Управляя автомобилем с дизельным двигателем

Как пена из никелевого сплава может снизить выбросы углекислого газа и потребление топлива
Кэрролл Маккормик (Carroll McCormick)

Журнал «Никель», июнь 2007 г. -- Известные своей топливной экономичностью, автомобили с дизельным двигателем привлекают все большее внимание особенно теперь, когда во всем мире около 20% выбросов углекислого газа приходится на долю транспортного сектора.

В Европе на дизельном топливе работает большой процент частных транспортных средств, а также большинство машин, предназначенных для грузовых перевозок. В Северной Америке основными потребителями дизельного топлива являются небольшие пассажирские автомобили-фургоны, автобусы и грузовики. Современные системы очистки выхлопных газов дизельного двигателя, хотя и разработаны с учетом норм выброса, увеличивают потребление топлива на 5-10% из-за избыточного давления, вызванного накапливающимся нагаром и периодическим впрыскиванием дизельного топлива в выхлопные системы для сжигания этого нагара. Но недавнее изобретение может способствовать снижению этих потерь: использование пены из никелевого сплава сможет увеличить эффективность выхлопных систем дизельного двигателя.

Технология очистки выхлопных газов дизельного двигателя, позволяющая легковым автомобилям и грузовикам соответствовать текущим и перспективным нормам эмиссии, основывается на трехступенчатом процессе: окислительные нейтрализаторы дизельного топлива (ОНДТ) конвертируют угарный газ и несгоревшие углеводороды в углекислый газ и водяной пар, сажевые фильтры дизельного двигателя улавливают твердые частицы выхлопных газов, а так называемые блоки разложения (DeNOx) разлагают оксиды азота на их газообразные составляющие: кислород и азот.

Компания Inco Special Products (ISP), структурное подразделение CVRD Inco Limited, решила усовершенствовать фильтры и носители катализатора в системах очистки выхлопных газов, состоящих из керамики, металлических листов и волокон. Подразделение разработало носитель катализатора из термостойкой и коррозиеустойчивой пены сплава на основе пены из чистого никеля, которую оно производит в Китае с целью продажи производителям перезаряжаемых никелевых аккумуляторов во всем мире.

ISP производит продукцию специального назначения из никеля для передовых технологий. Свою первую термостойкую пену из никелевого сплава предприятие создало в 2003 г. Пена позволяет производителям разрабатывать системы очистки выхлопных газов дизельного двигателя, обладающие несколькими преимуществами по сравнению с обычными системами. Например, им можно придавать не только обычную форму цилиндра, но и множество других форм. К тому же они легче, меньших размеров, требуют пониженное количество платинового катализатора для достижения такого же каталитического эффекта и потенциально снижают потребление топлива.

Их тестирование близко к завершению, и избранные автомобилестроители будут оснащать новыми системами некоторые модели машин уже к концу 2007 г. ISP пытается также выйти на североамериканский рынок грузовых автомобилей, в рамках которого новые нормы эмиссии дизельных двигателей заставят производителей грузового автотранспорта установить системы очистки на все транспортные средства образца 2007 г. А недавно для систем очистки выхлопных газов дизельного двигателя «распахнулась дверь» еще одного рынка, когда Агентство по охране окружающей среды США предложило, начиная с 2009 г., установить новые стандарты выбросов для локомотивов.

Чистая пена из никеля производится гальваническим способом путем осаждения никеля на полиуретановую пену толщиной до 4 мм и шириной до 1 м. После сжигания полиуретана при помощи специального процесса остается пена из чистого никеля. «Этот никель является исходным материалом для другой продукции, такой как пена из сплавов, - говорит д-р Дирк Науманн (Dirk Naumann), директор отдела новых технологий и развития рынка ISP. - Для обеспечения таких свойств, как жаростойкость, мы можем добавлять в пену другие металлы».

Разработанная ISP пена из сплавов состоит из 50% никеля, 22% железа, 22% хрома и 6% алюминия. Она обладает хорошим коэффициентом сопротивляемости окислению при таких высоких температурах, как 1100° С. Металлокерамический процесс используется для покрытия пены из никеля связующим раствором, а затем – легированным порошком. В результате обжига, во время которого легированный порошок и никелевая пена диффундируют, получается однородный сплав желаемого состава с требуемыми физическими свойствами. Это и механическая прочность, и химическое сопротивление, а также размеры пор в диапазоне от 450 микрон до 2 мм в зависимости от исходной никелевой пены.

«Пена из сплава – великолепное средство для улавливания нагара. Ее действие отличается от технологий использования полнопоточных фильтров», - говорит д-р Александр Боэм (Alexander Boehm). Он изобрел процесс «никель-сплав» трансформации и курирует в ISP разработку продукции из пены из никелевого сплава. «Это - набивной фильтр. Для извлечения нагара из сплава мы используем сочетание диффузии, инерционного сжатия и задержания на линии тока. Эти механизмы воздействуют на частицы разных размеров, включая частицы особо важного нанометрического диапазона».

Пена из сплава также служит носителем катализатора для выполнения функций ОНДТ и DeNOx.

Катализ намного эффективнее в пене из сплава, чем в проточных системах из-за эффекта смешения структуры пены. К тому же в процессе более длительного пути через фильтр из-за большей площади поверхности пены гораздо больший объем выхлопных газов дизельного двигателя подвергается воздействию катализатора.

В результате создана система очистки, размер которой может быть в два раза меньше обычной. Такой системе потребуется в два раза меньше катализатора (как правило платины) для очистки выхлопных газов дизельного двигателя до чистоты, соответствующей нормам эмиссии.

Чтобы фильтры продолжали находиться в рабочем состоянии, их надо время от времени регенерировать, сжигая накопившийся нагар. При температурах, превышающих 250° С, происходит пассивная регенерация: реакция нагара с перекисью азота и образование углекислого газа. Но когда во время рабочего цикла двигателя температура выхлопной системы поднимается недостаточно высоко для возникновения пассивной регенерации, в систему добавляется дизельное топливо с интервалами, необходимыми для сжигания нагара при температурах, которые могут подняться до 1000° С. Это называется активной регенерацией.

Поскольку у фильтров меньшего объема термическая масса ниже, такие фильтры быстрее разогреваются до активной регенерационной температуры, сокращая эмиссии во время запуска двигателя из холодного состояния. А поскольку пенные фильтры из сплава могут переносить более высокое забивание сажей, чем керамические фильтры, им реже требуется активная регенерация, что ведет к потенциальной экономии топлива. Результатом может стать общее снижение потребления транспортным средством топлива и уменьшение выброса газов (в зависимости от сложной взаимосвязи с обратным фильтрационным давлением).

Для транспортного сектора, вносящего «большой вклад» в выброс в атмосферу углекислого газа и в связи с этим состоящего на заметке у регулирующих организаций, это – хорошая новость.

Кэрролл Маккормик – наш внештатный автор из Монреаля.

ФОТОГРАФИИ: CRVD Inco и iStock

<< Назад   --   Вперед >>