2018-01-08
203
Для моторов легковых машин достичь норм Евро-4 и Евро-5 удалось достаточно оперативно и без применения дополнительных систем. Совершенствование впрыска топлива и технологий катализаторов позволило максимально полно сжигать смесь в цилиндрах, а то, что не догорело, эффективно доокислить в катализаторе. Но для больших дизелей грузовиков и автобусов этого оказывается недостаточно – чище, чем в соответствии с нормами Евро-3, сделать выхлоп не удаётся.
В настоящее время для перехода к нормативам Евро-4 существуют два главных пути – EGR (рециркуляция выхлопных газов) и SCR (селективное каталитическое восстановление, инжекция мочевины). Ожидается, что в Европе «выиграет» SCR – к этой системе склоняется более 80 % производителей тяжёлых автомобилей, а именно: Iveco (Irisbus), DAF, Mercedes, Renault Trucks, Volvo Trucks и другие. Альтернативой является система EGR (Exhaust Gas Recyclation), преимущественно использующаяся на американском континенте, – первое применение в автомобилях General Motors M датируется 1973 г. Местные производители традиционно используют эту систему и верят, что достигнут и уровня АРА 07, аналогичного европейскому стандарту Евро-4. Вдобавок нефтяные компании в США сомневаются в возможностях создания достаточно густой дистрибьюторской сети для системы SCR. Технология рециркуляции выхлопных газов ставит своей целью снижение объёмов выделяемых оксидов азота тремя путями – снизить объём азота и кислорода, подающихся в реакцию, и уменьшить максимальную температуру процесса сгорания. Суть её заключается в следующем: часть отработавших газов (от 18 до 25 %) охлаждается и попадает обратно в цилиндры. Причём – под большим давлением: у некоторых двигателей Scania оно достигается с помощью турбокомпаунда (это дополнительная турбина), а там, где такого устройства нет, устанавливается «сопло Вентури» – сужающийся коллектор.
Концентрация СО может быть уменьшена с помощью системы рециркуляции выхлопных газов (EGR). Эта система отбирает некоторое количество выхлопных газов из выпускного коллектора через трубопровод во впускной коллектор. Процесс контролируется клапаном, и благодаря уменьшению температуры сгорания концентрация СО уменьшается.
Вместо избыточного воздуха (т. е. смеси – 71 % азота и 25 % кислорода) в реакцию поступает уже образовавшийся NOx. Однако поскольку выхлопные газы являются горячими (охлаждаются до 200 °С), то побочным эффектом является повышение температуры газов, вступающих в реакцию сгорания. Вместе с тем максимальная температура цикла является более низкой, поскольку химически присутствует меньше молекул (топлива и кислорода), способных соединяться. Эти два фактора снижают эффективность цикла двигателя. Дым и запах убираются с помощью необслуживаемого «нейтрализатора-окислителя», встроенного в глушитель. Этому нейтрализатору не страшна даже солярка с большим содержанием серы: как только мотор начнёт работать на нормальном дизтопливе, образовавшиеся отложения исчезнут.
Система EGR очень восприимчива к количеству и качеству рециркулируемых газов, поэтому её постоянное улучшение в большей мере заключается в оптимизации этого количества в зависимости от множества факторов. Это обусловливает использование сложной электроники, которая следит за этими факторами и контролирует их. Для поддержания чистоты газов, как правило, система дополняется фильтром для твёрдых частиц (которые могли бы в двигателе действовать как абразивное вещество и уменьшать срок службы двигателя) и в качестве новшества – конденсатором. Также в результате сгорания в двигателе образуются водяные пары, которые в выхлопе (после охлаждения) соединяются с NOx – следовательно, двигатель рециркулирует и кислотную воду. Кроме того, при неисправности системы происходит дисфункция двигателя, перенасыщенного выхлопными газами (если рециркуляция слишком высока) или питаемого слишком бедной смесью (низкая рециркуляция). Происходит отбор мощности двигателя для охлаждения и обратной закачки выхлопа. Несколько сокращается интервал между сменами моторного масла. Немного выше расход топлива, и двигатель с EGR более требователен к его качеству.
