Автопроизводители, предлагая новые дизели, отказываются от снижения токсичности

Автопроизводители, предлагая новые дизели, отказываются от снижения токсичности с помощью впрыска раствора мочевины AdBlue

Еще несколько лет назад, когда перспективы введения в Европе экологических стандартов Euro 4 и Euro 5 только маячили на горизонте, среди крупных автопроизводителей коммерческих грузовиков не было единого мнения о том, с помощью каких дополнительных устройств выполнять новые требования. Задачи, бесспорно, стояли трудные и касались они, в основном, резкого снижения содержания в выхлопных газах двух компонентов: твердых частиц (сажи) и оксидов азота (NОх). Причем, нормы Euro 5 по сравнению с нормами Euro 4 предусматривали уменьшение норматива по NОх на 43 процента! Какие же пути тогда наметили и внедрили в производство конструкторы дизельных двигателей?
Как показало время, специалисты Mercedes Benz, DAF Trucks, Renault Trucks, Volvo Trucks, IVECO, чешской Tatra и российского ЯМЗ остановили свой выбор на применении системы каталитической нейтрализации SCR, предусматривающей впрыск раствора мочевины AdBlue в выхлопную трубу. Напротив, MAN и Scania сумели предложить покупателям дизели, удовлетворяющие нормам Euro 4 с использованием системы рециркуляции выхлопных газов EGR, и временно применили систему SCR для моторов в исполнении Euro 5. Было объявлено, что предпринимаются все усилия, чтобы в будущем отказаться от SCR с впрыском AdBlue. Похоже, что это будущее наступило.

Настоящим техническим прорывом стала демонстрация на осеннем автосалоне коммерческого транспорта в Амстердаме серийных двигателей Scania в исполнении Euro 5 и пока опытных, фирмы MAN, где сложная проблема решена другими техническими приемами. В лагере приверженцев SCR также объявились «отступники»: осенью 2007 года компания Volvo Trucks начала выпуск дизелей в исполнении Euro 4 без SCR, исключив впрыск мочевины.

Фургон Scania P230 с новым дизелем DC9 (Euro 5)
Чтобы представить себе, насколько важно было принять подобные решения, стоит сравнить обе системы снижения токсичности, с EGR и SCR.

Напомним, что в системе частичной рециркуляции выхлопных газов EGR (Exaust Gas Recirculation) от 18 до 25 процентов выхлопных газов, находясь под давлением, создаваемым специальным «соплом Вентури», подаются обратно во впускной коллектор, снижая содержание кислорода в наддуваемом воздухе. Так происходит уменьшение температуры сгорания и, как следствие, сокращение выделения вредных выбросов оксидов азота (NОх). Для ликвидации дыма и запаха выхлопных газов в глушителе устанавливают специальный нейтрализатор-окислитель. Он не требует обслуживания в период эксплуатации и его работа никак не зависит от качества дизельного топлива. Система EGR позволяет снизить токсичность выхлопных газов до требований стандарта Euro 4, но пока не применялась на мощных дизелях с рабочим объемом свыше 12 л. Дело в том, что ограниченная производительность радиаторов, призванная охлаждать проходящие через них выхлопные газы, не позволяла устанавливать их на мощные дизели.

Работа системы SCR заключается в следующем: 32,5%-ный раствор мочевины AdBlue, имеющий химическое происхождение и хранящийся на грузовике в специальном баке, впрыскивается форсункой в район выпускного коллектора. Происходит его смешивание с потоком горячих отработанных газов, после чего в специальном каталитическом нейтрализаторе протекает химическая реакция, в результате которой вредные оксиды азота превращаются в азот и водяные пары, не оказывающие отрицательного влияния на живое.

Что касается снижения уровня твердых частиц, то с ними борются путем сжигания в двигатеСтоит подробнее остановиться на растворе AdBlue. Стандартизированный в Европе неядовитый раствор мочевины широко применяется в сельском хозяйстве, текстильной, фармацевтической, химической промышленности и в косметике. Он продается в специальных резервуарах разных размеров с целью обеспечить соответствие объему дизельных топливных баков, емкость которых может сильно различаться. В настоящее время сеть заправочных станций, на которых баки для AdBlue должны заправлять с помощью специальных пистолетов, только развивается. Ожидается, что удорожание стоимости заправки с приобретением раствора составит 1 — 2 процента. Раствор AdBlue, поскольку он имеет водную основу, замерзает при температуре минус 11,5°С, что потребовало оснащения системы нагревающим устройством. Для защиты от использований более доступных «заменителей» разработаны специальные датчики.

