Россия
Россия
Россия
Россия
Россия
Россия
УДК 656.1 Эксплуатация наземного безрельсового транспорта. Движение по улицам и дорогам
В статье рассмотрен метод снижения выбросов, вызванных автотранспортом, в ходе химических реакций в потоке выхлопных газов с использованием каталитических конвертеров после образования токсичных выбросов системой селективного каталитического восстановления (SCR).
загрязняющие вещества, выхлопные газы, двигатель внутреннего сгорания, автотранспорт, система селективного каталитического восстановления
Выбросы выхлопных газов от двигателей внутреннего сгорания, являются одним из наиболее опасных факторов для окружающей среды и здоровья населения. С увеличением числа автомобилей в мире выбросы загрязняющих веществ (ЗВ) в атмосферный воздух становятся глобальной проблемой. Снижение контроля над выбросами ЗВ в атмосферу может привести к невозможности обитания на планете. В этой связи постоянное ужесточение стандартов на выбросы автотранспорта стимулирует исследователей и производителей двигателей разрабатывать системы, позволяющие снизить количество выбросов ЗВ. В данной работе описываются основные загрязняющие вещества в выхлопных газах ДВС, и изучаются методы их снижения на основе детального обзора литературы. Исследованы современные и технологичные системы, используемые для снижения выбросов, связанных с автотранспортом.
Метод снижения выбросов, вызванных автотранспортом, предполагает химические реакции в потоке выхлопных газов с использованием каталитических конвертеров после образования токсичных выбросов. Эти химические реакции преобразуют вредные выхлопные газы в нетоксичные CO2, N2 и H2O [1, 2].
Снижение выбросов NOx после введения стандарта Евро-4 стало значительно сложнее обеспечивать только за счет изменений в технологии двигателя. Вступлением в силу стандартов Евро-5 и Евро-6 в 2009 и 2014 годах в ЕС выбросы NOx уменьшатся на 60 %, а выбросы частиц - на 80 % [1, 3]. Это подчеркивает необходимость дальнейшего снижения выбросов NOx в выпускной системе ДВС. Селективный каталитический восстановитель (SCR) исследуется уже давно как метод снижения выбросов NOx [4].
SCR достигает взаимодействия NOx с металлическим катализатором путем впрыскивания аммиака или мочевины на катализатор. Кроме того, также можно впрыскивать CO и H2 в выхлопные газы, чтобы обеспечить образование безвредного водяного пара и азота. Снижение выбросов может достигать высокой эффективности (до 90 %). Однако из-за стоимости, сложности внедрения и операционного контроля на данный момент этот метод применяется только на большегрузных транспортных средствах [5]. Наиболее эффективным катализатором в SCR для снижения выбросов NOx является Ag-Al2O3. SCR система на бензиновых автомобилях считается недостаточно применимой, так как считается слишком дорогой и из-за того, что средние температуры выпуска для таких автомобилей довольно низкие. Вместо SCR систем в легковых автомобилях более подходящим выбором является использование NOx хранилища [6]. Однако продолжаются исследования по снижению размеров и стоимости SCR системы, чтобы она стала более доступной для легковых автомобилей. На рисунке 1 показана система SCR. В этой системе отработавший газ смешивается с аммиаком, проходит через катализатор при температуре 300-400 °C, в результате чего NOx превращается в N2 и H2O [7].
Рисунок 1 – Схема системы SCR [8]
Рисунок 2 – Схема системы MAN VHRO
Система VHRO, являющаяся одной из наиболее сложных систем в применении SCR, была разработана компанией MAN [9]. На рисунке 2 изображена схема системы MAN VHRO. Система с названием VHRO включает в себя не только SCR, но также каталитический окислитель аммиака [10]. В результате смешивания выхлопных газов с NH3 происходят реакции, указанные в уравнениях (1) и (2).
