Центральная роль послеоперационного выхлопа в современных отто-цикловых двигателях

Двигатели с искровым зажиганием, работающие по циклу Отто, обеспечивают личную мобильность уже более века. Хотя их фундаментальная архитектура остается аналогичной ранним конструкциям, выхлопные газы, выходящие из выхлопной трубы сегодня, принципиально отличаются. Современные бензиновые автомобили выделяют только часть загрязняющих веществ, производимых их предшественниками, в основном из-за передовых систем последующей обработки выхлопных газов. Эти устройства химически преобразуют вредные вещества в доброкачественные газы до того, как они попадают в атмосферу, что позволяет соблюдать все более строгие правила выбросов во всем мире. Без них двигатель внутреннего сгорания не мог бы сосуществовать с городскими целями качества воздуха.

В этой статье рассматривается, как развивалась технология последующей обработки для двигателей цикла Отто, ключевые компоненты, которые очищают поток выхлопных газов, правила, которые стимулируют их принятие, и инженерные проблемы, которые продолжают формировать их развитие. От трехсторонних катализаторов до фильтров для твердых частиц бензина и стратегий постного сжигания, каждая часть аппаратного и программного обеспечения должна работать в гармонии, чтобы соответствовать стандартам, которые теперь рассматривают реальное вождение, а не только лабораторные циклы.

Понимание выбросов из цикла Отто

Двигатель цикла Отто сжигает смесь воздуха и топлива внутри цилиндра. Когда сжигание завершено, идеальными продуктами будут углекислый газ (CO2), водяной пар (H2O) и азот (N2). На самом деле сжигание никогда не бывает идеальным. Местные изменения температуры, прочности смеси и распространения пламени производят ряд регулируемых загрязнителей:

  • Оксид углерода (CO) — токсичный газ, образующийся при недостаточном количестве кислорода для полного окисления углерода в топливе. CO связывается с гемоглобином в крови, уменьшая доставку кислорода к тканям.
  • Несгоревшие углеводороды (HC) — молекулы топлива, которые избегают сгорания, часто из-за тушения пламени вблизи стенок цилиндров или неполного смешивания.Углеводороды способствуют озону и смогу на уровне земли, а некоторые виды являются канцерогенными.
  • Оксиды азота (NO и NO2, вместе NOx) — образуются при высоких температурах, когда азот и кислород в воздухе реагируют. NOx является ключевым предшественником кислотных дождей, озона на уровне земли и раздражителей дыхания, которые усугубляют астму.
  • Твердые частицы (PM) — особенно актуальны с бензиновыми двигателями прямого впрыска (GDI), где распыление топлива, попадающее на поршневые поверхности или неполное смешивание, может генерировать частицы сажи. Эти мелкие частицы проникают глубоко в легкие и связаны с сердечно-сосудистыми заболеваниями.

Двигатели цикла Отто работают преимущественно вблизи стехиометрического соотношения воздух-топливо (lambda = 1), где доступно только достаточное количество кислорода для сжигания всего топлива. Это узкое окно имеет решающее значение для работы самого широкого устройства после обработки - трехстороннего каталитического нейтрализатора (TWC) - потому что его одновременная конверсия всех трех основных загрязнителей требует жестко контролируемого состава выхлопных газов. Когда двигатель работает богато (избыточное топливо), CO и HC резко растут; когда он работает худощаво (избыточный воздух), эффективность преобразования NOx падает. Поэтому современные системы управления двигателем переключаются между богатыми и худощавыми экскурсиями несколько раз в секунду, чтобы держать катализатор в рабочем окне. Использование широкополосных датчиков кислорода и быстро реагирующих топливных форсунок сделало это управление замкнутым контуром возможным с периодами суб-второго цикла.

Прямой впрыск бензина вносит дополнительное осложнение. Топливо, впрыскиваемое непосредственно в цилиндр, может врезаться в поршневые поверхности или стенки цилиндров до полного испарения. Это создает локально богатые топливом зоны, которые пиролизуются в углеродистые частицы сажи. Переход от впрыска топлива в порт к GDI, мотивированный экономией топлива и повышением плотности мощности, поэтому увеличил распространенность фильтров твердых частиц в бензиновых транспортных средствах. Понимание взаимодействия между конструкцией камеры сгорания, временем впрыска и давлением впрыска имеет важное значение для контроля выбросов сырого топлива, прежде чем они даже достигнут системы последующей обработки.

