Чистый воздух, «свёрнутый в рулон»

Проблема применения катализаторов на коммерческом транспорте остается в центре внимания автомобильных конструкторов и транспортников. Одна из причин – заметные изменения в структуре грузового и городского общественного транспорта. Особенно остро стоит вопрос применения катализаторов в городах. На примере Москвы, Санкт-Петербурга, Нижнего Новгорода и Екатеринбурга видно, как стремительно растет парк автомобилей, городские инфраструктуры не в состоянии обеспечивать его полноценную эксплуатацию при ухудшении экологической обстановки.

Решение проблемы пришло в виде каталитических нейтрализаторов, значительно снижающих уровень вредных выбросов в атмосферу. До недавнего времени наиболее распространенными были катализаторы, в которых поглощающий блок представлял собой керамический элемент, закрепленный в стальном кожухе. При всех достоинствах устройства у него были и недостатки. Керамика – материал хрупкий, и наши дороги «справлялись» с ней довольно быстро, причем мало помогал даже прочный стальной защитный корпус. Отводящие каналы в теле керамики, сравнимые по сечению с капиллярами, быстро забиваются продуктами выброса, катализатор перегревается и не просто выходит из строя, но и становится реальным источником пожара.

Необходимо было искать иное решение назревших вопросов. Среди десятка компаний, работающих над катализаторами нового поколения, – финская компания Ecoсat. Здесь предложили принципиально новое решение надежности и долговечности катализаторов для коммерческого транспорта. В новых катализаторах керамику заменили алюминиево-стальной лентой с напыленными на нее соединениями редкоземельных металлов. Технология основана на применении ленты с покрытием из платины, родия, палладия и др. толщиной в несколько микрон.

Металлический катализатор состоит из трех деталей

В зависимости от объема и мощности силовых агрегатов, для которых предназначены катализаторы, лента может выпускаться в виде рулона (EcoCat) или сваренной в своеобразные блоки-«этажерки» (EcoXcell). Лента, свернутая или спрессованная в поглощающие блоки, приваривается в стальной корпус. Такая технология позволяет полностью автоматизировать производство катализаторов, состоящих всего из трех деталей. Они не только прочнее керамических, но и эффективнее.

Модель EcoXcell разработана для современных моделей легких грузовиков, оснащенных бензиновыми двигателями с турбонаддувом. В отличие от большинства традиционных катализаторов поглощающий блок устанавливают как можно ближе к выпускному патрубку. Для легких грузовиков и автомобилей с традиционными атмосферными дизельными двигателями разработаны катализаторы нового поколения Particle Oxidation Catalyst – POC.

Применение такого катализатора снижает уровень содержания углеводородов и окиси углерода в выхлопных газах на 90%. При этом дополнительный уход за блоком или его чистка не требуется. На основе этих катализаторов разработаны выхлопные системы для двигателей внутреннего сгорания, отвечающие требованиям норм Euro 3 и Euro 4. Первые катализаторы такого типа разработаны для дизелей российского производства ЯМЗ и уже проходят первые испытания. Подготовлены аналогичные предложения и для КАМАЗа.

Установка катализатора в корпусе

Для современных и перспективных дизельных силовых агрегатов, отвечающих экологическим требованиям Euro 5, компания Ecoсat разработала комплексную систему Selective Catalytic Reduction (SCR), в которой вместо одного крупногабаритного катализатора применены четыре меньшего размера, выстроенные в последовательную цепь. Непосредственно на выпускной коллектор монтируют предкатализатор, задача которого – снижение содержания углеводородов и окиси азота. Затем идет гидролитический катализатор, предназначенный для дополнительной очистки выхлопных газов и снижения давления выхлопа. Примененная в них технология SCR предполагает впрыск в катализатор соединений мочевины. Последним в цепочке стоит финишный катализатор, задача которого – снижение содержания вредных примесей в выхлопе при одновременном снижении уровня шума. Срок службы такой системы вдвое больше, чем одиночного керамического катализатора.

Отличительной особенностью разработки является возможность «наращивания» системы путем применения нескольких типов катализаторов в различных комбинациях. Начав с простейшего варианта, можно выстроить полную конфигурацию системы.

Классическая схема с одним катализатором

Применение каталитического комплекса по технологии EcoXcell, на рассмотрении которой стоит остановиться более подробно, обеспечивает лучшие результаты работы силового агрегата. Стальной ленте с нанесенным двухсторонним покрытием придается сложный зигзагообразный профиль, а отдельные секции свариваются между собой под углом 45°. Образующаяся система газоотводящих каналов характеризуется большой площадью контакта газов с катализатором и большим сечением каналов. Такая структура обеспечивает эффективное очищение газов при одновременном снижении давления и, как следствие, снижении уровня шума. Кроме того, каналы большого сечения дольше остаются чистыми и не забиваются продуктами выхлопа.

