Рис. Автор, DieselNet, Emitec, HJS, MAHA, Федеральное управление охраны окружающей среды Швейцарии
Твердые частицы, выбрасываемые выхлопными системами двигателей, наносят ущерб нам и нашему окружению. Поэтому более строгие стандарты токсичности выхлопных газов заставили установить удерживающие фильтры в двигателях ZS, а теперь и в ZI.
К сожалению, не все из этих систем фильтрации выхлопных газов достаточно усовершенствованы. Зачастую они становятся жертвами различных повреждений двигателя ZS и его систем. Однако эти проблемы не решаются появлением на рынке поврежденных и часто полностью функциональных сажевых фильтров.
Подрядчики таких услуг убеждают потенциальных клиентов в том, что в выхлопных газах практически отсутствуют твердые частицы, поскольку они не видны невооруженным глазом и являются фильтрами экологов. Давайте попробуем объяснить связанные с этим недоразумения.
Твердые частицы
Мы отмечаем их PM ( твердые частицы ). Согласно простому определению, они включают компоненты выхлопа, которые покидают систему выпуска двигателя в состоянии, отличном от газа.
Другое определение применяется к испытаниям для официального утверждения транспортного средства, в которых выброс твердых частиц измеряется гравиметрическим методом. Под общей массой твердых частиц подразумевается сумма масс всех веществ, твердых или жидких, органических или неорганических, которые накапливаются на абсолютном фильтре после прохождения через него разбавленного воздухом потока выхлопных газов при температуре 52 ± 3 ° С.
Абсолютный фильтр удерживает 99% частиц диаметром более 0,0003 мм (0,3 мкм). Он взвешивается точно до и после измерения содержания твердых веществ. Разница в результатах соответствует количеству накопленных частиц. Отработавшие газы, протекающие через этот фильтр, предварительно разбавляются воздухом при температуре от 20 до 30 ° C, так что состав системы выпуска отработавших газов изменяется как можно меньше между выходным концом и измерительными устройствами. Фиксированная температура измерения позволяет приблизить ее условия к тем, в которых твердые частицы обычно попадают в атмосферу.
Твердые частицы выделяются как двигателями ZS, так и современными двигателями ZI с системой прямого впрыска бензина. Двигатели ZI всегда излучали их, но в более старых конструкциях (карбюратор или косвенный впрыск топлива) их было так мало, что они не были проблемой.
Твердые частицы, выбрасываемые двигателем ZS, обычно отождествляются с сажей, поскольку на них накапливается от 50 до 80%. Технический углерод образуется из молекул углерода, которые не участвовали в процессе горения, а из него, в свою очередь, образуются так называемые углеродное ядро твердой частицы ( рис. 1 ).
Рис. 1. Большинство твердых частиц, испускаемых двигателями ZS, состоят из: углеродного ядра и связанных с ним твердых, жидких и газообразных веществ. Некоторые из них, например сульфаты, растворяются в воде, содержащейся в частице сажи
Садза имеет очень развитую удельную поверхность. При температуре, преобладающей в камере сгорани, она составл ет даже 100 м2 / г (то есть 1 г сажи будет иметь площадь 100 м2 после "проявлени"). Следовательно, технический углерод обладает отличной способностью адсорбировать другие вещества, то есть собирать их непосредственно на их поверхности. Говоря живее - это впитывает их, как губка.
Наиболее вредные вещества, сопровождающие твердые частицы, включают полициклические ароматические углеводороды, обозначенные как ПАУ (полициклические ароматические углеводороды). Они образуются параллельно саже в камере сгорания двигателя и вместе с ней выходят из выхлопной системы. Твердые частицы, испускаемые двигателем, построенным на углеродном ядре, не являются химически чистым углем, как считалось раньше.
Большинство твердых частиц, образующихся в камерах сгорания современных двигателей CI, имеют диаметр от 0,01 до 0,09 мкм (от 0,00001 до 0,00009 мм). Их общая масса невелика. После их создания они агломерируются, то есть сливаются в более крупные. Сравнение размеров твердых частиц и человеческого волоса показано на рисунке 2 .
