Главная

Мочевина развела производителей

По-моему, уже не осталось людей, связанных с грузовиками и перевозками, кто не слышал бы об ужастиках по поводу скорого вступления в силу в Европе экологических нормативов Euro-4 и Euro-5. И если предыдущие нормативы начали действовать не так шумно и заметно, то о грядущие сломано уже столько копий, что пора издавать книгу о том, как это происходило и происходит.

Все дело в том, что экологические стандарты Euro-0, -1, -2 и -3 достигались только за счет сравнительно несложных конструктивных изменений в двигателе, в первую очередь в системе подачи топлива и оптимизации компьютерного управления ею, а также совершенствования газораспределения. Так появились насос-форсунки, индивидуальные для каждого цилиндра топливные насосы высокого давления, топливные рампы (Common Rail). Давление впрыска подняли до 2000 бар, ввели несколько фаз впрыска и многоточечные распылители. Все это позволило относительно легко и безболезненно производителям выпустить новые машины, а перевозчикам пересесть на них.

В 2006 г. Европа ввела экологические стандарты Euro-4. По этому поводу тоже спору нет. Снижение окислов азота и сажи в выхлопных газах автомобилей легко достигается за счет рециркуляции отработавших газов (EGR – exaust gas recirculation) и установкой сажевых фильтров.

 

Принципиальная схема системы EGR

Система рециркуляции выхлопных газов EGR Scania с клапаном Вентури

Принципиальная схема системы EGR

Система рециркуляции выхлопных газов EGR Scania с клапаном Вентури

Эти сиcтемы уже давно и успешно работают на легковых и грузовых автомобилях, и претензий к ним нет, кроме увеличения цены (грузовик дороже на 5–6 тыс. евро).

Смысл рециркуляции в том, что часть выхлопных газов возвращается обратно в цилиндры, где и происходит «дожигание», а, выражаясь химическим языком, окисление химически активных окислов азота NOх до инертного N2O3. Проблема в том, что эта реакция не терпит высоких температур – чем она выше, тем ниже выход инертного оксида. Выхлопной газ, который мы возвращаем в цилиндры, уже нагрет до приличной температуры, поэтому его необходимо

охладить в теблообменнике.

Далее, в двигателях с турбонаддувом воздух в цилиндры поступает под давлением, превышающим давление выхлопных газов, отобранных для повторного использования, поэтому последние надо «загнать» во впускной коллектор. Для этого существует так называемое сопло Вентури. На дизелях с турбокомпаундом дополнительная турбина, передающая часть энергии выхлопных газов на коленвал, создает достаточное давление для того, чтобы втиснуть выхлопные газы во впускной коллектор. Эта конструкция характерна для двигателей Scania.

Моторы с EGR получились более теплонагруженными, поэтому они предъявляют повышенные требования к системе охлаждения. Особенно велико тепловое воздействие при больших нагрузках, так как при разных режимах работы автомобиля в цилиндры возвращается и разное количество выхлопных газов: на холостом ходу – 5%, на средних оборотах при движении по магистрали – 15%, а при штурме горы или в тяжелых дорожных условиях – до 30%.

Еще одна особенность двигателей с EGR заключается в повышенном расходе топлива. Так говорят те, кто использует альтернативную систему достижения норм Euro-4, хотя производители двигателей с EGR божатся, что это неправда. С точки зрения физики процесса сгорания первые правы. Разбавленный продуктами сгорания воздух, поступающий в цилиндры, вызывает приступ кислородного голодания у двигателя и «аритмию» процесса сгорания топлива. Поэтому приходится колдовать, чтобы подготовить горючую смесь и реанимировать нормальную работу цилиндров. Один из методов – более поздний впрыск топлива в цилиндры, что приводит к его дополнительному расходу, хоть и незначительному (на 3%).

 

Глушитель с сажевым фильтром в разрезе

А как дополнение к физике процесса сгорания следует отметить и антагонизм оксидов азота и сажи. Чтобы уменьшить количество последней, надо повысить температуру сгорания и увеличить давление впрыска, а чем больше температура, тем больше и оксидов – уменьшение одного вызывает увеличение другого и наоборот. Экологи всю жизнь твердят, что свободные радикалы в виде активного оксида азота более вредные, чем сажа. Поэтому первым делом надо удовлетворить их, но и граждан, смывающих с себя сажу килограммами, уважить тоже не забыли, установив сажевый фильтр в глушителе.