При падении уровня раствора AdBlue в баке дизель продолжит работу, но уже не будет удовлетворять нормам Euro 4 или Euro 5. Об отсутствии AdBlue в баке водитель узнает с помощью специальной лампочки на панели приборов.
Делая основной упор на применение системы EGR, на фирме Scania с самого начала исследований считали, что транспортники по достоинству оценят ее простоту, так как она не требует дополнительного бака с AdBlue и в итоге обеспечивает более низкие эксплуатационные затраты. Политика компании всегда заключалась в том, что система SCR будет использоваться только в случае необходимости, т. е. там, где желаемый результат будет недостижим с системой EGR. ле. Процесс сгорания при этом более интенсивный и требует внесения некоторых корректив в конструкцию системы впрыска.

Технология SCR в отличие от системы EGR позволяет дизелям «уложиться» не только в нормы Euro 4, но и в нормы Euro 5 и Евро 6. По этой причине большинство производителей тяжелых грузовиков остановили свой выбор именно на ней. Однако с применением SCR дела обстоят не так гладко. Цилиндр, прокладка головки блока цилиндра, поршни, головка блока и шатуны у двигателя с SCR должны быть выполнены усиленными, чтобы обеспечить их устойчивость к работе при более высокой температуре. Система включает резервуар для AdBlue, каталитический конвертор, оборудование для впрыска AdBlue, индикатор выброса выхлопных газов, лампочку индикатора на панели приборов. Снаряженная масса автомобиля повышается в среднем на 200 — 250 кг, а его цена — примерно на 3 тыс. евро. Однако эксплуатационные расходы магистрального тягача снижаются на 2 процента с учетом уменьшения расхода дизельного топлива до 4 процентов, несмотря на применение раствора AdBlue (литр раствора стоит 60 — 68 евроцентов, а его потребление равно 4 — 5 процентам от расхода дизельного топлива).

На двигателях, соответствующих нормам Euro 5, устанавливают более крупные нейтрализаторы и большие по размеру баки с раствором, так как его расход больше.

Система SCR функционирует в течение всего жизненного цикла автомобиля, практически не нуждаясь в обслуживании, и ее наличие не влияет на изменение срока службы масла в двигателе.

На осеннем автосалоне в Амстердаме можно было познакомиться с новыми дизелями, относящимися к «новой платформе двигателей Scania», в конструкции которых достигнут настоящий технологический прорыв: соответствия нормам Euro 5 удалось добиться без применения впрыска Ad Blue. Пятилетняя исследовательская работа закончилась внедрением в производство 5- и 6-цилиндровых рядных дизелей с серьезными конструктивными изменениями. К этим моторам скоро присоединится и обновленный V-образный дизель. В связи с тем, что требования Euro 5 становятся обязательными для стран Евросоюза с октября 2009 года, начало производства новых дизелей имеет особую актуальность.

Новые двигатели оснащены системой управления последнего поколения с передовой бортовой диагностикой, которая в скором времени получит записывающее устройство для последующего анализа данных, характеризующих работу различных систем и передающихся через портал управления автопарком Scania Fleet Management. Анализ позволит оценить как состояние двигателя, так и автомобиля в целом.

Блоки новых дизелей упрочнены. Шестицилиндровые моторы получили усиление картера с помощью интегрированного в него лестничного стального элемента для снижения уровня вибраций и шума, в 5-цилиндровых моторах эта функция возложена на балансирные валы.

Новая система впрыска топлива с общей топливной магистралью Scania XPi была разработана совместно с фирмой Cummins. Высокое рабочее давление впрыска, изменяемое электроникой в диапазоне от 500 до 2400 бар, гарантирует четкое управление подачей в зависимости от характера протекания рабочего процесса. Управление системой впрыска топлива полностью электронное, что привело к отказу от размещения на распредвале кулачков для приведения в действие топливных инжекторов. Отсутствуют также толкатели и рычаги коромысел. Топливо, подаваемое под высоким давлением, постоянно находится «в боевой готовности», впрыск осуществляется вне зависимости от положения распредвала.

