Системы нейтрализации отработавших газов в выпускной системе ДВС

недостатка лишен четырехпроводный лямбда-зонд - у него все провода служат

для своих целей - два на подогрев, а два - сигнальные. При этом вкручивать

его можно так как заблагорассудится.

Ресурс датчика содержания кислорода обычно составляет 50 - 100 тыс. км

и в значительной степени зависит от условий эксплуатации, качества топлива

и состояния двигателя. Повышенный расход масла, переобогащенная смесь и

неправильно отрегулированный угол опережения зажигания сильно сокращают

жизнь лямбда-зонду. Дольше служат, как правило, датчики с подогревом.

Рабочая температура для них обычно 315-320°C. В конструкцию этих

датчиков включен нагревающий элемент, имеющий на разъеме свои

контакты. Проверку работоспособности нагревательного элемента таких

датчиков можно производить обычным омметром. Сопротивление их обычно

составляет от 3 до 15 Ом.

Правильно работающий лямбда-зонд может многое сказать о том, в каком

состоянии находится двигатель и его системы. На некоторых автомобилях с

помощью датчика можно достаточно точно отрегулировать содержание СО в

выхлопных газах. Неисправный лямбда-зонд неминуемо вызовет повышенный

расход топлива и снижение мощностных характеристик двигателя. Следует

отметить, что далеко не все неисправности лямбда-зонда фиксируются блоком

управления, а если фиксируются, то блок управления переходит в режим

управления впрыском по усредненным параметрам, что тоже приводит к

перечисленным выше результатам. Поэтому рекомендуется при малейших

подозрениях провести диагностику, а при выявлении неисправности заменить

лямбда-зонд.

Условия нормальной работы каталитических нейтрализаторов

В наши дни каталитические нейтрализаторы распространяются по странам и

континентам. Докатились они и до российской глубинки. А здесь их часто

встречают... свинцом и ломом. Причина в том, что для нормальной работы

катализатора необходимо соблюдать пустяковые по европейским понятиям

условия. Посмотрим, какие же это "пустячки".

Во-первых, как известно, даже случайная заправка бака этилированным

бензином выводит катализатор из строя. Он окончательно "отравляется"

свинцом - остается только выбросить прибор.

Во-вторых, катализатор эффективно работает только при строгом

соблюдении состава топливной смеси - 14,7 весовых частей воздуха на одну

часть бензина. Любой карбюратор, даже с электронной системой управления,

такой точностью и быстродействием для поддержания требуемого состава смеси

не обладает.

Таким образом, катализатор эффективен лишь в сочетании с системой

впрыска топлива с электронным управлением. На автомобиле появился

микропроцессор, который, анализируя данные о температуре, расходе воздуха

через коллектор, оборотах и т.п., а главное - сигналы, поступающие от

каталитического нейтрализатора, регулирует работу электромагнитных форсунок

впрыска топлива. Однако в случае выхода из строя свечи зажигания, перебоев

в подаче топлива и т.д. мгновенно нарушается тонкое равновесие состава

рабочей смеси - катализатор теряет свою эффективность, причем в некоторых

случаях навсегда. Поэтому микропроцессор контролирует работу систем и

агрегатов автомобиля, а о неисправностях сообщает водителю.

Есть и еще одна проблема - каталитический нейтрализатор хорошо

справляется с окислами азота, только когда их мало. Упрощенно картина

такова: окислов азота тем больше, чем выше температура в камере сгорания, а

чем она выше, тем больше КПД мотора. Для борьбы с окислами азота нашли

простой выход. Соединили выпускной коллектор со всасывающим патрубком,

направив часть выхлопных газов обратно в камеру сгорания со свежей рабочей

смесью, что снижает наполнение цилиндров и, следовательно, мощность.

Получается, что нейтрализатор вредит двигателю.