Система рециркуляции отработавших газов уже несколько лет успешно применяется на грузовиках MAN и Scania, и к Euro-4 эти компании подошли с таким техническим решением. Другие производители наверняка тоже пошли бы по такому пути, но…

Глушитель с сажевым фильтром в разрезе

 

Нельзя сказать, что Euro-5 подкрались незаметно (планируется в 2009 г.), но производителей техники эти экологические нормы развели по разные стороны баррикад. Все уперлось в дальнейшее снижение содержания оксидов азота. С системой EGR таких значений достичь трудно. Несколько лет назад, когда принимались сроки введения экологических нормативов и производители ломали голову, по какому пути идти, создатели EGR искали пути достижения Euro-5, но это оказалось настолько трудно, что из «большой семерки» только MAN и Scania «не сломались» и продолжили делать ставку на рециркуляцию выхлопных газов. Остальная «великолепная пятерка» не стала «париться». Палочкой-вырyчалочкой оказалось вещество, сфера применения которого до сих пор ограничивалась сельским хозяйством и изготовлением лекарственных и косметических препаратов. Мочевина или карбамид - называйте его как комy нравится. Они проголосовала за технологию, при которой снижение количества оксидов азота достигается каталитической реакцией с применением 31,8%-33,3%-процентного раствора мочевины. С инженерной точки зрения – решение менее красивое. А забегая вперед, скажу, что и вообще некрасивое, так как по всей Европе придется создавать инфраструктуру по производству, транспортировке и заправке мочевины. Но решение приняли, руководствуясь, скорее всего, сиюминутными, а может, и не очень экономическими и техническими преимуществами. Кто-то на этом заработает приличные «бабки», а кто-то, и это будет большинство, их потеряет. Чтобы как-то сгладить это решение, «пятерка» назвала мочевину – AdBlue, технологию снижения токсичности выхлопа – SCR (Selective Catalytic Reduction) и радостно сообщила, что к Euro-4, -5 уже готова. Чтобы не влиять на долговечность каталитического нейтрализатора, обезвреживающего СО и yглеводороды, AdBlue максимально очищен от металлосодержащих примесей.

 

Принципиальная схема системы SCR

   На количество сажи, а также содержание в выхлопных газах СО и yглеводородов карбамид никакого влияния не оказывает. Возможно, поэтомy технология добавления мочевины полyчила название Selective Catalytic Reduction (избирательная каталитическая нейтрализация), а за системой yзлов, отвечающих за хранение, дозирование и подачy AdBlue в выхлопной коллектор, закрепилась аббревиатyра SCR.

Принципиальная схема системы SCR

 

   Что же такое SCR? На раму машины вешается дополнительный бак, чаще пластиковый, в зависимости от класса автомобиля объемом от 40 до 150 л, устанавливают насос, подающий раствор, а в глушитель вставляют катализатор. Раствор мочевины подается в глушитель, где он смешивается с выхлопом, а дальше водно-воздушная смесь поступает на катализатор, где оксид азота восстанавливается до просто азота, а на выходе кроме него получаем воду, немножко СО, сажи, часть которой не уловил сажевый фильтр, и понемногу остальную таблицу Менделеева: 6NO2+8NH3=7N2+12H2O

 

Насос для раствора мочевины

Штуцер впрыска мочевины расположен на расстоянии 10 см от катализатора

Насос для раствора мочевины

Штуцер впрыска мочевины расположен на расстоянии 10 см от катализатора

Для достижения норм Euro-4 на 100 л топлива надо потратить 3–5 л мочевины, а чтобы ваш двигатель «пах» на Euro-5, потребуется примерно 5–7 л того же самого. Вроде бы все просто, но…

1. Мочевина замерзает при -11оС, поэтому при эксплуатации в условиях низких температур необходим подогрев как самого бака, так и подающих трубок. Кстати, замерзнув в баке, мочевина может его запросто разорвать, поэтому заполняется он только на 80%. Один из производителей двигателей сказал, что существует закон, по которому при температуре ниже -5оС можно не использовать мочевину и он (производитель) собирается устанавливать на свои машины систему, автоматически отключающую подачу раствора. Для Европы, где зимой отрицательные температуры редкость, это нормально. А как же в тех районах, где -20оС и ниже держится всю зиму? Летом не травим воздух, зимой можно? Но, тем не менее, подогрев разработали все.

 

Подогрев бака с мочевиной

Бак с мочевиной расположен возле глушителя

Подогрев бака с мочевиной

Бак с мочевиной расположен возле глушителя

2. «Я не хочу тратить деньги на мочевину». Европа законодательно собирается ввести на грузовиках регистрирующие устройства, показывающие использование машиной мочевины. Инспектора также будут проверять, только не понятно что – мочевину в баке, искать пережатые трубки или отключенные насосы. В будущем планируется сделать так, чтобы в отсутствие мочевины в баке при запуске двигателя он терял около 50% мощности – аналог американской «защиты от дураков», а эта система тоже стоит денег. Если раствор закончился на ходу, то двигатель выдает всю мощность, но при повторном запуске – плетись в хвосте или заливай AdBlue. Вот где раздолье нашим и не нашим Кулибиным.

