Экологические перспективы: двигатели для спецтехники (ч. 2)

Средства достижения норм Stage IV/ Tier 4 на внедорожных мобильных машинах

(Окончание. Начало см. «ОС» № 12, 2008 г.)

Особенности применения новых технологий на внедорожных машинах

Внедорожные мобильные машины (ВММ) по многим аспектам отличаются от магистральных автомобилей, поэтому для приведения их двигателей в соответствие новым нормам выбирают разные технологии, причем выбор может зависеть даже от типа машины. Только на первый взгляд кажется, что технологии, используемые в двигателях магистральных автомобилей, без адаптации будут так же хорошо работать в двигателях внедорожных машин. Опыт эксплуатации магистральных автомобилей позволил разработать ряд технических решений для двигателей ВММ и обеспечить надежность серийных двигателей для этих машин, поставляемых на рынок.

Некоторые рыночные требования к двигателям ВММ могут варьировать в зависимости от сферы применения машины, как показано в таблице. Эти требования также различаются в зависимости от размеров машины. Так, популярность на рынке машин малого размера очень зависит от их рыночной цены, а для крупных машин большее значение имеют эксплуатационные расходы. Следовательно, для малых и крупных машин снижение расхода топлива и рыночной стоимости машины имеет разное значение, и это серьезный фактор, влияющий на выбор технологии. По этой причине производителям двигателей и машин, относящихся к мощностному диапазону 37…75 кВт, будет сложно выбрать оптимальные по цене технические решения, обеспечивая одновременно выгодные потребителю эксплуатационные качества машин, чтобы достичь успеха на рынке.

Традиционно разработка и производство систем выпуска – прерогатива производителей машин, однако введение систем нейтрализации ОГ в систему выпуска может до некоторой степени изменить структуру бизнеса по производству двигателей. В соответствии с будущими нормами токсичности системы нейтрализации ОГ в системе выпуска будут частью сертифицированных двигателей, а следовательно, в разработке систем выпуска должны будут тесно сотрудничать производители двигателей и машин. На многих машинах возможность размещения систем выпуска будет значительно ограничена. В этой отрасли промышленности появится новая сфера деятельности – адаптация и настройка систем нейтрализации ОГ в системе выпуска.

Еще один аспект должен тщательно учитываться при разработке в будущем новых технологий для двигателей и систем нейтрализации ОГ в системе выпуска – приемистость двигателя. Эксплуатационные режимы двигателей внедорожных машин бывают высокодинамичными, т. е. могут потребоваться внезапные резкие увеличения крутящего момента. Опыт разработки двигателей, соответствующих нормам Tier 3, показывает, что это исключительно важный критерий для конечных пользователей, тогда как разработчики двигателей могут им пренебречь, чтобы выполнить требования норм токсичности.

Комплектация систем нейтрализации ОГ в системе выпуска

Для большинства спецмашин характерна компактная конструкция. Это означает, что систему нейтрализации ОГ в системе выпуска необходимо разместить в очень ограниченном пространстве. А между тем объем и сажевого фильтра, и нейтрализатора SCR составляет примерно полтора-два рабочих объема двигателя в зависимости от массового расхода потока отработавших газов. К тому же при размещении системы SCR нужно пространство для насоса, дозирующей аппаратуры и бака с водным раствором мочевины. Объем бака с раствором мочевины зависит от уровня токсичности ОГ, покидающих камеру сгорания двигателя, на эксплуатационных режимах; от производительности каталитического нейтрализатора SCR при нейтрализации NOx; от заданной частоты заправки мочевины. Учитывая, что уровень содержания NOx в ОГ, выходящих из камеры сгорания двигателей, соответствующих нормам Stage IV/ Tier 4, должен составлять 2 г/кВт.ч, и тот факт, что заправку мочевины производят не чаще чем один раз за две заправки дизельным топливом, вместимость бака для раствора мочевины должна составлять приблизительно 3…5% вместимости топливного бака.

Температуры ОГ на эксплуатационных режимах

Двигатели спецмашин бывают разной мощности и настроенные на разные эксплуатационные режимы работы. Вследствие этого температура отработавших газов и их количество по массе могут значительно различаться у двигателей одинакового рабочего объема. По результатам испытаний диапазон температур ОГ составляет в основном 200…350 °С и незначительное количество времени до 500 °С. Поэтому ясно, что наиболее тяжелые условия работы не могут быть определены только по результатам сертификационных испытаний двигателей, их следует определять также по эксплуатационным режимам.

