В декабре 2007 г. Евросоюз принял предложения по нормам токсичности отработавших газов Stage IV для внедорожных мобильных машин. Производители ВММ попросили компанию AVL (Австрия) провести анализ этих норм в качестве независимой и незаинтересованной инжиниринговой фирмы, поскольку компаниям-производителям надо было решать, как распределить и на каких направлениях сосредоточить усилия своих исследовательских и конструкторских подразделений. Основные результаты этого исследования приводятся в этой статье.

В экологических нормах для самоходных спецмашин или внедорожных мобильных машин (ВММ, англ. – NRMM) Stage IV (Евросоюз) и Tier 4 (США) допустимые уровни токсичности отработавших газов (ОГ) значительно жестче предыдущих. Частично эти нормы будут выполняться за счет совершенствования конструкции двигателей, но необходимо использовать и очистку ОГ в системе выпуска. Мы рассмотрим возможные способы решения этих задач и технические возможности их внедрения на внедорожных мобильных машинах (ВММ).

Гармонизация норм токсичности ОГ внедорожных мобильных машин
В таблицах 1 и 2 представлены ограничиваемые нормами соответственно ЕС и США уровни токсичности ОГ для дизельных двигателей мощностью от 19 до 560 кВт сухопутных внедорожных мобильных машин, т. е. сельскохозяйственных и строительных. В таблицах представлена только часть ограничений и условий, регламентируемых нормами, поскольку нормы регламентируют токсичность ОГ не только внедорожных машин, но и железнодорожной техники, речных и морских судов, а также двигателей промышленных установок, работающих на постоянных режимах. Помимо этого существуют различные дополнительные региональные и международные ограничения. Цифры, приведенные в обеих таблицах, отчетливо показывают:
• деление на группы по мощности, допустимые уровни токсичности и даты вступления в силу норм ЕС и США гармонизированы;
• нормы вводятся в действие постепенно для отдельных категорий двигателей по мощности.
Эти положения соответствуют наиболее важным условиям, которые предъявляют производители внедорожных мобильных машин в Европе и Америке к будущим нормам. Следует отметить, что другие важные экономические регионы мира – Япония, Индия и Китай готовятся принять такие же нормы.

Будущие нормы для внедорожных мобильных машин
В настоящее время продолжается работа по пересмотру экологических норм для этих машин в ЕС (Директива 97/68/ЕС с поправками); в США (морские и железнодорожные двигатели менее 30 л/цил), в ЕЭК ООН (Гётеборгский протокол по глобальному загрязнению воздуха) и, в глобальном масштабе, в ООН (IMO MARPOL – Международное соглашение по ограничению выбросов морских судов). В Евросоюзе и ООН обсуждаются меры по улучшению качества топлива для ВММ, прежде всего по ограничению содержания серы.
Поправки (2004/26/ЕС) внесены в Директиву 97/68/ЕС, чтобы обеспечить технические возможности осуществления существующих норм Stage IIIB и IV, там же дана оценка необходимости введения новых переходных норм IIIB, сформулированы и включены будущие требования по процедуре проверки соответствия токсичности ОГ машин нормам в эксплуатации и обеспечения уровня токсичности на режимах, не входящих в испытательные циклы.

Качество топлива для ВММ
В настоящее время в нормах ЕС Stage II и Stage IIIA уровень содержания серы в топливе для ВММ установлен 2000 ррм (0,2% по массе). Однако постепенное введение новых технологий в конструкцию двигателей, побуждаемое вступлением в действие с 31 декабря 2010 г. норм Stage IIIB, потребует не только значительно снизить уровень содержания серы в топливе, но и привести в соответствие с Европейским стандартом EN590 другие параметры видов топлива, применяемых в эксплуатации: смазывающих свойств, цетанового числа, вязкости и содержания полиароматических гидрокарбонатов.
В январе 2007 г. Еврокомиссия опубликовала предложения по поправкам к Директиве 98/70/ЕС, в которых рекомендовалось ограничить содержание серы до 10 ррм в топливе для всех сухопутных ВММ к 31 декабря 2009 г. Предположительные уровни содержания серы во всех видах топлива для ВММ к 2010 г. по регионам мира в Европе, Австралии, Северной Америке и Японии – до 15 ррм, в Индии и Китае – до 500 ррм, в остальных регионах мира – свыше 500 ррм.

