Современные технологии очистки отработавших газов

Изначально эти проблемы решали одним способом – совершенствуя систему питания. Для бензиновых двигателей этого оказалось недостаточно, и потому был создан каталитический нейтрализатор отработавших газов, который установили в выпускную систему. С дизелями дело обстояло проще, но лишь до начала нового тысячелетия, а точнее, до ввода в действие норм Еuro 4 (2005 г.) и Еuro 5 (2008 г.). Как только были обнародованы новые требования экологов, разработчики топливных систем для дизелей совместно с автопроизводителями бросили все силы на усовершенствование своих разработок и системы выпуска отработавших газов, внедрив в нее еще более эффективные сажевые фильтры и каталитические нейтрализаторы.

Сажевые фильтры

Сажевые фильтры могут иметь как отдельный корпус, так и находиться "под одной крышей" с каталитическим нейтрализатором. Рабочий элемент сажевых фильтров обычно делают из керамики или металлокерамики; чаще всего он имеет особую конструкцию, которая обеспечивает равномерное накапливание сажи на его поверхностях. Принцип действия и функции нейтрализатора и фильтра значительно различаются. Если первый превращает токсичные газы в безвредные, то второй механически удерживает частицы сажи, из-за чего возрастает противодавление в системе выпуска. В среднем это противодавление не должно превышать 150 мбар, как установили разработчики двигателей. Лишь только сопротивление фильтра из-за засорения сажей приблизится к этому предельному значению, его надо либо заменять, либо подвергнуть очистке (регенерации), сжигая в фильтре твердые частицы. В настоящее время более широко применяют конструкции второго типа.

В автомобилях режим "сжигания" сажи активизируется блоком управления двигателем, если он получил от специальных датчиков в системе выпуска информацию о заполнении фильтра. Особенность этого режима в том, что в цилиндры на дожиг подается большее количество отработавших газов, впрыскивается больше топлива и снижается подача воздуха. Температура отработавших газов при этом заметно возрастает, благодаря чему сажа выгорает. В погрузчиках и других типах машин, двигатели которых работают не постоянно, а периодически, температура отработавших газов не достигает нужного для сгорания сажи значения, поэтому в них используются специальные системы дожига, о которых будет рассказано ниже.

Нормативы ужесточаются

Принятые документы предусматривают, что содержание вредных веществ в отработавших газах в ближайшие годы во всех странах Европы будет снижаться. Уже существуют многочисленные нормативы (Еuro 1...5 для легковых и грузовых автомобилей), которые для защиты здоровья людей требуют устанавливать на технику фильтры, являющиеся основной составляющей системы нейтрализации отработавших газов. Сегодня можно исходить из того, что все новое транспортное оборудование будут поставлять только с такими фильтрами.

Частицы сажи настолько мелкие (их размер от 0,001 до 1 мкм), что при вдыхании они осаждаются в легких человека и по кровеносной системе могут достичь любого внутреннего органа, включая мозг. В зависимости от размера они могут проникать в легкие на разную глубину и действовать как возбудители опасных заболеваний. Нормативы ЕС 1999/30/EG уже сейчас регулируют предельные значения концентрации таких мелких частиц, как сажа, следующим образом: "Доза в 50 мкг/м³ не должна превышаться чаще, чем 35 раз в год" (Приложение III). С января 2010 г. допускается лишь семь превышений.

Технические требования TRGS-554, принятые в Германии, предписывают применять сажевые фильтры для дизельных двигателей в закрытых или частично закрытых помещениях, начиная с 1996 г. В соответствии с этим документом также должны выдерживаться определенные предельные значения содержания мелких частиц сажи в отработавших газах в городах и местах скопления людей. В документе редакции 2001 г. вопросам токсичности отработавших газов дизелей уделено еще больше внимания. Причина этого в том, что действие отработавших газов может стать в том числе причиной заболевания раком (см. § 35, абзац 4 постановления № 4 по вредным веществам Gef-StoffV). Область действия норм TRGS-554 охватывает все полностью или частично закрытые помещения, в которых используется транспортное оборудование с дизельным приводом и персонал подвержен воздействию отработавших газов. Это помещения складов, производственные цехи, мастерские, туннели, контейнеры, закрытые кузова автотранспортных средств, грузовые помещения судов и самолетов, места стоянки и ремонта транспортного оборудования, применения на подземных выработках в горнодобывающей промышленности и тоннельном строительстве (ср. TRGS-554, 2001, с. 3f).

