Системы улавливания сажи для дизельных двигателей грузовиков

При эксплуатации грузовых автомобилей следует по возможности избегать простоев.

По этой причине для грузовых автомобилей необходимы системы, способные автоматически и без больших затрат восстанавливаться в режиме движения. Принципиально эти системы работают так же, как и системы легковых автомобилей, но обрабатывать приходится выхлоп и частицы существенно большего объема и массы. Для фильтрации можно использовать, к примеру, дуплексную систему фильтрации.

Система фильтрации сажи в грузовых автомобилях

Рис. Система фильтрации сажи в грузовых автомобилях

Оба фильтра состоят из металлической сетки или специального порошкового сплава. В режиме накопления через оба фильтра проходит поток ОГ, и они улавливают частицы. Во время восстановления фильтров с помощью регулирующих заслонок один из фильтров отключается. Интервал может быть установлен в зависимости от противодавления ОГ или пробега. Так как температура ОГ слишком мала для сгорания частиц, применяется специальная горелка. Она нагревает дополнительно поданный воздух до 650-700°С за счет сжигания топлива из бака автомобиля. Разогретый воздух подается прямо на фильтры. Сажа и частицы примерно на 90% превращаются в СO2 и водяной пар. После прожига первого фильтра заслонки переключаются, и восстанавливается второй фильтр. Благодаря тому, что восстанавливается один фильтр, а второй в это время может улавливать сажу, прерывать движение не требуется.

Компактная система

Рис. Компактная система [источник: Eberspacher]

На рисунке изображена готовая к серийному выпуску компактная система Eberspacher для очистки ОГ у грузовых автомобилей. Сначала ОГ проходят через окислительный катализатор (1). Во встроенном сажевом фильтре (2) остается более 90% частиц. Затем, содержащие мало частиц ОГ проходят через перфорацию в реакционную камеру (3), куда через сопло (4) подается мочевина. SCR-катализатор (5) подключен к системе селективного каталитического восстановления оксидов азота. Деталь (6) — горелка для восстановления фильтра.

Система CRT

Система CRT (Continuous Regeneration Trap) представляет собой сочетание окислительного катализатора и сажевого фильтра, объединенных в общий блок. CRT-фильтры зависят не только от добавки присадок, но и от точной регулировки системы управления двигателем для восстановления фильтра. Эта система была разработана компанией HJS для автобусов и грузовиков.

В этой системе для сжигания сажи вместо кислорода может использоваться диоксид азота. Такое сгорание возможно уже при 250°С.Таким образом, порог температуры для восстановления фильтра опускается еще ниже. Тем не менее, в выхлопе из NO сначала должен образоваться NO2. В системах CRT это происходит в окислительном катализаторе, расположенном перед фильтром. В окислительном катализаторе NO преобразуется в NO2, а тот, в свою очередь, вступает в реакцию с частицами и в результате получаются N2, СО2 и Н2О. Это возможно при температуре ОГ от 250°С до 400°С и нулевом содержании серы в топливе. Если сера в топливе есть, то в выпускном тракте образуется сернистая или серная кислота. Если температура ОГ слишком большая, то образуется излишек ядовитого NO2. Если она будет слишком мала, то не все частицы смогут окислиться, и фильтр засорится.

Для сжигания решающим является соотношение NO2 к саже. При слишком низкой концентрации NO2 сгорание не происходит, и фильтр постепенно засоряется. При слишком высокой концентрации возникает утечка NO2, нежелательная в силу его токсичности. Система предполагает очень небольшое количество серы в топливе, так как иначе катализатор можно отравить серой.

Система CRT с SCR-катализатором

Рис. Система CRT с SCR-катализатором [источник: HJS]

Благодаря использованию модульной системы CRT с SCR-катализатором компании HJS вредные выбросы двигателя могут снизиться на 90%, что является порогом обнаружения в современной технике измерения выбросов. Модульная система CRT встроена в корпус глушителя (из нержавеющей стали). Катализатор окисляет СН, СО и N0 до N02 Отложившаяся сажа в сажевом фильтре непрерывно сгорает за счет накопившегося в катализаторе оксида азота. Однако выбросы оксидов азота уменьшаются незначительно. Система не требует никакой помощи в восстановлении и работает почти без обслуживания.

Для восстановления оксидов азота необходим дополнительный SCR-катализатор и впрыск восстановителя.

Для оптимальной работы системы необходимы следующие условия:

  • содержание серы в топливе менее 50 промилле;
  • подходящие условия эксплуатации, т.е. диапазон температуры 250-450 °С в зоне фильтра;
  • обслуживание двигателя согласно инструкциям изготовителя.

Технология SCR-AC

Еще одним вариантом для уменьшения выброса частиц и оксидов азота у дизельных двигателей является сочетание сажевого фильтра CRT и системы SCR с твердым восстановителем (система 5CRT — Selective Catalytic Reduction Trap, селективное каталитическое восстановление). По сравнению с жидкой мочевиной, превращаемой в аммиак и используемой в качестве восстановителя в SCR-катализаторах, преимущество твердых восстановителей состоит в более высокой плотности аммиака. По сравнению же с твердой мочевиной использование карбамата аммония (АС) при почти той же плотности аммиака выгоднее, так как требуются очень малые затраты энергии на превращение карбамата аммония в аммиак. Благодаря сублимационной температуре всего в 60°С карбамат аммония (твердый) можно обратимо превратить прямо в аммиак (газообразный). В результате не возникает проблем с низкими температурами, как в случае с водным раствором.

