Куда девается сажа и почему дизелю нужна мочевина? Меняй нагрузку и долю EGR, гоняй двигатель на холостом ходу, запускай регенерацию и выливай AdBlue, а потом смотри, что выходит из трубы и когда ЭБУ ограничит мощность.
NOx рождается, когда в цилиндре очень горячо и много кислорода. Клапан EGR возвращает часть охлажденных выхлопных газов во впуск: пламя становится холоднее, и NOx меньше. Но в холодном пламени хуже догорает сажа. Поэтому за турбиной стоит целая линия. Окислительный катализатор DOC дожигает CO и углеводороды. Сажевый фильтр DPF ловит сажу, а потом ее выжигает. В конце в трубу впрыскивают раствор мочевины AdBlue, из него получается аммиак, и катализатор SCR превращает NOx в азот и воду. Датчики NOx и перепада давления на фильтре докладывают блоку управления, как все работает.
Сколько мочевины нужно на каждый грамм NOx, как по перепаду давления узнать, что фильтр забит, и когда сажа копится, а когда выгорает. Числа под формулами берутся из опыта.
Сколько мочевины льет SCR?
Из одной молекулы мочевины получаются две молекулы аммиака, и каждая убирает одну молекулу NOx (химия на странице «Катализ и каталитический нейтрализатор»). Пересчет по массам дает около 2 г раствора на 1 г NOx.
Как ЭБУ узнает, что фильтр забит?
Датчик меряет давление до и после фильтра. Чистый фильтр тоже немного мешает газу, а каждый грамм сажи на литр добавляет сопротивление. Чтобы не путать сажу с нагрузкой, перепад делят на расход газа Q.
Сажа копится или выгорает?
Двигатель каждый час приносит в фильтр S граммов сажи. При горячем выпуске часть сгорает сама, и чем больше сажи лежит, тем больше ее сгорает. Если S больше, чем K · m, фильтр забивается.
Сажа это почти чистый углерод. На воздухе она загорается только около 550–600 °C, а выпуск дизеля под нагрузкой 350–450 °C. Выручает катализатор DOC: он превращает часть NO в NO2, а NO2 окисляет сажу уже от 250 °C. Это пассивная регенерация, она идет сама, пока машина работает под нагрузкой.
Если машина долго стоит на холостом ходу или ездит пустой, выпуск холодный, и сажа копится. Тогда ЭБУ запускает активную регенерацию: впрыскивает немного топлива после основного впрыска, оно сгорает на DOC и разогревает фильтр до 600 °C. На это уходит 20–40 минут и несколько процентов топлива.
Перегревать фильтр нельзя. Если в нем накопилось слишком много сажи, при выжигании она горит как костер, и керамика трескается выше 700–800 °C. Поэтому сильно забитый фильтр выжигают медленно на стоянке или снимают и чистят.
Во многих странах, где нет норм Tier 4 или Stage V, карьерные самосвалы идут с двигателями старого уровня, без DPF и SCR. Так проще: нет мочевины, регенераций, датчиков NOx и ограничений мощности, двигатель терпит плохое топливо. Платят за это дымом и NOx.
В шахте выхлоп некуда деть, кроме вентиляции. Поэтому под землей сажевые фильтры ставят даже там, где на поверхности их не требуют, а воздух в выработках проверяют на NO2 и сажу.
AdBlue замерзает при −11 °C. Бак и трубки греют антифризом и электричеством, а после остановки насос откачивает раствор из форсунки. При −40 °C пустая или замерзшая система сразу дает ошибку и ограничение мощности.
Машина, которая полсмены стоит на холостом ходу в очереди под экскаватор или греется ночью, забивает фильтр быстрее, чем работающая. Запрет регенерации кнопкой оставляют только на время работы в опасном месте.
Сажа сгорает, а зола от присадок масла остается в фильтре навсегда. Ее выдувают на стенде раз в несколько тысяч часов. Для двигателей с DPF берут малозольное масло класса CK-4 или E9.
DOC, DPF и SCR рассчитаны на топливо с серой меньше 15 мг/кг. Высокосернистое топливо отравляет катализатор и забивает фильтр сульфатами. Там, где хорошего топлива нет, системы нейтрализации не ставят.
Двигатель класса QSK60 мощностью 1900 кВт, расход топлива 15 кг/ч на холостом ходу и 0,2 кг/кВт·ч под нагрузкой. Сажа и NOx из двигателя заданы в граммах на килограмм топлива и меняются с нагрузкой и долей EGR по простым формулам, подобранным под типичные цифры: без EGR около 7,5 г NOx и 0,1 г сажи на кВт·ч, EGR 25 % убирает около 80 % NOx и в несколько раз прибавляет сажу. Сажевый фильтр объемом 160 л, предел 5 г/л. Пассивная регенерация начинается с 250 °C, активная держит фильтр при 600 °C. Эффективность SCR зависит только от температуры, разбавленная мочевина считается на 40 % слабее. Ограничения мощности показаны условно: настоящие ступени, задержки и пороги задает производитель и нормы страны. В жизни двигатели только с SCR, без DPF, снижают сажу высоким давлением впрыска, а модель этого не учитывает. Нормы для сравнения: Tier 4 Final для машин мощнее 560 кВт, NOx 3,5 г/кВт·ч и частицы 0,04 г/кВт·ч.