Система Scania XPi позволяет применить многоступенчатый впрыск. Небольшое количество топлива незадолго до основной подачи впрыскивается с целью снижения шума. За подачей основной порции следует еще одна подача малой порции топлива, существенно снижающей выброс твердых частиц и NОx.

Модернизация системы EGR заключается в применении революционного, двухступенчатого охлаждения рециркулирующих газов. Смешивание охлажденных отработанных газов с всасываемым воздухом снижает содержание в нем кислорода, а это обстоятельство является главным с точки зрения уменьшения температуры сгорания, напрямую влияющей на количество выделяемых оксидов азота (NOx) во время процесса сгорания.

На новых дизелях с EGR устанавливают эффективный водяной охладитель, проходя через который рециркулирующие отработанные газы подаются либо во впускной коллектор, либо, на более мощных 6-цилиндровых дизелях, во вторую ступень охлаждения.

Вторая ступень охлаждения осуществляется с помощью нового радиатора, установленного выше охладителя наддуваемого воздуха, проходящий через него поток регулирует перепускной клапан EGR.

Объем отработанных газов, подаваемых во впускной коллектор, регулируется электроникой как через клапан EGR, так и путем изменения геометрии турбонагнетателя. Турбонагнетатель VGT с этой целью снабжен скользящим кольцом сопла турбины, которое управляется электроприводом. Поток впускаемого в коллектор воздуха можно оптимизировать во всем диапазоне угловой скорости вращения коленвала двигателя. Это означает, что VGT можно использовать для улучшения реакции двигателя и увеличения крутящего момента на низких и средних оборотах. Турбонагнетатель VGT также задействован для ускорения срабатывания системы управления автоматизированной механической коробки передач Opticruise путем поддержания скорости вращения турбины во время переключения передач.

Базовым семейством дизелей для грузовиков Volvo до 2007 года считался рядный 6-цилиндровый 12,7-литровый дизель D13A, обеспечивающий выполнение требований по токсичности стандартов Euro 4 и Euro 5 при помощи системы избирательной каталитической нейтрализации SCR. Двигатели выпускаются с мощностью 400, 440, 480 и 520 л. с., удовлетворяя самых взыскательных потребителей.

Тем не менее, в сентябре 2007 года параллельно с установкой дизелей D13A на грузовики семейства FH, а также семейства FM началась установка новых дизелей D13B мощностью 360, 400, 440 и 520 л. с., основное отличие которых от двигателей D13A в том, что они отвечают требованиям стандарта Euro 4 без применения системы SCR. Самым важным компонентом данной системы является турбонагнетатель с изменяемой геометрией турбины VGТ, который вместе с клапаном системы EGR регулирует поток газов.
Двигателю D13B с этой системой для соответствия нормам Euro 4 не нужен фильтр твердых частиц.

Компания MAN при запуске в серию двигателей последнего поколения также решила проблему снижения токсичности до уровня Euro 4, сделав ставку на EGR. Для снижения выброса сажи был разработан уникальный фильтр MAN PM-KAT. На стенде компании в Амстердаме посетители выставки с интересом знакомились с двумя, пока экспериментальными, дизелями: 12-литровым, 480-сильным серии D26 и 4,5-литровым, 220-сильным серии D08, отвечающими требованиям Euro 5 без системы SCR. Как удалось добиться этого? Инженеры MAN пошли «своим путем»: они создали систему двухступенчатого турбонаддува с промежуточным охлаждением воздуха, модернизировав, таким образом, прежнюю систему EGR. Ожидается, что в 2009 году новые двигатели начнут выпускаться.

Подводя итог, можно сказать, что эксплуатационникам повезло: моторостроители постепенно начали избавлять их от хлопот с заправкой специальных баков пока труднодоступным раствором AdBlue, повышающим стоимость перевозок и боящимся морозов. Упростилась установка дополнительного оборудования на рамы грузовиков: баки для AdBlue съедали место, используемое, в частности, для аккумуляторов и систем управления навесным оборудованием. Доходило до абсурдного: седельные тягачи с аккумуляторами, перенесенными в зону между лонжеронами рамы сзади автомобиля для проверки состояния АКБ требовали расцепки с полуприцепом. Словом, новая тенденция — положительная и ее можно лишь приветствовать.