В Европе, в отличие от США, лидеру в области «озеленения» двигателей – фирме Scania – из-за проблем с охлаждением удалось оснастить рециркуляцией лишь рядные «шестёрки». А вот на «восьмёрках» пришлось использовать метод селективного каталитического восстановления – SCR (Selective Catalytic Reduction). Он был разработан для снижения объёма оксидов азота без необходимости влияния на оптимальную настройку цикла сгорания двигателя. Этот метод заключается в том, что производимые двигателем газы с содержанием оксидов азота в выхлопе смешиваются с новым рабочим веществом под названием AdBlue, которое по химическому составу представляет собой 32,5 % раствор мочевины. Это нетоксичная, бесцветная жидкость без запаха. В основе технологии SCR – химическая реакция окиси азота, которая содержится в отработавших газах, и аммиака:
NO + N02 + 2NH3 = 2N2 + 3H20
4NO + 02 + 4NH3 = 4N2 + 6H20
6NO2 + 8NH3 = 7N2 + 12H20
В результате окись превращается в две безвредные субстанции: азот и воду. При этом каталитический преобразователь SCR дополнительно очищает соответствующие выбросы.
При химической реакции молекул оксидов азота с молекулами аммиака происходит восстановление воды и газообразного азота. Выбросы оксидов азота снижаются на 70 %, углеводородов – на 90 %, а частиц – на 10 %.
Технология SCR, как отмечают авторы исследования, считается сравнительно новым методом, который до сих пор не использовался главным образом из-за отсутствия AdBlue на рынке горючего. Учитывая его химический состав, следует ожидать, что стоимость этого вещества будет относительно низкой, а если иметь в виду, что при этом возможно сохранение оптимального цикла двигателя, то эксплуатационные издержки, без учёта расхода дизельного топлива, могут быть практически такими же, как и у двигателей с системой EGR.
Технология BlueTec, по сравнению с другими технологиями Евро-4 и Евро-5, позволяет лучше экономить топливо и обеспечивает высокую надёжность. Кроме того, мотору не требуется дополнительный уход. И, наконец, немаловажно, что технология BlueTec совместима с любым имеющимся в наличии дизельным топливом, в том числе и не очень качественным. В нейтрализаторе используется ванадий, а он, в отличие от платины (которая обычно входит в состав нейтрализаторов), не разрушается от серы. При использовании топлива с содержанием серы до 50 ppm (0,005 %) гарантируется соблюдение норм Евро-4 и Евро-5; если серы больше – выхлоп будет «грязнее».
AdBlue расходуется приблизительно в количестве четырёх процентов от расхода дизельного топлива для соответствия BlueTec 4 и примерно в количестве шести процентов для соответствия BlueTec 5. Стандартный бак AdBlue для Actros имеет вместимость 90 литров для седельных тягачей. До того, как AdBlue станет повсеместно доступным в Европе, заказчики могут по желанию использовать в своих автомобилях баки AdBlue на 145 литров, которые обеспечивают пробег более 10 тыс. км для BlueTec-4 Actros.
По информации белорусских исследователей, сейчас в Европе многие перевозчики уже заказывают грузовики Mercedes-Benz с двигателями Евро-5. Технология Евро-4 по цене отличается незначительно, поэтому она, скорее всего, практически не будет востребована, особенно учитывая льготы для Евро-5, которые будут действовать до 2009 г.
Заменитель аммиака AdBlue размещается в отдельном баке в правой части автомобиля. Процесс заливки мочевины не отличается от заправки топливом. Горловина узкая, что делается специально для того, чтобы в неё случайно не вставили заправочный «пистолет» с соляркой.
В левой части находится керамический каталитический преобразователь, который расположен в глушителе с обшивкой из нержавеющей стали. Система BlueTec включает также блок питания AdBlue, распределитель сжатого воздуха, дозаторы, систему электронного управления и датчики.
Температура замерзания для заменителя аммиака AdBlue составляет около -11 °С. Более низкие температуры приводят к постепенной кристаллизации и последующему затвердению вещества. По этой причине вся система BlueTec обогревается по контуру – в бак встроен «змеевик», соединённый с системой охлаждения двигателя, а тракт между насосом и дозирущим модулем подогревается с помощью электричества.
