Чтобы некоторые дизельные автомобили соответствовали стандартам выбросов, необходимо добавить то, о чем большинство людей не могут даже подумать. Из-за проблем с выбросами необходимо решать проблему оксидов азота. Есть два пути решения проблемы выбросов. Одним из них является профилактика, которая предполагает сдерживание возникновения проблем на ранней стадии их развития. Один из подходов — управление, которое предполагает эффективное завершение работы-после возникновения проблемы. Эти два метода называются соответственно предварительной обработкой и постобработкой. Предварительное-лечение устраняет основную причину, а последующее-лечение устраняет симптомы. Выбросы дизельных двигателей в основном состоят из оксидов азота (NOx) и твердых частиц (PM) (включая сажу (DS)), за которыми следуют углеводороды. По сравнению с бензиновыми двигателями, дизельные двигатели содержат гораздо меньше CO и HC, но гораздо больше твердых частиц.
Европейские стандарты выбросов для дизельных двигателей следующие: В начале 1990-х годов многие технологии быстро развивались с помощью электронного управления (например, японская компания Denso внедрила систему Common Rail высокого-давления). За счет усовершенствований камеры сгорания, правил впрыска топлива, впуска и выпуска и т. д. удалось добиться полной очистки внутри машины. Однако, будь то в Европе или Китае, поворотный момент в основном завершился на четвертом этапе стандартов выбросов. Полагаться исключительно на предварительную обработку для соответствия действующим стандартам больше невозможно. CO служит свидетельством полного сгорания или нет.
На последующих этапах стандарты остались неизменными, что, по сути, указывает на то, что продолжение оптимизации сгорания для решения проблем выбросов является довольно сложной задачей. Как упоминалось ранее, наиболее важными выбросами дизельных двигателей являются NOx и PM. Очистка твердых частиц в основном осуществляется с помощью сажевых фильтров (DPF), тогда как NOx в основном очищается путем каталитического восстановления. NOx также является относительно важным выбросом для бензиновых двигателей. Выбросы NOx бензиновых и дизельных двигателей мало чем отличаются. Конечно, управление дизелями сложнее, но они в принципе одного порядка. Лишь на третьем этапе европейских стандартов выбросов выбросы NOx были официально выделены в отдельный пункт.
Основными условиями образования NOx являются высокая температура и насыщение кислородом. Температура выхлопных газов бензинового двигателя немного на 100–200 градусов выше, чем у дизельного двигателя, но в основном она одинакова при прохождении через участок трубопровода к секции последующей-очистки. Последующая обработка для контроля NOx в основном осуществляется с помощью трехкомпонентного катализатора. Среди трех драгоценных металлов родий и Rh могут катализировать восстановление NOx до газообразного азота восстановителем при относительно низкой температуре. Восстановителем может быть H2 или CO.
Однако этот вид реакции восстановления сильно зависит от концентрации кислорода в окружающей среде. Как только концентрация кислорода превышает определенный предел, эту REDOX-реакцию становится трудно эффективно провести. Это обязательное условие. Будь то бензиновый или дизельный двигатель, процесс сгорания в основном можно разделить на период задержки (подготовка к воспламенению), период быстрого зажигания (быстрое высвобождение энергии) и период дожигания (топливо, которое не сгорело полностью в период быстрого зажигания, продолжает выделять энергию). Однако обычно считается, что перед периодом дожигания дизельного двигателя наступает период медленного-сгорания. В этот период сгорание все еще происходит быстро, а давление внутри цилиндра продолжает расти. Но поршень прошел верхнюю мертвую точку и начал двигаться вниз, а объем цилиндра продолжает увеличиваться. Сгорание должно быть достаточно быстрым, чтобы увеличение давления нейтрализовало эффект расширения объема цилиндра. Поэтому в целом скорость увеличения давления медленнее, чем в период быстрого-горения.
В период дожигания из-за присутствия выхлопных газов и промежуточных продуктов, образующихся при быстром и медленном горении, концентрация кислорода уже начала снижаться. Если концентрация кислорода недостаточна, это приведет к резкому ухудшению сгорания оставшегося топлива, что приведет к неполному сгоранию, снижению экономической эффективности, увеличению выбросов твердых частиц и другим последствиям. Это явление дизельных двигателей довольно серьезное. Эффект наддува принесет здесь много преимуществ (на самом деле, турбокомпрессоры в настоящее время являются почти стандартом для дизельных двигателей), поэтому дизельным двигателям требуется сгорание, обогащенное кислородом. Однако сгорание с обогащением кислорода- является причиной того, что контроль выбросов NOx в дизельных двигателях затруднен. Учитывая ранее упомянутую зависимость трех-каталитических нейтрализаторов от концентрации кислорода, для дизельных двигателей нереально использовать трех-каталитические нейтрализаторы бензиновых двигателей.
Конечно, существует и противоречие в регулировании сгорания в цилиндре, то есть сложность согласования NOx и PM, когда один растет, а другой падает. Метод очистки NOx мочевиной называется SCR (селективное каталитическое восстановление), который обладает чрезвычайно высокой каталитической селективностью. Восстановителями, используемыми в SCR, могут быть различные вещества на основе аммиака-, такие как газообразный аммиак (NH3), аммиачная вода (NH4OH), мочевина (NH2) (2CO) и даже некоторые углеводороды. При использовании аммиака рабочая температура должна находиться в диапазоне от 250 до 500 градусов Цельсия. Соответствующие реакции заключаются в следующем: если температура слишком низкая, реакция не может протекать эффективно; если оно слишком высокое, это повредит каталитический нейтрализатор и приведет к прямому окислению восстановителя, что приведет к большему расходу восстановителя и образованию новых NOx.
Если в качестве восстановителя используется аммиачная вода, эффект будет выдающимся. Это может сократить выбросы NOx более чем на 95%. Однако вся машина требует очень сложной системы управления, и запах аммиачной воды принять крайне сложно. Так что вообще говоря, удобнее использовать мочевину. Когда водный раствор мочевины имеет температуру выше 200 градусов, образуется NH3. Таким образом, с помощью системы впрыска и контроля можно эффективно удалять NOx.
ЭБУ рассчитывает концентрацию выбросов NOx на основе частоты вращения дизельного двигателя и объема впрыска топлива, оценивает степень конверсии NOx на основе теории мочевины и температуры каталитического нейтрализатора SCR и рассчитывает необходимое количество NH3. Наконец, текущий требуемый объем впрыска мочевины определяется соотношением между NH3 и мочевиной.
Эффективность весьма значительная. Коэффициент конверсии, требуемый Евро IV, составляет всего 50%.
Что касается выбросов, сочетание технологий предварительной-очистки и последующей-очистки также весьма специфично, и необходимо найти компромисс между производительностью и стоимостью.
