Автомобильные системы нейтрализации отработавших газов

Каждой норме – свой уровень очистки

Требования Еuro 5 действуют в Европе с сентября 2008 г., сменив действовавшие с 2006 г. более лояльные нормы Еuro 4. Но в 2013 г. должны вступить в силу требования Euro 6, в которых предусмотрено снижение в 3 раза содержание NOx и в 2 раза – объема выбросов твердых частиц по сравнению с нынешними.

Введение норм выбросов в первую очередь мотивируется качеством окружающего нас воздуха, которое с каждым годом вызывает все большие тревоги. Конечно, современный автомобиль несравненно меньше загрязняет окружающую среду и меньше потребляет топлива, чем это было даже 10 лет назад, – прогресс налицо. Значительно возросла доля дизельного и газового транспорта, который наносит менее значительный урон экологии, чем бензиновый. В 1990 г. среди приобретаемых автомобилей доля дизельных в Западной Европе составляла всего 14%. Уже в 2006 г. был превышен 50%-ный рубеж, и разница в пользу «дизелей» с каждым годом нарастает. Все новые автомобили с дизельными двигателями, которые с 2004 г. после внедрения стандартов Еuro 4 еще могли быть не оборудованы системой фильтрации, сокращающей выброс сажи и твердых частиц в атмосферу, сейчас уже при выпуске оснащаются фильтром твердых частиц (DPF).

Техническим исполнением требований Euro 4/5 явилось внедрение систем рециркуляции выхлопных газов (EGR/ AGR) в сочетании с применением сажевого фильтра. Такая комбинация существенно уменьшает выбросы NOx и твердых частиц. Для снижения выбросов СО, несгоревших углеводородов, частиц сажи устанавливают также системы селективной каталитической нейтрализации (Selective Catalytic Reduction, SCR) и системы структурной оптимизации процесса горения BlueTec.

Сегодня используются обе системы. С конструкционной точки зрения технология EGR (Exhaust Gas Recirculation) несколько проще, чем SCR, и, что немаловажно, ощутимо дешевле. Но, к сожалению, нормы Euro 5 гораздо легче достичь, используя SCR. Да и с точки зрения эксплуатационных затрат: в странах ЕС автомобилям с SCR предоставляются налоговые льготы.

К преимуществам EGR, как уже говорилось, относятся низкая стоимость приобретения и отсутствие необходимости заправки реагентом, что проявляется в большой популярности системы у владельцев личного транспорта.

Недостатков же у EGR значительно больше: для выполнения требований Euro 5 экономически невыгодно использовать рециркуляцию выхлопных газов, т. к. это приводит к повышению тепловой нагрузки на двигатель и, следовательно, резко растет износ деталей двигателя. Это, в свою очередь, сказывается на быстром засорении масла продуктами износа и окисления. Для противодействия преждевременному старению возникает необходимость использовать дорогие специальные марки масел, рассчитанные на тяжелые условия «жизнедеятельности».

Еще одним следствием является, как правило, более интенсивная работа системы охлаждения, и, что уж совсем плохо, повышается расход топлива в среднем на 3–6%. Использование сажевого фильтра увеличивает затраты на техническое обслуживание транспортного средства. Повышается риск выхода автомобиля из строя в связи со снижением пропускной способности фильтра. Риск повреждения катализатора в большой мере зависит от качества дизтоплива, а точнее, от процентного содержания в нем серы. Серный конденсат, образующийся при рециркуляции, вызывает засорение каналов, «отравляет» катализатор и быстро снижает эффективность очистки.

Необходимым элементом, обеспечивающим функционирование системы SCR, является реагент AdBlue, который представляет собой 32,5%-ный водный раствор мочевины. Это нетоксичная жидкость. AdBlue дозированно подается в поток сжатого воздуха, с помощью которого этот распыленный раствор попадает в выхлопную трубу. При контакте с горячими выхлопными газами AdBlue разлагается на аммиак и двуокись углерода СО. Свободный аммиак в каталитическом нейтрализаторе SCR реагирует с NOx, в результате образуются безвредный азот и водяной пар.

Серийный бак для AdBlue, устанавливаемый на грузовиках, вместимостью 90 л, обеспечивает каталитический процесс на пробеге в 5,2–7 тыс. км. На расход AdBlue в значительной мере влияет влажность воздуха: низкая влажность увеличивает расход, высокая – уменьшает, а также температура окружающего воздуха. При жаркой погоде расход будет выше, чем при холодной. Безусловно, влияние на расход имеет и характер эксплуатации – загрузка, рельеф местности и даже манера вождения.

Одна задача – множество путей решения

Сегодня многие компании в мире трудятся над разработкой идеальных систем нейтрализации вредных выбросов. Главным элементом системы BlueTec, системы снижения вредных выбросов, разработанным специалистами Mercedes-Benz, является оптимизированный двигатель, имеющий высокую степень сжатия и повышенное давление впрыска топлива. Это увеличивает пиковое давление сгорания, повышает эффективность сгорания топлива и снижает его расход. Процесс сгорания топлива при BlueTec оптимизирован таким образом, чтобы твердые частицы образовывались в минимальном объеме.

