ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ СИСТЕМЫ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ BLUETEC 5 ТИПА SCR Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК: 681.518

DOI: 10.24412/2071-6168-2023-2-422-426

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ СИСТЕМЫ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ

BLUETEC 5 ТИПА SCR

О.В. Чуприков

В статье предлагается к рассмотрению общее устройство, особенности работы системы нейтрализации отработавших газов Bluetec 5 типа SCR автомобилей марки «КамАЗ» с двигателем Daimler и краткая характеристика её электронных блоков.

Ключевые слова: система нейтрализации отработавших газов, жидкость AdBlue, мочевина, SCR, система доочистки выхлопных газов.

Тенденции развития современных коммерческих автомобилей показывают стремление к постоянному увеличению мощности и повышению экономичности дизельных двигателей. Однако, создавая машины с уменьшенным расходом топлива, производители больше руководствуются экологическими нормами (двигатель с меньшим рабочим объёмом выбрасывает меньше вредных веществ).

Ужесточение экостандартов заставило инженеров разрабатывать новые топливные системы, модифицировать существующие силовые агрегаты и оснащать их дополнительным оборудованием.

Однако с дизелями не все так просто. При сгорании топлива выделяется большее количество вредных веществ по сравнению с бензиновым мотором.

Отработавшие газы (ОГ) дизелей содержат около 280 различных компонентов. Их возможно условно разделить на следующие группы:

- содержащиеся в воздушном заряде (N2 и О2);

- продукты полного сгорания топлива (СО2 и H2O);

- вещества, образующиеся в результате термического синтеза из воздуха при высоких температурах (NOx);

- продукты неполного сгорания топлива (CO, CHx, дисперсные твёрдые частицы).

Особое внимание уделяется количеству выбросов NOx.

Чтобы автомобиль был более безопасным в этом отношении, в устройство выхлопной системы входит сажевый фильтр, каталитический нейтрализатор и дополнительная система очистки отработавших газов SCR.

Разберём устройство и работу системы нейтрализации отработавших газов SCR автомобилей марки «КамАЗ».

Общее устройство системы нейтрализации отработавших газов SCR. Схема системы нейтрализации отработавших газов SCR автомобилей «КамАЗ» представлена в [2].

Система нейтрализации отработавших газов SCR включает:

- бак для AdBlue;

- подающий модуль AdBlue (насос с электронным управлением);

- дозирующее устройство;

- форсунку;

- глушитель-нейтрализатор;

- блок управления SCR;

- датчики;

- клапан ограничения давления воздуха;

- клапан управления подогрева;

- трубопроводы.

Жидкость AdBlue. В качестве реагента для системы SCR используется жидкость AdBlue [3].

AdВlue представляет собой раствор технической мочевины в деминерализованной воде. Качество AdВlue регламентируется стандартами DIN 70070 и ISO 22241-1. Содержание мочевины в AdВlue составляет 32,5 %. Температура кипения 103 °С, температура замерзания минус 11,5 °С, плотность при температуре 20 °С - 1087.. .1093 кг/м3.

Рекомендуемая температура хранения в закрытом, сухом и проветриваемом помещении от минус 5 °С до плюс 25 °С. Длительное хранение при температуре выше 30°С приводит возникновению реакции гидролиза с образованием аммиака, увеличением давления внутри ёмкости для хранения и сокращению срока хранения. Под воздействием прямых солнечных лучей в растворе могут размножаться бактерии.

Все материалы, контактирующие с жидкостью AdВlue не должны содержать следов масел, смазок, топлива, растворителей и других химических веществ. Мочевина агрессивна ко всем цветным металлам.

Проверка концентрации мочевины проводится оптическим рефрактометром.

Проверка AdВlue на попадание масла или топлива производится с помощью лакмусовой бумаги [4].

Система доочистки ОГ работает путем распыления водного раствора AdBlue в выпускную систему автомобиля, где она перемешивается с отработавшими газами.

Далее эта смесь попадает в каталитический нейтрализатор SCR (Selective Catalytic Reduction) избирательного действия. Здесь аммиак из AdBlue под влиянием катализирующих веществ при температуре около 250...300 °С вступает в химическую реакцию с окислами азота NOx. В результате чего NOx разлагается на азот и воду.