Но и мотор не остается в долгу. Явный вред катализатору приносит так

называемое перекрытие клапанов - момент, когда одновременно открыты

впускной и выпускной клапаны. В цилиндре возникает, так сказать, сквозняк:

рабочая смесь вылетает в выхлопную трубу через открытый выпускной клапан и

отравляет чувствительный катализатор. Однако перекрытие клапанов

способствует лучшему наполнению цилиндров и повышению мощности мотора,

поэтому пока ни один современный двигатель без этого не обходится. Здесь

приведены лишь некоторые примеры, показывающие, что в автомобиле все не

просто.

3. Нейтрализация отработавших газов в выпускной системе дизельных

двигателей

В дизельном двигателе (рис.10) топливо впрыскивается в цилиндр, уже

наполненный раскаленным сжатым воздухом и на образование "правильной"

горючей смеси просто не остается времени. Даже при тончайшем распылении

(для чего и повышают давление) не все микрочастицы топлива успевают

обзавестись нужным количеством молекул кислорода - вот вам и сажа. Снижение

температуры в цилиндре по бензиновому рецепту только ухудшает картину.

Вообще, основное противоречие дизеля, которое еще никто до конца не

разрешил, - между снижением выбросов сажи и окислов азота: улучшая один

параметр, неизбежно портим второй.

Комплексная очистка отработавших газов дизеля

Современные комплексные системы очистки отработавших газов для дизелей

состоят из каталитических и жидкостных нейтрализаторов, а также сажевых

фильтров.

Сажевые фильтры

Фирмы, пропагандирующие экономичные легковые дизели, ради экологии

пускаются во все тяжкие. Например, предлагают устанавливать дополнительные

бачки с дорогими реактивами, снижающими температурный порог разложения

накопившейся в специальном нейтрализаторе сажи ("Пежо-607"). Выжечь, то

есть окислить, накопившиеся в порах фильтра частицы можно лишь при

достаточно высокой температуре, которой выхлопные газы правильно

настроенного дизеля не достигают. Даже если приказать управляющему

двигателем контроллеру периодически увеличивать подачу топлива, все равно

градусов не хватает. Решение видели в добавке к солярке мочевины (прямо на

АЗС) либо незначительного количества специального реагента, хранящегося в

отдельном бачке (5 литров хватает на 80 000 км пробега). Это снижало

температуру начала реакции градусов на 100 и позволяло, обогатив смесь,

очищать фильтр. Реализовать эти решения весьма сложно. Неудивительно, что

бачки с реагентом прижились в основном на дорогих автомобилях, например,

«Пежо-607».

В фильтрах нового поколения общий принцип остался прежним: задержать и

уничтожить. Но как добиться нужной для сгорания частиц сажи температуры? Во-

первых, фильтр разместили сразу за выпускным коллектором. Во-вторых, через

каждые 300-500 км пробега контроллер включает режим многофазного впрыска,

увеличивая количество поступающего в цилиндр топлива. И, наконец, главное:

поверхность фильтрующего элемента покрыта тонким слоем нового катализатора,

который дополнительно повышает температуру выхлопных газов до необходимых

560-600°С. Отдаленно это напоминает работу каталитической бензиновой грелки

для рыболовов.

Фильтрующий элемент состоит, как правило, из керамической (карбид

кремния) микропористой губки. Толщина стенок между ее каналами не превышает

0,4 мм, так что фильтрующая поверхность очень большая. Иногда эту «губку»

делают из сверхтонкого стального волокна, также покрытого новым

катализатором. Набивка настолько плотная, что задерживает до 80% частиц

размером 20-100 нм.

Новые фильтры стали активно участвовать в управлении работой двигателя.

Ведь режим обогащения включается по сигналу от датчиков давления,

установленных на входе и выходе фильтра. Когда разность показаний

становится значительной, компьютер воспринимает это как признак

закупоренности «губки» сажей. А выжигание контролируют с помощью датчика

температуры.