Новые технологии для двигателей и для последующей нейтрализации ОГ в системе выпуска
Чтобы обеспечить уровень токсичности ОГ, регламентируемый нормами Stage IV/ Tier 4, требуется значительно снизить токсичность ОГ, покидающих камеру сгорания двигателя, и обеспечить высокоэффективную обработку (нейтрализацию) ОГ в системе выпуска. Эти требования во многом идентичны требованиям для будущих двигателей дорожных транспортных средств класса С1. Отличия, характерные для ВММ, будут описаны ниже. Мы попытались определить основные технические меры, которые позволят выполнить требования этих стандартов (таблицы 3 и 4).
В этих таблицах выделены 7 групп технических мер, идентичных для применения и в Европе, и в США, однако распределение этих групп для Европы и США отличается по классам мощности двигателей и датам ввода в действие. Ниже приводится список технических мер.
Группа 1 Механическая аппаратура впрыска топлива; рециркуляция ОГ не применяется.
Группа 2 Механическая аппаратура впрыска топлива, внутренняя рециркуляция ОГ.
Группа 3 Электронная аппаратура впрыска топлива, внутренняя рециркуляция ОГ и поздние углы впрыска либо рециркуляция ОГ с наружным охлаждением.
Группа 4 Электронная аппаратура впрыска топлива, внутренняя рециркуляция ОГ плюс сажевый фильтр, или предкамерный впрыск плюс сажевый фильтр плюс управляемая регенерация фильтра, или бензиновый двигатель с трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором.
Группа 5 Электронная аппаратура впрыска топлива, внутренняя или с наружным охлаждением рециркуляция ОГ плюс сажевый фильтр, или электронная аппаратура впрыска топлива (>1800 бар), рециркуляция ОГ с наружным охлаждением плюс система с фильтром с непрерывной регенерацией, например окислительный каталитический нейтрализатор (англ. – РОС) с сажевым фильтром.
Группа 6 Электронная аппаратура впрыска топлива, рециркуляция ОГ с наружным охлаждением плюс сажевый фильтр, или электронная аппаратура впрыска топлива (>1600 бар) плюс нейтрализация с применением реагента AdBlue (SCR); рециркуляция ОГ не применяется, сажевый фильтр не применяется.
Группа 7 Электронная аппаратура впрыска топлива, рециркуляция ОГ с наружным охлаждением плюс сажевый фильтр и SCR, или электронная аппаратура впрыска топлива (>2200 бар), рециркуляция ОГ с наружным охлаждением плюс SCR; сажевый фильтр не применяется.
Поскольку нормами США регламентируются также двигатели мощностью более 560 кВт, для них определены три дополнительные группы.
Группа 8 Электронная аппаратура впрыска топлива, рециркуляция ОГ не применяется.
Группа 9 Электронная аппаратура впрыска топлива плюс рециркуляция ОГ с наружным охлаждением.
Группа 10 Электронная аппаратура впрыска топлива, рециркуляция ОГ с наружным охлаждением плюс сажевый фильтр или электронная аппаратура впрыска топлива плюс нейтрализация с AdBlue (SCR).
Для двигателей наиболее важного мощностного диапазона 56...130 кВт приоритетным выбором является система впрыска Common Rail вследствие ее широких возможностей по изменению цикловой подачи, угла опережения впрыска и числа впрысков за один цикл. Эти возможности обеспечивает электронная система управления. Для турбонаддува двигателей в этом мощностном диапазоне приоритетным выбором будут турбонагнетатели с постоянной геометрией (с перепускным клапаном) и, возможно, с активно управляемым перепускным клапаном. Рециркуляция ОГ с охлаждением будет работать с высоким давлением, также необходимо будет электронное управление количеством перепускаемых ОГ. В двигателях мощностного диапазона 130...560 кВт будут использоваться технологии, заимствованные из конструкции двигателей магистральных автомобилей.
При использовании технологии SCR для нейтрализации NOx в ОГ в системе выпуска будет предпочтительно дозирование AdBlue (водного раствора мочевины). Поэтому для ОГ, покидающих камеру сгорания двигателя с охлаждаемой системой рециркуляции ОГ, уровень содержания NOx должен будет составлять примерно 2 г/кВт·ч, чтобы соответствовать требованиям норм Stage IV по NOx – в перспективе 0,36 г/кВт·ч (на 10% ниже предела 0,4 г/кВт·ч) с SCR и температуры ОГ по методике испытаний двигателей внедорожных машин на неустановившихся режимах, NRTC. Поскольку тепловыделение двигателей, соответствующих Stage IV, увеличится по сравнению с двигателями Stage IIIB, особое внимание надо уделять повышению мощности систем охлаждения.
Конфигурация системы последующей нейтрализации ОГ в системе выпуска зависит от уровня токсичности ОГ, покидающих камеру сгорания двигателя. Выполнить будущие нормы по уровню содержания NOx и сажи с помощью одной только системы SCR, без использования сажевого фильтра, по-видимому, технически возможно. Если для выполнения норм Stage IV/ Tier 4 по содержанию твердых частиц (сажи) требуется использовать сажевый фильтр, в качестве предпочтительного средства удаления сажи из ОГ в системе выпуска рекомендуется не требующая обслуживания система с фильтром c непрерывной регенерацией как альтернатива сажевому фильтру с управляемой регенерацией, потому что в последнем обязательно должны быть предусмотрены специальные дожигатели сажи. Однако по соображениям «технической политики» возможно использовать сажевый фильтр с управляемой регенерацией.
На рисунке (bild 6, стр. 6 pdf) показаны для сравнения схемы двух систем: 1) с сажевым фильтром в комбинации с SCR (мочевина) и 2) фильтр с непрерывной регенерацией перед системой SCR. Вообще говоря, расположение сажевого фильтра перед системой SCR не является обязательным, но в настоящее время это преобладающая тенденция. Несомненно, такие сложные системы нуждаются в достаточно совершенной системе управления, которая бы обеспечивала своевременную регенерацию скопившейся сажи, непрерывную нейтрализацию NOx и взаимодействие между собой отдельных подсистем этой системы. Благодаря применению фильтра с непрерывной регенерацией вместо сажевого фильтра с управляемой регенерацией можно значительно упростить систему управления и снизить трудоемкость ее настройки.
В этом контексте использование топлива со сверхнизким содержанием серы обязательно должно сочетаться с наличием какой-либо системы нейтрализации ОГ в системе выпуска, а смазывающие свойства этого топлива должны обеспечиваться тем или иным способом, чтобы предотвратить чрезмерный износ компонентов системы впрыска. Также немаловажно использовать низкозольные смазочные масла, чтобы обеспечить достаточную надежность сажевых фильтров и приемлемые интервалы их регенерации.

(Окончание следует)