• Наукоград

СНИЖЕНИЕ ТОКСИЧНОСТИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДИЗЕЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ НАКОПИТЕЛЬНЫХ И НЕЙТРАЛИЗАТОРОВ ОКСИДОВ АЗ


Рубрика Научные исследования и технологии

УДК 621.331:502.3

REDUCING DIESEL EXHAUST EMISSIONS USING NOX STORAGE CONVERTER

В. Н. Каминский, доктор технических наук, профессор

Г. Г. Надарейшвили, кандидат технических наук

А. Ю. Титченко, инженер

А. В. Лоик, инженер

АО "НПО "Турботехника", г. Протвино

В статье рассматриваются особенности применения накопительной системы снижения вредных выбросов дизеля. Основное внимание уделено процессу подбора каталитического покрытия и разработке компонентов системы.

Ключевые слова: оксиды азота, нейтрализация отработавших газов, накопительный нейтрализатор, LNT-нейтрализатор

V. N. Kaminskiy, Doctor of Technical Sciences, Professor

G. G. Nadareyshvili, Candidate of Technical Sciences,

A. Yu. Titchenko, Engineer

A. V. Loik, Engineer

Joint-Stock Company «Scientific-Production Association Turbotekhnika», Protvino

The article describes the peculiarities of storage system application to reduce diesel emissions, focusing on the process of selection of catalytic coating, and design of the system components.

Keywords: application NOx storage catalytic converters to reduce emissions of tractor diesel engines

Сегодня сфера пристального внимания экологов и законодателей охватывает не только выбросы вредных веществ грузовых и легковых автомобилей. Едва ли не больший интерес вызывает проблема локальных загрязнителей с длительным режимом работы – строительная техника, сельскохозяйственные машины, стационарные дизель-генераторы. Установленные ограничения выбросов для такого рода техники (Stage/Tier) уже вполне сопоставимы с современными автомобильными нормами «Евро». Сопоставимы и цены на системы нейтрализации для обеспечения выполнения этих норм. Причем каждая следующая генерация экологических ограничений вызывает существенное увеличение доли стоимости систем нейтрализации в общем балансе, что весьма негативно воспринимается рынком. Данное обстоятельство вынуждает производителей последовательно искать и предлагать технические решения с лучшим соотношением «цена-качество». Кроме того, существует особая ниша эксплуатируемой техники, предназначенной для экологической модернизации. Обычно это машины, отслужившие несколько лет, имеющие проблему несоответствия современному экологическому законодательству. Бюджет такой модернизации ограничен разумным фактором затрат на новую технику.

Сегодня самый сложный для нейтрализации компонент отработавших газов – оксиды азота NOx. Это связано с особенностью работы нейтрализаторов дизелей в условиях дефицита восстановительной среды. Такая среда поддерживается различными методами обработки отработавших газов.

На грузовых автомобилях наиболее активно применяется система селективного каталитического восстановления (Selective Catalytic Reduction, SCR) с использованием впрыска раствора мочевины (Urea‑SCR) в систему выпуска. 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) [2]. Применение этой технологии затруднено из-за узкого температурного окна эффективной работы нейтрализатора.

Второй по распространенности после SCR [3] является система снижения оксидов азота накопительного типа (Lean-NOx Trap, LNT). Исследование возможностей этой системы с точки зрения альтернативного применения и является темой данной статьи.

Каталитический блок накопительного нейтрализатора содержит два основных участка – собственно ловушку NOx и классический трехходовой катализатор, доокисляющий NO до NO2 при работе в области бедных рабочих смесей и восстанавливающий NOx до N2 при работе на стехиометрической или богатой смеси. NOx-ловушка выполняет роль накопителя оксидов азота. Для поддержания эффективной работы требуется проведение периодической регенерации для восстановления емкости ловушки [4]. Таким образом, цикл работы накопительного нейтрализатора включает этапы накопления и регенерации, следующие друг за другом. Основные механизмы накопления и регенерации представлены схематично на рис. 1.

Рис. 1. Принцип работы накопительного нейтрализатора NOX

Первый этап происходит при избытке кислорода в отработавших газов. 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 на проведение регенерации.

