Агрегат с огоньком
Принцип работы автомобильных сажевых фильтров не меняется несколько десятилетий, однако методы очистки каждый раз воспроизводятся на более сложном уровне. О том, почему эти агрегаты сопоставимы по стоимости с мотором автомобиля, какие требования к ним предъявляются, «АБС-авто» рассказал кандидат технических наук старший эксперт Экспертного совета ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ» Владимир Панчишный. Раньше часто можно было увидеть автомобиль, изрыгающий густое облако дыма, сейчас, конечно, таких машин стало значительно меньше. Этот дым может появляться в двух случаях. Либо топливо плохо сгорело в цилиндрах – тогда образуется черный дым, либо топливо вообще не воспламенилось – соответственно появляется белый дым. Бороться с этими проявлениями можно разными путями. Наиболее надежный и распространенный способ снижения выбросов дизельной сажи – совершенствование самого двигателя. Для этого существует множество технических решений. однако если подобный подход уже не дает результатов, приходится устанавливать так называемые дизельные фильтры. Сажа, образующаяся в процессе работы дизельного мотора, представляет собой высокодисперсную фракцию с очень большой поверхностью. основу этой фракции составляют углеродные кластеры, на поверхности которых осаждаются различные вещества, многие из них представляют опасность для здоровья. Наиболее токсичными являются некоторые органические нитросоединения и полициклические ароматические углеводороды, многие из которых – активные канцерогены. В этом и заключается самая большая опасность дизельной сажи. Попадая в легкие, она наносит вред всему организму. Токсикологией сажи в свое время очень активно занимались и в СССР, и на Западе, где, кстати, до сих пор объемы этих исследований не только не снижаются, но интенсивно возрастают. конечно, дизель выбрасывает и другие токсичные вещества, в частности оксиды азота, но дизельная сажа сохраняет свои позиции как один из активнейших канцерогенов.
Сложность за сложностью
Борьба с дизельной сажей активно ведется уже более четверти века. Ее практическим результатом являются постоянно ужесточающиеся экологические стандарты, согласно которым нормы выбросов в Европе, США, Японии доведены до фантастически низких величин, отмечает Владимир Панчишный. Так, современный дизель не должен выбрасывать больше 0,01-0,02 г сажи на 1 кВт мощности, в то время как еще 10 лет назад выбросы сажи превышали эти значения больше чем на порядок (более чем в 10 раз). Для наглядности можно привести современный автобусный дизель средней мощностью 200 кВт, годовой выброс которого сейчас не превышает 7-8 кг сажи, тогда как не так давно он составлял более 100 кг. Чтобы добиться столь высокого результата, как раз и необходимо пропускать выхлоп через специальный фильтр. Это технически очень сложная задача, что объясняется несколькими причинами. к примеру, мотор среднего автобуса «выдает» около тонны отработавших газов в час, и весь выхлоп необходимо пропустить через относительно небольшой по размерам (близким к размерам глушителя) агрегат (фильтр). Помимо высокой способности улавливать чрезвычайно мелкую сажу фильтр должен иметь относительно малое газодинамическое сопротивление, заметно не снижать мощности, быть пожаробезопасным и, по возможности, не очень дорогим... Фильтрация выхлопа происходит при достаточно высоких температурах (более 400-500°С), и поэтому традиционные бумажные и матерчатые фильтры в таких условиях работать не будут. реальные температуры при эксплуатации оказываются еще выше и нередко достигают 1000°С и более. Это связано с тем, что в процессе эксплуатации внутри фильтра накапливается большой объем сажи, и ее надо как-то удалять, чтобы восстановить фильтрующую способность агрегата. Необходим процесс регенерации фильтра. Единственный реальный способ избавиться от сажи и регенерировать фильтр – выжечь ее. Это также технически очень сложная проблема, Проблема в том, что при тех температурах, которые есть в выхлопной системе – 400-500°С, – сажа не горит. Для ее возгорания необходимы температуры около 750, лучше 800°С. Поэтому приходится прибегать к различным методам, позволяющим достичь температур, при которых горит сажа.
