В Европе менее 30% коммерческих автомобилей соответствует требованиям норм токсичности отработавших газов (ОГ) Euro 4 и Euro 5. Еще в меньшей степени «экологичны» дорожно-строительные машины. Для сохранения окружающей среды неизбежно придется модернизировать часть этих автомобилей и машин, чтобы уменьшить токсичность их ОГ. Самым эффективным методом снижения токсичности ОГ дизелей является очистка ОГ в системе выпуска автомобиля.

Системы, использующие реагент AdBlue

На IAA ряд компаний представили различные системы, состоящие из сажевого фильтра и каталитического нейтрализатора, работающего по технологии SCR, т. е. с использованием аммиака NH₃ (который получается из раствора мочевины AdBlue), разлагающего окислы азота NOx на нейтральный азот и воду (NH₃ +
+ NO_x  → Н₂О +  N).

Немецкая компания Emitec Gesellschaft fur Emissionstechnologie mbH занимает ведущие позиции в мире по разработкам и выпуску каталитических нейтрализаторов с металлическими носителями и другого оборудования по очистке отработавших газов дизельных двигателей.

Разместить системы SCR на машинах весьма сложно из-за недостатка места. Решение проблемы предлагает компания Emitec: ее инженеры разработали металлические носители для нейтрализаторов особой конструкции, благодаря которой в потоке ОГ возникают турбулентные завихрения, с помощью которых интенсивнее протекает химическая реакция, что в свою очередь позволяет уменьшить размеры нейтрализатора.

Раствор мочевины (аммиак NH₃) впрыскивается в поток газа перед окислительным конвертором – первым компонентом системы. В конверторе часть аммиака NH₃ окисляется с образованием NO₂, а окись углерода СО окисляется до СО₂.

Далее в системе располагается сажевый фильтр. Emitec представила на IAA усовершенствованную версию сажевого фильтра с постоянной регенерацией PM-Metalit^®, который не нуждается в техобслуживании. Сажа в нем окисляется не в результате горения, а за счет химической реакции. Когда NO₂ (поступающий из окислительного конвертора) контактирует с сажей, кислород вступает в реакцию с углеродом, в результате образуются углекислый газ, азот и водяной пар: NO₂ + СН → СО₂ + N + Н₂О.

У PM-Metalit

есть ряд преимуществ по сравнению с более распространенными керамическими фильтрами:
• массивные керамические носители медленно прогреваются после холодного пуска, требуется впрыскивать топливо для разогрева, чтобы началось горение сажи, а PM-Metalit^® быстрее прогревается, начинает работать при более низкой температуре – около 200 °С, и для регенерации не требуется впрыскивать дополнительное топливо;
• при накапливании сажи в керамическом фильтре (до того, как она будет сожжена) возрастает противодавление, вследствие чего увеличивается расход топлива двигателя, а PM-Metalit^® создает очень незначительное противодавление и не увеличивает расход топлива за весь срок службы;
• поры керамических фильтров засоряются продуктами сгорания сажи – золой, и фильтры следует периодически заменять или чистить, а замеры, выполненные на фильтрах PM-Metalit^®, «прошедших» по 500 тыс. км, показали, что их эффективность не уменьшилась. В расположенном далее каталитическом нейтрализаторе окислы азота разлагаются на воду и азот.

PM-Metalit^® разработан совместно с компанией TWINTEC, поэтому немецкая компания TWINTEC AG представила на IAA совмещенную в одном агрегате инновационную четырехступенчатую систему обработки ОГ в системе выпуска TWINblue^®, составной частью которой также являются сажевый фильтр PM-Metalit^®и каталитический нейтрализатор.

На первом этапе ОГ проходят через модуль PM-Metalit^®, в котором задерживается сажа и окисляются газообразные СО и СН. На втором этапе после сажевого фильтра в поток ОГ впрыскивается реагент AdBlue. Поток поступает в следующий модуль PM-Metalit^®, где оставшиеся частицы сажи задерживаются и сжигаются, а специальное покрытие фильтрующего элемента способствует разложению мочевины с образованием чистого аммиака. На третьем этапе в расположенном далее модуле каталитического нейтрализатора аммиак вступает в реакцию с окислами азота, в результате образуются азот и вода. Весь не вступивший в реакцию аммиак на четвертом этапе окисляется в следующем модуле каталитического нейтрализатора.

