Как се развиха дизеловите двигатели във времето
Първите дизелови двигатели се появяват около десетилетие след бензиновите мотори - преди 130 години. Оттогава, обаче, технологията се промени много, което провокира английското издание Autoevolution да ни припомни основните крайъгълни камъни в “дизеловата” технология при двигателите с вътрешно горене.
Подобно на своите бензинови събратя, дизеловите мотори изминават дълъг път, като дори в последните години разликата в представянето им е главозамайваща. В края на 90-те например, дизеловите коли се чуваха от 100-ина метра. Те работеха неравномерно и грубо, а днес всички се наслаждават на тиха и рафинирана работа, както и на значително по-нисък разход на гориво. През миналата година Volkswagen беше замесена в скандала Дизелгейт, който постави под въпрос ореола на дизеловите двигатели. Дали те са толкова ефективни, колкото ги изкарват техните производители?
Дизеловите мотори започват живота си като индустриални машини, но впоследствие преминават в масовото автомобилостроене. Още от първия момент, те впечатляват инженерите със своята ефективност. В сравнение с парните машини със сходен работен обем, дизеловият двигател има много по-добра термодинамична ефективност от 32-35% спрямо 18% при парния двигател.
Тайната се крие в свойствата на дизеловото гориво, което съдържа повече енергия на единица обем от бензина. Освен това, дизеловите двигатели имат по-висока степен на сгъстяване, което намалява разхода на гориво на празен ход. Модерните дизелови двигатели реализират пикова ефективност от 45% в пътническите автомобили, като според учените стойността ще скочи до 55% в близко бъдеще. На теория, работният цикъл на дизелов двигател може да достигне 75% ефективност, но на практика подобни показатели все още не са били достигани.
Феновете на този тип двигатели ценят особено високия въртящ момент, както и по-ранното му разгръщане в оборотния диапазон. Така или иначе, дизеловите мотори не успяват да развият мощността на бензиновите си събратя с еквивалентен работен обем, защото работят при много по-ниски обороти.
Какъв е проблемът с емисиите на дизеловите двигатели?
Още от самото начало, дизеловият двигател произвежда по-малко въглероден диоксид от еквивалентен бензинов мотор. Въпреки това, дизелът генерира повече твърде частици и други токсични замърсители на въздуха. Най-опасни за здравето са фините частици, част от които са обявени от Световната здравна организация за канцерогенни.
И така, дизеловите двигатели започват своя живот като по-опасни за планетата и живите организми от бензиновите мотори. Именно заради това, стандартите за вредните емисии на дизеловите агрегати са по-строги и някои производители не успяват да ги покрият, както нагледно демонстрира Дизелгейт.
Проблемът
Горивната смес на дизеловите двигатели често води до непълно изгаряне, от което произлиза и голямото количество твърди частици. Ако се концентрираме върху модерните 4-тактови дизелови мотори, трябва да кажем, че те генерират малки наночастици, които са особено опасни, тъй като могат да навлязат в дихателната система и да причинят редица заболявания.
От непълното изгаряне на дизеловите двигатели произтича и изпускането в атмосферата на други частици и сажди. В зависимост от качеството на горивото, съставът на замърсяващите частици варира. Модерните дизелови двигатели изискват дизелово гориво с ниско съдържание на сяра, за да работят оптимално.
Първите решения
Катализаторът е едно от първите решение, с което автомобилната индустрия се опитва да намали количеството на вредните емисии, генерирани от дизеловите двигатели. Първоначално технологията използва химическа реакция за намаляване на оксидите, а впоследствие катализаторите еволюират и започват да улавят дори азотните оксиди, които са особено опасни за човешкото здраве. Именно азотните оксиди стоят в основата на Дизелгейт на Volkswagen.
Катализаторите комбинират кислород и въглероден оксид с неизгорели хидровъглероди, за да генерират въглероден диоксид и вода. Те се справят със задачата, използвайки редки метали като родий, паладий, платина и други керамични части. Въпреки че бензиновите и дизеловите двигатели изискват различни катализатори, последните работят на същия принцип.
Специализирани катализатори
По-строгите норми за вредни емисии задължиха автомобилните производители да разработят специфични катализатори за дизеловите двигатели. В техния състав фигурират платина, алуминиев оксид и паладий, които в комбинация действат като катализатор, който оксидира хидровъглеродите и карбоновия оксид, генерирани при изгарянето на дизеловото гориво.