Этот документ не ограничивается определением зоны защиты и мероприятий по снижению эмиссии, но "осмеливается" также определять параметры фильтров твердых частиц. Так, в нем уточнен метод измерения токсичности отработавших газов и установлена величина степени очистки выхлопа (на данный момент она должна составлять не менее 95%) вне зависимости от нагрузки на двигатель (TRGS-554, 2001, с. 10), а также имеются указания на то, каким должно быть состояние техники. Кроме этого предписано, что пропуск отработавших газов мимо фильтров и использование снижающих токсичность добавок в топливо без подключения фильтров не допускается, а также что окислительные каталитические нейтрализаторы фильтрами не являются. Указано и на то, что при регенерации фильтра не должно возникать вторичной эмиссии вредных веществ.

В других странах предписания еще более жесткие. В Швейцарии уже с марта 2000 г. действуют требования к установке фильтров на технику, применяемую в подземных выработках (на строительстве туннелей) и на крупных строительных площадках. На крупных стройплощадках существует требование к оснащению фильтрами с 01.09.2003 г. двигателей мощностью 37 кВт, а с 01.09.2005 г. – мощностью 18...37 кВт. Швейцария – страна, которая считается лидером в защите окружающей среды, и к продаже там допускаются лишь фильтры, которые соответствуют самым строгим нормативным требованиям и сертифицированы по VERT, например, такие, как выпускает фирма HUSS Umwelttechnik. Жесткие требования по установке фильтров на транспортное оборудование с дизельными двигателями действуют и в Дании. Законодательная инструкция № 82, принятая в Австрии, предписывает установку фильтров сажевых частиц на технику с дизелями мощностью более 18 кВт, работающую на строительных площадках.

Какой погрузчик лучше?

Продолжительное время дизельный вилочный погрузчик вовсе не допускали в закрытые помещения, например, складские: он выбрасывал в воздух слишком много сажи. Разработчики погрузочной техники большее внимание уделяли более экологичной технике с электроприводом. Действительно, в создании противовесных погрузчиков с электродвигателем за последние десятилетия сделан большой шаг вперед. Из маломощной машины, которая зависит от внешнего питания сети и очень часто является причиной многочисленных простоев, они превратились в достойную альтернативу дизельной технике. С точки зрения привода дизельный погрузчик и сейчас сохраняет свое превосходство, но только при работе на трассах большой протяженности, на подъемах и при перевозке тяжелых грузов. В остальных случаях покупатель зачастую затрудняется в выборе погрузчика, особенно в случаях, когда техника приобретается по схеме лизинга, а проблемы с ремонтом и сервисным обслуживанием электропогрузчика возникают в большинстве случаев только после окончания гарантийного срока.

Электропогрузчик, кажется, может записать в свой актив еще один "плюс": он не выбрасывает частиц сажи при сгорании дизельного топлива. В основном это правильно, однако при соответствующей переработке отработавших газов дизельный погрузчик может предложить высокую мощность, продолжительность автономной работы и... чистоту. Сегодня работа в помещениях погрузчика с дизельным приводом перестала быть проблемой. Соответствующие системы фильтров делают это возможным.