Проведённые эксперименты показали высокий уровень надёжности обогрева даже при температуре -30 ºС. В обычном состоянии уровень Евро-4 и Евро-5 достигается через три минуты после запуска. Если на улице очень холодно, на это уходит до получаса.
В морозы такие тягачи вначале будут работать в соответствии со стандартами Евро-1– Евро-3 и только спустя некоторое время выходить на уровень Евро-5 (подогрев включается и выключается автоматически). Гораздо хуже работает система при воздействии высокой температуры: при +65 °С мочевина резко теряет свою эффективность. Поэтому бак с AdBlue и глушитель располагаются по разные стороны рамы автомобиля.
Есть в системе и два фильтра: один смонтирован на выходе из бака, второй, тонкой очистки, устанавливается за насосом.
От использования этой технологии производители ожидают снижения расхода топлива на 2-5 % по сравнению с двигателями Евро-3. Для двигателей Actros V6 и Ахог она составит 2-3 %, для Actros V8 – 4-6 %, а для моторов Atego – 3-5 %. Конечно, показатели экономии могут значительно отличаться в зависимости от условий вождения. Если же в системе очистки выхлопа произойдут неполадки, то от этого двигатель не прекратит функционировать, однако повысится уровень выброса газообразных загрязнений до уровня Евро-2 и Евро-3.
Вместе с тем ряд производителей при неполадках в системе планирует автоматическое снижение мощности двигателя до такого уровня, который позволил бы доехать с небольшой скоростью до ближайшей станции технического обслуживания.
Поставки реагента AdBlue, соответствующего требованиям стандарта DIN 70070, гарантируются ведущими европейскими производителями мочевины, такими как AMI Agrolinz Melamin International GmbH, BASF AG, Fertiberia S.A., Grande Paroisse, SKW Stickstoffwerke Piesteritz GmbH и Yara International ASA, имеющими возможность выпускать AdBlue в шести европейских странах. Производители AdBlue намерены развивать свои производственные мощности в соответствии с требованиями рынка. В настоящее время перечисленные производители совместно с партнёрами-дистрибьюторами развивают общеевропейскую сеть продажи продукта клиентам.
Две нефтеперерабатывающие компании, австрийская OMV и французская Total, образовав European Refining & Marketing («Европейская нефтеперерабатывающая и маркетинговая компания»), уже разрабатывают собственную стратегию внедрения технологии SCR на коммерческих автомобилях. Они также активно способствуют проведению испытаний новых систем обработки отработавших газов.
Серьёзную заинтересованность в развитии проекта проявили также многие другие известные фирмы, которые в настоящее время проводят интенсивные переговоры с представителями химических компаний и производителей автомобилей.
И нефтеперерабатывающие компании, и производители AdBlue формируют расширенные пакеты продуктов и услуг для владельцев АЗС. В пакеты предложений входит прежде всего оснащение АЗС оборудованием для заправки систем SCR. Ими предлагается самое разнообразное оборудование: от комплектов для оборудования автомобилей (баков и канистр) до комбинированных насосов для дизельного топлива и AdBlue с раздельными счётчиками и выдачей общего чека на оба продукта (такие уже работают на заправочных станциях Берлина, Штутгарта и Фомпа) и небольших заправочных станций, предназначенных для установки на территории транспортных предприятий.
В Европе производить и внедрять на рынок новые рабочие вещества уже начали все крупные поставщики горючего, «пионером» является дочерняя компания OMV Argolinz Melamin International, которая после Германии и Австрии в феврале 2005 г. открыла первую бензозаправочную станцию с AdBlue в Чешской Республике. Компания OMV до конца 2007 г. планирует открыть в Центральной Европе 67 станций, из них 10 – в Чешской Республике. А вообще заправить AdBlue можно будет на более чем 500 заправочных станциях в Западной Европе, а в Украине – на авторизированных сервисных станциях Меrcedes-Benz.
Как указывают специалисты белорусской «Транстехники», в процедуре обслуживания автомобилей, на которых будет использоваться технология BlueTec, значительных изменений не ожидается. Периоды замены масла и требования к его качеству остаются прежними. При быстрой доставке расходы на AdBlue компенсируются экономией топлива. В целом эксплуатационные затраты для BlueTec остаются на том же уровне или даже сокращаются по сравнению с автомобилями Евро-3.