Проблемы эксплуатации двигателей

Исследования показали, что в некоторых сферах применения двигатели машин работают с небольшими нагрузками, поэтому температура ОГ недостаточно высокая и непрерывная регенерация сажевого фильтра с помощью NO2 не может быть реализована. Для таких машин необходимо обязательно обеспечить активную (управляемую) регенерацию, после того как в фильтре скопится предельное количество сажи. На эффективность системы SCR существенно влияет температура ОГ и скорость движения потока ОГ. Из-за широкого диапазона температур ОГ расход реагента AdBlue также меняется в широких пределах при работе на разных эксплуатационных режимах, из-за этого и периодичность заправки бака для мочевины сильно варьирует.

Организация снабжения и торговли реагентом AdBlue

AdBlue в настоящее время можно приобрести повсюду в Европе на топливозаправочных станциях. Однако внедорожные мобильные машины там обычно не заправляют, поэтому следует предусмотреть иные возможности заправки спецмашин реагентом. При малом расходе AdBlue заправлять этим раствором машины, например мини-погрузчики с бортовым поворотом на стройке, можно из канистр. Для машин большего размера, которые работают на одном месте длительное время, можно завезти AdBlue в бочках непосредственно на рабочую площадку. Тракторы и комбайны можно заправлять на сельскохозяйственных фермах. Обеспечить заправку комбайнов особенно сложно, потому что они напряженно работают в течение короткого периода года, а затем простаивают до следующего уборочного сезона. Поскольку производители утверждают, что срок хранения AdBlue менее 6 месяцев, бак для раствора мочевины должен опустеть к концу рабочего сезона при работах такого типа.

Ошибочная заправка высокосернистым топливом и водой

Высокосернистое топливо отравляет окислительный каталитический нейтрализатор. Каталитический нейтрализатор SCR может быть отравлен сульфатами аммония (Ammonia sulfates). Таким образом, заправка топливом несоответствующего качества (с высоким содержанием серы) может вывести из строя системы нейтрализации ОГ в системе выпуска, поэтому качество топлива следует строго контролировать.

Система SCR выходит из строя при ошибочной заправке топлива в бак для AdBlue. Система SCR не выходит из строя под действием воды, при заправке в бак воды или сильно разбавленного водой раствора AdBlue, при этом лишь значительно уменьшается нейтрализация NOx.

Воздействие пыли, грязи, воды и механической вибрации

Внедорожные мобильные машины часто работают в пыли и грязи. Чтобы удалить грязь из AdBlue и топлива, должны использоваться и регулярно заменяться дополнительные фильтры. Некоторые машины, например комбайны, работают в чрезвычайно запыленной и пожароопасной среде. Следует принять меры, чтобы эта пыль не воспламенилась от горячих деталей двигателя или отработавших газов (например, во время регенерации сажевого фильтра).

Спецмашины обычно очищают от грязи на мойке высокого давления, поэтому все электрические разъемы, баки и бачки должны быть надежно загерметизированы. По сравнению с работами, связанными с поездками по дорогам, внедорожные машины испытывают серьезные неблагоприятные воздействия, в том числе механическую вибрацию. Аппаратура нейтрализации ОГ в системе выпуска, например каталитические нейтрализаторы, дозирующая аппаратура, должна надежно выдерживать эти жесткие механические воздействия.

* * *

Технологии, обеспечивающие соответствие двигателей требованиям норм Stage IV/ Tier 4, в общем, имеются и доступны. Эти технологии уже разработаны, и в различных комбинациях вскоре их станут использовать при производстве магистральных автомобилей. И все же просто перенести технологии с магистральных автомобилей на внедорожные машины невозможно. Эти технологии должны быть адаптированы в соответствии с условиями работы внедорожных машин. Компоненты систем должны не только выдерживать воздействие исключительно высоких нагрузок, но и сохранять работоспособность под воздействием грязи и пыли. Необходимо разработать принципиально новые комплектации из двигателя, системы охлаждения двигателя и средств нейтрализации отработавших газов в системе выпуска.

Специальные технические решения нужны не только для того, чтобы обеспечить доступные цены на машины, но и работоспособность машин в специфических условиях. Важными определяющими факторами являются также большое количество разнообразных машин в разных регионах мира и их сравнительно небольшие объемы выпуска. Требуется стандартизировать продукцию, чтобы снизить не только себестоимость, но и рыночные цены машин.

Постепенное введение в действие экологических норм и поэтапное введение новых технологий поможет разработать экологичные, с хорошей топливной экономичностью двигатели, достаточно надежные и доступные по цене. Это поможет и более мелким фирмам-производителям, особенно тем, у которых нет опыта производства двигателей магистральных автомобилей.

Наконец, для конечного покупателя и пользователя важно, чтобы двигатели и машины не были слишком сложными, чтобы приобретение и техническое обслуживание в эксплуатации новых двигателей стало экономически выгодным.