Расход искусственной мочевины составляет 4.8 % от расхода топлива.

Подающий модуль AdBlue. Подающий модуль AdBlue (насос с электронным управлением) установлен на раме автомобиля [1] и служит для подачи водного раствора мочевины под давлением 4,6.6,0 bar из бака AdBlue к дозирующему модулю, напряжение питания 24 В.

Насос мембранного типа с приводом от бесщёточного двигателя постоянного тока, интегрирован в корпус подающего модуля [6].

Энергоакуммулятор подающего модуля заполнен азотом. При проведении сервисных работ допускается вместо азота использовать воздух под давлением 3,2 bar.

При выключении включателя приборов и стартера (ВПС) насос выкачивает всю мочевину из системы обратно в бак.

Схема подключения указана в [5].

Дозирующее устройство. Сжатый воздух и мочевина смешиваются, образуют аэрозоль в дозирующем устройстве и поступают в поток ОГ через форсунку. Дозирующее устройство установлено на двигателе [6].

Характеристики: датчик давления воздуха - 4,6.5,0 bar; напряжение - 24 В, допустимое - до 35 В на 10 с и 58 В на 500 мс. Заданное сопротивление обмотки дозирующего клапана 5,0.14,5 Ом±5 %.

Дозирующее устройство имеет встроенный подогрев диффузора. Если диффузор пропускает мало воздуха, то в блок управления двигателем MR [7] поступает сигнал от датчика давления воздуха и активируется подогрев диффузора.

Нагреватель диффузора состоит из двух параллельно включенных позисторных нагревательных элементов. При засорении канала карбамидом область засорения нагревается до 132.135 °С. Пози-сторы способны самостоятельно ограничивать температуру, нагрев до 210 °С - далее остывание.

В блоке управления двигателем MR предусмотрены две последовательности нагрева:

- первичный нагрев - при проверке ошибок (около 12 мин);

- последующий нагрев - диффузор не удалось очистить, т.к. была зарегистрирована ошибка (30.60 мин).

В конце фазы нагрева возобновляется подача сжатого воздуха для удаления расплавленного карбамида.

Схема подключения указана в [5].

Если в процессе эксплуатации давление AdBlue на выходе дозирующего устройства снижается до 1,9 bar требуется промывка горячей водой через место присоединения датчика давления и дальнейшая продувка сжатым воздухом.

При проверке производительности подающего модуля и дозирующего устройства используется запасная форсунка, соединённая трубкой с мерной ёмкостью.

Проверка производится с помощью диагностической программы XD4IMO.

Производительность должна составлять не менее 250 мл за 4 мин.

Форсунка. Форсунка предназначена для равномерного распыления, поступающего из дозирующего устройства смеси AdBlue и воздуха в потоке ОГ.

Форсунка [6] установлена в патрубок заслонки моторного тормоза сразу после заслонки.

Диаметр сопла форсунки 1,4 мм.

При засорении форсунку допускается промывать горячей водой.

В случае демонтажа форсунка подлежит замене.

Глушитель-нейтрализатор. Глушитель-нейтрализатор установлен на раме автомобиля [1].

Глушитель объединяет в себе два узла:

- глушитель, снижает уровень шума ОГ;

- каталитический нейтрализатор, снижает содержание вредных выбросов в ОГ двигателя.

Для начала процесса восстановления ОГ требуется прогрев керамических сот нейтрализатора

до рабочей температура - более 200 °С.

На глушителе-нейтрализаторе установлены три датчика [6]:

1) датчик NOx с модулем управления установлен на выходе из нейтрализатора и служит для определения количества окислов азота в ОГ.

Номинальное напряжение 24 В. Допустимая температура контролера 85 °С.

Датчик по конструкции близок к широкополосному датчику кислорода (или лямбда-зонду). Датчик оснащён встроенным нагревательным элементом для быстрого выхода на рабочий режим 800 °С.

2) датчики температуры ОГ установлены на входе в нейтрализатор и выходе из нейтрализатора.

Блок управления двигателем MR [7] получает информацию от датчиков температура, усредняет их значение и высчитывает температуру нейтрализатора.