Основные характеристики системы очистки, определенные TRGS-554, не облегчают тем не менее потребителю выбор "правильного" фильтра. Однако хорошим критерием для принятия решения по выбору того или иного устройства может служить такой параметр, как степень очистки, и многие изготовители ориентируются в первую очередь на нее. Существуют компании, которые предлагают фильтрацию 99% частиц во всех своих изделиях вне зависимости от того, какой метод измерения эмиссии частиц применяется и какой конструкции отдает предпочтение потребитель. Целесообразно выбирать устройства с особенно высокой долей отделения самых мелких частиц размером всего несколько нанометров, ведь они проникают в организм человека наиболее глубоко и практически не выводятся из него, а потому особенно опасны для здоровья. Устройства с невысокой степенью очистки или такие, в которых этот параметр меняется в зависимости от частоты вращения двигателя, не только недопустимы по TRGS-554, но и не имеют смысла с точки зрения качества фильтрации частиц.

Новые решения: выбор – за потребителем

В последнее время направление разработок по снижению концентрации вредных веществ в выхлопе изменилось. Раньше нормативы, регламентирующие состав отработавших газов, предусматривали прежде всего снижение количества частиц сажи, а сегодня более актуальными являются мероприятия по снижению предельных значений содержания оксидов азота. Необходимые для этого технологии есть уже сейчас. А пока для большинства специалистов в этой области очевидно, что дизельный фильтр частиц сажи останется на машинах, которые будут выпускать в будущем, даже если более широкое применение найдет метод "сжигания" HCCI (Homogeneous Charge Compression Indition) или если станут еще более производительными системы селективного каталитического восстановления (Selective Catalytic Reduction, SCR), принцип действия которых основан на химической реакции аммиака с окисью азота отработавших газов, в результате чего образуется безвредный для здоровья азот и водяной пар.

Принятие более строгих нормативов по предельно допустимым концентрациям вредных веществ в США (с 2010 г.) или в Европе (в 2012–2013 гг.) нацелено прежде всего на снижение содержания в отработавших газах оксидов азота NО_х. Современные технологии в целом позволяют выполнить эти предельные нормативы за счет изменения конструкции самих двигателей, однако затраты на это в итоге оказываются несоразмерно большими.

С помощью высокопроизводительной SCR-системы, разработанной фирмой Emitec (Ломар, ФРГ), более жесткие значения предельного содержания отработавших газов, которые уже прописаны в будущих нормативах, могут быть выдержаны при значительно меньших издержках. Ключом к успеху этого инновационного решения стал рабочий узел, получивший название Metallit. Он представляет собой металлические пластины-катализаторы, состоящие из слоев гладкой металлической фольги, перфорированной фольги, волнистых слоев из LS (продольных структур), а также специальных лопастных пластин, в которых происходит смешивание газовоздушных потоков. Metallit создает турбулентность, за счет которой обеспечивается высокоэффективное превращение вредных веществ в экологически безопасные. С помощью именно такой системы SCR известный производитель грузовых автомобилей компания МАN смогла снизить предельное содержание NО_х ниже требуемого значения.

Фирма IVECO Motors, входящая в Fiat Powertrain Technologies (FPT, Турин, Италия), является ведущим изготовителем дизельных двигателей для внедорожников, к которым согласно классификации фирмы Jingheinrich относится также индустриальный транспорт, а значит, и вилочные погрузчики. Шестицилиндровые дизели типа Cursor 8, например, имеют рабочий объем 7,8 л и развивают мощность 265 кВт при 2400 мин^-1 и крутящий момент 1500 Н•м при 1125 мин^-1. С помощью системы SCR достигнута степень эмиссии 3В, предусматриваемая в предельных значениях нормативов Евросоюза на 2012 г. Одновременно со снижением количества частиц сажи в выхлопе сильно сократился и уровень выбросов NО_х.