Основная часть всех систем очистки ОГ в системе выпуска, разработанных немецкой компанией HJS Fahrzeugtechnik GmbH & Co KG, это сажевый фильтр SMF^® с непрерывной регенерацией (для поддержания этого процесса не нужно ни подачи топлива, ни других дополнительных средств), с фильтрующим элементом из спеченного металлического порошка, требующий минимального технического обслуживания. Двигатели, оснащенные такими фильтрами, могут соответствовать не только стандарту Euro 5, но и EEV. Такими фильтрами уже оснастили многие тысячи автобусов по всей Европе. Они способны накапливать гораздо большее количество продуктов сгорания сажи – золы, в три-четыре раза больше по сравнению с обычными керамическими фильтрами благодаря тому, что их «карманообразная» конструкция в принципе не может засоряться. Как следствие, существенно увеличивается пробег между техническими обслуживаниями – чисткой фильтра (до нескольких лет), даже если двигатель не новый и потребляет увеличенное количество масла. На поверхности фильтра SMF^® может быть нанесен катализатор для интенсификации процесса регенерации и снижения температурного порога работоспособности.

В экспозиции HJS была представлена система SMF^®-CRT^® (Continuous Regeneration Technology – «технология непрерывной регенерации»), предназначенная для магистральных грузовиков, выполняющих дальние перевозки. У таких грузовиков постоянно высокая температура ОГ в системе выпуска. SMF^®-CRT^® состоит из окислительного конвертора и сажевого фильтра.

Также HJS разработала систему с активной регенерацией SMF^®-AR для легких и среднетоннажных коммерческих автомобилей, которые работают с частыми остановками и малой скоростью в городе. В отличие от фильтров с непрерывной регенерацией, которые должны работать при определенном уровне температуры ОГ для сжигания сажи, в системе SMF^®-AR благодаря подаче топлива сажа в фильтре может выжигаться практически на любом режиме работы двигателя – независимо от температуры ОГ. К тому же скорость горения сажи при этом значительно увеличивается. Время и объем подачи топлива регулирует электронная система управления.

Систему SCRT^®, в которой сажевый фильтр SMF^® совмещен с каталитическим нейтрализатором, можно устанавливать и на новые машины, оборудованные штатным сажевым фильтром, и на старые коммерческие автомобили, не имеющие никаких агрегатов очистки ОГ в системе выпуска. Автобусы, соответствующие нормам Euro 3, после установки SCRT^® отвечают требованиям стандарта Euro 5 или даже EEV. Система имеет функцию защиты: даже если бак с AdBlue опустеет, это не приведет ни к снижению мощности двигателя, ни к выходу из строя SCRT^®.

Как подсчитали специалисты компании, стоимость оборудования системой от компании HJS грузовика, соответствующего нормам Euro 3, с целью снижения токсичности ОГ составляет 6000 евро. После такого переоборудования грузовик получает налоговые льготы от правительства Германии. Если он проходит за год 150 тыс. км, экономия за счет налоговых льгот составит 6300 евро, т. е. новая система очистки окупится за год.

Robert Bosch GmbH предложила систему с электронным управлением Denoxtronic для очистки ОГ в системах выпуска любых коммерческих автомобилей. Система состоит из сажевого фильтра с активной регенерацией (процесс подачи дизельного топлива для регенерации регулирует система управления) и каталитического нейтрализатора. В результате сгорания топлива температура ОГ поднимается почти до 600 °С, и сажа в фильтре сгорает. Дозирующий модуль подает точное количество реагента в поток ОГ перед каталитическим нейтрализатором. В нейтрализаторе аммиак из реагента вступает в реакцию с окислами азота, образуя нейтральный азот и воду. Система практически не нуждается в техобслуживании.

Системы, не использующие AdBlue

Системы нейтрализации SCR имеют ряд недостатков: реагент AdBlue – токсичная и коррозионно-активная жидкость, при работе с ней требуется соблюдать жесткие меры предосторожности. Машины, оснащенные такими системами, должны иметь надежный источник заправки AdBlue. Реагент замерзает при 11 °С, и в холодный период работать с системой нейтрализации сложно. Наконец, агрегаты системы достаточно объемные и массивные, что создает сложности при размещении их на машинах. Некоторые компании, участвовавшие в выставке, предложили решения, позволяющие избежать этих трудностей.

