Технологии экологии: как токсичные выхлопы ДВС превращают в «аромат фиалки»

Экология потребления.Наука и техника:Адсорбенты и катализаторы, зонды и фильтры, резервуары и керамические соты – целое мини-предприятие по переработке химических отходов скрывается под капотом современного автомобиля с двигателем на углеводородном топливе. Сегодня мы коснемся темы технологий, создаваемых в согласии с требованиями быстро меняющихся экологических стандартов.

Адсорбенты и катализаторы, зонды и фильтры, резервуары и керамические соты – целое мини-предприятие по переработке химических отходов скрывается под капотом современного автомобиля с двигателем на углеводородном топливе. Сегодня мы коснемся темы технологий, создаваемых в согласии с требованиями быстро меняющихся экологических стандартов, разберемся, как нейтрализуются токсичные выхлопы ДВС и попробуем оценить перспективы выживания этого сегмента авторынка с учетом существующих глобальных тенденций. 



В конце минувшего года правительство Германии объявило, что к 2050 году автомобилей с двигателями внутреннего сгорания не останется, что в скором времени стало одной из причин присоединения страны к международному альянсу ZEV (Zero-Emission Vehicle), амбициозная цель которого – кардинальное снижение уровня выбросов парниковых газов в масштабах планеты. И для производителей автомобилей на углеводородном топливе это более чем ясный вызов, четко определяющий ключевой приоритет выживания – разработка эффективных средств снижения токсичности автомобильных выбросов.

А зачем, собственно, обезвреживать выхлопные газы – спросите вы? Насколько известно еще из школьного курса химии в результате сгорания любого органического топлива образуются углекислый газ и вода. Но углекислый газ – далеко не самый опасный продукт реакции, происходящей в камере ДВС. Во-первых: топливо сгорает не полностью, а процесс горения сопровождается образованием очень токсичного вещества – угарного газа (СО) и, попутно, больших объемов не сгоревших до конца углеводородов (от аренов – до парафинов). Во-вторых, в процесс горения активно вовлекается азот (N2) из воздуха и примеси, содержащиеся в бензине – сера и пр. В свою очередь, выбросы оксидов азота (NOx) становятся причиной кислотных дождей, смога и образующихся сегодня повсеместно озоновых дыр. Не меньшую опасность для здоровья человека и всего живого представляют и побочные продукты сгорания, содержащие соединения серы. Здесь заметим, что в США особое внимание в борьбе с проблемой акцентируют именно на концентрации NOx в выхлопных газах, порождающих в результате разложения под воздействием солнечных лучей печально известный калифорнийский фотохимический смог. 

Каталитический нейтрализатор

Как известно, опять же еще со школьной программы, катализаторы – вещества, ускоряющие химические реакции, но не вступающие в них. Прекрасным примером могут служить благородные металлы. Трехкомпонентный каталитический нейтрализатор с составе палладия (Pd), платины (Pt) и родия (Rh) покрывает керамические соты тончайшим слоем. При этом общая площадь поверхности покрытия таких сот составляет, в среднем, до 20 000 м. кв. (!) Столь внушительная площадь способствует улучшению контакта выхлопных газов с благородными металлами, которых, в расчете на один нейтрализатор затрачивается всего 2-3 гр. Агрегат с нейтрализатором сжигает остатки угарного газа и разлагает часть не сгоревших углеводородов до углекислого газа и воды. Вредные оксиды NOx до атмосферного азота восстанавливает родий.

Рабочая температура каталитического нейтрализатора 400-800°C, поэтому внутренние фрагменты конструкции агрегата изготавливаются из термически устойчивой керамики – карбида кремния или кордиерита. Проблема, с которой постоянно сталкиваются инженеры – определение оптимального места расположения нейтрализатора. Дело в том, что для выхода на рабочий температурный режим последнему нужно некоторое время, а холодный мотор выбрасывает в атмосферу практически неочищенные смеси. Вопрос состоит в том, расположить ли нейтрализатор ближе к мотору, где он будет быстрее прогреваться, или же ближе к глушителю, где прибор будет работать в более щадящем температурном режиме.