Известный поставщик комплектующих для легковых и грузовых автомашин фирма Eberspcher (Есслинген) предлагает изготовителям грузовых автомобилей, а также фирмам – производителям напольного транспорта и строительных машин различное оборудование для очистки отработавших газов c использованием технологий SСR и/или сажевого фильтра. Чтобы удовлетворить требования нормативов, которые предусматривают более жесткие значения предельно допустимой концентрации (ПДК) вредных веществ (степень 3В) и вступят в силу уже довольно скоро, специалисты компании, работающие по теме очистки отработавших газов, разрабатывают более совершенные системы для двигателей новых поколений. В настоящее время уже создано компактное устройство, состоящее из комбинации систем очистки от сажи и NО_х в одном корпусе и получившее название Onebох. Оно позволяет достичь лучшей очистки выхлопа, чем предусматривают нормы Euro 5. Швабская фирма уже несколько лет выпускает сажевые фильтры для вилочных погрузчиков и строительных машин, основой которых служит монолитный кордиерит. В зависимости от мощности двигателя фильтры имеют размеры 78 или 912 дюймов.

Компания Теnnесо Automotive Inc. (шт. Иллинойс, США) поставляет известным изготовителям грузовых автомашин и внедорожников такие изделия для систем выпуска, как каталитические нейтрализаторы, сажевые фильтры, а также глушители фирм Walker или Gillet. С целью организации производства самых разнообразных систем очистки отработавших газов специально для такой техники, как вилочные погрузчики, универсальные коммунальные и пожарные машины, в восточногерманское предприятие компании инвестировано свыше 5 млн. евро. Наряду с фильтрами сажи и SCR-системами компания поставляет также абсорберы оксидов азота, которые продаются главным образом в США, так как эти устройства увеличивают расход топлива на 5%.

При комплектации транспортного оборудования, предназначенного для эксплуатации на протяженных маршрутах, Теnnесо ориентируется на систему SСР, а для оснащения среднего и тяжелого транспортного оборудования – на сажевые фильтры с непрерывной регенерацией посредством оксидного катализатора. Для легкого транспортного оборудования используются сажевые фильтры с дополнительной системой очистки.

Чтобы максимально снизить противодавление выпуска, сажевый фильтр должен обладать большой пористостью. В фильтрах со связанным кремнием (Si–SiC) число каналов может регулироваться в зависимости от требований заказчика между 40 и 62%. Пористость рекристаллизованных сажевых фильтров в настоящее время составляет лишь 36...45%. В зависимости от конкретного применения используются фильтры с разным количеством каналов. Если фильтр со связанным кремнием пористостью 53% заменяют фильтром с пористостью 60%, то сопротивление давлению меняется на 30%, что позволяет экономить топливо. Одновременно с количеством каналов японские инженеры смогли варьировать у Si–SiC-фильтров и размеры каналов в диапазоне от 8 до 33 мкм, что позволило удовлетворить самые различные требования в отношении двигателей и систем выпуска.

Наряду с технологиями регенерации, которые пока применяются довольно ограниченно, в будущем предполагается использовать и альтернативные материалы. Фирма NGK уже сегодня снабжает сажевыми фильтрами из кордиерита фирму Toyota, которая применяет их для систем DPNR, представляющих собой комбинацию фильтра с NОх-абсорбером. Преимуществами таких устройств являются большая пористость, возможность нанесения на них покрытия, а также пониженный коэффициент расширения. Фирма Сorning, ближайший конкурент NGK, не только выпускает кордиеритовые сажевые фильтры, но возлагает особые надежды на свою новую разработку из керамики на основе алюминия и титана. По данным изготовителя, эти так называемые АT-фильтры имеют такую же хорошую теплоемкость, как карбид кремния, и столь же малое тепловое расширение, как кордиерит. Это означает, что они обеспечивают температурный контроль во время фазы регенерации и могут быть изготовлены из одного монолитного куска. Не так давно одной из первых стала внедрять эти керамические фильтры в большие серии своих изделий компания Volkswagen.

