Плазменный нейтрализатор отработавших газов автомобиля.

Один из альтернативных методов нейтрализации отработавших газов – использование низкотемпературной плазмы. Исследования в Японии, США и в... России привели к созданию экспериментальных образцов оборудования, ос­нованного на плазменных технологиях.

Что такое низкотемпературная плазма? Она состоит из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов, получен­ных в специальных устройствах при различных видах импульсных высоковольтных электрических разрядов (коронный, барьерный и др.), а также из нейтральных атомов и молекул.

Принципиальная схема одного из вариантов разрядного устройства показана на рис.15. Оно включает узел подвода отработавшего газа и масла 1, кварцевую стеклянную или керамиче­скую трубку 2, используемую в качестве ди­электрического барьера, и два электрода – центральный 3 и внешний 4 – в виде металличе­ской сетки из нержавеющей стали. В разрядное устройство подается ток от источника, форми­рующего импульс напряжения длительностью 250–350 мкс. Барьерный разряд возникает при элек­трическом напряжении 0,5–35 кВ и частоте сле­дования импульсов 50–2000 Гц.

Как происходит процесс нейтрализации га­зов в системе и очистка их от сажи? Отрабо­тавшие газы дизеля направляются в плазмохимический реактор, предварительно пройдя сушку во влагоотделителе. В плазмохимическом реак­торе к этим газам "подмешивают" масло. Под действием электриче­ского разряда в трубках разрядного устройства частички сажи ак­тивно абсорбируют масло на своей поверхности. Для удаления сажи, частички которой находятся как бы в масляном коконе, используется маслоотделитель. Сажа собирается в специальный контейнер, а масло после дополнительной очистки в фильтре продолжает циркулировать по замкнутому контуру. Таким образом, удается обеспечить очень высо­кую эффективность поглощения частичек сажи – до 100% во всем диа­пазоне оборотов дизеля. Из маслоотделителя часть отработавших га­зов можно направить во впускной коллектор дизеля (рециркуляция). Это снижает содержание оксидов азота в выхлопе.

Физическая и химическая сущность явлений, происходящих под действием барьерного разряда в плазмохимическом реакторе, изучена пока недостаточно. Однако упрощенно процесс можно представить сле­дующим образом. При подаче напряжения в электроразрядное устройство в нем создается неравновесная слабоионизированная низкотемпе­ратурная плазма, которая воздействует на отработавшие газы. В ре­зультате многостадийных химических реакций оксиды азота, серы и углерода разлагаются на нетоксичные молекулы кислорода, азота, серы и углерода. Одновременно происходит конверсия (превращение) оксида азота в его диоксид, который связывается радикалом ОН в азотную кислоту в виде аэрозоля. Аналогичные реакции протекают с диоксидом серы и оксидом углерода, приводя к образованию аэрозо­лей. Аэрозоли улавливают в достаточно простых электрофильтрах, обеспечивающих степень очистки до 98–99%.

Судя по лаконичным сообщениям зарубежной печати, в Японии про­ходит испытания микроавтобус, на котором установлен дизельный дви­гатель "Ниссан-LD 20" мощностью 48,5 кВт/66 л. с., оборудованный нейтрализатором с плазмохимическим реактором.

По предварительным расчетам, плазменная очистка обойдется в 1,5–2 раза дешевле, чем в существующих многокомпонентных устройст­вах. Не требуется использовать благородные металлы, значительно увеличивается ресурс систем нейтрализации, сокращается время на их техническое обслуживание. Однако к промышленному выпуску плазмохи­мических реакторов (а значит, их широкому использованию) можно бу­дет перейти, когда удастся сократить затраты мощности на электро­питание реактора. В опытных и экспериментальных системах они дос­тигают 4–5% и более от мощности дизеля.

Обратная связь дизеля

Компания Bosch, которая в 1976 году представила миру свой пер­вый лямбда-зонд для бензиновых двигателей, недавно создала анало­гичный узел и для дизельных моторов. Напомним, лямбда-зонд – это датчик, измеряющий содержание кислорода в отработавших газах авто­мобиля. Его внедрение позволяет оптимизировать топливоподачу в ци­линдры, благодаря чему снижается токсичность отработавших газов и уменьшается расход топлива, увеличиваются мощность и крутящий мо­мент мотора, а также улучшаются его пусковые характеристики.