Попадание масла и разрушение керамических сот нейтрализатора может привести к ошибкам датчиков температуры. Для определения годности нейтрализатора необходимо замерить противодавление ОГ. Для этого вместо форсунки впрыска AdBlue устанавливают манометр.

Бак AdBlue. Бак AdBlue [1] может быть изготовлен из алюминия или пластика и имеет встроенный контур для охлаждающей жидкости, а также штуцеры для подключения трубопроводов AdBlue и охлаждающей жидкости.

Заливная горловина бака AdBlue оснащена магнитным адаптером, предназначенным для предотвращения заправки дизельным или другим видом топлива.

Конструктивно бак обеспечивает возможное расширение AdBlue от нагрева. Резервный объём составляет около 12 % общего объёма бака.

В бак установлен комбинированный датчик уровня и температуры AdBlue B117.

Блок управления SCR и датчики. Блок управления SCR [6] считывает аналоговые сигналы подключенных датчиков, преобразует их в цифровые сигналы шины данных CAN и передаёт на блок управления двигателем MR [7].

Кроме того, блок SCR обеспечивает электропитание соединённых с ним активных датчиков и принимает от блока MR сигналы для управления насосом AdBlue, клапаном управления давлением сжатого воздуха.

Блок управления SCR считывает сигналы следующих датчиков:

- датчика давления воздуха в дозаторе;

- датчика давления AdBlue в дозаторе. Заданные значения датчиков давления: напряжение при давлении 1 bar - 0,5 В, при давлении 6 bar - 4,5 В;

- датчика температуры AdBlue в дозаторе;

- датчика температуры перед нейтрализатором;

- датчика температуры после нейтрализатора;

В качестве измерительного элемента в датчиках температуры ОГ установлено сопротивление с положительным температурным коэффициентом. Датчики являются пассивными.

Диапазон рабочих температур датчиков от минус 40 °С до плюс 850 °С.

Диапазон сопротивлений 170±3...762±14 Ом. Замеры при проверке необходимо проводить по проводам: датчик перед нейтрализатором W680-W679, датчик после нейтрализатора W793-W677;

- датчика NOx;

- комбинированного датчика уровня и температуры AdBlue в баке. Диапазон рабочих температур от минус 44 °С до плюс 85 °С, диапазон сопротивлений датчика уровня 244.19800 Ом, диапазон сопротивлений датчика температуры 137.23340 Ом. Датчик должен показывать «пустой бак» когда объём жидкости в баке составляет 5 % (резерв). На отклонение 5 % производится калибровка датчика;

- комбинированного датчика температуры и влажности воздуха. Датчик установлен на патрубке подачи воздуха из воздушного фильтра в турбокомпрессор. Диапазон рабочих температур от минус 40 °С до плюс 105 °С. Рабочий диапазон влажности 0.100 %.

Принципиальная схема соединений электронных блоков MR, SCR и датчиков показана [5].

После отключения ВПС блок SCR не выключается до тех пор, пока принимаются сообщения об блока MR [7].

Клапан ограничения давления воздуха. После запуска двигателя блок управления двигателем MR через блок SCR включает электромагнитный клапан ограничения давления воздуха [6], после чего сжатый воздух подаётся в систему через сам клапан ограничения давления воздуха, разгрузочный клапан подающего модуля и обратный клапан дозирующего устройства.

Клапан ограничения давления воздуха понижает давления 5,5±0,4 bar.

Сжатый воздух подводится к подающему модулю, где под его воздействием закрывается разгрузочный клапан, препятствующий перетеканию AdBlue в бак (рисунок).

Схема регулирования давления воздуха в системе SCR

424

После отключения ВПС дозирующее устройство продувается сжатым воздухом во избежания его замерзания. Это продолжается до 5 мин путём открывания и закрывания клапана ограничения давления воздуха и дозирующего клапана в течении установленных промежутков времени. Это обеспечивает продувку дозатора, подводящего трубопровода и форсунки от оставшейся жидкости AdBlue.

Система продувает себя также после каждой 11-ой остановки двигателя без впрыскивания AdBlue.

Клапан подогрева бака AdBlue. Двухконтурный двухпозиционный электромагнитный клапан подогрева бака AdBlue установлен под стартером на блоке цилиндров. Сопротивление обмотки клапана 30 Ом±5 %.

