Выхлоп

В настоящее время на правительственном уровне уделяется особое внимание качественному уровню нефтепродуктов (автомасел, топлива и т.д.). В частности, у нас на Украине Верховная Рада недавно приняла в первом чтении Законопроект о внесении изменений в Кодекс Украины об административных правонарушениях, направленный на усиление контроля качества нефтепродуктов, реализуемых в оптовой и розничной торговле. 

Проблема качества топлива остро встала перед человечеством еще два-три десятилетия назад. Еще тогда к ее решению подключились инженеры и изобретатели всего мира. Сегодня специалисты всего мира стремятся создать новые технологии производства, чтобы разработать новый состав топлива с целью достичь компромисса между токсичностью выхлопов и эффективностью работы двигателя. Ведь, с одной стороны, требования к экологичности выхлопа постепенно повышаются, а для этого необходимы новые виды топлива, с измененным или даже принципиально другим составом. С другой стороны, качественно работающий двигатель имеет менее токсичный выхлоп; тем самым, создается необходимость в моторных маслах с улучшенными свойствами, более высоких классов. В данном материале мы расскажем о том, какие работы были проведены в целях повышения экологичности двигателей. 

Топливо. Исследования и разработки. 

Как известно, все более жесткие требования к уровню токсичности выхлопа заставляют разработчиков переводить двигатели на работу с более обедненными смесями и устанавливать каталитические нейтрализаторы вредных выбросов в выхлопных газах. С другой стороны, экологически чистый автомобиль надо «кормить» подходящим топливом. 

Ранее считалось, что выхлоп дизельного двигателя не так опасен для окружающей среды, как выхлоп бензинового: дизели работают с большим коэффициентом избытка воздуха. Во всем мире газ признан как дешевое, экологически чистое топливо, по многим свойствам превосходящее бензин. Действительно, использование газа не требует изменения конструкции автомобиля, оставляя возможность использования как бензина, так и горючего газа в качестве топлива. Кроме того, при условии использования газа увеличивается срок службы моторного масла, т.к. продукты сгорания бензина, попадая в масло, окисляют его, вызывая преждевременное старение и выработку присадок. Основное же преимущество сжиженного газа перед бензином состоит в том, что в сжиженном газе нет свинца, очень низкое содержание серы, ароматических углеводородов и других загрязняющих примесей. Особенно это касается свинца, который в обязательном порядке добавляют в бензин в виде тетраэтилсвинца и который является потенциальным отравителем атмосферы, а также серы, которая выбрасывается в атмосферу вместе с продуктами сгорания. 

Однако последние исследования говорят о том, что и дизельные двигатели, выбрасывающие в атмосферу большое количество окислов азота и некоторых других твердых продуктов сгорания, оказывают вредное влияние на органы дыхания, способствуют образованию смога, а в некоторых случаях могут быть канцерогенными. Борьба за уменьшение выброса вредных веществ дизелями, основанная на улучшении процессов сгорания топлива в двигателе, постепенно ведет к созданию экологически чистых автомобилей. Этой цели послужило освоение непосредственного впрыска топлива в легковом дизеле, разработка и эксплуатация электронных систем управления впрыском, производство высокоэффективных камер сгорания. Все это позволяет значительно уменьшить выброс двигателями вредных веществ. С другой стороны, к ужесточению показателей дизельного топлива по содержанию серы вынуждает потребность рынка в двигателях с увеличенным интервалам обслуживания. 

В ходе последних исследований, проводимых организацией ASTM (Американское общество по методам испытаний), было установлено, что уменьшение вредного выхлопа возможно при условии существенного улучшения качества применяемого топлива. Здесь одной их ключевых задач является снижение содержания в топливе серы. Сера, присутствовавшая в выхлопных газах, вызывает увеличение общей массы выбрасываемых твердых частиц в атмосферу, а также препятствует нормальной работе катализатора. При уменьшении содержании серы в дизельном топливе существенно улучшается функция нейтрализаторы выхлопных газов. Было установлено, что применение топлива с малым содержанием серы может значительно увеличить эффективность работы нейтрализатора со снижением выбросов углекислого газа и монооксида азота. На данный момент в мире освоено производство, при котором сера из топлива удаляется гидрированием. Такая технология позволяет получать топливо с содержанием серы, равным 0,01 — 0,05%. Однако в то время как перевод двигателя с бензина на сжиженный газ относительно прост и дешев, удаление серы из топлива - процедура более дорогая. Получаемое таким образом топливо будет дороже обычного, т.к. если доводить качество дизельного топлива по содержанию серы до норм бензина, оно становится намного его дороже; тем не менее для то- го чтобы стимулировать его производство, правительства различных стран разработали систему поощрения за счет налогов. 

Что касается еще одной части твердых выбросов — сажи, то с ней борются путем применения мелкоячеистых фильтров, которые способны задерживать до 90% твердых остатков выхлопа. Однако из-за характерных режимов эксплуатации и громоздкости подобных установок этот способ практически невозможно использовать в легковых автомобилях. Поэтому автомобильные концерны пытаются разработать фильтры не задерживающие, а осаждающие нагар. Другой способ борьбы с сажей — введение в дизельное топливо добавок, позволяющих снизить температуру горения твердых частиц. При одновременном применении сажеуловителей, противодымных присадок и малосернистого топлива получают превосходные показатели по токсичности выхлопа. 