Стабильные эксплуатационные характеристики катализатора такого типа сохраняются в широком диапазоне температур, вплоть до 1000 °С при положительном термическом градиенте 120 °С /с и отрицательном – 75 °С /с.

Немало новых разработок появилось и в секторе катализаторов для двухтопливных двигателей. В последние годы в ряде стран резко возрос парк автомобилей как легковых, так и грузовых, оснащенных двигателями, работающими на традиционном жидком топливе и газе. И хотя выхлоп газового двигателя считается более чистым по сравнению с дизельным топливом или бензином, европейские правила предписывают обязательное использование катализатора и на таких автомобилях.

Алюминиево-стальная лента с односторонним напылением

Большинство автомобилей с двухтопливными силовыми агрегатами эксплуатируется в городах, и европейцы, обеспокоенные снижением качества «сферы обитания», вводят жесткие ограничения по токсичности выхлопных газов. При этом серьезно стоит вопрос оснащения катализаторами уже выпущенных автомобилей и их обязательная установка при монтаже газового оборудования на серийные машины. Сходящие с конвейеров автомобили и автобусы, штатно оснащенные двухтопливными системами, должны комплектовать новыми катализаторами в обязательном порядке.

Основное отличие таких катализаторов – сердечники, выполненные из гофрированной сверхтонкой стальной алюминированной ленты с двухсторонним напылением. Одна сторона покрыта редкоземельным металлом платиновой или палладиевой группы, вторая – керамикой. Очистка выхлопных газов от углеводородов превышает 90%. Металлические матрицы с исключительной проводимостью и высоким сопротивлением термическим нагрузкам по своим показателям значительно превосходят более традиционные керамические катализаторы.

На основе этой ленты выполняются катализаторы и для газовых двигателей. Установка таких силовых агрегатов на городские автобусы стала обязательной во многих европейских странах. Недавно правительство Москвы подготовило программу стопроцентного перевода городского общественного транспорта на двигатели, работающие на пропан-бутане или метане, за этим наверняка последуют соответствующие решения и в других городах. В этом случае большая нагрузка ляжет на ремонтно-технические и установочные центры автотранспортных предприятий и региональные службы автосервиса.

Готовый блок катализатора EcoXell

При разработке катализаторов для газовых двигателей компания Ecoсat большое внимание уделила достижению высокого термосопротивления стальной ленты. Как известно, рабочие процессы в газовых двигателях происходят при более высоких температурах, и вся система отвода выхлопных газов должна быть термостабильной.

У катализаторов этого типа также высокое сопротивление сульфатации сердечника и более высокий уровень осаждения окиси углерода и соединений метана. Предполагается, что их «ходимость» превысит 40...50 тыс. км.

Основные производители автобусов – компании IVECO, MAN, Scania, Volvo – приняли решение об обязательной установке таких катализаторов на все новые машины.

Широкое внедрение катализаторов на отечественные автомобили – вопрос практически решенный. Полным ходом идет подготовка к организации производства высококачественных катализаторов на площадях горьковского автозавода. Планируемый пуск первой очереди обеспечит выпуск 15 тыс. элементов для наи-более массовых моделей ГАЗа – «Волга», «Газель», «Соболь» и перспективного грузовика «Валдай».

«Наша компания выпускает сотни типов катализаторов для мотобайков, бензопил, мотоциклов, погрузчиков, строительных машин, но основной потребитель наших изделий – автомобиль. Естественно, автомобильная тематика является приоритетной для компании.

Анти Ниниваара, президент компании Ecoсat

Нашим специалистам приходится работать на перспективу, ведь разработка нового катализатора начинается задолго до того, как автомобиль, для которого он предназначен, встанет на конвейер. Многолетняя работа практически со всеми европейскими, американскими и японскими автомобилестроительными компаниями свидетельствует, что ошибки в их работе исключены.

Компания серьезно готовится к предстоящему выходу на российский рынок – мы разработали и передали российским специалистам образцы серийной продукции, выпуск которой можно начать в Нижнем Новгороде уже в ближайшее время. Наши катализаторы, сконструированные специально для автомобилей российского производства, прошли испытания на ведущих автозаводах – ЯМЗ, КАМАЗ, ВАЗ, ГАЗ. Полученные оптимистичные результаты внушают уверенность в реальности выбранного проекта строительства завода на площадях ГАЗа. Мы активно сотрудничаем с российскими автомобилестроителями в области создания перспективных образцов катализаторов. Установка таких катализаторов на легковые и грузовые автомобили российского производства обеспечит их соответствие требованиям норм Euro 3 и Euro 4, вернет конкурентоспособные позиции на внутреннем и внешнем рынках».