Еще одна ведущая мировая компания по выпуску оборудования для очистки выхлопа Аrvin Meritor (Troy, шт. Мичиган, США) также имеет обширную номенклатуру продукции. Для значительного снижения концентрации всех составляющих отработавших газов она предлагает комбинировать оксидный катализатор с SCR- и фильтрующими системами. Чтобы контролировать возможную закупорку каналов фильтра, возникающую при кратковременной работе транспортного средства и перемещении небольших грузов (это типичная ситуация в работе вилочных погрузчиков), компания предлагает использовать различные способы активной регенерации. С помощью устройства Atomizer дизельное топливо распыляется на катализатор, который способствует его окислению, в результате чего выделяется тепло. При этом в противоположность системам дожигания ни катализатор, ни расположенный за ним сажевый фильтр не подвергаются экстремальным термическим нагрузкам, что позволяет применять вместо дорогого кремниевого сажевого фильтра более дешевый кордиеритовый.

При использовании "термического регенератора" восстановить полностью сажевый фильтр возможно с помощью электронагрева независимо от характера работы и условий эксплуатации двигателя. В эту систему входят устройство сжигания и сам фильтр. Система "термонагреватель", напротив, повышает температуру газов на выходе из двигателя, в результате чего регенерация сажевого фильтра возможна даже при очень низких температурах.

Разработчики, если хотят исключить недостатки имеющегося на рынке фильтра типа Wall-Flow, нe обойдут вниманием PM-фильтр-катализатор (Particulate Matters) компании Еmiteс. РМ-фильтр-катализатор в противоположность закрытым Wall-Flow-системам работает по принципу проникающего параллельного потока. Это гарантирует бесперебойную работу двигателя даже при неполной регенерации. Размеры задерживаемых частиц благодаря реакции с NO₂, который вырабатывается в подключенном окислительном катализаторе, постоянно уменьшаются. РМ-фильтр-катализатор нельзя повредить, и сам он не может повредить дизельный двигатель, а расход топлива по мере его эксплуатации не повышается. Более того, этот фильтр не требует обслуживания в течение всего срока службы транспортного средства. Выделение вредных для здоровья мельчайших частиц снижается более чем на 90%, общее число частиц – на 80%, а масса частиц – по меньшей мере на 30%. Все РМ-фильтры-катализаторы удовлетворяют требования нормативов по эмиссии, которые будут приняты в недалеком будущем, и уже успешно применяются в серийных изделиях ведущих производителей легковых и грузовых автомобилей.

Поскольку в настоящее время действуют очень мягкие нормативы по ПДК для разных веществ в отработавших газах, средства напольного транспорта серийно поставляются без устройств очистки отработавших газов. Покупатели, которые хотят применять экологически чистое транспортное оборудование или вынуждены это делать, поскольку эксплуатируют технику в закрытых помещениях, должны дополнительно оснащать его средствами очистки. В Германии существует много поставщиков и изготовителей систем очистки выхлопа: DES Diesel (Менден), ЕНС Теknik GmbH (Зиген), ETB GmbH (Бремен), GAT Каtalysаtoren GmbH (Гладбек), GfA Gesellschaft fr Abgasentgiftungsanlagen (Хейдесхайм), Greentор GmbH (Нойе-Аншпах), HUSS Umwelttechnik (Нюрнберг), Johnson Matthey GmbН (Зульцбах), Krone GmbH (Ахим), Оbеrland Mangold GmbH (Эшенлое), а также Twintec GmbH (Кёнигсвинтер). Эти фирмы предлагают все многообразие различных концепций очистки от сажи – от монолитной керамики (компании EHC, ETB, GfA и др.), металлокерамических фильтров (DЕS), керамической или металлической губки (GAT) до катализатора на основе композиции металлическая фольга/ металлический нетканый материал РМ (Twintec).