Угли в мангале
Один из таких методов предполагает наличие перед фильтром специальной горелки, в которую подается топливо и которая при накоплении достаточного количества сажи зажигается. При этом температура отработавших газов достигает необходимого уровня и сажа начинает окисляться – т.е. гореть. Но здесь снова возникают проблемы. особенность дизельного двигателя – наличие большого количества кислорода в его выхлопе. Поэтому когда на загоревшуюся сажу поступает большее количество кислорода, она разгорается, совсем как угли в мангале, причем в отличие от последнего этот процесс очень трудно контролировать. При большом количестве сажи на фильтре в процессе регенерации могут развиться столь высокие температуры, что плавятся даже огнеупорные керамические материалы, из которых и делаются фильтры. кстати, изготовление таких высокотемпературных фильтров также является крайне сложной технологической задачей. В мире не так уж много фирм, владеющих соответствующими технологиями. В частности, они есть у японцев (NGK) и американцев (Corning Glass). NGK у нас известна прежде всего свечами, но это относительно простое изделие, сажевый фильтр – вещь намного более сложная. Перенос ряда производств в китай способствует тому, что и в кнр появляется продукция, отвечающая жестким требованиям.
Сбить пламя
Есть и еще один метод регенерации – в комбинации с фильтром используется катализатор. Дело в том, что помимо кислорода сажу можно окислять и диоксидом азота (NO2), который может быть получен при каталитическом окислении содержащегося в дизельном выхлопе монооксида азота (NO). Тогда температуру горения можно снизить до 350-400°С, т.е. до температур дизельного выхлопа. однако опять – данный метод сложен. Понятно, что чем больше диоксида азота, тем лучше идет регенерация. Для каталитического удаления сажи необходимо приблизительно в 10 раз больше диоксида азота, чем сажи. Однако количество оксидов азота, которые сами по себе также являются одной из наиболее острых экологических проблем дизеля, постоянно снижается, что осложняет получение диоксида азота в необходимых количествах, а следовательно, и регенерацию фильтра. . Сейчас в НАМИ ведется весь комплекс работ, связанный с фильтрами. Специалисты занимаются разработкой агрегатов, изучением источников образования сажи, совершенствованием камер сгорания и проч. Другими словами, эксперты работают над тем, чтобы сократить до минимума количество поступающей из двигателя сажи, рассказывает Владимир Панчишный. Интересно, что бороться с углеродом пытались различными способами и ранее. В первое время использовались, так называемые «циклоны», инерционные осадители, были и электрофильтры. Но все это не помогало. Единственный метод – указанный выше, но он технически сложен. Более того, современные системы очистки чрезвычайно дороги. Если они не превышают стоимость самого двигателя, то уж точно сопоставимы по цене. При установке чего бы то ни было в выпускную систему автомобиля создается проблема для мотора. Прежде всего немного падает мощность. Для того чтобы она падала не так заметно, увеличивается объем фильтра.
Эффективность VS стоимость
Современный сажевый фильтр настолько же сложен, насколько и эффективен. Американцы последние 15-20 лет оборудуют этими агрегатами старые транспортные средства, в том числе школьные автобусы. (Blue Bird CV200 с дизельным двигателем Caterpillar имел объем 6,6 л и выдавал 175 или 207 л.с.). Моторесурс дизеля составляет около 1 млн км. Учитывая небольшую протяженность маршрута, автобусы способны служить еще долго, но вот в новые экологические нормы они вписываться перестали. Однако новые фильтры позволили решить проблему... отчасти. Процессы регенерации фильтра идут очень часто. Соответственно частый запуск горелки приводит к повышенному расходу топлива, показатель увеличивается на 10-12%. В результате все упирается в финансовый вопрос. В принципе методы борьбы с сажей давно известны, каких-либо инновационных прорывов в данной области пока нет. Методов всяких много, указывает Владимир Панчишный, но они воспроизводятся всякий раз на более высоком техническом уровне. описанные выше технологии появились у нас и за рубежом еще в 70-80-х годах прошлого века. Тогда природоохранное законодательство было помягче. С введением новых норм принцип работы фильтров сильно не изменился, однако потребовались технические решения, отвечающие новому времени. Наконец, еще одна трудность заключается в неремонтопригодности современных сажевых фильтров. В НАМИ не рекомендуют также заниматься удалением агрегата в случае его неисправности. Сегодняшние автомобили оснащаются бортовой системой диагностики. При неисправности одного из агрегатов транспортное средство либо не запускается, либо переходит в аварийный режим работы. Чаще всего фильтры приходят в негодность из-за оплавления или забитых пор. И в этом случае просто так фильтр не восстановишь.
