Частицы сажи, как правило, состоят из ядра с элементарным углеродом, на который наслаиваются несгоревшие углеводороды. Вследствие этого в массе частиц различают твердые и летучие вещества. Наряду с элементарным углеродом ядром для образования частиц может служить сера из дизельного топлива. Часть летучих веществ в общей массе частиц и распределение величины частиц зависят как от рабочей точки, так и от модели горения и технологии впрыскивания. В основном, распределение величины частиц сажи в отработавших газах дизельного двигателя составляет от 1 нм до 1000 нм. Визуально можно увидеть частицу сажи с концентрацией от 0,15 г/м.
Концепция обработки отработавших газов современного дизельного двигателя легкового автомобиля может состоять из многих элементов, которые комбинируются согласно уровню необработанных выбросов и законодательству по обработке отработавших газов. Почти все схемы включают так называемый нейтрализатор окисления дизельного топлива. В нем окисляются несгоревшие углеводороды и окиси углерода. Основное исполнение — это трехкомпонентный нейтрализатор (раздел 7.1.4). Кроме того, к покрытию из пористого оксида «Washcoat» добавляются особые наполнители (например, цеолит), которые улучшают окисление отработавших газов в бедной атмосфере. Одновременное снижение содержания оксидов азота возможно только при избытке кислорода в очень малых объемах (менее 10%). Поэтому в первую очередь в качестве каталитически активного благородного металла в покрытие «Washcoat» добавляется платина, которая обладает оптимальными окислительными свойствами. Замена на палладий возможно только в некоторых случаях.
Если двигатель сам по себе — здесь нужно обязательно назвать рециркуляцию отработавших газов — не может удерживать уровень оксидов азота в соответствующих пределах, дополнительно к нейтрализатору окисления устанавливается нейтрализатор восстановления. Используется нейтрализатор-накопитель, описанный в разделе 7.1.4, который при использовании дозированного восстановителя непрерывно снижает содержание оксидов азота в отработавших газах. Первый вариант имеет преимущество, так как нет необходимости в дополнительном восстановителе, но для периодической регенерации накопителя и снижения уровня высвободившихся оксидов азота дизельный двигатель должен работать с избытком кислорода. Это осуществляется в современных электронных системах регулирования подачи топлива дизельных двигателей без чрезмерных выбросов сажи. Благодаря низким температурам отработавших газов дизельного двигателя, скорость реакции 60-70% в европейском цикле движения тяжело превысить. При увеличении нагрузки скорости реакции снижаются на 20%. Для постоянного снижения уровня азота была разработана концепция использования ванадиево-титанового носителя без покрытия в качестве катализатора и дозированного аммиака (NH3) в качестве восстановителя как самого надежного.
В данном случае речь идет о технологии SCR (SCR — Selective Catalytic Reduction, выборочное каталитическое восстановление, рис. 7.68).
Рис. 7.68. Принципиальная схема устройства системы SCR
Предпочтительная реакция оксидов азота с аммиаком происходит согласно следующей формуле:
NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3Н2O
В целях безопасности на тяжелых транспортных средствах используется не аммиак, а жидкий раствор мочевины. Это требует установки дополнительного нейтрализатора гидролиза. В нем мочевина распадается на аммиак и кислоты изоциана, которые в дальнейшем в нейтрализаторе SCR окончательно преобразуются в аммиак и углекислый газ. В современных разработках нейтрализатор из ванадия и титана, который устойчив к температурам лишь до 650°С, заменяется более устойчивыми к нагрузкам термическими нейтрализаторами на основе чугуна или меди-цеолита.
К преимуществам системы SCR можно отнести высокую скорость реакций и относительно высокую активность при низких температурах. Недостатком является необходимость добавления отдельного восстановителя. Для предотвращения прорыва восстановителя в систему часто включается нейтрализатор окисления.
В качестве восстановителя используют также дизельное топливо; к преимуществам этого способа можно отнести отсутствие дополнительной системы подачи восстановителя с отдельным баком, однако дизельное топливо позволяет лишь очень немногие реакции с образованием NOx.
С восстановлением накопителя NOx в первую очередь и подачей аммиака во вторую связано повышение расхода топлива до 4% за цикл движения.
