Очистка отработавших газов в дизельном двигателе

Очистка отработавших газов в дизельном двигателе

 

При работе дизельного двигателя с небольшими нагрузками температура газов на входе в нейтрализатор бывает гораздо ниже, чем у бензинового двигателя, и сажа просто не успевает сгорать. Но выбрасывать канцерогены в атмосферу является дурным тоном для производителей дизельных автомобилей, по этому очистка отработавших газов в дизельном двигателе была значительно доработана. Вот о том, как происходит очистка отработавших газов, мы и поговорим в этой статье.

 

 

Каталитический нейтрализатор для дизельного двигателя

 

В дизельных двигателях, работающих с избыт­ком воздуха, трехкомпонентный каталитический нейтрализатор может быть использован для снижения содержания в отработавших газах не только оксидов азота (NОх). Это обусловлено тем, что углеводороды и оксид углерода (НС и СО), содержащиеся в бедных отработавших газах в каталитическом нейтрализаторе предпочитают вступать в реакцию не с оксидами азота, а с со­держащимся в отработавших газах кислороде.

НС и СО можно относительно легко удалить из выбросов дизельного двигателя при по­мощи каталитического нейтрализатора окис­лительного типа. Удаление оксидов азота в присутствии кислорода является более слож­ным процессом; в принципе удалить оксиды азота можно при помощи каталитического нейтрализатора NОх аккумуляторного типа или каталитического нейтрализатора типа SCR (се­лективного каталитического восстановления).

Каталитический нейтрализатор окислительного типа

 

Дизельный каталитический нейтрализатор окислительного типа (DOC) состоит в основном из керамической подложки, смеси оксидов, включающей оксид алюминия (А12O3), оксид Церия (IV) (СеO2), оксид циркония (ZrO2) и активные благородные каталитические ме­таллы, такие как платина (Pt), палладий (Pd) и родий (Rh).

Каталитический нейтрализатор окислитель­ного типа выполняет ряд функций:

  • СО и НС окисляются в каталитическом ней­трализаторе с образованием СO2 и Н2 При этом, начиная с определенной температуры (170-200°С), имеет место практически пол­ное окисление;
  • Твердые частицы частично состоят из углево­дородов, которые десорбируют из структуры с повышением температуры. Окисление этих углеводородов в каталитическом нейтрали­заторе окислительного типа снижает массу частиц;
  • Окисление NO до NO2; Высокое содержание NO2 в NOx имеет большое значение для нормальной работы нескольких последующих компонентов (сажевого фильтра, каталитического нейтра­лизатора NOx аккумуляторного типа, катали­тического нейтрализатора типа SCR);
  • Каталитический нейтрализатор окисли­тельного типа может использоваться в качестве каталитической камеры сгорания для повышения температуры отработавших газов (например, для регенерации сажевого фильтра).

 

 

 

Каталитический нейтрализатор NOx аккумуляторного типа

 

Поскольку каталитический нейтрализатор NOx аккумуляторного типа (NSC) способен накапливать только NО2, но не NO, сначала NО окисляется в каталитическом нейтрализа­торе окислительного типа до NО2 (см. рис. «Схема системы выпуска отработавших газов с каталитическим нейтрализатором аккумуляторного типа» ).

 

Схема системы выпуска отработавших газов с каталитическим нейтрализатором аккумуляторного типа

 

Аккумулирование NOx

 

Аккумулирование диоксида азота NO2 осу­ществляется за счет ее реакции с соединени­ями каталитического нейтрализатора (напри­мер, в качестве аккумулирующего материала может использоваться карбонат бария ВаСO3) и кислородом (O2), содержащимся в бедных отработавших газах с образованием нитратов.

Процесс аккумулирования протекает опти­мальным образом при температуре отрабо­тавших газов 250-450 °С (в зависимости от материала); при более низких температурах окисление NO до NO2 протекает очень мед­ленно, а при более высоких — NO2 нестабильна.

В зависимости от рабочего режима двига­теля процесс аккумулирования занимает от 30 до 300 секунд.