Рис. 2. Сравнение твердых частиц с тремя характерными диаметрами: PM10, PM2,5 и PM0,25 с поперечным сечением человеческого волоса. Один кубический сантиметр отработанного газа содержит более миллиона частиц с такими характеристическими диаметрами (1 нм = 0,000001 мм, 1 мкм = 0,001 мм.
Если современный двигатель ZS работает, выхлопные газы невидимы для глаз. Только когда углеродные сердечники твердых частиц становятся достаточно большими, например, из-за повреждения, износа двигателя или его систем, эти выхлопные газы приобретают отчетливый серый или черный цвет.
Рис. 3. Угроза дыхательной системы человека вредным воздействием твердых частиц. Глубина их проникновения зависит от диаметра
Невидимые испарения современного двигателя ZS, которые невидимы невооруженным глазом, имеют довольно нерешительный успех, потому что чем меньше частицы, тем глубже они проникают в наше тело, минуя физиологическую защиту дыхательной системы ( рис. 3 ). Затем они попадают в кровоток, который «транспортирует» их через тело. Кроме того, самые мелкие твердые частицы могут проникать в кровоток непосредственно через кожу. По указанным выше причинам наиболее опасными являются многочисленные мелкие частицы, хотя их общая масса невелика.
Воздействие твердых частиц
Локальные значения загрязнителей воздуха транспортными средствами (например, средние значения по городу) не дают точной информации о масштабах локальных выбросов, поскольку жители районов, расположенных на оживленных дорогах, могут быть гораздо более подвержены вредному воздействию этих загрязнителей, чем люди, живущие на окраинах городов или в сельских районах.
Хотя автомобили нового поколения выделяют мало вредных компонентов выхлопных газов (включая твердые частицы), но в то же время их становится все больше, поэтому чистота воздуха не улучшится.
Выброс твердых частиц транспортным средством принимает две формы: первичную через выхлопную систему и тормоза, а также вторичную, поднимая колеса с пути частиц, которые уже упали на него. Выбросы твердых частиц PM10 (диаметром 10 мкм) и PM2,5 (диаметром 2,5 мкм) от транспортных средств в среднем составляют от 15 до 18% в нашей стране. В городах она разнообразна - около 17% в Кракове, а в Варшаве целых 60%. Это показывает масштаб проблемы загрязнения воздуха транспортными средствами в крупных городских агломерациях.
Твердые частицы и сопутствующие вещества вызывают заболевания у людей:
- сердечно-сосудистые заболевания, в том числе инфаркты миокарда и аритмии,
- центральная нервная система,
- репродуктивная система,
- рак.
В частности, полициклические углеводороды (ПАУ), сопровождающие твердые частицы, могут вызывать рак, особенно дыхательную систему, обычно называемую «трубочист».
Точно так же отрицательно, твердые частицы действуют на животных. Они также препятствуют росту растений, пачкаются, повреждают здания и снижают прозрачность воздуха.
Очистка выхлопных газов
В выхлопной системе двигателя установлены два типа фильтров:
- с частичным потоком - очистка только части выхлопа,
- полный поток - очистка всего выхлопа.
Фильтры с частичным потоком удаляют до 60% твердых частиц из выхлопных газов, а фильтры с полным потоком - до 90%. Выбор одного из этих типов зависит от стандарта эмиссии гомологов для данного транспортного средства.
Рис. 4. Разделение многоразовых сажевых фильтров в результате процесса регенерации (Источник: DieselNet)
Фильтры с частичным потоком выхлопных газов также используются для добровольного переоборудования автомобилей, которые уже эксплуатируются. Пользователи автомобилей поощряются снижением налогов (так называемый налоговый тюнинг).