4NO+4NH3 +O2 =4N2 +6H2O (1)
6NO2 + 8NH3 =7N2 + 12H2O (2)
Катализатор окисления аммиака активируется при температуре ниже 250°C, и с увеличением температуры его окислительная способность возрастает, преобразуя NO и N2O, происходящие из SCR-катализатора, в H2O и N2. Эффективность SCR напрямую зависит от количества аммиака, подаваемого в окислительный катализатор. Если количество аммиака недостаточно, конверсия NOx будет недостаточной. С другой стороны, избыточное количество аммиака приведет к выбросу аммиака в атмосферу. На рисунке 3 показана зависимость между соотношением NH3/NOx, конверсией NOx и температурой.
Рисунок 3 – Зависимость конверсии NOx от соотношения NH3/NOx
Повышение соотношения NH3/NOx приводит к увеличению конверсии NOx. Однако при увеличении рабочей температуры конверсия снижается. Тем не менее увеличение температуры уменьшает количество несожженного NH3 [9, 11].
В большинстве случаев жидкие и твердые частицы, выбрасываемые из выхлопных газов дизельных двигателей, создают еще один вид вредных выбросов вдоль всего выхлопа. Дизельные фильтры для частиц пропускают эти мелкие частицы через параллельные сжатые каналы. Эти частицы, проходящие через структуру, подобную кордьериту, удерживаются в фильтре [12]. Одноразовый фильтр для частиц, используемый для уменьшения количества частиц, показан на рисунке 4.
Рисунок 4 – Однокамерный сажевый фильтр
Элементы, удерживаемые в сажевом фильтре, очищаются методом регенерации, при котором они подвергаются сжиганию. Этот тип фильтров состоит из металлических катализаторов. Эти фильтры, состоящие из двух камер, обеспечивают окисление NO в NO2, окисление CH и CO-выбросов в H2O и CO2, что является важной частью процесса. Во второй камере частицы, содержащиеся в выбросах, удерживаются на стенах фильтра. NO2, образующийся в первой камере в результате реакции, используется для сжигания удерживаемых частиц. На рисунке 5 показаны однокамерный сажевый фильтр и различные сажевые фильтры.
Рисунок 5 – Дизельный сажевый фильтр с двумя камерами
Из-за структуры сажевого фильтра твердые и жидкие частицы приводят к его засорению и снижению производительности. В системе регенерации с дополнительным поджиганием, разработанной Deutz, выхлопные газы достигают температуры, необходимой для регенерации, с помощью окисления. Сгорание накапливающихся частиц позволяет избежать засорения фильтра и улучшает его фильтрационные свойства. Основными компонентами системы являются керамическая структура, смесительная камера и поджигатель [10].
Кроме того, усовершенствование дизайна камеры сгорания и впускного коллектора, модификации топливной и системы зажигания внутреннего сгорания, а также внедрение различных решений, таких как активный угольный фильтр и положительная вентиляция картера, снижают вредные выбросы в окружающую среду, происходящие от топлива и масляных паров. Дополнительно, находящийся в выхлопной системе режим холостого хода снижает и фиксирует холостой ход. Особенно в случае нулевой нагрузки на двигателе, дополнительно подается воздух для окисления подаваемого в цилиндр топлива и помогает снизить выбросы углеводородов. Модуль управления двигателем непрерывно контролирует состав смеси с помощью лямбда-зонда в выхлопной системе, обеспечивая оптимальное соотношение воздуха и топлива для работы двигателя [13, 14].
1. Европейская нормативная база и выбросы твердых частиц бензиновыми автомобилями малой грузоподъемности: обзор / Б. Гичаскиел, А. Джоши, Л. Нциахристос, П. Дилара // Катализаторы. – 2019. – 9 (7). – 586. – DOIhttps://doi.org/10.3390/catal9070586.
2. Повышение пассивной безопасности транспортных средств за счет температурного расчета тормозных узлов / В. П. Белокуров, Р. А. Кораблев, Е. Н. Бусарин [и др.] // Достижения инженерных исследований: Материалы Международной конференции "Авиамеханика и транспорт" (AVENT 2018), Иркутск, 21-26.05.2018 год. – Иркутск: Атлантис Пресс, 2018. – с. 62-66. – DOIhttps://doi.org/10.2991/avent-18.2018.12.
