыты попеременно со стороны впуска и выпуска, содержащие частицы сажи газы вынуждены проходить через пористые стенки из карбида кремния. При этом частицы сажи задерживаются во впускных каналах, а отработавший газ свободно проходит через поры стенок каналов.

Продолжение читайте на странице "Аспекты очистки отработавших газов"