Активные фильтры уже появились на дизельных моторах «мерседес-бенцев» С-

и Е-классов (рис.12), в начале 2004 года приживутся в «Опеле-Вектра»

(рис.11) и «Сигнум», «Рено-Вель Са-тис» (рис.13)... До 2006 года об

экологии легковых дизелей производителям можно не беспокоиться. Но ведь 20%

частиц пока попадают в воздух, а есть еще пылинки размером меньше 20 нм...

Наверняка производители уже колдуют над новыми устройствами.

Система DRNR

"Тойота" разработала свою, не менее эффективную систему очистки,

названную DPNR (рис.14). Она одновременно обезвреживает и канцерогенные

частицы сажи, и просто вредные окислы азота (о СН и СО сегодня говорить уже

стыдно – пройденный этап). Главную роль играет новый микропористый

керамический фильтр, покрытый слоем накапливающего азот материала и

катализатором на основе платины. Во время работы двигателя на бедной смеси

частицы сажи окисляются атомарным кислородом, освобождающимся при

соединении NO и О2 из выхлопных газов в процессе накопления NO2.

Периодически, когда компьютер кратковременно обогащает смесь, эти

частицы окисляются кислородом, возникающим теперь уже при разложении

накопленных окислов в безвредный азот.

DPNR показала снижение содержания сажи и NOx на 80% по сравнению с

действующими сегодня нормами, но применима лишь для дизелей последнего

поколения, работающих с системой "коммон рейл" высокого давления на топливе

с пониженным содержанием серы.

Плазменный нейтрализатор

Один из альтернативных методов нейтрализации отработавших газов –

использование низкотемпературной плазмы. Исследования в Японии, США и в...

России привели к созданию экспериментальных образцов оборудования,

основанного на плазменных технологиях.

Что такое низкотемпературная плазма? Она состоит из положительно

заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов, полученных в

специальных устройствах при различных видах импульсных высоковольтных

электрических разрядов (коронный, барьерный и др.), а также из нейтральных

атомов и молекул.

Принципиальная схема одного из вариантов разрядного устройства показана

на рис.15. Оно включает узел подвода отработавшего газа и масла 1,

кварцевую стеклянную или керамическую трубку 2, используемую в качестве

диэлектрического барьера, и два электрода – центральный 3 и внешний 4 – в

виде металлической сетки из нержавеющей стали. В разрядное устройство

подается ток от источника, формирующего импульс напряжения длительностью

250–350 мкс. Барьерный разряд возникает при электрическом напряжении 0,5–35

кВ и частоте следования импульсов 50–2000 Гц.

Как происходит процесс нейтрализации газов в системе и очистка их от

сажи? Отработавшие газы дизеля направляются в плазмохимический реактор,

предварительно пройдя сушку во влагоотделителе. В плазмохимическом реакторе

к этим газам "подмешивают" масло. Под действием электрического разряда в

трубках разрядного устройства частички сажи активно абсорбируют масло на

своей поверхности. Для удаления сажи, частички которой находятся как бы в

масляном коконе, используется маслоотделитель. Сажа собирается в

специальный контейнер, а масло после дополнительной очистки в фильтре

продолжает циркулировать по замкнутому контуру. Таким образом, удается

обеспечить очень высокую эффективность поглощения частичек сажи – до 100%

во всем диапазоне оборотов дизеля. Из маслоотделителя часть отработавших

газов можно направить во впускной коллектор дизеля (рециркуляция). Это

снижает содержание оксидов азота в выхлопе.

Физическая и химическая сущность явлений, происходящих под действием

барьерного разряда в плазмохимическом реакторе, изучена пока недостаточно.