Удаление и преобразование NOx

 

По окончании фазы аккумулирования ката­литический нейтрализатор должен быть ре­генерирован. Для регенерации необходимо обеспечить обогащение отработавших газов (λ < 1). Отработавшие газы содержат столь большое количество восстановителей (СО, Н2 и различные углеводороды), что нитраты быстро растворяются, и освобожденный NO2 восстанавливается до N2 в каталитическом нейтрализаторе окислительного типа. Процесс регенерации занимает от 2 до 10 секунд.

 

 

Десульфатация каталитического нейтрализатора

 

Одной из проблем в работе каталитического ней­трализатора NOx аккумуляторного типа является его чувствительность к сере. SO2 удаляется из отработавших газов даже более эффективно, чем NOx, и накапливается в каталитическом ней­трализаторе. Во время нормальной регенерации сульфаты не растворяются. Это означает, что количество накопленного SO2 непрерывно увели­чивается. Это приводит к снижению способности нейтрализатора к накоплению и преобразованию NOx. Для обеспечения надлежащей способности нейтрализатора к накоплению NOx необходимо регулярно выполнять десульфатацию (регене­рацию серы).

Во время процесс десульфатации катали­тический нейтрализатор нагревается до тем­пературы свыше 650 °С на время более пяти минут и продувается богатыми отработавшими газами (λ < 1). Система управления двигателем стремится к достижению полного извлечения 02 из отработавших газов. При этих условиях соединения серы снова растворяются.

Выбор подходящего алгоритма управления процессом десульфатации (например, колеба­ния λ вокруг значения λ = 1) должен исключить восстановление удаленного SO2 до сульфида водорода (H2S) в результате постоянного де­фицита кислорода в отработавших газах.

Селективное каталитическое восстановление оксидов азота

 

Процесс селективного каталитического вос­становления оксидов азота (SCR) основан на том, что определенные восстановители селек­тивно снижают содержание (NOx) в присут­ствии кислорода. Здесь слово «селективно» означает, что восстановитель предпочитает вступать в реакцию с кислородом, содержа­щимся в оксидах азота, а не с молекулярным кислородом, в большом количестве присут­ствующем в отработавших газах. В данном случае высокой селективностью обладает такой восстановитель как аммиак (NH3).

Поскольку аммиак является токсич­ным веществом, на автомобилях реагент- восстановитель получается из нетоксичной мочевины (NH2)2CO. Мочевина хорошо раство­ряется в воде и, следовательно, может добав­ляться к отработавшим газам в виде водного раствора мочевины. Водный раствор мочевины предлагается на рынке под брендом AdBlue.

При массовой концентрации мочевины в воде 32,5 % температура замерзания раствора составляет около -11 °С. При этом образуется эвтектический раствор, компоненты которого при замерзании не сепарируются.

Химические реакции

 

Перед началом реакции SCR из мочевины об­разуется аммиак. Этот процесс происходит в две стадии, известные под названием ги­дролиза. Сначала в ходе термического рас­щепления (термолиза) образуются NH3 и изоциановая кислота:

(NH2)2CO NH3 + HNCO    (термолиз)

Затем изоциановая кислота вступает в реакцию с водой с образованием аммиака и диоксида углерода:

HNCO + Н20 -» NH3 + СO2    (гидролиз)

Во избежание выпадения твердого осадка, вторая реакция должна протекать быстро, что обеспечивается выбором подходящих катализаторов и обеспечением достаточно высоких температур (начиная с 250 °С). Современные реакторы SCR одновременно выполняют функ­ции каталитического нейтрализатора.

Аммиак образуется в результате следующих, протекающих в каталитическом нейтрализа­торе SCR реакций термогидролиза:

 

4 N0 + 4NH3 + O—> 4 N2 + 6 Н2O   (уравнение 1)

NO + NO2 + 2 МН3 —> 2 N2 + 3 Н2O (уравнение 2)

6 NO2 + 8 NH3 —> 7 N2 +12 Н2O (уравнение 3)

 

При низких температурах (ниже 300 °С) пре­образование в основном протекает в соответ­ствии с реакций, описываемой уравнением 2. Отсюда следует, что для нормального проте­кания реакции при низких температурах тре­буется соотношение NO2/NO приблизительно 1:1. При таких условиях эта реакция может протекать при температурах от 170 до 200 °С.

