|
Экологические нормы во всем мире ужесточаются. Создавая двигатели, соответствующие этим нормам, европейские компании столкнулись с рядом трудностей. Какие же подходы к решению проблем и выход из сложных ситуаций предлагают специалисты?
TATRA ON AIRTM – двигатель стандарта Euro 5
В феврале этого года Tatra объявила о выпуске нового семейства двигателей TATRA ON AIR, соответствующих стандарту Euro 5 и выполненных по технологии SCR, при которой NOx в отработавших газах (ОГ) благодаря использованию небольшого количества мочевины разлагается на кислород и азот. Оборудование устанавливают вместо глушителя, а состоит оно из сажевого фильтра и каталитического нейтрализатора SCR, управляемого отдельным электронным блоком.
Входящие в это семейство двигатели Т3D-928 Euro 5 SCR – уникальные восьмицилиндровые V-образные дизели воздушного охлаждения со стандартным рядным ТНВД без использования электроники для управления впрыском топлива в цилиндры, турбонагнетателем с перепускным клапаном и промежуточным охлаждением наддувочного воздуха. Их конструкция традиционная: рабочий объем 12 667 куб.см, коленчатый вал на роликовых подшипниках, отдельные чугунные цилиндры, алюминиевые головки цилиндров и верхнее расположение распредвала. Двигатели предлагаются в двух модификациях по мощности – 280 и 325 кВт.
TATRA a.s. – единственный производитель в мире, предлагающий дизели воздушного охлаждения с механическим управлением впрыском, соответствующие нормам Euro 5. Многие специалисты считали, что без использования электронного управления невозможно создать двигатели Euro 4 такой конструкции. Тем не менее инженеры Tatra создали такой агрегат и даже усовершенствовали его до стандарта Euro 5.
Новинки компании Hatz Diesel
Осенью 2007 г. эта немецкая компания заявила о разработке семейства четырехцилиндровых двигателей, соответствующих перспективным нормам Stage 4 (планируются к введению в 2014 г.). Двигатели оснащены системой рециркуляции ОГ (EGR) с клапаном с электронным управлением, который регулирует количество рециркулируемых ОГ. Как показали исследования компании, на режимах максимальной нагрузки, чтобы процесс сгорания не прерывался, количество ОГ не должно превышать 5%. На режимах частичных нагрузок требуется увеличить количество рециркулируемых ОГ до 35…40%.
На двигателях другой серии для снижения содержания NOx применено иное техническое решение. Совместно с компанией Stanadyne были разработаны форсунки с запорной иглой RSN (Rate Shaping). Раньше распылители форсунок представляли собой полость со сравнительно большим отверстием. Недостатком такой конструкции было то, что небольшая часть топлива остается в полости распылителя по окончании впрыска и позже это топливо попадает в ОГ в виде не сгоревших углеводородов (сажи). В форсунках с распылителем RSN игла перекрывает отверстие, и по окончании впрыска топливо не может попасть в камеру сгорания. Благодаря наличию иглы можно производить впрыск топлива в два этапа. Первоначально игла приподнимается лишь немного и впрыскивается небольшое количество топлива. Только когда давление в камере сгорания увеличивается, игла приподнимается больше и происходит впрыск основной порции топлива. Форсунка новой конструкции кроме снижения токсичности ОГ обеспечивает ощутимое «смягчение» и снижение шума работающего на холостом ходу двигателя.
Главный конструктор компании заметил: «С каждым новым ужесточением экологических норм токсичности мы все дальше уходим от идеального двигателя». В качестве примера он привел двигатель Hatz, у которого в начале 1990-х годов был оптимальный удельный расход топлива 205 г/кВт·ч. Сейчас из-за необходимости снизить температуру в процесса сгорания для снижения содержания NOx в ОГ удельный расход топлива этого двигателя четвертого поколения составляет около 220…225 г/кВт·ч.
Компания Hatz разрабатывает и сажевые фильтры. Такие фильтры для магистральных грузовиков сейчас производят массово, и вследствие этого их цена снижается. К сожалению, массовое производство сажевых фильтров для промышленных двигателей наладить невозможно, так как многочисленные типы двигателей имеют разные характеристики, применяются в разных машинах и установках, а компоновать сажевый фильтр нужно каждый раз по-иному. В установках, где работают промышленные дизели, свободного места почти нет, а расположить сажевый фильтр вне установки не позволяет техника безопасности: его поверхность разогревается до очень высоких температур. Задача усложняется и тем, что нормы токсичности ОГ для различных типов машин различаются. Кроме того, в отличие от грузовиков у промышленных машин зачастую не выполняется график технического обслуживания. ТО проводят тогда, когда машина не занята в работе. К тому же промышленные двигатели, применяемые в разных сферах производства, могут работать на разных сортах топлива и, что важно, на разных сортах масла, что может неблагоприятно повлиять на сажевый фильтр. Получается, что сажевый фильтр необходим внедорожным машинам, но его сложно приспособить к условиям работы каждого дизеля и интегрировать в конструкцию машины.
Очевидно, не только специалисты Hatz видят эти сложности. Проблема, что называется, витает в воздухе. А вот и одно из возможных решений, которое предлагает всемирно известная компания BASF.
Универсальное решение BASF
BASF предлагает концепцию, которая, по словам специалистов компании, позволит сделать ее сажевые фильтры и нейтрализаторы универсальными и устанавливать их на внедорожные машины и промышленные установки любой конструкции.