Регуляторный ландшафт

Стандарты выбросов для легковых бензиновых транспортных средств резко ужесточились за последние четыре десятилетия. В Соединенных Штатах Агентство по охране окружающей среды (EPA) и Калифорнийский совет по воздушным ресурсам (CARB) установили предельные значения для среднего парка и транспортных средств на единицу транспортного средства. Программа Калифорнийская программа с низким уровнем выбросов (LEV) (LEV) продвинулась через LEV I, LEV II, LEV III, и теперь правила Advanced Clean Cars II, которые требуют увеличения доли транспортных средств с нулевым уровнем выбросов, но продолжают снижать стандарты выхлопных труб для оставшихся транспортных средств внутреннего сгорания. Федеральные стандарты Tier 3, поэтапно введенные с 2017 года, тесно связаны с LEV III и вводят комбинированный предел NMOG + NOx до 30 мг / миля для полного срока службы, толкая пределы NOx в однозначные миллиграммы на милю для самых строгих контейнеров.

В Европе действующий стандарт Euro 6d-ISC-FCM предписывает соблюдение требований как в лабораторных условиях, так и на дорогах посредством тестирования реальных выбросов на дорогах (RDE). Для бензиновых автомобилей коэффициент соответствия NOx на дороге в настоящее время на 1,43 выше лабораторного предела в 60 мг/км, эффективно обеспечивая выбросы около 86 мг/км в широком диапазоне условий вождения. Пределы количества частиц (PN) 6×1011 #/км вынудили широко распространить использование фильтров для твердых частиц бензина для двигателей GDI. Европейская комиссия предложила еще более низкие пределы и ввести соображения выбросов холодного запуска и тормозного износа. Во всем мире Китай 6b, индийский BS-VI и другие стандарты отражают Евро 6, создавая единый толчок для продвинутой послеоперационной обработки в мировом масштабе. Многие из этих стандартов теперь включают требования к нулевым испарительным выбросам и пороги мониторинга бортовой диагностики (OBD), которые заставляют оценивать состояние катализатора в режиме реального времени.

Эти правила не являются статичными. Тестирование соответствия в реальном мире с использованием портативных систем измерения выбросов (PEMS) выявило большие расхождения между циклами утверждения типа и фактическим вождением. Следовательно, автопроизводители должны проектировать системы последующей обработки, которые надежно работают при температуре, высоте, стиле вождения и полезной нагрузке, а не только на заранее определенном следе. Коэффициент соответствия на дороге для PN также был ужесточен, требуя, чтобы GPF поддерживали высокую эффективность фильтрации даже во время маневров с высокой нагрузкой. Выбросы холодного запуска, которые могут составлять до 80% от общего объема выбросов при поездках в коротких городских поездках, все чаще регулируются с помощью низкотемпературных испытательных циклов. Стандарт LEV III SULEV30 в Калифорнии, например, включает в себя испытание холодного запуска 20 ° F, которое требует преобразования в течение секунд после запуска двигателя.

Основные технологии послеоперационного лечения для двигателей Otto

Каталитический преобразователь трех путей (TWC)

Трехсторонний каталитический нейтрализатор является основой контроля выбросов для стехиометрических двигателей, зажигаемых искрой. Размещенный в канистре из нержавеющей стали, TWC содержит керамический или металлический субстрат, покрытый мочалкой, которая содержит драгоценные металлы - обычно платину (Pt), палладий (Pd) и родий (Rh). Палладий и платина способствуют окислению CO и HC, в то время как родий избирательно снижает NOx. Компонент хранения кислорода в плаще для хранения церия-циркония в буферах для хранения кислорода = 1, высвобождая кислород во время богатых импульсов и поглощая его во время бережливых экскурсий. Эта емкость для хранения кислорода (OSC) необходима для поддержания высокой эффективности преобразования, несмотря на быстрые события разреза топлива или обогащение ускорения.