Окисление NO с образованием NOx проис­ходит в первом каталитическом нейтрализа­торе окислительного типа, и это необходимо для достижения оптимальной эффективности.

В случае подачи восстановителя в количе­стве, превышающем необходимое для вос­становления NOx, может иметь место нежела­тельный выброс NH3. NH3 можно удалить путем установки дополнительного каталитического нейтрализатора окислительного типа после нейтрализатора SCR. Этот блокирующий ка­талитический нейтрализатор окисляет аммиак с образованием N2 и Н2O. Кроме того, важным условием является точное дозирование AdBlue.

Важным параметром является коэффициент подачи а, который определяется как молярное отношение дозируемого NH3 к количеству NOx, присутствующих в отработавших газах. При идеальных условиях (отсутствие выбросов NH3, отсутствие вторичных реакций, отсутствие окисления NH3) а прямо пропорционален степени восстановления NOx. При а = 1 тео­ретически достижимо 100 % восстановление NOx. Практическими достижимыми значе­ниями являются 90 % восстановление NH3 и концентрация NOx в значении 20 частей/млн. Требуемое для этого количество добавки AdBlue эквивалентно приблизительно 5 % количества использованного топлива.

При надлежащей организации реакции гидролиза современные каталитические нейтрализаторы типа SCR достигают степени преобразования NOx более 50 % только при температурах более 250 °С. Оптимизирован­ная степень преобразования достигается при температурах от 250 до 450 °С.

 

 

Система SCR

 

Модульная система SCR (см. рис. «Система выпуска отработавших газов с каталитическим восстановлением оксидов азота» ) осущест­вляет дозирование реагента-восстановителя. Модуль подачи осуществляет подачу водного раствора мочевины под требуемым давлением в модуль дозирования при помощи диафраг­менного насоса. Модуль дозирования осу­ществляет точное дозирование раствора и его распыление в системе выпуска отработавших газов.

Система выпуска отработавших газов с каталитическим восстановлением оксидов азота

 

Основной функцией блока управления (функционально представляющего собой от­дельный модуль управления дозированием, встроенный в блок управления двигателем) является вычисление требуемого количества добавки на основе моделей в соответствии с предписанной стратегией дозирования.

Стратегия дозирования

 

Количество дозируемого реагента-восстано­вителя записано в программной карте двига­теля в функции количества впрыскиваемого топлива и частоты вращения коленчатого вала. Система также осуществляет коррекцию до­зирования в зависимости от температуры дви­гателя (оказывающей влияние на количество NOx) и количества рабочих часов системы с целью учета ее старения.

Коэффициент коррекции дозирования при переходе между двумя стационарными рабо­чими режимами определяется, исходя из раз­ности температуры каталитического нейтрали­затора в стационарном режиме и температуры отработавших газов после каталитического нейтрализатора.

В частности, в случае каталитического нейтрализатора с высокой способностью к аккумулированию NН3 рекомендуется моде­лирование работы в переходных режимах и количества фактически накопленного NН3, поскольку способность каталитического ней­трализатора типа SCR к аккумулированию NН3 снижается при повышении температуры.

Сажевый фильтр

 

Частицы сажи, выбрасываемые дизельным двигателем, могут быть эффективно удалены из отработавших газов при помощи дизельных сажевых фильтров (DPF).

Дизельные сажевые фильтры закрытого типа

 

Керамические сажевые фильтры состоят в основном из сотовой структуры из карбида кремния или кордиерита, имеющей большое количество параллельных каналов. Толщина стенок каналов составляет 300-400 мкм. Раз­меры каналов определяются их плотностью (количеством каналов на кв. см поверхности) (типичное значение: 16-47 каналов/кв. см.

Дизельный сажевый фильтрСоседние каналы на обоих концах закрыты керамическими заглушками, что заставляет отработавшие газы проходить через пори­стые керамические стенки (см. рис. «Дизельный сажевый фильтр» ). При прохождении частиц сажи через пористые стенки они прилипают к ним (фильтрация в глубоком слое). В результате отложения слоя сажи на поверхности стенок каналов (на сто­ронах, противоположных впуску) происходит насыщение фильтра. Это обеспечивает высо­коэффективную поверхностную фильтрацию для следующей рабочей фазы.