3. Если уж водители иногда путают дизельные и бензиновые колонки, то милое дело залить в бак с топливом мочевину, а в мочевину «солярку». Чтобы этого не происходило, горловина бака для мочевины сделана значительно уже, чем диаметр топливного заправочного пистолета – не вставишь. Но зато заправочный пистолет для мочевины со свистом входит в горловину топливного бака. Но мы же не первый год замужем, поэтому конструкторы сделали так, что сколько ни нажимай на рычаг, мочевина не польется. В пистолете, как говорят, стоит магнитный клапан, срабатывающий только в нужном месте, а это – горловина бака для мочевины, этакий разъем мама-папа. Все бы ничего, если бы не слишком много «но».

 

Канистра с трубкой для заправки adBlue в бак

Канистра с трубкой для заправки adBlue в бак

4. Сама система SCR вместе с баком весит около 80 кг, прибавьте к ним 50–150 кг раствора, и вся достигнутая за последние годы экономия веса – коту под хвост. За Euro-4 (только система SCR) придется доплачивать 5 тыс. евро, за Euro-5 – уже 7 тыс. «евриков» плюс дополнительные фискальные датчики при принятии закона, плюс обслуживание SCR. Мочевина бесплатно в бак тоже не польется, а сейчас она стоит 30 евроцентов за литр, а на сто километров пробега надо 1,5–2,5 л раствора – считайте сами. Конечно, с увеличением производства цены на мочевину упадут, но до каких пределов, никто не знает.

5. Сам раствор мочевины безвреден для человека (так уверяют производители), но при попадании его в воду дохнет вся рыба и все, что шевелится, – блокируется дыхательная система водных животных. Поэтому установка, перевозка и производство AdBlue требуют большого количества сертификатов и денег – на подготовку заправок, оборудования и площадок для его использования, а это будет компенсировано из кармана перевозчиков.

6. Катализатор начинает работать при температуре не менее 250оС. На холостом ходу такой температуры добиться нельзя, на магистрали – можно. Исследования температурного режима катализатора при городском цикле движения показали, что он редко разогревается до 250оС, поэтому система SCR в городе неэффективна, а для автобусов и развозных грузовиков нужно искать альтернативу.

Как уверяют производители, долговечность катализатора сопоставима со сроком жизни машины: 800 000–1 000 000 километров. Но когда «бэушные» пятилетние автомобили пойдут в Россию, что делать новым владельцам, где брать глушители без катализаторов – старые уже разрушатся? Работа двигателя без мочевины никак не влияет на долговечность катализатора, но один из инженеров обмолвился, что, может быть, и влияет.

Почему такой ажиотаж вокруг Euro-5 уже сейчас? Дело в том, что Германия, находясь в центре Европы, решила снять сливки и ввела плату за пользование автобаном. Но это рычаг не просто экономический, а макроэкономический, потому как играя платежными ставками, можно воздействовать на те или иные отрасли своей экономики и экономику других государств в целом. Чем немцы и не преминули воспользоваться, введя льготы на проезд по автобанам машин, отвечающим Euro-5. Поэтому уже сейчас все производители подготовили и будут выпускать такие автомобили с 2006 г. Получается, что Euro-4 – чисто проходной вариант, о котором скоро совсем забудут.

Тем не менее MAN и Scania продолжают делать ставку на EGR и утверждают, что мир увидит двигатели, соответствующие Euro-5, без мочевины – снимаю шляпу. Пока же все двигатели Scania, отвечающие требованиям Euro-5 используют систему SCR. Больше всего проблем будет с самым мощным мотором в 620 л.с., так как тепловой баланс такого прожорливого агрегата никак не может ужиться с EGR по причинам, уже упоминавшимся. Но шведы надеются и, как мне кажется, добьются своего.

И в качестве заключения. Ломая копья по поводу преимуществ той или другой системы, мы упустили из виду, что используя альтернативные источники энергии (газ, топливные элементы, водород, спирт, солнце, электричество), можно совсем забыть о такой проблеме, как чистота выхлопа автомобильного транспорта. Хочется верить, что рано или поздно производители бросят силы на разработки и производство совершенно новых источников энергии для машин.

До встyпления в силy норм Euro 5 еще есть время, однако серийное производство автомобилей, оборyдованных системой SCR, yже началось. Инициатива принадлежит фирмам, занимающимся изготовлением грyзовой техники - DAF, Iveco, Mercedes-Benz, Renault и Volvo. Но это не означает, что разработчики легковых автомобилей великодyшно отдали освоение технологии SCR им на откyп. Система Bluetec, с которой Audi и легковое подразделение Mercedes-Benz настойчиво знакомят пyбликy на всех автомобильных выставках, из той же области. Если эти компании не торопятся начинать серийный выпyск моделей, оснащенных системой впрыска мочевины, то только по причине недостаточного наличия заправок, торгyющих реагентом AdBlue.

 

 

Мы в соц сетях