Современные ТЗК достигают одновременной эффективности преобразования выше 98% для СО и НС и выше 95% для NOx после того, как катализатор достигает своей температуры выключения света (обычно 300-350 ° C). Самой большой проблемой является фаза холодного запуска, когда катализатор находится ниже своей эффективной температуры и до 80% от общего количества выбросов выхлопных газов в течение поездки может произойти. Инженеры используют агрессивные стратегии нагрева - задержка времени зажигания, вторичный впрыск воздуха в выхлопный коллектор и активное управление теплоносителя и масла - чтобы привести преобразователь в течение нескольких секунд. Катализаторы с близкой связью, расположенные сразу после турбокомпрессора или выхлопного коллектора, минимизируют тепловую инерцию. Даже тогда первые 20-30 секунд работы двигателя остаются критическим пространством проектирования. Передовые стратегии включают катализаторы с электрическим нагревом (e-cat), которые предварительно нагревают подложку до проворачивания, сокращая выбросы холодного запуска более чем на 70%. Некоторые производители теперь интегрируют e-cat непосредственно в корпус с близкой связью, чтобы минимизировать потери тепла во время фазы предварительного нагрева.

Новые ТВХ используют слоистые архитектуры, где богатый палладием внутренний слой обрабатывает окисление, в то время как внешний слой родия нацелен на сокращение NOx. Это зонирование предотвращает твердотельные реакции между драгоценными металлами при высоких температурах, которые в противном случае снижали бы каталитическую активность. Кроме того, передовые стабилизаторы, такие как лантан и барий, ингибируют термическое спекание частиц церии, сохраняя емкость хранения кислорода за 100 000 миль. Выбор субстрата - керамическая кордиеритная или металлическая фольга - также влияет на поведение светового отключения и характеристики обратного давления. Металлические субстраты предлагают более быстрое нагревание и более высокую геометрическую площадь поверхности, но могут быть более дорогими в производстве и более восприимчивыми к тепловому повреждению при экстремальных температурах.

Бензиновый фильтр твердых частиц (GPF)

Переход от впрыска топлива в порт к прямому впрыску улучшил экономию топлива, но увеличил выбросы твердых частиц. Бензиновые фильтры твердых частиц являются настенными керамическими монолитами, похожими на дизельные фильтры твердых частиц, но адаптированными к более низким нагрузкам на сажу и более высоким температурам выхлопных газов, типичным для бензиновых двигателей. Фильтр захватывает частицы, вынуждая выхлопные газы проходить через пористые стенки канала, достигая эффективности фильтрации выше 90% для количества частиц с первой мили. Современные подложки GPF используют асимметричную геометрию ячеек, где впускные каналы больше, чем выпускные каналы, уменьшая обратное давление при сохранении высокой площади фильтрации. Пористость стенок фильтра - обычно 55-65% со средними размерами пор 12-20 микрометров - оптимизирована для захвата наночастиц при минимизации ограничения потока.

Регенерация GPF происходит пассивно в нормальных условиях движения, потому что температура выхлопных газов бензина регулярно превышает 500 ° C, что позволяет непрерывно окислять захваченную сажу избытком кислорода. Некоторые системы включают каталитическое покрытие на фильтре для снижения температуры окисления сажи и поддержания преобразования CO / HC, если GPF помещается ниже температуры TWC. Продвинутые модели сочетают покрытие TWC на входных каналах и функцию GPF на выпускных каналах в одной подложке - именуемые cGPF (фильтр твердых частиц с покрытием бензина) - сокращение объема и стоимости. Эти четырехсторонние преобразователи (CO, HC, NOx и PM) в настоящее время являются ведущим кандидатом на будущее соответствие требованиям Евро 7. Накопление пепла от сжигания масла остается проблемой долговечности, но GPF обычно имеют более низкие скорости загрузки золы, чем фильтры с твердыми частицами дизельного топлива, продлевая срок службы до более чем 150 000 миль. Тем не менее, масляные составы с низкой сульфатированной золой, фосфор

NOx после лечения для двигателей Lean-Burn Otto

В то время как большинство бензиновых двигателей работают стехиометрические, стратифицированные с сгоранием концепты заряда - такие как некоторые Volkswagen TSI и Mercedes-Benz BlueDIRECT блоки - работают с избытком воздуха при частичной нагрузке для повышения эффективности. В условиях скудности трехсторонний катализатор не может эффективно уменьшить NOx. Вместо этого эти двигатели требуют ловушки сухим NOx (LNT), также называемой катализатором хранения NOx (NSC), или селективной каталитической системой восстановления (SCR). LNT хранит NOx в качестве нитратов на стиральной оболочке на основе бария или калия во время сухих операций, затем кратко переключается на богатое горение, чтобы высвободить и уменьшить накопленный NOx до N2 по драгоценным металлам. Емкость хранения LNT зависит от температуры: оптимальная работа происходит между 250°C и 450°C, с эффективностью резко падает выше 550 °C из-за десорбции нитратов.