3. Определение коэффициентов выбросов легковых автомобилей, работающих на сжиженном газе стандарта Евро-6, с помощью лабораторных и дорожных испытаний: влияние на общенациональную оценку выбросов для Италии / Т. Беллин, С. Касадеи, Т. Росси [и др.] // Атмосферная среда: X. - 2022. – Том 10. – 100186. – DOIhttps://doi.org/10.1016/j.aeaoa.2022.100186.
4. Инновационные катализаторы для селективного каталитического восстановления NOx с помощью H2: Систематический обзор / С.М. Фархан, У. Пан, С. Чжицзянь, Ю. Цзяньцзюнь // Топливо. – 2024. – Том 355. – 129364. – DOIhttps://doi.org/10.1016/j.fuel.2023.129364.
5. Ли К. Система HC-SCR, сочетающая катализаторы Ag/Al2O3 и Pd/Al2O3 со стойкостью к гидротермальному старению для одновременного удаления NO, HC и CO / К. Ли, Б. Чой // Журнал промышленной и инженерной химии. – 2021. – Том 102. – стр. 51-68. – DOIhttps://doi.org/10.1016/j.jiec.2021.06.030.
6. Виньеш Р. Критический интерпретационный обзор текущего состояния и перспектив системы селективного каталитического восстановления для стратегии удаления NOx в двигателях с воспламенением от сжатия / Р. Виньеш, Б. Ашок // Топливо. - 2020. – Том 276. – 117996. – DOIhttps://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.117996
7. Современная каталитическая технология селективного каталитического восстановления (SCR) для удаления NOx в Южной Корее / Х.-С. Ким, С. Касипанди, Дж. Ким [и др.] // Катализаторы. – 2020. – 10 (1). – 52. – DOIhttps://doi.org/10.3390/catal10010052.
8. Наполитано П. Понимание технологии селективного каталитического восстановления для контроля окислов азота в судовых двигателях / П. Наполитано, Л.Ф. Лиотта, К. Гвидо // Катализаторы. – 2022. – 12 (10). – 1191. – DOIhttps://doi.org/10.3390/catal12101191.
9. Активные оксиды WO3–V2O5 для удаления NOx с помощью NH3: методы получения, состав катализаторов и механизм дезактивации - Обзор / У. Чжан, С. Ци, Г. Панталео, Л.Ф. Лиотта // Катализаторы. – 2019. – 9 (6). – 527. – DOIhttps://doi.org/10.3390/catal9060527.
10. Прогресс катализаторов селективного каталитического восстановления денитрификации при широкой температуре в нейтрализации углерода / Д. Линь, Л. Чжан, Ю. Хан [и др.] // Front Chem. – 2022. – 10. – 946133. – DOIhttps://doi.org/10.3389/fchem.2022.946133.
11. Влияние соотношения компонентов смеси аммиака на характеристики горения и выбросы NOx при совместном сжигании шлама и угля в коммунальном котле / Д. Вэй, З. Чжан, Л. Ву [и др.] // Энергетика. – 2023. – Том 283. – 129220. – DOIhttps://doi.org/10.1016/j.energy.2023.129220.
12. Обзор сажевых фильтров для двигателей внутреннего сгорания / Р. Донг, З. Чжан, Ю. Йе [и др.] // Процессы. – 2022. – 10 (5). – 993. – DOIhttps://doi.org/10.3390/pr10050993
13. Рагон П.-Л. Оценочная стоимость технологии контроля выбросов дизельного топлива для соответствия будущим стандартам Euro VII / П.-Л. Рагон, Ф. Родригес // Технический отчет. – 2021. – 20. – URL: https://theicct.org/publications/cost-diesel-emissions-control-euro-vii-apr2021 (Дата обращения: 8 декабря 2023 года). - Текст: электронный.
14. Химинис Дж. На пути к соблюдению предполагаемого лимита выбросов NOx в соответствии с ЕВРО VII с использованием термоэлектрического нагревателя для последующей обработки / Дж. Химинис, А. Массагер, Э. Массагер // Тематические исследования в теплотехнике. – 2022. – Том 36. – 102182. – DOIhttps://doi.org/10.1016/j.csite.2022.102182.