Однако упрощенно процесс можно представить следующим образом. При подаче

напряжения в электроразрядное устройство в нем создается неравновесная

слабоионизированная низкотемпературная плазма, которая воздействует на

отработавшие газы. В результате многостадийных химических реакций оксиды

азота, серы и углерода разлагаются на нетоксичные молекулы кислорода,

азота, серы и углерода. Одновременно происходит конверсия (превращение)

оксида азота в его диоксид, который связывается радикалом ОН в азотную

кислоту в виде аэрозоля. Аналогичные реакции протекают с диоксидом серы и

оксидом углерода, приводя к образованию аэрозолей. Аэрозоли улавливают в

достаточно простых электрофильтрах, обеспечивающих степень очистки до

98–99%.

Судя по лаконичным сообщениям зарубежной печати, в Японии проходит

испытания микроавтобус, на котором установлен дизельный двигатель "Ниссан-

LD 20" мощностью 48,5 кВт/66 л. с., оборудованный нейтрализатором с

плазмохимическим реактором.

По предварительным расчетам, плазменная очистка обойдется в 1,5–2 раза

дешевле, чем в существующих многокомпонентных устройствах. Не требуется

использовать благородные металлы, значительно увеличивается ресурс систем

нейтрализации, сокращается время на их техническое обслуживание. Однако к

промышленному выпуску плазмохимических реакторов (а значит, их широкому

использованию) можно будет перейти, когда удастся сократить затраты

мощности на электропитание реактора. В опытных и экспериментальных системах

они достигают 4–5% и более от мощности дизеля.

Обратная связь дизеля

Компания Bosch, которая в 1976 году представила миру свой первый лямбда-

зонд для бензиновых двигателей, недавно создала аналогичный узел и для

дизельных моторов. Напомним, лямбда-зонд – это датчик, измеряющий

содержание кислорода в отработавших газах автомобиля. Его внедрение

позволяет оптимизировать топливоподачу в цилиндры, благодаря чему снижается

токсичность отработавших газов и уменьшается расход топлива, увеличиваются

мощность и крутящий момент мотора, а также улучшаются его пусковые

характеристики.

Кроме того, лямбда-зонд вместе с электронной системой впрыска

обеспечивают работу каталитического нейтрализатора отработавших газов,

который выполняет свою функцию только при четком соблюдении пропорций

состава топливовоздушной смеси.

Сегодня, когда системы питания дизелей управляются электроникой, а их

механические ТНВД остались в прошлом, лямбда-зонд пришел на службу и этим

моторам. Получая данные о количестве кислорода в выхлопе, электронные

«мозги» современных дизелей корректируют работу системы рециркуляции

отработавших газов, определяют оптимальное время впрыска топлива и давление

наддува (рис.16). Системы питания с лямбда-зондом особенно эффективны в

режиме полных нагрузок, когда увеличивается склонность к дымообразованию.

«Бошевский» датчик кислорода будет использоваться и в накопительных

катализаторах для измерения содержания окисей азота (NOX). Планируется, что

уже к концу этого года «лямбда-регулирование» будет внедрено на многих

современных дизелях.

Система SCR

Совсем скоро, в октябре 2005 года, в странах Евросоюза для автомобилей

начнут действовать более строгие экологические нормы Евро 4, которые сменят

ныне действующие Евро 3. И сегодня мировые автопроизводители активно

работают над тем, чтобы сделать выхлоп двигателей как можно чище.

В то же время необходимо считаться с покупателем, для которого важно,

чтобы автомобиль был относительно дешев и прост в эксплуатации. Все это

требует эффективных и вместе с тем недорогих систем. Специалисты

DaimlerChrysler создали одну из них – SCR (Selective Catalytic Reduction,

что можно перевести как «селективный каталитический преобразователь»).

Принцип действия системы SCR (рис.17) заключается в химической реакции

аммиака с окисью азота выхлопных газов, в результате которой образуются

безвредный азот и водяной пар.