Системы SCR впрыскивают раствор мочевины (AdBlue) вверх по течению от выделенного катализатора, где аммиак реагирует с NOx. Несмотря на свою сложность, SCR обеспечивает более высокую эффективность преобразования и более широкое активное температурное окно (200-500 ° C) по сравнению с LNT. Катализатор SCR - обычно медный или железообменный цеолит - должен противостоять гидротермальному старению при высоких температурах выхлопа, характерных для работы бензина. Катализаторы медного цеолита обеспечивают лучшую низкотемпературную производительность, в то время как варианты железо-цеолита более стабильны выше 600° C. Для бензиновых двигателей с близкой связью LNT и SCR под полом - это новое решение для удовлетворения сверхнизких пределов NOx без ущерба для экономии топлива. В этой конфигурации LNT обрабатывает NOx в течение первой минуты работы, когда SCR все еще холоден, в то время как SCR под полом полирует остаточный NOx после достижения температуры. Точное управление скольжением аммиака через специальный датчик ниже по

Кислородные датчики и замкнутый контроль

Производительность последующей обработки зависит от точного контроля соотношения воздух-топливо. Планарные датчики кислорода цирконии - как тип переключения для датчика пре-катализатора, так и тип широкого диапазона для датчика после-катализатора - обеспечивают обратную связь, необходимую для регулировки ширины импульса впрыска топлива. Датчик нисходящего потока контролирует состояние хранения кислорода катализатора, позволяя блоку управления двигателем обрезать топливные обрезки и обнаруживать старение катализатора. Во время работы на дороге контроллер использует алгоритмы модели для прогнозирования температуры катализатора, деградации ОСК и необходимости форсированных регенераций или десульфационных событий (высокотемпературные экскурсии для удаления отложений серы). Эти события десульфации, обычно выполняемые при температурах выше 650°C с богатым уклоном, должны быть тщательно спланированы, чтобы избежать теплового повреждения подложки. Емкость хранения кислорода сенсерованного катализатора (ОСК) в настоящее время является стандартным параметром OBD: при измерении ОСК падает ниже калиброванного порога, диагностическая система

Широкополосные датчики кислорода продвинулись до точки, где они могут измерять лямбда с точностью ±0,001 по всему рабочему диапазону (от лямбда 0,65 для обогащения холодным стартом до лямбда 1.6 для бережливого сжигания). Эта точность позволяет обрезать топливо для конкретных цилиндров в двигателях, оснащенных отдельными датчиками лямбда в каждом выпускном бегуне. Такая архитектура позволяет блоку управления двигателем компенсировать изменчивость инжектора и различия в распределении воздуха от цилиндра к цилиндру, гарантируя, что выхлопная смесь, поступающая в TWC, равномерно близка к стехиометрической - предпосылка для высокой эффективности преобразования. Тенденция к контролю лямбда-1 во время работы с высокой нагрузкой, когда-то считалась непрактичной, теперь осуществима благодаря этим улучшениям датчика и более быстро реагирующим системам впрыска топлива.

Интеграция систем и термоменеджмент

Физическое размещение компонентов после обработки глубоко влияет на производительность. ТВХ с близкой связью сокращает время отключения света, но может ограничивать пиковую мощность из-за повышенного обратного давления. Катализаторы под полом, размещенные далее по течению, остаются более холодными и требуют дополнительных термических мер. Турбомоторы усугубляют проблему, поскольку турбина извлекает тепло из выхлопных газов, задерживая нагревание катализатора. Электрический нагревательный элемент катализатора (e-cat), где нагревательный элемент интегрирован в подложку, может привести катализатор к рабочей температуре до запуска двигателя, практически исключая выбросы холодного запуска. BMW, Mercedes-Benz и другие ввели 48-вольтные системы e-cat, которые потребляют энергию от мягкой гибридной батареи, позволяя катализатору достигать 350°C непосредственно в каталитической подложке, в то время как другие используют отдельный пре-катализатор нагревающий выхлопный газ до его входа в основной преобразователь.