В отличие от фильтров с фильтрацией в глубоком слое в фильтрах с потоком через стенки частицы сажи накапливаются на по­верхности керамических стенок (поверхност­ная фильтрация).

Конструкция сажевого фильтраКроме фильтров с симметричным располо­жением впускных и выпускных каналов также предлагаются фильтры с керамическими под­ложками типа «octosquare» (см. рис. «Конструкция сажевого фильтра» ). Они содержат впускные каналы восьмиугольного сечения и выпускные каналы квадратного сечения, причем площадь сечения восьмиу­гольных каналов больше. За счет большого сечения впускных каналов значительно повышается способность сажевого фильтра к накоплению золы и негорючих остатков сго­ревшего смазочного масла.

Эффективность фильтрации керамических фильтров достигает 95 % во всем диапазоне размеров частиц (от 10 Нм до 1 мкм). В сажевых фильтрах закрытого типа через пористые стенки проходит весь поток отработавших газов.

Сажевые фильтры открытого типа

 

В сажевых фильтрах открытого типа через стенки фильтра проходит только часть отрабо­тавших газов. Остальная часть газов проходит через фильтр без фильтрации. В зависимости от применения эффективность фильтрации фильтров открытого типа составляет 30-80 %.

По мере накопления частиц в фильтре увеличивается и доля отработавших газов, проходящих через фильтр без фильтрации, поэтому фильтр не создает препятствия для прохождения отработавших газов. Однако эф­фективность фильтрации со временем сни­жается. Фильтры открытого типа в основном используются в качестве сменных фильтров, поскольку регламентированная очистка не требуется. В то же время возможна очистка фильтров открытого фильтра с использо­ванием CRT (сажеуловитель с постоянной регенерацией).

 



 

Регенерация сажевого фильтра

 

Накопление сажи в фильтре вызывает по­степенное возрастание противодавления от­работавших газов. Это обуславливает необхо­димость в регулярной регенерации фильтра.

Регенерация фильтра заключается в сжига­нии накопившейся в нем сажи. Углерод, из ко­торого состоят частицы сажи, можно окислить (сжечь), используя кислород, постоянно при­сутствующий в отработавших газах, при темпе­ратуре приблизительно 600 °С, с образованием нетоксичного СO2. Столь высокие температуры могут иметь место только во время работы дви­гателя с номинальной выходной мощностью. При нормальной эксплуатации автомобиля такие условия имеют место крайне редко. По этой причине необходимо принимать меры к снижению температуры сжигания сажи или повышению температуры отработавших газов.

Способы повышения температуры отрабо­тавших газов внутри дизельного двигателя

 

К основным способам повышения температуры отработавших газов внутри двигателя отно­сятся опережающий «сжигающий» или «ад­дитивный» дополнительный впрыск топлива, сдвиг основного впрыска топлива в сторону запаздывания и дросселирование воздуха на впуске. В зависимости от рабочего режима дви­гателя, во время регенерации используются один или несколько из этих способов. В неко­торых рабочих режимах эти меры дополняются запаздыванием вторичного впрыска топлива. Это приводит к дополнительному повышению температуры отработавших газов вследствие окисления топлива в каталитическом нейтрали­заторе окислительного типа («каталитический дожигатель»).

Система ввода добавок

 

Температура окисления сажи может быть понижена с 600 °С до приблизительно 450— 500 °С при помощи добавок к дизельному то­пливу, обычно соединений церия или железа (см. рис. «Сажевый фильтр с системой ввода присадки к топливу» ). Однако даже такая температура отработавших газов не всегда может быть до­стигнута во время работы двигателя. В резуль­тате сажа не может сжигаться непрерывно. Поэтому по достижении определенного уровня насыщения сажевого фильтра запускается процесс активной регенерации. С этой целью система управления двигателя изменяет соот­ветствующие рабочие параметры, например, сдвигает момент впрыска топлива в сторону запаздывания, что вызывает повышение тем­пературы отработавших газов до температуры, необходимой для сжигания сажи.