Система регенерации обеспечивает формирование восстановительной среды для нейтрализации NOx, содержащихся в потоке отработавших газов и образующихся в процессе десорбции. Практически метод регенерации реализуется с помощью подачи дополнительного топлива в поток отработавших газов, достигая таким образом эффекта обогащения смеси. При этом используются либо возможности многостадийного впрыска топлива самого двигателя (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. Восстановление водородом представлено ниже.

В конечном счете NOx восстанавливается на катализаторе до N2.

Определяющим преимуществом системы накопительной нейтрализации является отсутствие необходимости использования каких-либо дополнительных реагентов.

Для первоначальной установки прототипа системы выбран тракторный двигатель Минского моторного завода Д-243. Этим выбором определен набор специфичных требований к размещению системы и методам управления.

Задачи работы были следующие:

  • разработка конструкции прототипа накопительной системы нейтрализации под выбранный тип двигателя с возможностью быстрой адаптации под другие типы двигателей такого же класса мощности;

  • подтверждение возможности достижения 30% величины эффективности системы по снижению содержания NOx при работе по испытательному циклу NRSC для выполнения требований Директивы 2000/25/ЕС;

  • определение конфигурации опытного образца системы по результатам испытаний прототипа.

Под указанные задачи АО «НПО «Турботехника» изготовило прототип LNT-нейтрализатора для двигателя ММЗ Д-243, основные параметры которого приведены в табл. 1.

Таблица 1

Параметры двигателя ММЗ Д-243

Конструкция нейтрализатора представлена на рис. 2. Внутри корпуса последовательно установлены два каталитических блока производства ООО «Экоальянс» (г. Новоуральск).

Рис. 2. Прототип нейтрализатора LNT

Нейтрализатор устанавливается непосредственно на выпускной коллектор двигателя. Процесс регенерации осуществляется путем впрыска топлива в нейтрализатор через насос-форсунку (табл. 2). Дозирование вторичного топлива обеспечивается с помощью изменения частоты прямоугольных импульсов, подаваемых на соленоид плунжерного насоса от блока управления.

Таблица 2

Параметры нейтрализатора

Для подачи управляющих прямоугольных импульсов на вход насоса использовался специальный блок управления (табл. 3).

Таблица 3

Параметры блока управления

Испытания прототипа проводились на моторном стенде ОАО «УКХ «ММЗ» (Минск) на двух режимах стационарного 8-ступенчатого цикла NRSC (Директива 2000/25/ЕС). Контролировались концентрации NOx и О2 (с помощью датчика NOx) и температура на выходе нейтрализатора. Достигнутая эффективность снижения концентрации оксидов азота составила 4,3%.

Анализ причин выявил следующие критические факторы, влияющие на эффективность:

  • недостаточная подача вторичного топлива;

  • высокая степень неравномерности распределения вторичного топлива по сечению каталитического блока;

  • недостаточная восстановительная способность выбранного типа каталитического покрытия.

Несмотря на недостатки прототипа, предварительные испытания подтвердили потенциал новой технологии. Для достижения необходимой эффективности выполнен комплекс мер по снижению средней концентрации NOx за цикл регенерации.

Специалистами ООО «Экоальянс» разработан новый тип каталитического покрытия. Экспериментальные исследования проводились 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.). В этом случае реализуется следующий механизм химических превращений:

1) накопление:

2) регенерация:

Для увеличения подачи вторичного топлива разработана система с увеличенной производительностью. Исходя из условия поддержания максимальной эффективности преобразования NOx, система подачи вторичного топлива настраивается на достижение значения коэффициента избытка воздуха λ = 0,98 (для гарантированного запуска восстановительного процесса). С учетом параметров топливоподачи двигателя Д-243 необходимые расходы вторичного топлива находятся в диапазоне 5–18 кг/ч. Для обеспечения расходного диапазона и необходимого давления распыла решено применить шестеренный насос с клапаном аварийной блокировки, срабатывающим по сигналам датчиков температуры (рис. 3).

Рис. 3. Система подачи вторичного топлива с шестеренным насосом

Изменена конструкция нейтрализатора. Для обеспечения равномерного распределения и достаточного испарения вторичного топлива использован тангенциальный вход потока в нейтрализатор, обеспечивающий вихревое движение заряда (рис. 4).

