Application of storage catalytic converters of nitrogen oxides for reducing exhaust toxicity of tractor diesel engines

Full Text

Введение Сегодня актуальность внедрения систем снижения вредных выбросов на технике для сельского хозяйства не вызывает сомнений. Это связано с длительными периодами работы тракторов и других машин в непосредственной близости от посевов. Российские и зарубежные требования по ограничению выбросов вредных веществ с отработавшими газами (ОГ) двигателей вынуждают производителей применять различные комплексы антитоксичных систем [1]. Оптимизация процесса сгорания не позволяет снизить количество вредных веществ до уровней, необходимых для выполнения законодательных требований. Что касается снижения содержания оксидов азота, то последствия оптимизации сгорания приводят к обратному результату. Цель исследования Цель исследования - анализ работы и совершенствование конструкции накопительных нейтрализаторов оксидов азота для снижения токсичности ОГ тракторных дизелей. Материалы и методы В двигателях, работающих на стехиометрических смесях, используются трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы (Three-Way Catalyst), в которых происходит одновременное окисление оксида углерода СО, несгоревших углеводородов СН и восстановление оксидов азота NOx. В двигателях, работающих на обедненных смесях, в первую очередь в дизелях, помимо перечисленных компонентов необходимо снижать выбросы частиц РМ (Particulate Matter), для чего используется сажевый фильтр (Diesel Particulate Filter, DPF). Эффективность восстановления NOx трехкомпонентным нейтрализатором в выпускной системе таких двигателей значительно снижается из-за присутствия кислорода в ОГ. В этом случае для нейтрализации СО и СН используется окислительный каталитический нейтрализатор. Для нейтрализации NOx применяются системы, работающие в условиях дефицита восстановительной среды. На грузовых автомобилях наиболее распространена система селективного каталитического восстановления (Selective Catalytic Reduction, SCR) оксидов азота с использованием впрыска раствора мочевины (Urea-SCR) в систему выпуска [2]. Такая система имеет высокую стоимость, требует наличия на борту дополнительного бака с раствором мочевины (AdBlue) и его периодической заправки. Также существует технология селективного каталитического восстановления NOx углеводородами, т.е. основным топливом (HC-SCR). Ее применение затруднено из-за узкого температурного окна эффективной работы нейтрализатора. Вторая по распространенности после SCR - система снижения содержания оксидов азота накопительного типа (Lean-NOx Trap, LNT) [2]. Нейтрализатор в этой системе содержит сотовый керамический блок, на подложку (Al2O3) которого нанесены катализатор из группы редкоземельных металлов и адсорбирующее вещество, так называемая ловушка - щелочной или щелочноземельный оксид (например BaO). В настоящее время исследования различных конструкционных вариантов систем LNT занимают видное место в общем объеме публикаций по темам нейтрализации ОГ дизелей [3]. Процесс работы накопительного нейтрализатора NOx имеет циклический характер. Он включает этапы накопления и регенерации, следующие друг за другом. Основные механизмы накопления и регенерации схематично представлены на рис. 1. Первый этап происходит при избытке кислорода в ОГ. При этом часть NO доокисляется до NO2 на каталитическом покрытии и затем адсорбируется на покрытии ловушки с образованием нитритов и нитратов на поверхности активных центров. В процессе работы нейтрализатора происходит насыщение центров, - они заполняются адсорбированными веществами, и их способность удерживать поступающие оксиды азота ухудшается, из-за чего концентрация NOx на выходе из нейтрализатора растет до уровня начальных значений. При заполнении емкости ловушки до заданного уровня блок управления подает сигнал к проведению регенерации. Система регенерации обеспечивает формирование восстановительной среды для нейтрализации NOx, содержащихся в потоке ОГ и образующихся в процессе десорбции. Практически метод регенерации реализуется с помощью подачи дополнительного топлива в поток ОГ, благодаря чему достигается эффект обогащения смеси. При этом используются либо возможности многостадийного впрыска топлива самим двигателем (поствпрыск), либо дозированная подача вторичного топлива от отдельного насоса непосредственно на вход нейтрализатора. В этих условиях происходит реакция распада нитритов и нитратов и высвобождение (десорбция) накопленных оксидов азота с поверхности покрытия каталитического блока в газовую фазу. Далее на поверхности каталитического покрытия оксиды азота NOx восстанавливаются до N2. Несмотря на повсеместное внедрение систем SCR в составе транспортных двигателей, существует спрос на альтернативные решения с меньшей стоимостью. Определяющий фактор в выборе таких систем - отсутствие необходимости использования каких-либо дополнительных реагентов. АО «НПО «Турботехника», ООО «Экоальянс» и ФГУП «НАМИ» объединили усилия в разработке накопительной системы нейтрализации. Для первоначальной установки прототипа системы выбран тракторный двигатель Минского моторного завода (ММЗ) Д-243. Этим выбором определен набор специфических требований к размещению системы и методам управления. В задачи работы входили: - разработка конструкции прототипа накопительной системы нейтрализации для выбранного типа двигателя с возможностью быстрой адаптации под другие типы двигателей того же класса мощности; - подтверждение возможности достижения 30%-й величины эффективности снижения содержания NOx при работе системы по испытательному циклу NRSC для выполнения требований Директивы 2000/25/ЕС; - определение конфигурации опытного образца системы по результатам испытаний прототипа. АО «НПО «Турботехника» изготовило прототип LNT-нейтрализатора для двигателя ММЗ Д-243, основные параметры которого приведены ниже. Параметры двигателя ММЗ Д-243 Рабочий объем, л ………………………………………………. 4,75 Номинальная мощность, кВт ………………………………….. 60 Частота вращения при номинальной мощности, мин-1 …….. 2200 Максимальный крутящий момент, Н·м ……………………… 278 Тип системы топливоподачи ………….. Механический топливный насос высокого давления Сырая эмиссия при выполнении испытательного цикла NRSC: СО ……………………. 0,12 ТНС …………………… 0,14 NOx …………………… 5,67 РМ ……………………. 0,304 Конструкция нейтрализатора представлена на рис. 2. Внутри корпуса последовательно установлены два каталитических блока производства ООО «Экоальянс» (г. Новоуральск). Нейтрализатор устанавливается непосредственно на выпускной коллектор двигателя. Процесс регенерации осуществляется путем впрыска топлива в нейтрализатор через насос-форсунку. Дозирование вторичного топлива обеспечивается с помощью изменения частоты прямоугольных импульсов, подаваемых на соленоид плунжерного насоса от блока управления. Испытания прототипа проводились на моторном стенде ОАО «УКХ «ММЗ» (г. Минск) на двух режимах стационарного 8-ступенчатого цикла NRSC в соответствии с требованиями Директивы 2000/25/ЕС. Контролировались концентрации NOx и О2 (с помощью датчика NOx) и температура на выходе нейтрализатора. На режиме n = 1600 мин-1, М = 140 Н·м при уровне сырого выброса NOx 512 ppm среднее значение концентрации NOx на протяжении всего испытания составило 490 ppm, что соответствует средней эффективности 4,3%. На режиме n = 1600 мин-1, М = 210 Н·м при уровне сырого выброса NOx 760 ppm среднее значение концентрации NOx на протяжении времени испытания составило 770 ppm. Несмотря на низкую эффективность прототипа, предварительные испытания подтвердили возможности новой технологии по накоплению и регенерации оксидов азота. В ходе испытаний установлены причины низкой эффективности прототипа: - недостаточная подача вторичного топлива; - высокая степень неравномерности распределения вторичного топлива по сечению каталитического блока; - недостаточная восстановительная способность выбранного типа каталитического покрытия. Для достижения необходимой эффективности системы принят комплекс мер по снижению средней концентрации NOx и расхода вторичного топлива за цикл регенерации. Специалистами ООО «Экоальянс» разработан новый тип каталитического покрытия. Экспериментальные исследования проведены на безмоторной газоаналитической установке при продувке образцов катализаторов модельной смесью газов. В качестве восстановительной среды в основной поток G = 25 л/мин подавался СО (2% об.). Результаты и их обсуждение Первый образец покрытия LNT1 испытан в составе прототипа нейтрализатора на моторном стенде ММЗ. На графике, полученном с безмоторной установки, отчетливо видны десорбционные пики (рис. 3, а) концентраций NOx, сводящие на нет эффективность покрытия в зоне сорбции. Итоговый образец покрытия с увеличенной загрузкой катализатора получил условное наименование LNT-4. При использовании этого покрытия удалось избавиться от всплесков концентраций NOx на фазе десорбции (рис. 3, б). Максимальная емкость покрытия на двух каталитических блоках составила 6 г. Данное покрытие утверждено к применению на дальнейших образцах и предсерийных изделиях. Разработана система подачи вторичного топлива с увеличенной производительностью. С целью поддержания максимальной эффективности преобразования NOx система подачи вторичного топлива настраивается на достижение значения коэффициента избытка воздуха λ = 0,98 для гарантированного запуска восстановительного процесса. Исходя из параметров топливоподачи двигателя Д-243 определены необходимые расходы вторичного топлива для достижения λ = 0,98. Для обеспечения диапазона расходов 5-18 кг/ч и необходимого давления распыла решено применить шестеренный насос с клапаном аварийной блокировки, срабатывающим по сигналам датчиков температуры (рис. 4). Изменена конструкция нейтрализатора. Для обеспечения равномерного распределения и достаточного испарения вторичного топлива использован тангенциальный вход потока в нейтрализатор, обеспечивающий вихревое движение заряда (рис. 5). Каталитическая схема доработанного нейтрализатора включает два блока с покрытием LNT4. Для расширения температурного диапазона работы катализатора на второй блок добавлена зона с покрытием SCR (V2O5/TiO2) для работы в пассивном режиме. Определен алгоритм работы регенерации. Обычно в качестве обратной связи для регенерации накопительного катализатора используется сигнал датчика NOx или сигнал λ-зонда. Однако в данном проекте действуют жесткие ограничения по стоимости системы, поэтому контур регулирования подачи топлива использует сигнал датчика температуры на выходе нейтрализатора. Выбор такого решения основан на эффекте синхронного изменения температуры потока с изменением концентрации NOx в фазе сорбции. Для каждого режима можно определить характерный перепад температур, соответствующий началу накопления NOx и достижению насыщения. Опыт применения датчиков для получения косвенных данных был исследован в работе [4]. Показания датчика температуры на входе потока необходимы для оценки работоспособности нейтрализатора и предотвращения перегрева каталитического покрытия. Двигатель ММЗ Д-243 не оснащен системой электронного управления, поэтому все функции регулирования и диагностики системы нейтрализации могут быть реализованы только автономным блоком управления. Для экономического обоснования внедрения системы накопительной нейтрализации проведена оценка возможного увеличения расхода топлива при заданной эффективности снижения концентрации NOx 40%. Оценка проведена по упрощенной схеме протекания цикла регенерации с допущением, что скорости сорбции и десорбции (угол наклона кривых) не зависят от режима работы двигателя (рис. 6). Средние скорости сорбции Vc и десорбции Vd определены по результатам продувки на безмоторной установке в ООО «Экоальянс». Расчетная схема [5] позволяет задавать необходимую эффективность ε на режимах цикла и значения времени подачи вторичного топлива tr с расходом, необходимым для достижения λ = 0,98. На выходе расчета - значения промежутка времени между циклами регенерации tl = f(ε; tr) и значение среднего суммарного расхода топлива ΣGт = f(tl; tr). Моделирование процессов сорбции-десорбции на режимах цикла NRSC позволяет оценить максимально возможную потерю экономичности в 10% при выполнении испытательного цикла с самым неблагоприятным сочетанием факторов, влияющих на эффективность. В реальных условиях эксплуатации потеря экономичности будет ниже. Выводы 1. С помощью накопительной системы нейтрализации можно снизить выбросы NOx на 40-50%. При такой эффективности системы ее стоимость заметно ниже, чем стоимость SCR-системы. 2. Предлагаемое конструкционное исполнение позволяет приспособить систему к двигателю любого класса мощности путем масштабирования объема катализатора без изменения каких-либо систем и вмешательства в алгоритмы управления. Наряду с основным преимуществом - отсутствием расхода дополнительного реагента в эксплуатации - система обладает таким существенным недостатком, как увеличенный расход топлива. Однако потеря экономичности двигателя с накопительной системой может быть компенсирована в случае необходимости дополнительного использования сажевого фильтра. Компенсация достигается путем совмещения моментов запуска циклов регенерации накопительного катализатора и сажевого фильтра. 3. Оптимальными для применения накопительных систем представляются следующие области: - модернизируемые действующие парки техники с относительно мягкими требованиями к степени повышения экологического класса; - новая техника с двигателями, которые оснащены современными системами топливоподачи и рециркуляции ОГ и предназначены для продолжительной эксплуатации в условиях, осложняющих применение дополнительного реагента, например в условиях низких температур; - двигатели для рынков с жесткими ограничениями по цене техники.

About the authors

V. N Kaminskiy

NPO Turbotekhnika, JSC

Email: turbo@kamturbo.ru
DSc in Engineering Protvino, Russia

A. V Loik

NPO Turbotekhnika, JSC

Email: turbo@kamturbo.ru
Engineer Protvino, Russia

A. Yu Titchenko

NPO Turbotekhnika, JSC

Email: turbo@kamturbo.ru
Engineer Protvino, Russia

E. A Alikin

Ekoal'yans, LLC

Email: sales@eco-nu.ru
PhD in Chemistry Novouralsk, Russia

G. G Nadareyshvili

Central research and development automobile and engine institute NAMI

Email: info@nami.ru
PhD in Engineering Moscow, Russia

P. A Shcheglov

Central research and development automobile and engine institute NAMI

Email: info@nami.ru
Engineer Moscow, Russia

References

Supplementary files