Кроме того, лямбда-зонд вместе с электронной системой впрыска обеспечивают работу каталитического нейтрализатора отработавших га­зов, который выполняет свою функцию только при четком соблюдении пропорций состава топливовоздушной смеси.

Сегодня, когда системы питания дизелей управляются электрони­кой, а их механические ТНВД остались в прошлом, лямбда-зонд пришел на службу и этим моторам. Получая данные о количестве кислорода в выхлопе, электронные «мозги» современных дизелей корректируют ра­боту системы рециркуляции отработавших газов, определяют оптималь­ное время впрыска топлива и давление наддува (рис.16). Системы пи­тания с лямбда-зондом особенно эффективны в режиме полных нагрузок, когда увеличивается склонность к дымообразованию. «Бошевский» дат­чик кислорода будет использоваться и в накопительных катализаторах для измерения содержания окисей азота (NO_X). Планируется, что уже к концу этого года «лямбда-регулирование» будет внедрено на многих современных дизелях.

Система SCR

Совсем скоро, в октябре 2005 года, в странах Евросоюза для ав­томобилей начнут действовать более строгие экологические нормы Евро 4, которые сменят ныне действующие Евро 3. И сегодня мировые авто­производители активно работают над тем, чтобы сделать выхлоп двига­телей как можно чище.

В то же время необходимо считаться с покупателем, для которого важно, чтобы автомобиль был относительно дешев и прост в эксплуата­ции. Все это требует эффективных и вместе с тем недорогих систем. Специалисты DaimlerChrysler создали одну из них – SCR (Selective Catalytic Reduction, что можно перевести как «селектив­ный каталитический преобразователь»).

Принцип действия системы SCR (рис.17) заключается в химической реакции аммиака с окисью азота выхлопных газов, в результате кото­рой образуются безвредный азот и водяной пар.

Здесь, правда, возникает один вопрос: а как перевозить на ав­томобиле аммиак – довольно токсичное вещество? Известный концерн Total в свое время создал безопасный заменитель аммиака, разрабо­танный на водной основе и соответствующий стандартам DIN 70070. Сегодня он широко применяется в сельском хозяйстве, текстильной промышленности, а также при изготовлении косметики и парфюмерии. Данная жидкость – совершенно не токсичная, без цвета и запаха – в «автомобильном» исполнении называется AdBlue.

Селективный преобразователь состоит из двух основных узлов: непосредственно каталитического нейтрализатора с сотовой структу­рой, вмонтированного в глушитель автомобиля, и дополнительного бака под аммиачный заменитель AdBlue. Так что установка системы SCR на автомобили с моторами Евро 3 не потребует кардинального из­менения их конструкции.

Средний расход «голубой» жидкости – около 6% от потребляемого автомобилем дизтоплива: например, для магистрального тягача он со­ставляет около 2 л на 100 км. Таким образом, 100-литрового бака с AdBlue хватит на 5000 км пути.

Двигатель оснащается дополнительным модулем, совмещенным с электронной системой управления мотором, который точно дозирует количество жидкости AdBlue, подаваемой в выпускной коллектор.

Но это еще не все. Очень важно, что моторы с системой SCR су­щественно экономичнее: например, на дальнобойных грузовиках расхо­дуется на 30% меньше топлива. А чем выше экономия – тем меньше со­держание вредных веществ в выхлопных газах.

Работы над технологией очистки SCR были начаты еще в 90-е гг. Сегодня система практически готова к серийному производству. Осна­щать грузовики и автобусы Mercedes-Benz системой SCR должны начать в I-м полугодии 2005 года, с тем, чтобы к октябрю 2006 года – пре­дельному сроку перехода на Евро 4 – все вышеуказанные машины марки имели селективный преобразователь выхлопных газов. После небольшой модернизации системы SCR оснащенные ею дизельные моторы будут со­ответствовать экологическим нормам Евро 5, введение которых наме­чено на октябрь 2008 года.

Однако нужно решить еще одну важную проблему – создать раз­ветвленную сеть специальных АЗС, на которых можно будет заправ­ляться «голубым» топливом AdBlue. Концерн Total и другие произво­дители уже активно работают над этим. Результат не заставил себя долго ждать: 26 ноября 2003 года в Штутгарте была торжественно от­крыта первая автозаправочная станция AdBlue. Пока на ней будут за­правляться только проходящие испытания с системой SCR автомобили Mercedes-Benz.