Разработан ряд унифицированных компонентов: различные конфигурации корпусов фильтров и нейтрализаторов, варианты носителей и катализаторов, из которых специалисты BASF создают агрегаты, оптимально работающие при существующих в конкретной машине условиях: нагрузках, давлениях, тепловом режиме и т. д.
Специалисты BASF разработали широкую гамму оборудования для снижения токсичности ОГ: окислительные каталитические нейтрализаторы ОГ дизельных двигателей (DOC, diesel oxidation catalyst), сажевые фильтры с каталитическими нейтрализаторами (CSF, catalyzed soot filter), системы избирательной каталитической нейтрализации (SCR, selective catalytic reduction), в которых используется реагент на основе мочевины – BASF AdBlue, а также просто сажевые фильтры. Недавно объявлено, что BASF достигла перспективных результатов в комбинировании DOC и CSF на едином носителе. Такие устройства позволят экономить до 20% пространства и снизить затраты на носитель, корпус агрегата и ценные металлы-катализаторы.
Сажевый фильтр для транспортных средств, передвигающихся с частыми остановками
Немецкая компания Puri Tech, производящая оборудование для очистки ОГ, выпустила сажевый фильтр для дизелей, в котором сочетаются автоматическая регенерация и автоматическая система впрыска дизельного топлива. Агрегат предназначен для применения на коммерческих транспортных средствах и других машинах, которые движутся с частыми остановками.
В сажевом фильтре DBS/DAS процесс регенерации происходит во время работы транспортного средства автоматически при температуре ОГ свыше 280 ºС за счет каталитического покрытия, сделанного поверх носителя из карбида кремния. Этот режим идеален для транспортных средств, работающих непрерывно или в режиме «остановка–движение».
Когда транспортное средство не работает с нагрузкой и температура ОГ падает ниже 280 ºС, процесс пассивной регенерации не идет и фильтр может «забиться» сажей, при этом возрастет противодавление в системе выпуска. В системе DBS/DAS электронный блок управления контролирует противодавление и, когда количество сажи в фильтре достигнет критического уровня, автоматически включает систему впрыска дизельного топлива в поток ОГ перед сажевым фильтром. Смесь ОГ и дизельного топлива окисляется в фильтре первой ступени, в результате окисления температура ОГ повышается (температура ОГ измеряется на входе и выходе из фильтра первой ступени). Когда темпетура ОГ достигнет необходимой величины, снова автоматически пойдет процесс регенерации.
Этот второй режим работы фильтра нужен для транспортных средств, работающих в режиме «остановка–движение»: городских маршрутных автобусов, мусороуборочных, почтовых и развозных грузовиков. Преимуществами этого комбинированного агрегата является то, что автомобилю не надо останавливаться для регенерации сажевого фильтра. Агрегат можно устанавливать на многие существующие транспортные средства вместо обычного глушителя.
Разработки VM Motori
Итальянская компания VM Motori выпускает автомобильные двигатели, соответствующие нормам Euro 4 и ведет испытания двигателей стандарта Euro 5.
Чтобы удовлетворить требования норм Euro 4, обычно достаточно использовать новейшие электронные системы впрыска топлива и не требуется последующей обработки ОГ. Чтобы добиться соответствия нормам Euro 5, требуется применять как минимум сажевый фильтр. Фильтры новейшего поколения способны задерживать свыше 95% сажи, если температура ОГ поддерживается на уровне выше 600 ºС и содержание кислорода превышает 3%. Чтобы сажевый фильтр работал с максимальной эффективностью, эти физические характеристики должны сохраняться постоянно, независимо от частоты вращения двигателя и нагрузки (путем изменения параметров впрыска).
Интенсивность образования NOx зависит главным образом от температуры в камере сгорания двигателя, которую можно понизить, уменьшив степень сжатия – а это основная тенденция современных дизельных двигателей, и используя охлаждаемую систему рециркуляции ОГ с электронным управлением.
Компания исследовала разные методы снижения содержания NOx в ОГ, но наиболее эффективным оказался метод избирательной каталитической нейтрализации (SCR). Однако у SCR есть ряд недостатков: подсос воздуха в систему выпуска может привести к окислению азота в нейтрализаторе, в результате содержание NOx в ОГ повысится. Кроме того, топливная система будет переобогащать топливную смесь вследствие повышенного содержания воздуха в топливе. Для использования системы требуется устанавливать на автомобиле дополнительный бак для мочевины. Использование мочевины повышает эксплуатационные расходы. И наконец последнее по порядку, но не по значению: раствор мочевины замерзает при –11 ºС, поэтому в холодное время года необходима еще и дополнительная система подогрева.
Еще один способ снижения токсичности ОГ – биодизельное топливо. Многие специалисты скептически относятся к перспективе его использования в ближайшее время. Они считают, что в течение ближайших 10 лет доля используемого биодизельного топлива достигнет 10% от количества нефтяного топлива. Кроме того, биодизельное топливо дороже нефтяного. Есть сведения, что при работе на нем топливные системы двигателей закоксовываются. Чтобы проверить это, инженеры VM провели испытания. Двигатель VM К754 работал на коммунальной машине в течение 1000 часов. После завершения испытаний систему впрыска осмотрели и состояние ее оценили как «очень хорошее».
Многие считают, что более широкое использование сжатого и сжиженного газа – наиболее реальный способ уменьшения токсичных выбросов. И наконец, возможно, в отдаленном будущем преимущества бензинового двигателя с системой впрыска топлива высокого давления и турбонаддувом и дизельного двигателя с низкой степенью сжатия совместятся в новом высокоэффективном автомобильном двигателе внутреннего сгорания.
|