Клапан подогрева получает первоначальный сигнал от комбинированного датчика уровня и температуры AdBlue через блок управления двигателем MR в момент, когда значение температуры, приближается к 0 °С. Как только температура охлаждающей жидкости поднимется более 10 °С, блок MR подаёт сигнал на открытие клапана и горячая жидкость поступает в контур подогрева AdBlue.

Схема подключения указана в [5].

Проблемы эксплуатации автомобилей КамАЗ-5490 с системой нейтрализации отработавших газов SCR. Основные недостатки системы SCR:

- необходимость применения жидкого реагента AdBlue;

- жидкий реагент AdBlue замерзает при температуре минус 11 °С, разлагается при температуре выше 30 °С;

- значительное удорожание автомобиля из-за установленной системы;

- высокая стоимость комплектующих и запасных частей;

- удорожание обслуживание.

Основные причины неисправностей, возникающих в процессе эксплуатации:

- у системы достаточно большое количество компонентов, которые периодически выходят из строя и требуют замены.

- использование некачественного жидкого реагента AdBlue.

При возникновении неисправности в системе SCR электронные системы управления автомобилем снижают обороты коленчатого вала двигателя на 40.50 %. Прежде чем происходит снижение оборотов на панели приборов появляется сообщение о снижении оборотов. Обороты двигателя снижаются на первой остановке после сообщения на панели приборов.

Заключение:

Интегрированная система очистки мочевиной, встроенная в автомобили с дизельным двигателем, в настоящее время, остается единственным способом снижения токсичных выбросов.

Преимущества системы SCR очевидны - только с реагентом AdBlue система очистки ОГ дизельного двигателя может полноценно функционировать и соответствовать требованиям стандартов Евро 5 и 6.

Трудности в эксплуатации, особенно при низких температурах окружающего воздуха, высокая стоимость реагентов для грузовиков, некачественная жидкость и дизельное топливо требуют новых подходов для снижения токсичных выбросов.

Список литературы

1. Автомобиль КамАЗ-5490. Руководство по эксплуатации. 5490-3902202 РЭ.

2. Комплексные системы очистки отработавших газов дизелей. [Электронный ресурс] URL: https://nb-tomsk.ru/advice/sistemY-neitralizacii-vYhlopnvh-gazov-masinY.html (дата обращения: 14.12.2022).

3. Сайт. AdBlu. [Электронный ресурс] URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/AdBlue (дата обращения: 14.12.2022).

4. AdBlu тестовые полоски. [Электронный ресурс] URL: https://ecotruck.su/izmeritelnoe-oborudovanie-dlva-mochevinv-adblue/testovve-poloski-adblue (дата обращения: 14.12.2022).

5. Автозапчасти и автохитрости. [Электронный ресурс] URL: https://autogeriko.com/page-1549.html (дата обращения 14.12.2022).

6. Mercedes-Benz: OM457LA BlueTec / 0M460LA BlueTec. Руководство по эксплуатации. [Электронный ресурс] URL: http://almarka.ru/wp-content/uploads/2019/10/r^ikovodstvo-po-ekspluatacii-om-457 460-la.pdf (дата обращения: 26.10.2022 г.).

7. Mercedes-Benz: OM457LA. Руководство по эксплуатации. [Электронный ресурс] URL: https://wikers.ru/wp-content/uploads/2018/07/0M-457-LA.pdf (дата обращения: 26.10.2022).

Чуприков Олег Валерьевич, преподаватель, chuprikov_ov@mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи

FEATURES OF THE OPERATION OF THE BL UETEC 5 EXHAUST GAS NEUTRALIZATION SYSTEM OF

THE SCR TYPE

O.V. Chuprikov 425

The article proposes to consider the general design, features of the Bluetec 5 type SCR exhaust gas neutralization system of KamAZ vehicles with a Daimler engine and a brief description of its electronic components.

Key words: exhaust gas neutralization system, AdBlue fluid, urea, SCR, catalytic reduction system.