В то же время в Германии, например, действует государственная система стимулирования новых технологий. В её рамках владельцы грузовых автомобилей стандарта Евро-5, имеющих более четырёх осей и общую массу свыше 12 т, ещё до вступления этого стандарта в силу, с января 2005 г., получили право на скидку с дорожного сбора до 18 %. В других европейских странах тоже существуют льготы для коммерческих автомобилей, если вредные выбросы у них значительно снижены. Сюда входят налоговые скидки, преимущества в тендерных конкурсах, исключения из практики лишения водительских прав, а также снижение транзитных сборов. К тому же предполагается, что остаточная стоимость подержанных автомобилей BlueTec Евро-4 или Евро-5 будет значительно выше, чем автомобилей, которые отвечают стандартам Евро-3.
Система AdBlue проектировалась в расчёте на эксплуатацию в любых климатических условиях, она очень хорошо защищена от холода. Её надёжность подтвердили тесты в Скандинавии и на юге Испании, а также испытания, проведённые заказчиками белорусского отраслевого института.
В оценках обеих систем и выборе между ними европейские автопроизводители оказались практически единодушны. Технологию SCR взяли на вооружение DAF, DaimlerChrysler, Iveco, Renault и Volvo. Систему же EGR выбрала только Scania. Однако с SCR шведы работать тоже не прекратили, и на своих самых мощных двигателях Scania применяет как раз эту технологию. Scania намерена использовать технологию EGR в сочетании с технологией Common Rail, которая предполагает использование системы непосредственного впрыска сверхвысокого давления XPI. В результате отпадает необходимость в какой-либо дополнительной очистке выхлопных газов с использованием добавок и установкой дополнительных ёмкостей.
Как отметили авторы исследования, при использовании технологии SCR приходится считаться с тем, что, с одной стороны, потребление топлива снижается, но, с другой стороны, увеличиваются эксплуатационные затраты за счёт довольно высокой стоимости раствора мочевины.
По мнению многих европейских аналитиков, вхождение Евросоюза в «зелёные» нормы Евро-5 будет реализовано именно посредством использования технологии SCR. При массовом производстве цена на реагент AdBlue не будет высокой, а для организации инфраструктуры достаточно установить на уже существующих АЗС ёмкости для реагента и оборудование для его заправки.
Тем временем высказывается мнение, что перспективность системы SCR основывается не только на чисто технических преимуществах, а имеет ещё и политическую подоплёку. Предполагается, что эта технология находит такой положительный отклик у чиновников Евросоюза в связи с тем, что необходимость производства реагента AdBlue и оборудования для его заправки будет означать развитие новых предприятий и создание рабочих мест. Более того, европейские чиновники почти не скрывают, что в нормах по экологии, безопасности, шумности и тому подобных нарастающих требованиях к качеству транспортных средств, кроме прямой их пользы для окружающей среды, имеется ещё и польза политэкономическая – цивилизованное лоббирование своего производителя.
· И, наконец, можно ещё улучшать топливо…
Техническое совершенствование силовых агрегатов – не единственный путь к выполнению норм Евро-4 и Евро-5. Важно также качество используемого топлива, содержание в нём примесей, которые существенно влияют на степень очистки выхлопных газов. Как известно, понижение содержания в бензинах и дизельном топливе серы, бензола и ароматических углеводородов повышает полноту сгорания топлива и снижает нагарообразование в камере сгорания и на клапанах, а также уменьшает токсичность выхлопных газов. Этим обеспечивается и чистота системы подачи топлива, что особенно важно для автомобилей с инжекторной системой подачи топлива. Отсутствие в бензинах и дизельном топливе металлосодержащих присадок обусловливает нормальную работу каталитических нейтрализаторов и свечей зажигания.
При повышении качества топлива возрастает ресурс работы двигателя, увеличиваются сроки смены масла, не выходит из строя каталитический нейтрализатор, увеличивается срок службы топливных насосов, снижаются затраты на техническое обслуживание, экономится до 6 % топлива.