Для снижения выбросов твердых частиц устанавливается сажевый фильтр. Различают открытые и закрытые фильтры. Открытые фильтры изготавливаются из металлической фольги с прослойками металлокерамики. С помощью дефлекторов и соответствующих отверстий в металлической фольге отработавшие газы направляются через металлокерамическую фольгу, где отделяются твердые частицы. При увеличивающемся количестве твердых частиц, повышается гидродинамическое сопротивление движению потока отработавших газов через металлокерамику, и газы направляются без фильтрации мимо дефлекторов через систему каналов (рис. 7.69). Только после восстановления фильтра, в котором сжигается наслоившаяся сажа, действие фильтра может быть возобновлено. Стандартная достижимая степень осаждения частиц серы в течение длительного времени составляет 30%. Так как вероятность засорения фильтра мала, контроль с помощью электронной системы управления работой дизельного двигателя не требуется.
Рис. 7.69. Схема устройства сажевого фильтра из металлической фольги
Закрытая система изготавливается или из керамики, или из металлокерамических пластин. В обоих случаях степень осаждения частиц сажи составляет свыше 90%, поэтому возможно засорение фильтра с соответствующей опасностью для двигателя. Во избежание этого разность давлений в фильтре контролируется с помощью электронной системы управления работой дизельного двигателя.
Керамические фильтры изготавливаются или из карбида кремния, или из кордиерита (алюмосиликата магния и алюминия). Оба материала имеют пористую/ячеистую структуру. Кроме того, имеющиеся в них каналы перекрываются по выбору с одной стороны, в результате чего отработавшие газы должны направляться через пористую стенку канала (рис. 7.70), на которой оседают частицы сажи. По достижении определенного слоя сажи на стенках канала там образуется фильтрационный осадок.
Рис. 7.70. Схема керамического сажевого фильтра производства фирмы «NGK Europe GmbH»
Окисление осажденной сажи, необходимое для восстановления сажевого фильтра, осуществляется с помощью кислорода при температуре свыше 600°С и концентрации кислорода, по меньшей мере, 7%. Данная температура очень редко достигается в фильтре в ходе нормальной эксплуатации автомобиля. Для того, чтобы восстановление было возможным, с помощью регулировок двигателя, к которым помимо всего остального, относится позднее впрыскивание топлива, повышается температура отработавших газов. Поздно впрыскиваемое топливо сгорает в цилиндрах частично, большая часть вступает в реакцию в нейтрализаторах окисления, которые расположены перед сажевым фильтром, и повышает температуру отработавших газов. Более того, температуру окалины осажденной сажи можно снизить примерно на 300°С, добавив топливные добавки, которые осаждаются на слой сажи. В качестве добавки можно домешивать в топливо церий, чугун и оксиды меди с концентрацией 10...20 частей на миллион. Недостатком данного способа является скопление добавок в фильтре в виде пепла, что делает необходимым замену фильтра (с интервалом порядка 50000 км). Обильные отложения в фильтре понижают температуру отработавших газов, необходимую для окисления сажи.
Наряду с активным восстановлением сажевого фильтра кислородом с помощью регулировок двигателя, осажденная сажа может окисляться при низких температурах с помощью диоксида азота NO2. В данном случае речь идет о постоянном или пассивном восстановлении, которое осуществляется в температурном диапазоне 250-450°С. Предпосылкой является достаточное образование NO2, таким образом соотношение NO2:С равняется по меньшей мере 12:1.
Размещение узлов системы рециркуляции отработавших газов на автомобиле требует большого пространства и значительно повышает стоимость как двигателя, так и всего транспортного средства. Поэтому прилагаются интенсивные усилия для снижения количества узлов системы рециркуляции и объединения их функций. В серийном производстве уже есть системы с интегрированной функцией окисления в каталитическом сажевом фильтре с покрытием. Если данную систему расположить близко к двигателю, можно достичь температур, необходимых для активного восстановления, с незначительным использованием топлива. Можно в данную систему заложить функцию накопления оксидов азота, однако чем больше вес транспортного средства, тем сложнее это выполнить вследствие увеличивающегося количества вредных примесей в отработавших газах.