Процесът се нуждае от кислород във формата на въглероден диоксид и вода. Повечето катализатори от този тип работят при 90% ефективност и значително намаляват количеството сажди и миризмата на дизел. Все пак обаче, процесът оставя някои фини частици, които също трябва да се елиминират.
Въпреки напредналите технологии, новите катализатори не се справят с намаляването на нивата на опасния азотен оксид, тъй като това би стартирало нежелана реакция с високото съдържание на кислород в катализатора. Нужен бил нов метод.
Едно от първите решения да се постигне това е рециркулацията на изходящите газове - технология, която е доказана в бензиновите двигатели.
Рециркулация на изходящите газове
Технологията за намаляване на вредните емисии чрез връщането на изходящите газове в горивната камера за повторно изгаряне, използва специален клапан, наречен EGR. Идеята при тази система е да се вкарат в горивната камера инертни газове, за да отнемат от температурата, генерирана при възпламенителния процес. Това от своя страна намалява количеството азотен оксид, тъй като този газ се произвежда при големи налягания и висока температура.
В модерните двигатели изходящите газове не се връщат за повторно изгаряне постоянно, тъй като процесът не подобрява ефективността във всички режими на работа на двигателя. В дизеловите двигатели EGR работи през 50% от времето, когато е най-ефективен в намаляването на азотния оксид. Различните компании използват различни системи, но най-често инженерите монтират топлообменник, който намалява температурата на газовете, преди те да се върнат в мотора. За да осигурят максимална ефективност, системите от този тип използват много електроника и сензори.
Филтър за твърди частици
Тъй като обикновените катализатори не се справят с въглеродните частици, дизеловите двигатели започват да бъдат оборудвани с DPF филтри. Те използват няколко редки метали и насочват изходящите газове към стените на самия филтър, които са покрити са кордиерит или силициев карбид, който улавя саждите, генерирани от изгарянето на дизеловото гориво. Електрониката на двигателя следи за нивата на твърдите частици в DPF филтъра и на определен период от време активира цикъл за регенерацията му.
По време на този цикъл сместта на горивната смес се обогатява с повече гориво, което повишава температурата и изчиства филтъра. Дизеловите автомобили, които се движат предимно на къси разстояния в градски условия, се нуждаят от регенерация на филтрите си по-често.
Ако шофьорът не знае, че в момента DPF филтърът на колата му се регенерира и без да иска изключи двигателя, филтърът може да остане запушен, да се повреди и да е необходима замяната му.
Когато DPF не е достатъчен
Когато DPF филтърът не е достатъчен и не може да се справи с намаляване на вредните емисии на автомобила, производителите прибягват до други решения - селективна каталитична редукция и процес, наречен Lean NOx trap, който е разработен специално за намаляване на азотните оксиди в изходящите газове.
Повечето производители използват селективна каталитична редукция, което е техническо решение, включващо реактив, който превръща азотният оксид в азот. Той работи със специална добавка за горивото, наречена AdBlue, за която ще стане въпрос по-долу.
Lean NOx Trap
Системата работи с помощта на катализатор със специално покритие. то от своя страна използва зеолити или алкален оксид, които поглъщат частиците, намалявайки съдържанието на азотни оксиди. Подобно на DPF филтъра, процесът има нужда от високотемпературна регенерация на определен период от време.
За съжаление това намалява живота на абсорбиращия вредните емисии материал, което е и основното предизвикателство пред инженерите, коит осе чудят как да оптимизират технологията, за да осигурят нейната дългосрочна надеждност. Този метод за намаляване на емисиите е широко разпространен в Европа, но нито един производител не го използва в цялата си гама от дизелови автомобили.
Засегнатите от Дизелгейт автомобили на Volkswagen използваха Lean NOx Trap решения за намаляване на азотните оксиди. Както целия свят вече знае, това не завърши добре за Volkswagen, но затова не е виновна само LNT технологията. Германската компания е спестила ужасяващо много пари, лишавайки колите си от селективна каталитична редукция или SCR, която според специалисти е щяла да даде нужните на компанията резултати. Вместо нея, компанията е инсталирала специален софтуер, който заблуждава регулаторните органи и това доведе до мащабния скандал.
Универсалното решение
Някои дизелови автомобили използват комбинация от LNT и SCR. Това решение е по-скъпо, но пък позволява на компаниите да се справят с все по-строгите изисквания на различни екологични стандарти.