Здесь, правда, возникает один вопрос: а как перевозить на автомобиле

аммиак – довольно токсичное вещество? Известный концерн Total в свое время

создал безопасный заменитель аммиака, разработанный на водной основе и

соответствующий стандартам DIN 70070. Сегодня он широко применяется в

сельском хозяйстве, текстильной промышленности, а также при изготовлении

косметики и парфюмерии. Данная жидкость – совершенно не токсичная, без

цвета и запаха – в «автомобильном» исполнении называется AdBlue.

Селективный преобразователь состоит из двух основных узлов:

непосредственно каталитического нейтрализатора с сотовой структурой,

вмонтированного в глушитель автомобиля, и дополнительного бака под

аммиачный заменитель AdBlue. Так что установка системы SCR на автомобили с

моторами Евро 3 не потребует кардинального изменения их конструкции.

Средний расход «голубой» жидкости – около 6% от потребляемого

автомобилем дизтоплива: например, для магистрального тягача он составляет

около 2 л на 100 км. Таким образом, 100-литрового бака с AdBlue хватит на

5000 км пути.

Двигатель оснащается дополнительным модулем, совмещенным с электронной

системой управления мотором, который точно дозирует количество жидкости

AdBlue, подаваемой в выпускной коллектор.

Но это еще не все. Очень важно, что моторы с системой SCR существенно

экономичнее: например, на дальнобойных грузовиках расходуется на 30% меньше

топлива. А чем выше экономия – тем меньше содержание вредных веществ в

выхлопных газах.

Работы над технологией очистки SCR были начаты еще в 90-е гг. Сегодня

система практически готова к серийному производству. Оснащать грузовики и

автобусы Mercedes-Benz системой SCR должны начать в I-м полугодии 2005

года, с тем, чтобы к октябрю 2006 года – предельному сроку перехода на Евро

4 – все вышеуказанные машины марки имели селективный преобразователь

выхлопных газов. После небольшой модернизации системы SCR оснащенные ею

дизельные моторы будут соответствовать экологическим нормам Евро 5,

введение которых намечено на октябрь 2008 года.

Однако нужно решить еще одну важную проблему – создать разветвленную

сеть специальных АЗС, на которых можно будет заправляться «голубым»

топливом AdBlue. Концерн Total и другие производители уже активно работают

над этим. Результат не заставил себя долго ждать: 26 ноября 2003 года в

Штутгарте была торжественно открыта первая автозаправочная станция AdBlue.

Пока на ней будут заправляться только проходящие испытания с системой SCR

автомобили Mercedes-Benz.

Заключение

Увы, нам пока не до таких нюансов, как токообогрев нейтрализаторов или

индивидуальный контроль сгорания с помощью специальных датчиков в каждом из

цилиндров. Россия по уровню автомобильной техники находится сейчас на

пороге первой фазы эры нейтрализации — нам надо хотя бы внедрить

нейтрализаторы на отечественные автомобили. Как это было сделано 30 лет

назад в Америке и Японии, придется правительственными решениями "закрутить

гайки" всем без исключения автозаводам и принудить их к выпуску

автомобилей, отвечающих реально выполнимым экологическим требованиям.

Правда, от этого немедленно пострадаем мы, покупатели, — ведь автомобили с

впрыском и нейтрализатором немедленно станут дороже!

А еще надо обязательно решить проблему с этилированным и нечистым, с

большим количеством вредных примесей, бензином — иначе нейтрализаторы будут

очень быстро терять свои способности. И переоборудование для этой цели

нефтеперерабатывающих заводов по всей стране — это тоже вопрос

государственного уровня.

Помимо этого, есть еще масса проблем. Оборудовать ли нейтрализаторами

те автомобили, что уже выпущены? В Соединенных Штатах, например, разрешено

эксплуатировать старые карбюраторные машины — это позволяет высокая

скорость обновления автопарка. В Германии это тоже разрешено, но владельцы

машин без нейтрализаторов платят больший налог. И стремятся от них

побыстрее избавиться.