Термическое управление также защищает катализатор от повреждений. Устойчивое высокое давление может поднять температуру выхлопных газов выше безопасного предела моющего покрытия, что приводит к спеканию драгоценных металлов и постоянной потере активной площади поверхности. Для предотвращения этого блок управления двигателем обогащает смесь для охлаждения выхлопа с избыточным топливом - по стоимости временного увеличения СО и HC, которое все еще должно быть преобразовано оставшейся емкостью. Сложные модели температуры и датчики температуры выхлопных газов обеспечивают обратную связь в режиме реального времени для защиты компонентов. В гибридных транспортных средствах система последующей обработки должна также поддерживаться во время фаз выключения двигателя; стратегии включают улавливание остаточного тепла с изолированными корпусами катализатора и использование электрических нагревателей во время следующего перезапуска двигателя. Подключаемые гибриды, которые перемещаются на большие расстояния в электрическом режиме, сталкиваются с особой проблемой: система последующей обработки может быть полностью холодной, когда двигатель перезапускается после миль работы только от батареи. В таких случаях электронная кошка может предварительно нагревать катализатор до воспламенения двигателя, используя емкость батареи с подзарядкой сетки для достижения почти мгновенного выключения света.

Упаковка выхлопной системы все больше ограничивается совместной работой платформы транспортного средства и необходимостью размещения гибридных силовых агрегатов. Конвертеры с близкой связью должны вписываться в ограниченное пространство вблизи блока двигателя, заставляя размеры подложки сокращаться при сохранении пропускной способности. Некоторые производители приняли эллиптические или ипподромные каталитические подложки для лучшего использования имеющегося объема упаковки. Вычислительная динамика текучей среды (CFD) анализ коллектора выхлопных газов и впускного конуса катализатора в настоящее время является стандартной практикой для обеспечения равномерного распределения потока по поверхности катализатора, предотвращая локализованные горячие точки, которые могут ускорить старение. Неравномерный поток, вызванный плохо разработанной геометрией входа, может снизить общую эффективность преобразования до 20% даже при использовании в остальном здорового катализатора.

Реально-мировая устойчивость и соответствие выбросов

Законодатели теперь требуют, чтобы системы последующей обработки сохраняли свою функцию более 150 000 миль (или 160 000 км) полезного срока службы. Химическое отравление добавками моторного масла (цинк, фосфор, кальций) и переносимой топливом серы постоянно ухудшает активность катализатора. Фосфор образует стекловидные слои на мочалке, блокируя активные участки, в то время как адсорбция серы поглощает драгоценные металлы и препятствует хранению кислорода. Десульфация требует периодической высокотемпературной работы, но эффективность двигателя и долговечность материала накладывают компромиссы. Тестирование, проведенное SAE , показало, что после 100 000 миль преобразование TWC NOx может снизиться на 10-15%, если низкосернистое топливо и низко-арочное моторное масло не используются последовательно. Образование соединений фосфата церия на поверхности мочалки является особой проблемой для материалов хранения кислорода на основе церии, поскольку оно постоянно уменьшает OSC, даже когда катализатор в противном случае функционирует.

Бензиновые фильтры твердых частиц сталкиваются с накоплением золы при сжигании масла, что постепенно увеличивает обратное давление и может в конечном итоге потребовать очистки или замены. В отличие от дизельных фильтров, которые могут накапливать большое количество сажи до того, как давление в спине станет критическим, GPF работают с существенно более низкими нагрузками на сажу, продлевая жизненный цикл загрузки золы за пределы типичного срока службы транспортного средства. Тем не менее, алгоритмы мониторинга должны обнаруживать ненормальное накопление сажи или золы и предупреждать водителя, если фильтр требует обслуживания. Производители разработали прогностические инструменты, которые оценивают оставшийся срок службы фильтра на основе истории вождения и моделей потребления масла. Состав пепла также важен: кальций на основе золы от моющих добавок образует плотные отложения, которые трудно удалить, тогда как зола на основе магния является более пористой и менее ограничительной. Некоторые составы масел двигателя теперь адаптируют свою аддитивную химию для минимизации воздействия золы GPF, тенденция, которая, как ожидается, ускорится с правилами Евро 7.