Рис. 4. Доработанная конструкция нейтрализатора

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 (рис. 5).

Рис. 5. Каталитическая схема доработанного нейтрализатора

Определен алгоритм работы регенерации (рис. 6). К управлению регенерацией предъявляются следующие требования:

  • обеспечение минимального среднего значения выходной концентрации NOx за период цикла;

  • обеспечение минимального расхода топлива.

Обычно в качестве обратной связи для регенерации накопительного катализатора используется сигнал датчика NOx или сигнал λ-зонда. Однако в данном проекте 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.

Рис. 6. Схема регулирования работы регенерации системы

Для каждого режима определен характерный перепад температур, соответствующий началу накопления NOx и достижению насыщения. Опыт применения датчиков для получения косвенных данных был исследован в работе Г. Г. Надарейшвили, А. А. Демидова, А. Ю. Титченко [1]. 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.

Оценка дополнительного увеличения расхода топлива системой накопительной нейтрализации проведена при заданной эффективности снижения концентрации NOx – 40%. Использовалась упрощенная схема протекания цикла регенерации с допущением, что скорости сорбции и десорбции (угол наклона кривых) не зависят от режима работы двигателя (рис. 7).

Рис. 7. Упрощенная модель расчета расхода топлива через систему

Расчетная схема позволяет задавать необходимую эффективность ε на режимах цикла и значения времени подачи вторичного топлива tR с расходом, необходимым для достижения коэффициента избытка воздуха λ = 0,98. Выходные расчетные данные ‑ 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 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. При уровне эффективности в 40% стоимость накопительной системы будет заметно меньше стоимости SCR-системы.

Наряду с основным преимуществом (отсутствием расхода дополнительного реагента в эксплуатации) система обладает существенным недостатком – увеличенным расходом топлива. Однако, при сравнении с SCR-системой, потеря экономичности двигателя с накопительной системой должна быть соотнесена с эксплуатационными расходами SCR-системы на периодическую заправку реагента. Кроме того, увеличенный расход топлива может быть компенсирован в случае необходимости дополнительного использования сажевого фильтра путем совмещения циклов регенерации.

Возможные области преимущественного использования накопительных систем нейтрализации:

  • модернизируемые действующие парки техники с относительно мягкими требованиями к степени повышения экологического класса;

  • новая техника с двигателями, оснащенными современными системами топливоподачи и рециркуляции отработавших газов, предназначенными для продолжительной эксплуатации в условиях, осложняющих применение дополнительного реагента, например, в условиях низких температур;

  • исполнения двигателей для рынков с жесткими ограничениями по цене техники.

Литература

1. Надарейшвили Г. Г., Демидов А. А., Титченко А. Ю. Контроль концентрации аммиака в системах селективного восстановления оксидов азота дизелей // Механика машин, механизмов и материалов, 2015. № 3 (32). С. 42–46.

2. Надарейшвили Г. Г., Рахматов Р. И., Галевко В. В. и др. Тенденция развития систем обработки отработавших газов современных автомобилей // Естественные и технические науки. 2014. № 6 (74). С. 92–96.

3. Теренченко А. С., Надарейшвили Г. Г., Неволин И. В. Анализ патентной активности и динамика патентования инженерных решений в системах нейтрализации и выпуска отработавших газов в 2000–2015 // Труды НАМИ. Сборник научных статей. М., 2015. Вып. 262. С. 126–149.

4. Beñat Pereda-Ayo, Juan R. Gonzalez-Velasco. NOx Storage and Reduction for Diesel Engine Exhaust Aftertreatment. Intech Open. Published on: 2013-04-30.

#нейтрализатор #оксидыазота #нейтрализацияотработавшихгазов #накопительныйнейтрализатор #LNTнейтрализатор #накопительныйнейтрализаторNOX #ЭКОЛОГИЯ #SCRсистема #модернизация

© 2015-2019  Научно-публицистический журнал. ISSN 2313-7533

Использование материалов, опубликованных в журнале «Наукоград Наука Производство Общество», допускается только с письменного разрешения редакции.