В муниципальных транспортных средствах были когда-то попытки использовать одноразовые сажевые фильтры - в базах их обменивали на чистые, а загрязненные подвергали регенерации. В настоящее время в транспортных средствах и рабочих машинах используются только многоразовые сажевые фильтры. Они требуют регенерации (очистки твердых частиц), выполняемой во время работы, без участия водителя.
Рис. 5. Патрон фильтра частиц HJS - вид со стороны выхлопа (Источник: HJS)
Удаление твердых частиц путем сжигания затруднено. Их самовозгорание происходит при температуре 550 ° C, а выхлопные газы двигателей легковых автомобилей в городских условиях достигают температуры около 150-200 ° C. Это выше только при движении с более высокими нагрузками двигателя (дороги между городами, скоростное движение, шоссе). Более высокие температуры выхлопных газов выделяют двигатели грузовиков и рабочие машины - от 300 до 450 ° C, поскольку они обычно работают в условиях, близких к максимальной нагрузке.
Рис. 6. Отдельная секция фильтра частиц HJS
Существует два метода удаления частиц из выхлопных газов:
- понижение температуры их самовоспламенения,
- повышение температуры выхлопных газов.
Оба метода используют процессы пассивной или активной регенерации сажевых фильтров (рис. 4). Однако двигатель не всегда работает в условиях, обеспечивающих эффективную регенерацию. Фильтры с частичным потоком выхлопных газов, даже если в них скопилось слишком много твердых частиц, не препятствуют потоку выхлопных газов до такой степени, которая ограничивает производительность двигателя. Только большая часть выхлопных газов проходит через фильтр как неочищенные.
Частичный выпускной фильтр HJS
Это малоизвестная немецкая компания в Польше. Изготовленный на нем фильтрующий элемент ( рис. 5 ) состоит из множества фильтрующих секций, установленных радиально относительно оси этого узла ( рис. 6 ). Секция фильтрации изготовлена из спеченных металлов. Часть выхлопа, подлежащая очистке:
1. течет со стороны закрытого фильтрующего участка (вид А),
2. течет через слой спеченных металлов в центр секции - твердые частицы отделяются,
3. потоки очищены с открытой стороны секции (вид B).
Необработанный дымоход проходит через канал, расположенный на оси фильтра (2, рис. 7 ). Их количество можно определить, выбрав количество и диаметр отверстий, выполненных в полых болтах (1), закрывающих канал 2.
Рис. 7. Вид сажевого фильтра HJS со стороны выпуска: 1 - полый болт с отверстиями; 2 - выпускной канал в оси фильтра
Фильтр HJS регенерируется в пассивном процессе, обозначенном аббревиатурой CRT ( непрерывно регенерирующая ловушка ). Это следует ( рисунок 8 ) следующим образом:
1. Двигатель содержит топочный газ, содержащий следующие вредные компоненты: окись углерода (CO), углеводороды (HC), оксид азота (NO - из группы соединений, обозначенных NOX) и твердые частицы (PM).
2. В окислительном каталитическом нейтрализаторе (установленном перед сажевым фильтром) «дожигание» окиси углерода (CO) и углеводородов (HC) - это продукты: углекислый газ (CO2) и водяной пар (H2O). В то же время оксид азота (NO) окисляется до диоксида азота (NO2). Реакции окисления повышают температуру выхлопных газов примерно на 100 ° C.
3. В фильтре твердые частицы (ТЧ), построенные в основном на основе углерода, окисляются диоксидом азота (NO2). Продукты: оксид азота (NO) и углекислый газ (CO2). Большая часть частиц (ТЧ) удаляется из обработанной части выхлопа, но, к сожалению, остается вредный оксид азота (NO). В некоторых современных двигателях CI его удаляют с помощью каталитического нейтрализатора для селективного восстановления оксидов азота, установленного на конце выхлопной системы.
Рис. 8 Реакции, происходящие при пассивной регенерации сажевого фильтра и составов отработавших газов в характерных сечениях системы выпуска
Фильтр частичного выхлопа от Emitec
Это немецкая компания, специализирующаяся на разработке и производстве металлических каталитических нейтрализаторов для таких марок автомобилей, как Porsche и BMW. Он также имеет сажевый фильтр PM-Metals с частичным потоком дымовых газов ( рис. 9 ).