Большинство современных автомобилей оснащены системами нейтрализации и в этой связи не стоит оставлять машину на газоне с засохшей травой – корпус нейтрализатора, раскаленный после поездки, вполне может вызвать воспламенение травы с отягощающими последствиями. Не целесообразно также заводить двигатель способом буксировки, поскольку это может спровоцировать попадание топлива в нейтрализатор, последующую детонацию, сопровождающуюся разрушением керамических сот.

Адсорбирование оксидов азота

Нейтрализатор LNT (Lean NOx Trap) – один из примеров современных систем, разработанных для борьбы с оксидами азота в выхлопных газах дизельных двигателей. Накапливанию оксидов в корпусе способствует адсорбент – оксид бария или др. В момент, когда нейтрализатор заполняется полностью, компьютер дает команду на обогащение топливовоздушной смеси, поступающей в камеры сгорания. На первый взгляд это безумие, ведь смесь, в которой много бензина и мало воздуха, резко увеличивает концентрацию токсичного угарного газа в выхлопах. В действительности все протекает несколько по другому сценарию: внутри LNT-нейтрализатора угарный газ реагирует с оксидами азота, разлагая их до вполне безобидного молекулярного азота N2 и условно безобидного углекислого газа. В момент, когда нейтрализатор полностью очищается от NOx двигатель переходит к нормальному режиму работы. Как вы понимаете, говорить об экономичности периодического переобогащения смеси было бы неправдой, но если речь идет о таком приоритете, как чистота окружающей среды, включение в рабочий цикл этих компонентов оказывается оправдано.

Что такое лямбда-зонд

Эффективная нейтрализация предполагает оптимальную концентрацию кислорода. Если смесь чрезмерно обеднена, т. е. наблюдается дефицит топлива за счет преобладающего воздуха, то концентрация NOx в выхлопных газах возрастает. Обогащение смеси при таких условиях не будет сопровождаться полным выгоранием топлива, а в выхлопе повысится концентрация угарного газа и не окислившихся углеводородов. Для поддержания оптимального кислородного баланса используется лямбда-зонд – датчик, который контролирует уровень кислорода в выпускном коллекторе двигателя.

Если коэффициент избытка воздуха, представляющий собой соотношение объема воздуха к объему смеси λ > 1, то смесь “бедная”, если же λ < 1 – обогащенная. Лямбда-зонд представляет собой некое подобие топливной ячейки с платиновыми электродами с электролитом из диоксида циркония. Один из электродов датчика сообщается с забортным воздухом, содержащим окислитель (кислород), другой электрод – с выхлопными газами. “Топливом” для ячейки служит не сгоревший бензин. При обогащении смеси напряжение на датчике возрастает, что служит сигналом компьютеру для подачи команды на обеднение смеси.


_{Лямбда-зонд — топливная ячейка из двух платиновых электродов и электролита из диоксида циркония. И электроды, и электролит проницаемы для кислорода. Внутрь зонда подается воздух снаружи, который подогревается нагревательным элементом. Если смесь богатая и выхлоп содержит мало кислорода, концентрация O2 внутри зонда становится намного больше, чем снаружи. Поэтому кислород из забортного воздуха проходит через электроды и электролит в виде ионов, вызывая тем самым электрический ток во внешней цепи. Как только молекулы кислорода появляются в выхлопе (при бедной смеси), концентрации выравниваются, и напряжение резко падает.}



Рециркуляция отработанных газов

Азот очень инертен, и для того, чтобы он вступил в нужную реакцию его необходимо либо сильно сжать, либо нагреть. И первое и второе условие выполняется в цилиндре дизельного двигателя (для бензиновых агрегатов это не актуально, поскольку степень сжатия у них значительно ниже). Понижая температуру в цилиндре возможно снизить концентрацию оксидов азота в выхлопе. С этой функцией справляется система рециркуляции отработанных газов EGR, первые модификации которой были установлены еще в 1970-х годах на дизельном грузовом транспорте в США. С помощью специального клапана отработанные газы смешиваются с выпускным воздухом и направляются обратно в цилиндр. Часть тепла, сопровождающего горение смеси принимают на себя инертные газы, в результате чего температура в камере сгорания снижается. 