Кроме этого, сейчас обсуждается испытание и внедрение в практику систем питания дизельных двигателей, работающих на смеси дизтоплива и воды. Вода здесь используется для понижения температуры в камере сгорания, при этом не наблюдается снижения КПД двигателя. 

Другой способ снижения выхлопа (NO)x в частности, реализован на многих тягачах соответствующих нормам токсичности Евро-3: при более позднем моменте впрыска топлива в камеру сгорания увеличивается образование и выброс сажи. Для устранения этого явления на современные автомобили устанавливаются специальные фильтры-сажеуловители. 

Сегодня уже есть топлива, которые частично решают вопрос о выбрасываемом в атмосферу углекислом газе. Например, если этиловый спирт, входящий в состав топлива, был получен путем перегонки из биомассы (силос и т.п.), то при его сжигании в атмосферу лишь возвращается то минимальное количество СО>, которое растения в свое время извлекли оттуда в процессе фотосинтеза. А в Германии, к примеру, уже используют дизельное топливо из биомассы Biotrol. Пока его добавляют к обычному горючему, но ведутся эксперименты по переводу двигателей на 100-процентный Biotrol. 

Между тем некоторые эксперты видят перспективу в применении водородного топлива, мотивируя это тем, что при сжигании водорода не образуется никаких вредных веществ — только чистая вода, так что если автотранспорт перевести на водородные двигатели, воздух в городах станет совершенно чистым. Прибор, называемый топливной батареей, превращает энергию сгорающего водорода напрямую в электричество. Заменив такой батареей двигатели внутреннего сгорания транспортных средств, можно значительно сократить выбросы парниковых газов и таких вредных веществ, как оксиды азота, угарный газ и частицы сажи. Автомобильные компании всего мира пытаются применять эту технологию. Но существует целый ряд препятствий, не последнее из которых — проблема утечки водорода при его производстве и транспортировке, что влечет за собой увеличение его количества в атмосфере. 

Требования к моторным маслам.

 В целом освоение промышленного производства высококачественного дизельного топлива побудило членов участников API к разработке принципиально нового класса масла для дизелей. Данный класс масла был введен в связи с ужесточением требований к составу выхлопных газов дизелей в 1993 году. В 1995 году в этой категории масел появился абсолютно новый класс масел — CG-4. Основные причины, побудившие производителей к созданию этого класса масла, были следующими. 
1. Повышенная дымность двигателей: при попадании сажи в картер через зазоры в уплотнении и смешивании ее с маслом существенно растет вязкость последнего, что является недопустимым. 
2. Высокое расположение компрессионных колец повышает максимальную температуру воздействующую на масло. 
3. Рециркуляция выхлопных газов, понижающая максимальную температуру в камере сгорания на режимах до предельных и повышающая среднюю температуру масла. 

Известный ряд масел для дизельных двигателей, классифицированных по системе API, также претерпел изменения: вместо масла класса по API CD, который признан устаревшим, был принят класс CF. Главным отличием между данными двумя классами является то, что тот же комплекс испытаний производится на более совершенном двигателе Caterpillar 1М-РС. 

Самый распространенный класс масла по АР!, СЕ, также был признан устаревшим, а вместо него был принят класс API CF-4. Параметры, которые были обязательными для аттестации масла, в новом классе CF-4 определяются на другом двигателе (Caterpillar 1к); требования по этим параметрам существенно ужесточились по ряду свойств, особенно в отношении моющих. Для класса CF-4 стали обязательными ряд дополнительных испытаний.

В стандарте АСЕА также произошли изменения. Среди причин называют следующие: 
— изменение требований по экологичности двигателей, оговоренные в принятом стандарте Евро-2 и проекте Евро-З, заставляет производителей создавать двигатели, соответствующие будущему стандарту по токсичности; 
— ужесточаются требования по содержанию серы в дизельном топливе (ее должно быть не более 0,05%); 
— претерпела изменения система контроля качества и классификационных испытаний. Теперь масла должны быть произведены из сертифицированной основы, прошедшей комплекс испытаний с каждым видом пакета используемых присадок; 
— возрастает потребность в создании автомобилей с высокой топливной экономичностью, которая реализуется в том числе за счет более тяжелых температурных режимов. 

Результатом проведенных за последние годы работ стало то, что сегодня введен целый комплекс испытаний масла по контролю увеличения вязкости при высоком содержании в нем сажи. 

Итог Разработать и внедрить в производство качественно новое топливо, которое обеспечит полное соответствие нормам токсичности без потери эффективности работы двигателя, — это только одна сторона дела. В дальнейшем огромное значение будут иметь та- кие факторы, как приспособленность выпускаемых двигателей к данному виду топлива, продаваемость продукта и, опять же, совместимость с различными видами моторных масел. 

Международные стандарты предельно допустимых значений токсичности выхлопа