Рис. 9. Сажевый фильтр Emitec PM-Metalit: а) секция; б) расширение секции фильтра вместе с выходными путями потока. Этот фильтр имеет дополнительное окислительное каталитическое покрытие, поэтому перед ним не установлен окислительный каталитический нейтрализатор.
Отработанный газ (1, рис. 10 ) из двигателя, загрязненного твердыми частицами, протекает по каналам, образованным из металлической фольги. Часть потока выхлопных газов (3), проходящего через один канал, отклоняется рулевым колесом (2). Он заставляет поток отклоненного потока дымовых газов (3) через фильтрующий мат (4). Очищенные от макрочастиц (5) выхлопные газы поступают к концу выхлопной системы. Часть потока выхлопных газов (6), не отклоняемая рулевым колесом (2), остается неочищенной от твердых частиц.
Рис. 10. Поток дымовых газов через канал фильтра частиц PM-Metalit, производства Emitec; 1 - поток выхлопных газов из двигателя, загрязненный твердыми частицами; 2 - отклоняющий руль; 3 - часть потока, протекающего через фильтрующий коврик после отклонения рулевого колеса; 4 - фильтрующий коврик; 5 - часть потока очищенных от твердых частиц; 6 - часть потока, которая не была наклонена рулевым колесом и не была очищена
Каналы этого фильтра дополнительно покрыты окислительным каталитическим слоем, поэтому весь процесс регенерации пассивного фильтра происходит внутри него. Существуют также версии без окислительного покрытия, что требует присутствия окислительного каталитического нейтрализатора перед фильтром.
Рис. 11. Автомобильный глушитель с установленными в нем сажевыми фильтрами Emitec PM-Metalit.
Фильтры PM-Metalit устанавливаются в глушителях выхлопных систем двигателей грузовых автомобилей или машин ( рис. 11 ), работающих в основном с высокими нагрузками, поэтому:
- температура их выхлопа выше,
- количество оксида азота (NO), образующегося в камерах сгорания, выше (это необходимо для процесса пассивной регенерации).
Это фильтры с частичным потоком дымовых газов, поэтому они не вызывают чрезмерного увеличения внутреннего сопротивления в случае чрезмерного количества твердых частиц.
Полнопоточный сажевый фильтр
Дымовой газ, протекающий через каналы каталитического нейтрализатора, например тройной или окислительный, нагретый до рабочей температуры, должен иметь контакт только с каталитическим слоем ( рис. 12 ), чтобы происходили химические реакции. Поток дымовых газов не блокируется, но каталитические нейтрализаторы удаляют только вредные газовые компоненты в газе.
Рис. 12. Сечение каталитического нейтрализатора из керамического материала или металлической фольги
Подавляющее большинство твердых частиц может быть удалено из выхлопа, однако, с помощью полнопоточного сажевого фильтра ( рис. 13 ). Его каналы поочередно заглушены на входной и выходной сторонах дымового газа, что заставляет их протекать через стенку из пористого керамического материала (карбида кремния). Твердые частицы удерживаются на поверхности каналов и в объеме фильтрующего материала. Каталитическое покрытие каналов обеспечивает пассивную и активную регенерацию фильтра частиц. Последнее необходимо, когда фильтр для частиц накапливается так сильно, что дальнейшее увеличение их количества приводит к превышению допустимого сопротивления потока (у дымового газа нет другого пути потока). Это может снизить производительность двигателя.
Рис. 13. Сечение полнопоточного сажевого фильтра из керамического материала
Фильтры твердых частиц полного потока, используемые, например, в легковых автомобилях, регенерируются обоими способами. При движении по автомагистралям периоды пассивной регенерации длиннее, а частота активной регенерации ниже. Это противоположность городских условий движения. CDN ,