Впрыск мочевины

Когда экологические стандарты вступают в свои права, на помощь приходит мочевина. Оксиды азота великолепно восстанавливаются до молекулярного азота вступая в реакцию с аммиаком (NH3). Другое дело, что хранить на борту токсичный газ нельзя. В качестве альтернативы хранению аммиака инженеры-химики предложили использовать мочевину ((NH2)2CO), впрыскиваемую в выпускной тракт автомобиля отдельными порциями. В “тандеме” с выхлопными газами мочевина поступает в специальный нейтрализатор, где и превращается в аммиак, необходимый для разложения NOx на азот и воду. Описанная технология именуется выборочным каталитическим восстановлением SCR (Selective Catalytic Reduction), а некомфортное для нашего слуха слово «мочевина» в этой технологии заменили звучным AdBlue. Хотя, если разобраться, AdBlue — это всего-навсего 32,5% чистой (NH2)2CO в дистиллированной воде.

Как видите, экологические стандарты оказались мощнейшим стимулом в создании целого направления химической отрасли, а владельцам “мочевинных” дизелей приходится заправлять машину и соляркой, и AdBlue, расход которой весьма ощутим и составляет до 6% от объема использованного топлива. 


_{Прежде чем порция выхлопных газов вернется в цилиндр ее необходимо охладить, для чего может быть использован как жидкостный охлаждающий контур, так и воздушный, или же оба сразу. На рисунке изображена система рециркуляции грузового автомобиля Scania.}

Сажевые фильтры

Нейтрализации до принятых норм требуют не только газообразные смеси выхлопных газов, но и твердые частицы. Именно такие микроскопические частицы сажи, размером от 10 до 1 мкм выбрасываются при разгоне хорошо знакомых нам всем перегруженных КамАЗов. Знакомое зрелище. Можно представить себе тот “оздоравливающий” эффект, который этот интенсивно извергаемый смог оказывает на наши легкие. Сажа в выхлопе, как и NOx — это, главным образом, проблема дизельных моторов, поскольку солярка – достаточно тяжелая фракция нефти, содержащая ненасыщенные соединения. Это способствует тому, что концентрация углерода в солярке выше, чем в бензине, а значит, и сажи при горении будет выделяться больше. 

Справиться с проблемой позволяет устойчивая к высоким температурам керамика. Работает это так. До определенного момента специальные керамические фильтры DPF (Diesel Particulate Filter) адсорбируют сажу из выхлопных газов, а после накопления до определенного предела двигатель переводится на специальный режим работы при котором температура газов в системе выпуска резко повышается до 600 °C, что с учетом имеющегося с системе кислорода позволяет окислить сажу, после чего вывести наружу через выхлопную трубу. Для того, чтобы не подвергать фильтр DPF разрушающему воздействию высоких температур, некоторые производители покрывают его керамическую поверхность тонким слоем платины, выполняющей функцию катализатора. Инженеры концерна PSA (Peuqeot-Citroёn) предложили добавлять в дизельное топливо присадки на основе церия (Ce), что позволяет снизить температуру окисления сажи до 450 °C. А это вполне сопоставимо с обычной температурой выхлопных газов. В странах, где работают нормы Евро-5, с 2011 года на всех дизельных автомобилях установлены DPF-фильтры.

Низковольтный гибрид

Владельцам автотранспорта с двигателями на углеводородном топливе становится все сложнее втискивать существующие технологические решения в рамки непрерывно ужесточающихся экологических норм. Текущие тенденции все отчетливее определяют переход на гибридные решения. Одно из них на базе низковольтных гибридных схем (48В) предложила компания Bosch. И такие низковольтные системы уже в самом ближайшем будущем позволят “гибридизировать” многие существующие модели авто. 

Несмотря на привлекательность предлагаемых инженерами инноваций с точки зрения экологического эффекта, конечная стоимость ДВС, да и самого автомобиля, “отягощенного” зелеными технологиями достаточно ощутимо возрастает. Поэтому, если описанная тенденция продолжится, в обозримом будущем использование двигателей внутреннего сгорания на фоне популяризации и совершенствования инфраструктуры электромобилей станет попросту неэффективным. опубликовано econet.ru 

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet

Присоединяйтесь к нам в Facebook , ВКонтакте, Одноклассниках