Запатентованные агрегаты очистки ОГ собственной разработки, более дешевые, чем система SCR (и не нуждающиеся в AdBlue), представила компания MAN Nutzfahrzeuge Gruppe.

Система PM-KAT^® предназначена для двигателей, оборудованных системой рециркуляции ОГ (англ. аббревиатура EGR), и состоит из окислительного конвертора и сажевого фильтра с непрерывной регенерацией. В конверторе на платиновом покрытии NO окисляется до двуокиси NO₂. Далее в фильтре с элементом из металлокерамических волокон несгоревшие углеводороды вступают в реакцию с NO₂, в результате образуется СО₂ и NO. Химические процессы в этой системе протекают без потребления энергии от внешних источников. Как утверждают специалисты MAN, PM-KAT^® практически не засоряется и не требует технического обслуживания. Система PM-KAT^® легче агрегатов системы SCR примерно на 150 кг. Агрегатом PM-KAT^® оснащают двигатели MAN Euro 4.

Чтобы уменьшить токсичность ОГ двигателей MAN с AGR до уровня Euro 5, предлагается окислительный нейтрализатор Oxi-KAT^®. В отличие от упомянутого выше окислительного конвертора Oxi-KAT^® разлагает NOx. Двигатели Euro 5 с Oxi-KAT^® не нуждаются в установке PM-KAT^®, поскольку низкий уровень содержания сажи в ОГ обеспечивается за счет применения системы впрыска высокого давления и двухступенчатого турбонаддува.

Также специалисты MAN разработали систему CRTec (сажевый фильтр с непрерывной регенерацией и электронным управлением). С помощью CRTec токсичность ОГ снижается до уровня требований стандарта EEV. Переоборудование двигателей MAN Euro 3 в Euro 5 путем установки CRTec стоит в Германии 15…20 тыс. евро.

Глобальная американская корпорация Eaton одна из немногих иностранных компаний, претендующих на место на немецком рынке систем очистки ОГ. Она разработала оригинальную систему удаления NOx и сажи из ОГ в системе выпуска, «работающую на одной жидкости – дизельном топливе», по словам специалистов Eaton, более эффективную и экономичную, чем системы очистки ОГ других фирм. Системе, разработанной Eaton, для работы не требуется мочевина – аммиак образуется непосредственно в системе. Система включает в себя риформер, преобразующий топливо, задерживающий фильтр NO_x (LNT), сажевый фильтр и каталитический нейтрализатор.

Процесс протекает следующим образом. Задерживающий фильтр LNT захватывает NO_x из ОГ. Когда LNT насыщается окислами азота (а также соединениями серы, содержащимися в топливе), система управления начинает процесс регенерации (и десульфатации) LNT. В поток ОГ перед риформером впрыскивается дизельное топливо. Риформер разлагает топливо на водород и окись углерода СО. Попутно выделяется тепло, необходимое для регенерации сажевого фильтра. В LNT в результате реакции с NOx продуктов риформинга топлива, поступающих из риформера, начинается процесс регенерации, в ходе которого NOx разлагаются на азот, аммиак NH₃ и водяной пар: NO_x + СН_x → N + NH₃ + H₂O. Дальше поток ОГ попадает в сажевый фильтр, в котором задерживаются и непрерывно сжигаются частицы несгоревших углеводородов. Затем в каталитическом нейтрализаторе аммиак NH₃, образовавшийся в задерживающем фильтре LNT, вступает в реакцию с оставшимися в ОГ окислами азота NO_x, образуя азот и воду.

Компания Eaton в настоящее время ведет работу с различными производителями по внедрению своей системы на автомобилях и спецтехнике.

* * *

По-прежнему практически все системы очистки ОГ дизельных двигателей от окислов азота работают по одной из двух технологий: SCR (с мочевиной) или EGR (рециркуляция отработавших газов). Резко отличается от всех лишь оригинальная система компании Eaton, которая подтвердила свой статус ведущей мировой компании в данном секторе техники.

По-прежнему используются и сажевые фильтры с непрерывной регенерацией, и фильтры с активной регенерацией. Надежного фильтра, самоочищающегося при любых режимах работы двигателя, пока никому создать не удалось.

Одна из основных проблем – засорение сажевых фильтров продуктами сгорания (золой), поэтому многие фирмы отказываются от керамических фильтров и предлагают элементы из других материалов, а также оригинальные конструкции, в которых «не задерживаются сажа и зола».