Предлагает фирма HUSS

Немецкая фирма HUSS Umwelt-technik предлагает особенно большое число решений для транспортного оборудования, у которого температура отработавших газов достаточно низкая или меняется со временем (сюда относятся и вилочные погрузчики). Ее производственная программа обширна: от сменных фильтров, которые очищают на специальной стационарной станции, систем активной регенерации с помощью дизельной горелки, впрыска дизельного топлива или электрического нагрева до сажевых фильтров с дополнительной системой очистки. В ассортименте изделий этого производителя есть даже оригинальная SСR-система, что позволяет покупателю выбрать наиболее подходящую систему в зависимости от условий эксплуатации техники. Вилочные погрузчики таких компаний, как Hyster, Jungheinrich, Nissan, STILL, Tоуоtа и Yale, в большинстве уже оборудованы такими устройствами. Одно из последних успешных внедрений HUSS связано с решением компании Mitsubishi установить на свои погрузчики системы очистки FS 50 MKS – фильтры с дизельным дожигателем.

В распоряжении HUSS имеются оригинальные устройства для регенерации фильтров. Наиболее распространенными видами очистки от сажи выхлопа вилочных погрузчиков в настоящее время являются регенерация с помощью присадок (система МА) и дизельных дожигателей (система МК).

Система МА (пассивная). В этой системе сажа сгорает в фильтре во время движения машины, а принцип ее работы основан на добавлении присадок в топливо. Для полного перемешивания топлива с присадкой применяют дозирующее устройство Additive Control System (АСS) (TRGS-554, 2001, с. 10), которое является "саморегулируемым": в зависимости от нагрузки на двигатель оно обеспечивает добавку оптимального количества присадки, автоматически увеличивая или уменьшая его, или совсем прекращает подачу присадки. Благодаря этому не только эффективно защищается двигатель, но и параллельно сокращается до минимума расход присадки (на 3000 л топлива достаточно 1 л присадки). Это решение идеально, начиная со средних температур отработавших газов. Еще одним достоинством системы МА является то, что двигатель транспортного оборудования не надо останавливать.

Система МК (активная). Загрязненные сажей фильтры можно быстро регенерировать с помощью системы МК, которая использует имеющееся в машине дизельное топливо. Работающий на дизтопливе мощный дожигатель нагревает рабочий элемент фильтра до температуры выше температуры возгорания сажи. После работы машины в течение 8...10 ч время регенерации фильтра составляет в зависимости от его размера от 5 до 35 мин. Высокая мощность (свыше 20 кВт) дожигателя HUSS обеспечивает очень быструю регенерацию. Расход топлива на регенерацию незначителен и составляет от 100 до 300 см³ в зависимости от размера фильтра.

Эта система подкупает своей автономностью. Поскольку достичь температуры отработавших газов, необходимой для регенерации, сложно именно для вилочных погрузчиков, работа которых периодически прерывается, система МК является для этой техники оптимальным решением и позволяет отказаться от авантюрных предложений некоторых поставщиков фильтров с регенерацией типа "попробуйте быстро проехать на погрузчике по двору" или "попробуйте нагрузить мотор гидравликой, чтобы повысить температуру".

Разумеется, можно отрегулировать систему HUSS Control на допускаемое производителем двигателя противодавление в системе выпуска, при этом повреждение двигателя или турбонаддува при правильной эксплуатации фильтра будет исключено. И поскольку регенерация происходит на холостом ходу, оборудование не дает вторичной эмиссии, что полностью соотносится с требованием TRGS-554.

Фильтрующие системы Huss возможно устанавливать и на новые машины, и на уже находящиеся в эксплуатации. Там, где есть отделения компании Huss, сделать это могут ее сервисные инженеры. В большинстве случаев фильтр можно установить под противовесом, там его совсем не видно. После установки проводят инструктаж обслуживающего персонала. Для варианта установки до начала эксплуатации погрузчика компания разработала многочисленные специальные монтажные наборы, специфичные для конкретного оборудования каждого изготовителя, например, для погрузчиков фирм Jungheinrich, Mitsubishi и Caterpillar.

Благодаря согласованным решениям разных специалистов в области очистки отработавших газов по своим возможности дизельный погрузчик выходит на новый уровень. Приведение в соответствии нормам TRGS-554 по эмиссии делает эту технику совершенно безопасной для здоровья людей. Современные технические решения специально согласованы с типами транспортного оборудования и легко встраиваются в него.