Бак, в котором хранится AdBlue, имеет самостоятельный подогрев. Раствор мочевины соединяется с выхлопными газами тогда, когда его собственная температура составляет не менее 200 °С. При более низких температурах химическая реакция идет не так интенсивно.

Таким образом, при подогретой AdBlue содержание NOx в выхлопных газах такое же, как и при использовании EGR, но твердых остатков выбрасывается несравненно меньше. Практика показала, что их объем на 35% ниже разрешаемого нормами Еuro 5. А при использовании BlueTec 5 наличие в выбросах NOx составляет всего 2% от объема, разрешенного требованиями Euro 4.

Но надо отметить, что при многочисленных положительных свойствах масса оборудования BlueTec составляет 150–300 кг, и на такую же величину уменьшается полезная грузоподъемность автомобиля. Недостатком является также и необходимость достаточно часто заправлять AdBlue. Для BlueTec 4, создаваемой под требования Euro 4, потребление AdBlue составляет 1,3 л/100 км, или 4% от расхода топлива. Для BlueTec 5 расход увеличился примерно на 1/3 и составляет 5–7% от расхода топлива, или 1,7л/100 км.

В части снижения выбросов оксида азота компания Bosh предложила рынку свою новую разработку. Речь идет о значительном снижении выбросов благодаря использованию новой системы фильтрации Denoxtronic2 Retrofit с сенсорными датчиками. Первая версия регулировочной системы была успешно внедрена еще в 2004 г.

Дозировочная система Bosch Denoxtronic, объединенная с каталитическими конвертерами SCR, позволяет снизить выбросы NOx на 85%. Это происходит благодаря электронной регулировке подачи AdBlue, которая учитывает такие ключевые параметры, как рабочая температура мотора и число оборотов. Блок управления дозированием, соединенный с электроникой двигателя, мгновенно определяет оптимальную дозировку AdBlue. Оборудование управления дозировкой Bosch Denoxtronic – модульного принципа и успешно работает в транспортных средствах самых разных типов.

Второе поколение Bosch Denoxtronic 2, в отличие от системы первого поколения Denoxtronic, сконструировано значительно проще, сборочных элементов меньше, и это облегчает монтаж и обслуживание. AdBlue впрыскивается без использования сжатого воздуха, при этом двигатель можно отрегулировать так, что расход топлива будет на 5% меньше, чем при использовании других концепций очистки отработавших газов. Разработчики утверждают, что, оптимизируя работу двигателя, Denoxtronic на 40% снижает выбросы твердых частиц.

Ряд известных в области разработки фильтров компаний ведут успешные разработки систем очистки отработавших газов без использования AdBlue. Так, американская Eaton разработала технологию на основе SCR, в которой необходимый для технологии очистки аммиак получают при разложении продуктов сгорания в системе выпуска, воздействуя на них очень высокими температурами. Система, безусловно, недешевая, и предназначена она в первую очередь для установки на тяжелых грузовиках и мощных тягачах.

Также и компания Behr ведет активные поиски в направлении получения безмочевинной технологии. Разработанная компанией 2-ступенчатая рециркуляция и турбонаддув с промежуточным охлаждением, дополненные увеличенным до 2500 бар давлением впрыска топлива, наглядно продемонстрировали, что возможности технологии EGR не исчерпаны. С помощью фильтрационной системы Behr на испытаниях зафиксировано снижение уровня выбросов NOx до 0,8г/кВт.ч.

Эффект, выражающийся 95%-ной нейтрализацией, по утверждениям специалистов-разработчиков, был получен американской компанией Tenneco. Предлагаемая компанией система HC-LNC использует в качестве реагента не раствор мочевины, а биотопливо Е-85, опыты также проводились и с малосернистыми дизельными топливами. Tenneco предполагает, что новая система очистки будет востребована в двигателях дорожно-строительных машин, магистральных грузовиков.

Один из мировых лидеров в области производства систем очистки, компания Emitec, делает ставку на модернизацию систем SCR и утверждает, что требования Euro 6 в первую очередь будут выполнять именно их системы. На выставке IAA-2010 компания представила 2 новейшие разработки. Двухстадийная модульная система SCRi очень компактна и может быть удобна там, где есть проблемы с местом для подобного фильтра. Эта современнейшая система позволяет, по словам разработчиков, снизить уровень выбросов NOx до 0,7 г/кВт.ч. Вторая разработка – система E-SCR предназначена для муниципального и внутрипроизводственного транспорта. В очистной системе использован принцип более эффективного процесса нейтрализации NOx, нагретой до значительных температур AdBlue.

Если Европа окажется в LEZ-зоне, то в какой зоне будем мы?