 

Сажевый фильтр с системой ввода присадки к топливу

 

После регенерации присадка к топливу оста­ется в фильтре в виде остаточных отложений (золы). Эта зола, а также зола, образующаяся при сжигании топлива и сгорании моторного масла, постепенно закупоривает фильтр, по­вышая противодавление отработавших газов. Для предотвращения такого повышения проти­водавления принимаются меры к повышению накопительной способности керамических са­жевых фильтров посредством максимального увеличения сечения впускных каналов. Это по­зволяет создавать фильтры, рассчитанные на весь срок службы автомобиля при нормальных условиях эксплуатации.

Что касается обычных керамических филь­тров, при использовании регенерации в при­сутствии присадки к топливу и механической очистки, интервал замены фильтров состав­ляет приблизительно 120 000 км.

Дизельный сажевый фильтр с каталитическим покрытием

 

Условия сжигания сажи можно также улучшить путем нанесения на сажевый фильтр покрытия из благородного металла (обычно платины). Од­нако, это дает меньший эффект по сравнению с использованием присадок к топливу.

Дизельный сажевый фильтр с каталитиче­ским покрытием (CDPF), также как при исполь­зовании добавок требует повышения темпера­туры отработавших газов. В то же время, по сравнению с системой ввода добавок, он имеет преимущество, заключающееся в том, что в фильтре не накапливается зола.

Сажевый фильтр с каталитическим покры­тием выполняет несколько функций: окисле­ние СО и НС, окисление NО до NOx, и окисление СО до СО2.

 

 

Система CRT

 

Двигатели грузовых автомобилей чаще рабо­тают вблизи максимального крутящего момента по сравнению с легковыми автомобилями, что приводит к сравнительно высокому количеству выбросов NOx. Поэтому на грузовых автомоби­лях возможна непрерывная регенерация саже­вого фильтра с использованием системы CRT (сажеуловитель с непрерывной регенерацией).

В соответствии с этим принципом сажа сго­рает в присутствии NO2 при температурах от 300 до 450 °С. При таких температурах процесс ста­бильно протекает, если массовое соотношение NO2 и сажи составляет более 8:1. Для использо­вания этого процесса перед сажевым фильтром устанавливается каталитический нейтрализатор окислительного типа, который окисляет NO до NO2. В большинстве случаев это обеспечивает идеальные условия для регенерации с исполь­зованием системы CRT на грузовых автомобилях при нормальной эксплуатации. Этот метод также известен под названием «пассивной регенера­ции», поскольку сажа сжигается непрерывно без принятия каких-либо дополнительных мер.

Система HCI

 

Для активной регенерации сажевых фильтров необходимо повысить температуру в фильтре до значения более 600 °С. Это может быть достигнуто посредством изменения настроек двигателя. Однако при неблагоприятных усло­виях, например, в случае слишком большого расстояния между сажевым фильтром и дви­гателем, такие меры становятся слишком слож­ными. В этом случае используется система HCI (система впрыска углеводородов). Дизельное топливо впрыскивается и испаряется перед ка­талитическим нейтрализатором (см. рис. «Система HCI (система впрыска углеводородов)» ) и каталитически сжигается в нем. Образующееся при сжигании топлива тепло используется для регенерации сажевого фильтра.

 

Система HCI (система впрыска углеводородов)

 

Алгоритмы управления системой HCI за­ложены в отдельный блок управления дозиро­ванием или блок управления двигателем. При этом важной входной переменной является насыщение сажевого фильтра.

Детектирование насыщения сажевого фильтра

 

Для детектирования насыщения сажевого фильтра используются два параллельных про­цесса. Сопротивление потоку в сажевом филь­тре вычисляется, исходя из перепада давления в фильтре и объемного расхода отработавших газов. Эти параметры определяют проницае­мость фильтра и, следовательно, массу сажи.

Дополнительно для вычисления массы сажи, скопившейся в фильтре, используется модель. Эта модель включает массу частиц сажи в отработавших газах. Система также осуществляет динамическую коррекцию, учи­тывающую содержание в отработавших газах остаточного кислорода, а также непрерывное окисление частиц сажи диоксидом азота NO2. Во время термической регенерации количе­ство сгоревшей сажи вычисляется, исходя из температуры сажевого фильтра и массового расхода кислорода.

Общая масса сажи вычисляется, исходя из значений массы, определенных в ходе обоих процессов, и это становится ключевым фак­тором стратегии регенерации.

В следующей статье я расскажу о подвеске колеса.

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *