Способ повышения эффективности системы нейтрализации оксидов азота дизельного ДВС и эффективности его работы

Полный текст

Введение Нормирование выбросов вредных веществ ДВС грузовых автомобилей установлено Правилами № 49 ООН. На территории РФ действуют нормы уровня выбросов Евро-5 данных Правил, а в странах ЕЕС с 2014 г. Евро-6. Введение новых требований Правил 49-06 предусматривает ужесточение выбросов по оксидам азота (NOx) в 5 раз. Природа образования NOx связана с взаимодействием азота с кислородом воздуха при высокой температуре в цилиндре ДВС. Бурный рост оксидов азота наблюдается при температуре выше 2200 К. Следует сказать, что работ по снижению выбросов оксидов азота за счет снижения максимальной температуры в камере сгорания было написано довольно много. Наиболее простой способ, который использовался, это впрыск воды в камеру сгорания дизельного ДВС. Впрыск воды в цилиндр позволял снизить температуру горения с 2400 К до 2100 К. Максимальная мощность двигателя при этом снижалась до 20 %, при эффективности снижения выбросов азота 15 %. Для бензиновых двигателей применяли в качестве присадки к топливу метанол, но эффективность такого способа составляет всего 10 %. Другое направление снижения оксидов азота - это применение рециркуляции ОГ и каталитических нейтрализаторов селективной очистки. Применение рециркуляции ОГ позволяет получить эффективность снижения NOx до 50 % при некотором снижении мощности двигателя. Данный способ приводит к засорению масла продуктами износа и окисления. Противодействие этому - применение дорогих специальных марок масел, рассчитанные на тяжелые условия его работы. Кроме того, продукты серы, содержащиеся в газах, участвующих в рециркуляции, отравляют катализатор и снижают эффективность процесса нейтрализации. Современное развитие технологий электронного впрыска топлива и каталитической нейтрализации продуктов сгорания обеспечивает возможность реализовать процессы нейтрализации вредных веществ с более высокой эффективностью до 90 %. При этом к нейтрализаторам токсичных веществ, выделяемых ДВС, предъявляются определенные требования. В процессе работы нейтрализатора должна быть обеспечена высокая термостойкость его конструкции, а также необходимая прочность от высоких температур в условиях агрессивности кислотной среды. Предельная температура, которую может выдержать нейтрализатор, 970 °С. В опубликованных ранее авторами работах [1, 2] были проанализированы системы каталитических нейтализаторов ДВС для снижения выбросов NOx, показана важность и возможности настройки работы реактора каталитического нейтрализатора на оптимальный диапазон его работы для повышения эффективности каталитической нейтрализации NOx. Проанализировано влияние факторов температуры, состава газов, параметров работы ДВС на процессы нейтрализации NOx, а также рассмотрена кинетика разложения оксидов азота в реакторе при этих факторах. В дизельном ДВС самым эффективным методом нейтрализации NOx является метод SCR-NH3 (Selective Catalytic Reduction). Процесс восстановления оксидов азота мочевиной описывается уравнением: СО(NH2)2 + 2NО + 0,5О2 = 2N2 +СО2 + H2О. Работы над технологией очистки оксидов азота методом SCR-NH3 с применением эффективного и недорогого вещества мочевины были начаты еще в 90-е гг. С введением норм Евро 4 в Европе данные системы первоначально устанавливались на грузовиках и автобусах Mercedes-Benz, а за тем получили широкое распространение и на других грузовых автомобилях. При введении боле жестких норм выбросов система SCR-NH3 прошла модернизацию и уже выполняла современные нормы. Следует сказать, что в настоящее время разработаны и другие типы нейтрализации NOх, например SCR-HС, в которых требуется впрыскивать топливо для поддержания высокой температуры в нейтрализаторе. Целью данной работы являлся анализ работы систем очистки NOх, применяемых на современных грузовых автомобилях с дизельными ДВС, и исследование возможности доработки систем впрыском мочевины в цилиндр ДВС на такте расширения для нейтрализации NО и повышения эффективности работы дизельного ДВС использованием теплоты ОГ. 1. Очистка оксидов азота методом SCR-NH3 В состав системы очистки SCR-NH3, применяемой на современных грузовых автомобилях с дизельными ДВС, входит каталитический нейтрализатор восстановления с системой дозирования мочевины (AdBlue), которая управляется от параметров ДВС и, в том числе, от температуры, состава ОГ и концентрации NО в ОГ. Эти системы довольно сложны и имеют свои недостатки при их эксплуатации. Одним из существенных недостатков данных систем является наличие нормируемого Правилами № 49-06 токсичного вещества аммиака. В таблице 1 приведены нормируемые Правилами № 49-06 значения вредных веществ, относящихся к азотной аммиака. При некорректной работе системы регулирования подачи мочевины и при потере эффективности системы нейтрализации в эксплуатации выброс аммиака увеличивается. В РФ государственными санитарными стандартами установлены нормы предельных допустимых концентраций (ПДК) по выбросам аммиака в окружающую среду. Допустимая концентрация аммиака в воздухе рабочей зоны составляет ПДКз = 20 мг/м3 или 0,00002 кг/м3/0,771кг/м3= 0,000026 %, (в 100 раз ниже нормы Правил №49-05), максимально допустимая разовая концентрации для населенных пунктов при воздействии < 30 мин еще ниже ПДКм.р. = 0,2 мг/м3. Допустимая концентрация ПДКсс в воздухе населенных мест еще значительно ниже (в 5 раз) 0,04 мг/м3[4]. Следует сказать, что при выходе отработавших газов, содержащих NH3, из двигателя в окружающую среду газы разбавляются окружающим воздухом, и их концентрация в воздухе снижается. Таблица 1 Вредные вещества, нормируемые Правилами № 49-06 Требования Предельные значения NОх мг/кВт·ч NH3 Показатель ухудшения в эксплуатации NОх** Показатель соответствия в эксплуатации NОх Евро-5 2000 1,05 Евро-6 400 10 млн-1* (0,001%) 1,15 1,5 *Правила № 49-05 «Уровень выбросов вредных веществ Евро-5» допускают концентрации NH3=25 млн-1 (0,0025 %). NОх** - ухудшение показателя выбросов NОх в эксплуатации. Этот показатель определен на основе испытаний с короткой длительности с последующим проведением регрессионного анализа и экстраполяции полученных результатов на нормативный пробег. Применение высоко концентрированного аммиака опасно для окружающей среды, поэтому в системе нейтрализации SCR-NH3 используется 30-35 % раствор мочевины. Вода, содержащаяся в мочевине, играет роль растворителя аммиака. Известно, что применение высоко концентрированного аммиака опасно для окружающей среды. Следует отметить, что получение однородности аммиачной смеси в химических реакторах является одним из условий высокой эффективности реакции. На рис. 1 представлена система очистки SCR-NH3 дизельного ДВС. Система селективного каталитического восстановления окислов азота в отработавших газах дизельных двигателей содержит окислительный нейтрализатор отработавших газов, гидролизный нейтрализатор, заграждающий нейтрализатор, устройство хранения и подачи мочевины, систему подачи мочевины через форсунку в трубопровод выпуска отработавших газов. Рис. 1. Система очистки SCR-NH3, применяемая на грузовых автомобилях с дизельными ДВС: 1 - ДВС, 2 - датчик температуры, 3 - окислительный нейтрализатор, 4 - форсунка для впрыскивания восстановителя, 5 - датчик NОх, 6 - гидролизный нейтрализатор, 7 - нейтрализатор SCR, 8 - заграждающий нейтрализатор, 9 - датчик NH3, 10 - блок управления системой очистки, 11 - насос восстановителя, 12 - бак восстановителя, 13 - датчик уровня восстановителя Давление в системе подачи мочевины составляет 0,3-0,6 МПа. Мочевина, проходя через форсунку, смешивается с воздушным потоком и впрыскивается в поток газа после окислительного нейтрализатора в виде облака капель. В последующей модернизации системы мочевина впрыскивается без использования сжатого воздуха. Средний расход мочевины составляет: от 3,5 до 6 % от потребляемого автомобилем дизельного топлива. Для магистрального тягача расход составляет около 2 л на 100 км. 100-литровый бак мочевины расходуется на 5000 км пути. Применение системы SCR-NH3, как утверждают специалисты, позволяет расходовать до 30 % меньше топлива, чем другие системы нейтрализации [7]. Основная реакция восстановления аммиаком азота и нейтрализации NО в системе очистки SCR-NH3 идет с образованием значительной части воды [6]: 4NО+О2 +4NH3 = 4N2 + 6H2О. В нейтрализаторе часть аммиака NH3 окисляется до образования NO, а окись углерода СО окисляется до СО2. NO вступает в реакцию с углеводородами, в результате образуются углекислый газ, азот и водяной пар [7]: NO + (СН, СО, Н2) → СО2+ N2 + Н2О. Избыток аммиака окисляется до свободного азота в заграждающем нейтрализаторе, расположенном на выходе, защищающем окружающую среду от утечки аммиака, не вступившем в реакцию. Следует сказать, что сложность при создании каталитического нейтрализатора вредного вещества ДВС оксидов азота сопряжена с большим спектром требований, которые заключаются, в частности, в создании на различных режимах работы ДВС необходимой температуры. В каталитическом реакторе для образования азота и обеспечения высокой активности (до 90%) восстановительных реакций, протекающих в реакторе в очень короткое время, температура должна составлять 350-550 °С. На рис. 2 приведена эффективность процесса нейтрализации NО от температуры за счет впрыска углеводородного топлива в поток газов. Степень преобразования NО зависит от соотношения концентраций СН и NО. Для приведенного случая это соотношение составляет 6/1 [7]. Повышение температуры в системе очистки SCR-HС до определенного уровня способствует увеличению эффективности и скорости химической реакции и обеспечению высокого коэффициента диффузии аммиака в ОГ. Высокая температура, обеспечивая вынос продуктов реакции, способствует высокой эффективности поддерживания процесса нейтрализации NО даже при наличии каталитических ядов, к которым относятся сернистые соединения, содержащиеся в топливе, и некоторые компоненты продуктов неполного сгорания дизельного топлива. Для создания высокой температуры также применяют дополнительную подачу топлива в реактор, обеспечивая процесс окисления углеводородных топлив у поверхностного слоя катализатора с выделением большого количества тепла (система очистки SCR-HС). Вместе с тем при положительном действии температуры значительные ее величины приводят к образованию закиси азота N2O (Правилами № 49 не нормируется) [7]. В заградительном нейтрализаторе при температуре выше 400-550 °С идет реакция окисления остаточного аммиака кислородом, содержащимся в ОГ с образованием вторичного NО: 4NH3 +5О2 = 4NО +6H2О. Это может привести к росту выбросов оксидов азота, падению эффективности нейтрализатора. Реакция также идет с образованием молекулярного азота: 4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O. При понижении температуры эффективность нейтрализатора падает. При уменьшении температуры до 200°С реакция идет с образованием нитрида аммония, прекращается термолиз, гидролиз мочевины и восстановление азота аммиаком [7]: 2NH3 + 2NО2→ NH4NО3 + N2 + H2O. В интервале температур ОГ 200-300 °C происходит относительно медленный процесс разложения мочевины, что приводит к необходимости увеличивать протяженность зоны между форсункой подачи мочевины и окислительным нейтрализатором и изыскивать другие методы интенсификации этого процесса с применением нагревательных элементов. Американская компания Eaton разработала довольно сложную и дорогую технологию на основе SCR, в которой аммиак получают в системе выпуска и воздействуют на мочевину высокими температурами. Компания Emitec также использует принцип нагревания мочевины до значительных температур для более эффективного процесса нейтрализации NOx [8]. Для эффективного функционирования системы очистки аммиаком, поддерживания реакции окисления аммиака и образования молекул азота и воды необходима настройка системы очистки и поддержание оптимального температурного диапазона работы. На рис. 2 приведена эффективность процесса нейтрализации NО от температуры в реакторе. Из рис. 2 видно, что максимальная эффективность процесса нейтрализации NО системой очистки SCR-NH3 достигается в зоне 350-550 °C. Рис. 2. Эффективность процесса нейтрализации NО от температуры 2. ДВС с впрыском мочевины для снижения выбросов оксидов азота и использования теплоты ОГ для повышения эффективности его работы В статье, опубликованной авторами ранее [9], была выполнена оценка возможного использования теплоты, содержащейся в ОГ дизельного ДВС, за счет подачи воды на такте расширения отдельной форсункой. Было показано, что у рабочего процесса ДВС имеются значительные резервы улучшения топливной экономичности и мощностных параметров за счет дополнительного использования тепловой энергии при впрыске воды в отработавшие газы дизельного ДВС. Реализация данного способа по данным проведенного расчета позволит дополнительно повысить давление на такте расширения до 2 кг/см² и перед входом в турбокомпрессор. Созданием высокого давления наддува можно значительно увеличить прирост мощности и эффективного КПД двигателя. В этой связи тепловая энергия выхлопных газов может быть более выгодно использована, если на такте расширения газов применить впрыск мочевины в цилиндры ДВС. На рис. 3 приведена схема дизельного ДВС с установкой топливной форсунки (1) и форсунки для впрыска мочевины (2). В камере сгорания ДВС форсунку для впрыска мочевины можно расположить в отверстии для установки свечи накаливания, которую использовали ранее. Впрыск в рабочую камеру мочевины позволит сократить тепловые потери с ОГ, создать оптимальные температурные условия для нейтрализации оксидов азота и повысить КПД двигателя. В цилиндре ДВС можно с меньшими затратами получить необходимую температуру и более эффективно использовать топливо для этих целей. При этом паровая энергия повысит производительность газотурбокомпрессора и его КПД, например, в проблемной по наполнению воздухом зоне на малых частотах вращения дизельного ДВС и снизить дымность отработавших газов. Следует отметить, что форсирование ДВС высоким наддувом связано с ростом концентраций оксидов азота в цилиндре и дополнительными проблемами по охлаждению деталей цилиндропоршневой группы, требует применения специальных материалов, которые могут выдержать высокие температуры в цилиндре ДВС. При впрыске мочевины можно снизить теплонапряженность рабочего процесса ДВС, т.к. вода, содержащаяся в мочевине, при испарении заберет значительное количество выделившегося тепла от сгорания топлива. При впрыске мочевины в цилиндр ДВС в условиях высокой температуры и давления можно получить хорошее распыливание и однородность аммиачной смеси и тем самым обеспечить высокую эффективность и регулирование восстановительной реакции аммиаком. Продукты сгорания топлива по внешней скоростной характеристике дизельного ДВС имеют температуру, соответствующую максимальной эффективности процесса нейтрализации NО 350-600 °С. При дозировании через форсунку раствора мочевины, имеющего высокую теплоемкость, и последующего процесса расширения отработавших газов, значение температуры в цилиндре ДВС может достигать необходимого значения для восстановительной реакции. При нагреве отработавшими газами мочевины из ее раствора испаряется вода. Затем при температуре свыше 180°С начинается термолиз мочевины с образованием аммиака и последующий гидролиз мочевины с образованием СО2 и аммиака. Аммиак, не вступивший в реакцию восстановления, можно окислять до свободного азота при повышении температуры в цилиндре ДВС за счет дополнительной подачи топлива. При этом способе может достигаться высокая степень очистки выбросов оксидов азота, поскольку возможно впрыскивание в цилиндры ДВС дополнительной порции мочевины и топлива. Рис. 3. Дизельный ДВС с подачей мочевины через отдельную форсунку на такте расширения: 1 - топливная форсунка, 2 - форсунка для впрыска мочевины Время для химического процесса нейтрализации увеличивается, т.к. реакция может протекать непосредственно и в выпускной системе ДВС. На рис. 4 приведена схема определения начала (точка 1) и конца (точка 3) процесса сгорания по индикаторной диаграмме ДВС. Рис. 4. Определение начала (точка 1) и конца (точка 3) процесса сгорания по индикаторной диаграмме ДВС Окончание процесса сгорания определяется в точке 3 индикаторной диаграммы рис. 4. Кривая 1-2-3 процесса сгорания (красная линия) разделяет процессы сжатия (зеленая линия) и процесс расширения (синяя линия) в цилиндре двигателя. Эти процессы характеризуются разным характером нарастания и падения давления при сгорании топлива. Процесс сгорания в дизельном ДВС занимает 60-100°пкв и зависит от частоты вращения коленчатого вала и количества впрыскиваемого топлива. К этому времени заканчивается процесс тепловыделения и начинается процесс расширения газов в цилиндре ДВС. Исходя из этого можно выполнить предварительную, а затем и экспериментальную настройку подачи мочевины форсункой по углу поворота коленчатого вала двигателя. Выводы Анализ работы систем очистки SCR-NH3, SCR-HС, применяемых на современных грузовых автомобилях с дизельными ДВС, показал, что современное развитие технологий электронного впрыска топлива и каталитической нейтрализации продуктов сгорания обеспечивает возможность реализовать процессы нейтрализации вредных веществ с эффективностью до 90%. Существенным недостатком данных систем является наличие нормируемого Правилами № 49-06 токсичного вещества аммиака, концентрация которого в ОГ находится на достаточно высоком уровне. Доработка метода очистки SCR-NH3 способом впрыска мочевины в цилиндр ДВС на такте расширения позволит повысить эффективность нейтрализации NОх и неиспользованного аммиака регулированием восстановительной реакции в условиях высокой температуры, давления в цилиндре ДВС и в выпускной системе. Тепловая энергия выхлопных газов при впрыске мочевины в цилиндры ДВС на такте расширения газов может быть использована для создания повышения давления в рабочем цилиндре ДВС на такте расширения для дополнительной работы пара воды. Впрыск мочевины в цилиндры ДВС также может снизить теплонапряженность рабочего процесса без значительного увеличения тепловых потерь рабочего процесса ДВС.

Об авторах

А. В Шабанов

НИЦИАМТ ФГУП «НАМИ»

Email: saaha-1955@mail.ru
к.т.н.

В. А Соломин

НИЦИАМТ ФГУП «НАМИ»

А. А Шабанов

Московский политехнический университет

Список литературы

Дополнительные файлы