Безусловно, задают тон в разработке программ создания фильтрующих систем страны Европы, США и Япония. В мировом масштабе одним из первых шагов международного сообщества в направлении защиты окружающей среды стало вступление в силу в феврале 2005 г. Киотского протокола. И хотя еще «глобальный консенсус» отсутствует, можно сказать, что переломный момент в преодолении негативного менталитета различных правительств в отношении действий в деле сохранения экологии позади.

Сегодня примером в экологическом смысле без преувеличения является Европа. Выделены 235 зон пониженных выбросов (Low Emission Zones, или LEZ), 53 из них расположены в Германии. Первые зоны были введены в начале 2008 г. Целью создания таких зон является забота о чистоте окружающего воздуха хотя бы на узко ограниченной территории, с перспективой преобразования всех территорий в одну зону с экологически благоприятной обстановкой.

Деление территорий на зоны низкой эмиссии должно ускорить модернизацию транспортных средств. Внедрение таких зон в Европе было всесторонне продумано, учтены и маршруты общественного транспорта, сами размеры зон, ограничения скоростного режима, четко сформулирован перечень тех транспортных средств, которым в любом случае позволено въезжать, например, машинам «Скорой помощи» или с/х и лесным тракторам. Главное, был продуман контроль за соблюдением принятых положений, а также реально назначены размеры государственных субсидий, стимулирующих модернизацию техсредств, разработаны другие меры поддержки.

Кроме деления территорий на зоны параллельно было принято множество очень нужных для людей положений, таких как запрет передвижения грузовиков по наиболее загазованным улицам либо же использование «зеленой волны» для улучшения транспортных потоков в крупных городах. Большое внимание уделено мерам, способствующим распространению велосипедного движения. Кстати, было признано неэффективным использование уборки улиц моющими средствами.

Все европейские транспортные средства распределены на 4 категории. К первой относятся средства, отвечающие требованиям Euro 1 и ниже. Такие средства не получают пропуска ни в одну из экологических зон. Транспорт, отвечающий требованиям Euro 2, получает пропуск в виде красной эмблемки. Те техсредства, которые отвечают нормам Euro 3, получают желтый отличительный знак, ну а тем, кто может подтвердить соответствие нормам Euro 4 и выше, выдается зеленая наклейка.

Владельцы дизельных автомобилей могут повысить свой «статус», установив сажевый фильтр. Таким образом, грузовик с желтым «пропуском», установив фильтр твердых частиц, получает зеленый знак и более широкие возможности передвижения. Государство приветствует такие действия, каждый желающий установить на дизельный автомобиль сажевый фильтр при наличии технической возможности получает единоразовую субсидию в 330 евро. В бюджете Германии для этих целей заложена сумма в 30 млн. евро, просчитано, что модернизации необходимо подвергнуть 90 тыс. автомобилей.

Если же оператор транспортного средства забудет, что у него нет разрешения на въезд в определенную зону и нарушит принятый порядок, то в Германии он оплатит штраф в размере 40 евро, а в регистрационный центр транспортных средств поступит сигнал о произошедшем инциденте. Если таких отметок, полученных по разным поводам, в центре на данного водителя наберется 18, то он будет лишен водительских прав – вот так все очень серьезно.

С другой стороны, создается режим благоприятствования для перемещения пешком либо на велосипеде. Это и повышенное внимание к уборке тротуаров и дорог, запрет парковки машин в узких проездах, всесторонняя популяризация велодвижения.

В Копенгагене сегодня 35% населения попадают на работу либо учебу на велосипеде. И это несмотря на то, что в столице Дании в среднем 14 дней в месяце бывают дождливыми или снежными. Город инвестировал в 2010 г. около 37 евро на каждого жителя, улучшая условия для езды по городу на велосипеде. Для сравнения можно заметить, что на эти цели в Берлине выделяется не более 1–2 евро, а в Мюнхене около 3 евро на каждого жителя. К сожалению, автор не смог найти сумму, предусмотренную в московском бюджете для создания приемлемых условий для велосипедной езды по столице, а очень хотелось бы сравнить.

В качестве примера положительного эффекта наличия системы зон отметим, что берлинская LEZ занимает площадь 88 км2, на этой площади проживает около 1 млн. жителей, тогда как в целом в Берлине живет 3,4 млн. человек. В первый год существования зоны в нее был запрещен въезд только машин без каких-либо значков. Таких оказалось 7% от общего числа машин города.

Анализ показал, что за первый год снизились выбросы NOx на 14%, а выбросы твердых частиц – на 24%, что соответствует 52 т пыли и 960 т NOx в воздухе.

За 2010 г., когда ограничения на въезд транспорта усилили, эти цифры уже составили 170 т пыли и 1500 т NOx. Интересно, что доля транспортных средств, не отвечающих никаким стандартам Euro, в 2010 г. составила всего 1%. Что же касается грузовых машин г/п свыше 3,5 т, то в 2008 г. лишь 6% из них смогли получить зеленую наклейку, сообщающую о соответствии требованиям Euro 4 и выше. Сегодня же в Берлине таких автомобилей около 75%.