Испытания на выбросы в реальных условиях выявили недостатки в более ранних стратегиях контроля выбросов. Например, агрессивные ускорения или высокоскоростное движение по автомагистрали могут потребовать богатых смесей, которые превышают емкость хранения кислорода TWC, вызывая короткие, но интенсивные всплески NOx. Селективные системы снижения уровня катализатора также должны управлять проскальзыванием аммиака, который сам по себе является регулируемым веществом. Поэтому современная конструкция после обработки интегрирует датчик аммиака с замкнутым контуром ниже по течению от катализатора SCR для точной настройки впрыска мочевины и предотвращения избыточного высвобождения аммиака. U.S. EPA опубликовала данные, показывающие, что правильно поддерживаемые системы SCR могут достигать эффективности преобразования NOx выше 95% в течение испытательного цикла RDE, при условии, что стратегия дозирования мочевины оптимизирована для переходных температур и условий потока. Производители теперь используют модельное управление на основе подачи-передачи в сочетании с обратной связью датчика для прогнозирования нагрузки аммиака на катализатор SCR, что позволяет точно доз

Проблемы и новые инновации

Между современными технологиями и будущими целями по выбросам с нулевым воздействием существует несколько препятствий. Высокая стоимость металлов платиновой группы (ПГМ), особенно родия и палладия, стимулировала исследования катализаторов с пониженным содержанием ПГМ и без ПГМ. Продвинутые составы вымойного покрытия с перовскитными или шпинельными структурами потенциально могут заменить некоторые функции драгоценных металлов. Исследователи в академических учреждениях и поставщики катализаторов изучают катализаторы Ag/Al2O3 для снижения бережливости и системы Cu-CeO2 для реакций окисления. Хотя эти альтернативы по-прежнему отстают от катализаторов на основе ПГМ по долговечности и эффективности преобразования, прогресс в гидротермальной стабилизации сокращает разрыв.

Цифровые двойники — высокоточные вычислительные модели всей выхлопной линии — позволяют инженерам оптимизировать загрузку катализаторов, геометрию подложки и теплоизоляцию без обширных аппаратных испытаний. Такие модели, подтвержденные техническими документами SAE, сокращают время разработки и позволяют быстро адаптироваться к новым правилам. Комплексный цифровой двойник включает трехмерный поток, теплообмен, химическую кинетику для каждого загрязнителя и старение моделей, которые предсказывают спекание ОСК и драгоценных металлов в качестве функций тепловой истории. Эти инструменты позволяют виртуальную калибровку стратегий контроля выбросов до того, как будут построены физические прототипы, что также применяется к оптимизации катализатора: нейронные сети, обученные на данных динамометра двигателя, могут прогнозировать выбросы на карте полной скорости загрузки и рекомендовать корректировки параметров управления для минимального выхода выхлопной трубы.

Рост электрификации представляет собой как возможность, так и проблему. Гибридные транспортные средства часто выключают двигатель, охлаждая систему последующей обработки и требуя повторных событий выключения света. С другой стороны, 48-вольтовый мотор-генератор может электрически нагревать катализатор и поддерживать температуру во время выключения двигателя. Подключаемые гибриды, которые могут работать в течение длительных периодов только на энергии батареи, могут нуждаться в активном предварительном нагреве катализатора до перезапуска двигателя внутреннего сгорания, чтобы избежать выбросов холодного запуска даже через несколько часов. Калифорнийский ARB начал решать эту проблему в своих обновленных процедурах сертификации для гибридных и подключаемых транспортных средств, требуя, чтобы системы контроля выбросов функционировали эффективно независимо от предшествующей продолжительности электропривода. Тепловые батареи - изолированные материалы фазового изменения, которые хранят выхлопное тепло во время работы двигателя - исследуются как пассивный метод поддержания температуры катализатора во время длительных периодов выключения двигателя.

Сгорание водорода часто обсуждается как путь к углеродно-нейтральному внутреннему сгоранию. Однако сжигание водорода в цикле Отто по-прежнему генерирует NOx из-за высоких температур пламени, хотя и без CO или HC. После обработки для двигателей на водородном топливе потребуется только катализатор для восстановления NOx, возможно, система SCR, без необходимости TWC или GPF. Однако высокое содержание воды и низкая температура выхлопа могут бросить вызов обычным катализаторам, стимулируя инновации в низкотемпературных формулах SCR. Исследования в химии ловушки lean-NOx, которые требуют случайного бережливого функционирования. Водородные двигатели также не производят сажу, устраняя необходимость фильтрации твердых частиц и снижая сложность системы. Тем не менее, более высокая скорость пламени и более широкие пределы воспламеняемости водорода создают уникальные проблемы контроля горения, которые влияют на температуру и состав выхлопных газов. Долговечность катализаторов SCR в среде с высокой влажностью выхлопа водородного двигателя является активной областью исследования.