Chuprikov Oleg Valerievich, lecturer, chuprikov_ov@mail. ru, Russia, St. Petersburg, Military Academy of Communications

УДК 655.3

DOI: 10.24412/2071-6168-2023-2-426-431

ВЛИЯНИЕ НЕОДНОРОДНОСТИ СТРУКТУРЫ ИЗОБРАЖЕНИЯ НА РЕГИСТРИРУЕМЫЕ ЗНАЧЕНИЯ КООРДИНАТ ЦВЕТА

А.В. Голунов, А.С. Голунова, С.А. Щеглов, О.В. Трапезникова, Л.Г. Варепо

Аннотация: В работе представлено исследование влияния частоты (линиатуры) растра микроштрихового изображения на регистрируемые значения колориметрических параметров - координат МКО Lab-1976. В качестве гипотезы представлено утверждение о повышении точности колориметрических измерений при изменении апертуры колориметра-спектрофотометра с учетом частоты (линиатуры) растра. Разработана тестовая шкала учитывающая такие факторы как угол поворота растровой структуры, линиатура растра. В работе был рассмотрен диапазон частот растров от 5 до 60 лин/см. Показано влияние различных факторов на фиксируемые цветовые характеристики, что отражено в показателях цветового различия, факторы ранжированы и дано количественное описание влияния. В статье даны рекомендации по применению апертур цветоизмерительных устройств для работы с регулярными растровыми структурами.

Ключевые слова: апертура, измерение цвета, растровые структуры.

С 2011 года в качестве ключевых показателей качества цветовоспроизведения, контролируемых в рамках оперативного контроля на производстве, являются координаты цвета [1]. Однако, при осуществлении контроля нет регламента на количество дискретных элементов автотипного (микроштрихового) изображения формирующих анализируемое поле. При этом цветовые параметры являются ключевыми при решении спорных вопросов по качеству выполнения полиграфических работ на российском и международных рынках. Наличие приборов оперативного контроля цветовоспроизведения не только на производстве, но и у всех субъектов рынка значительно упрощает согласование цветопробы, однако требует квалификации оператора контрольно-измерительного оборудования как при проведении измерения, так и при интерпретации результатов работы. Согласно стандарту [2] регламентировано значение линиа-туры растра оттиска в интервале 40-60 лин/см и замеры прочих характеристик ориентированы именно на подобные значения частоты расположения дискретных элементов. Стандарт [3] регламентирует использование стандартных колориметров или спектрофотометров для оценки цвета текстильных материалов, при этом относительно апертуры рекомендаций по размерам не дано. Стандарт [4] также не регламентирует количество отдельных элементов в апертуре прибора.

Для большинства способов печати рабочим диапазоном линиатур, которыми воспроизводится псевдополутоновые изображения является диапазон от 50 до 100 лин/см. В этом диапазоне линиатур размер печатного элемента находится в диапазоне значений от 10 до 200 мкм, а если рассматривать диапазон от 10 до 50 лин/см растровые структуры в котором различимы, но не заметны (с некоторых расстояний), то размер печатающего элемента находится в пределах от 200 мкм до 1 мм.

Актуальность исследования обусловлена тем, что при таком широком разбросе значений размеров печатающих элементов анализировать колориметрические параметры композитной, (из 4 красок минимум) красочной пленки с одним значением апертуры не представляется целесообразным при том, что значение апертуры мало для анализа низколиниатурного изображения для отдельных типов оборудования составляет 3 мм. Количество печатных элементов охваченных данной апертурой на разных анализируемых участках изображения будет различным, тогда как общее впечатление будет идентичным впечатлению от всего участка изображения. Условие определения колориметрических характеристик анализируемых участков - идентичное количество анализируемых печатающих и пробельных элементов изображения. Например, для линиатуры растра в 10 лин/см - апертура в 24 мм уместит 24 печатающих элемента, тогда как при линиатуре в 80 лин/см те же 24 элемента изображения уместятся в апертуре 3 мм.

Для решения данной проблемы существует ряд подходов. Многие производители оборудования снаряжают аппаратные средства контроля набором насадок разного диаметра и формы, как в устройстве PCE-CSM 5. В работе [7] предложено рассмотрение влияния факторов поверхности материала на значение координат цвета красочной пленки, нанесенной на его поверхность. Также точность воспроизведения растровой точки обсуждается сообществом в контексте определения колориметрических