Реактор с карбаматом аммония

Рис. Реактор с карбаматом аммония (АС-реактор) [источник: HJSJ]

Разработанный компанией HJS АС-реактор обеспечивает подачу аммиака прямо перед катализатором, не допускает его утечки даже при неблагоприятных условиях и выполняет все требования к безопасности, надежности и запасу хода.

Перспективные сложные системы очистки ОГ дизельных двигателей

В перспективе системы очистки ОГ дизельных двигателей будут представлять собой сочетания различных отдельных систем. При этом каждая система будет выполнять свои собственные, совершенно конкретные задачи. Необходимая сложность систем зависит от размера двигателя, количества цилиндров, мощности двигателя, массы автомобиля и действующих ПДК для выхлопа.

Пример 1 комплексной системы очистки для дизельных двигателей легковых автомобилей

Рис. Пример 1 комплексной системы очистки для дизельных двигателей легковых автомобилей. Химические превращения:

Окислительный катализатор
2 N0 + O2 —» 2 NO2
2 СО + O2 —» 2 СO2
CmHn + (m+n/4)O2 -» mCO2 + n/2 H2O

Сажевый фильтр с «FBC»
С + 2 NO2 —» СO2 + 2 NO
C + «FBC» + O2 -» CO2
CO + 1/2 O2 -» CO2

Накопительный катализатор NОx
Режим бедной смеси с восстановлением NOx
Образование NO2 -» NO + 1/2 O2 -» N02
Накопление -» 2 NO2 + Ва -» Ва (NO3)2
Режим богатой смеси с аккумулированием NOx
Выделение -» Ва (NO3)2 -» NOx + Ва
Восстановление —» NOx + восстановитель —» N2

Пример 2 комплексной системы очистки для дизельных двигателей легковых автомобилей. Химические превращения

Рис. Пример 2 комплексной системы очистки для дизельных двигателей легковых автомобилей. Химические превращения:

CSF (Сажевый фильтр с каталитическим покрытием)
2 NO + О2 —» 2 NO2
2 CO + 02 —» 2 СО2
СmHn + (m+n/4)O2 —» m CO2 + n/2 H2O
С + NO2 —» CO2 + 2 NO
C + O2 —» CO2

Гидролизный катализатор
CO (NH2)2 + H2O —» 2 NH3 + CO2

SCR-катализатор
4 NO + 4 NH3 + O2 —» 4 N2 + 6 H2O
NO + NO2 + 2 NH3 —» 2 N2 + 3 H2O

Пример 3 комплексной системы очистки для дизельных двигателей легковых автомобилей. Химические превращения

Рис. Пример 3 комплексной системы очистки для дизельных двигателей легковых автомобилей. Химические превращения:

Окислительный катализатор
2 NO + О2 —» 2 NO2
2 СО + O2 —» 2 СО2
CmHn + (m+n/4)O2 —» m СО2 + n/2 Н2O

Сажевый фильтр CRT
С + 2 NO2 —» СО2 + 2 NO
Co + O2 -» Co2

Гидролизный катализатор
СО (NH2)2 + Н2O => 2NH3 + СO2

SCR-катализатор
4NO + 4NH3 + О2 => 4N2 + 6Н2O
NO + NO2 + 2NH3 => 2N2 + 3H2O

На рисунках показаны максимально возможные варианты комплексных систем очистки ОГ для дизельных двигателей легковых автомобилей. Системы для грузовых автомобилей почти ничем не отличаются. В выпускной тракт могут быть добавлены специальные испарители или распылители топлива.

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (оцени первым)
Нормирование выбросов токсичных веществ и шума По мере роста автомобильного парка стандарты на ограничение вы­бросов токсичных веществ введены во многих странах мира, в зависимо­сти от концентрации автомобилей, климатических, рельефных условий и других факторов. Под токсичностью выбросов двигателя автомобиля (токсичностью дви­гателя) - это сп...
Предварительный трехкомпонентный нейтрализатор отработавших газов Этот нейтрализатор встроен в выпускной коллектор. Благодаря близости к двигателю он быстро прогревается до рабочей температуры, при которой начинается очистка отработавших газов. При работе двигателя на гомогенной стехиометрической смеси углеводороды и оксид углерода отнимают у оксидов азота кислоро...
Приборы для проверки утечек углеводородных газов (течеискатели) При проверке систем питания двигателей, работающих на газообразном топливе, при проведении инструментального контроля применяются течеискатели углеводородных газов различного типа, например ТС-92ВМ производства России или ИГ-4 (Беларусь). Они предназначены для обнаружения утечек газа из систем питан...
✪Устройство автомобиля Авто⚡сайт №❶
Google+ ()