Впереди: более жесткие стандарты и более умные двигатели

Ожидается, что предложения по стандарту Euro 7 и будущим американским LEV IV приведут к тому, что среднее значение NOx для бензиновых транспортных средств приблизится к 10 мг/миль, а ограничения по количеству частиц будут еще более ужесточаться, и, возможно, потребуется новое ограничение на аммиак. Для этого потребуется сочетание технологий: e-cat для нулевых выбросов холодного пуска, cGPF (фильтр твердых частиц с покрытием для бензина) для контроля частиц и SCR под полом для NOx в течение нескольких моментов, когда двигатель должен работать с пониженной эффективностью. Предложение Евро 7 также включает ограничения для выбросов без выхлопных газов, таких как тормозные частицы, которые могут смещать внимание к регенеративному торможению, но не снижают нагрузку на последующую обработку. Расширенные требования к полезному сроку службы - потенциально 200 000 км или более - требуют, чтобы катализаторы и фильтры поддерживали свою производительность посредством большего количества тепловых циклов и более высоких кумулятивных отравляющих нагрузок. Это, вероятно, приведет к принятию датчиков, которые непосредственно измеряют состояние катализатора (OSC,

Данные подключенных транспортных средств могут вскоре позволить проверку соответствия не только на стадии сертификации, но и постоянно в полевых условиях. Бортовая диагностика (OBD) уже контролирует эффективность катализатора, но будущие правила могут потребовать от транспортного средства анонимно транслировать показатели эффективности выбросов, позволяя властям идентифицировать транспортные средства с высоким уровнем выбросов и вызывать их для обслуживания. Такой мониторинг использования будет уделять еще больше внимания надежной, длительной последующей обработке, которая поддерживает ее производительность во всех реальных условиях. Концепция «удаленной OBD» или «OBD III» обсуждается в регулирующих кругах более десяти лет, и инфраструктура для связи между транспортными средствами (V2X) может, наконец, сделать ее практичной. В такой системе транспортное средство, которое превышает пороги выбросов на регулярной основе, может быть помечена для обязательного осмотра, предотвращая пребывание высоких излучателей в парке в течение длительных периодов времени.

Исследования, опубликованные EPA США, показывают, что правильно функционирующая последующая обработка может снизить концентрацию NOx в городах на 90% по сравнению с неконтролируемыми транспортными средствами. По мере того, как глобальный флот постепенно модернизируется, экологическая выгода умножается. Для того, чтобы двигатели цикла Отто оставались жизнеспособными в мире декарбонизации, они должны достичь почти нулевых выбросов выхлопных газов - цель, которая полностью зависит от дальнейшего развития технологии последующей обработки выхлопных газов. Путь от неконтролируемых выбросов до почти нулевого выпуска выхлопных газов был одним из самых значительных инженерных достижений за последние пятьдесят лет, а следующее десятилетие обещает еще более агрессивные цели, которые раздвинут границы химии катализаторов, управления температурой и системного интеллекта.

Заключение

Системы последующей обработки выхлопных газов больше не являются дополнительным компонентом; они являются центральным элементом идентичности современных двигателей цикла Отто. Трехсторонний каталитический нейтрализатор, фильтр для сажевых частиц бензина и для применений с бережливым сжиганием ловушки с бережливым NOx или системы SCR образуют интегрированную химическую установку, которая превращает процесс грязного сгорания в преобразователь чистой энергии. Ужесточение глобальных стандартов выбросов, тестирование на соответствие требованиям реального мира и требования к долгосрочной долговечности подталкивают инженеров к инновациям с более быстрыми катализаторами отключения света, более интеллектуальным управлением тепловой энергией и передовыми материалами. По мере распространения электрификации последующая обработка должна адаптироваться к частым остановкам и перезапускам двигателей, но основы очистки выхлопных газов остаются прежними. На дороге впереди будут еще более чистые автомобили с искровым зажиганием, работающие на обычном или альтернативном топливе, благодаря неустанной эволюции науки о последующей обработке выхлопных газов.