У нас же автомобиль служит до тех пор, пока не сгниет второй кузов и не

застучит после четвертой переборки мотор. А как будут обращаться с

нейтрализаторами гаражные умельцы, уверенные в том, что "катализаторы"

сильно ухудшают динамику и экономичность? Будут пробивать их ломом или

вырезать из выпускного тракта?

Словом, пока у внедрения нейтрализаторов в России больше врагов, нежели

сторонников. Но — "иного нет у нас пути"!

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА:

1. Аркадий Алексеев, Михаил Козлов. «Экологический триптих». «За рулем»

№6, 1998

2. Леонид Голованов. «Дышать! Лучше поздно, чем никогда». «Авторевю» №1,

1998

3. Алексей Воробьев-Обухов. «Освежить дыхание». «За рулем» №12, 2000

4. Юрий Дацик. «Дизельный лямбда-зонд». «Автоцентр» №47, 2002

5. Алексей Воробьев-Обухов. «Задержать и уничтожить». «За рулем» № 12,

2003

6. Юрий Гоголев. «Будут сверхчистые Mercedes». «Автоцентр» №6, 2004

7. Алексей Воробьев-Обухов, Витольд Стрелков. «Плазматрон-

нейтрализатор». «За рулем» №3, 2001

8. Владимир Корницкий. «Катализаторы с обратной связью». «Автоцентр»

№49, 2002

9. Алексей Воробьев-Обухов. «Датчик кислорода на дизеле». «За рулем» №9,

2002

10. Юрий Макаров. «Нейтрализатор или наше будущее?». «За рулем» №7, 1997

11. Михаил Гзовский. «Твердый курс ЕВРО». «За рулем» №5, 2002

12. Сергей Мишин. «Дышите глубже – мы в Европе». «За рулем» №11, 2000

13. Игорь Мельников. «Не пора ли очиститься?» «Автопрофи» №23, 2003

14. Оксана Сердюк. «Экология и автомобилестроение». «Автостандарт» №4,

2004

15. Николай Казаков, Ирина Масленникова. «Экологическая безопасность

транспорта». «Автобизнесмаркет» №14, 2004

-----------------------

Рисунок 4 – Каталитический нейтрализатор с электроподогревом

Рисунок 6 – Современная компоновка системы нейтрализации с системой

бортовой диагностики OBD-II (on-board diagnostics)

Рисунок 1 – Керамические соты

Рисунок 9 – Зависимость сигнала датчика от коэффициента избытка воздуха

Рисунок 5 – Оптимум нейтрализации всех трех компонентов (около 80%)

достигается только в узкой зоне стехиометрического состава смеси

Рисунок 8 – Кислородный датчик

Рисунок 7 – Современный нейтрализатор

Рисунок 15 – Схема плазменного нейтрализатора:

1 – узел подвода отработавших газов;

2 – кварцевая трубка (диэлектрик);

3 – центральный электрод;

4 – внешний электрод.

Рисунок 2 – Соты нейтрализаторов Metalit

Рисунок 3 – Реакции в нейтрализаторе

Рисунок 11 – Фильтр «Опеля»: 1 - вход газов с частицами сажи; 2 -

фильтрующий элемент; 3 - датчики давления; 4 - датчик температуры; 5 -

выход. А - стадия накопления сажи; В - стадия ее выжигания

Рисунок 10 – Автомобиль с дизельным двигателем

Рисунок 12 – Совмещенный фильтр «Мерседес-Бенц»: 1 - лямбда-зонд; 2 -

обычный окислительный нейтрализатор; 3 - фильтр частиц сажи; 4 - датчики

давления; 5 - датчики температуры

Рисунок 13 – Новый фильтр длиной 150-300 ми устанавливают рядом с выпускным

коллектором (двигатель «Рено» 2,2 л)

Рисунок 16 – Обратная связь дизеля

Рисунок 14 – Система DPNR

Рисунок 17 – Система SCR

Страницы: 1, 2