Дорожная карта по сокращению выбросов от двигателей, установленных на сельскохозяйственных тракторах, достигла Stage/TIER 5. Соответствие этому регламенту определяется на основе предопределенных рабочих циклов, которые, однако, не могут точно отражать разнообразие условий эксплуатации. Только специализированные прогностические модели могут предоставить правильные указания о воздействии на окружающую среду
Загрязнение воздуха имеет множество причин, но видное место в списке, несомненно, занимают (справедливо или нет...) выбросы газообразных загрязняющих веществ транспортными средствами, оснащенными двигателями внутреннего сгорания, особенно теми, которые работают на ископаемом топливе.
Почти 30 лет назад было принято решение ограничить эти выбросы путем заключения общего соглашения в Европе и США о «дорожной карте», которая потребовала бы от производителей выпускать двигатели с гораздо меньшим воздействием на окружающую среду. Отсюда и европейские стандарты выбросов, обычно называемые Евро 1, Евро 2, Евро 3, Евро 4, Евро 5 и Евро 6 для стандартов легковых автомобилей, а также «Stage» и «TIER» для внедорожных дизельных двигателей, причем последний также включает сельскохозяйственные транспортные средства, такие как тракторы и самоходные машины.
Это был трудоемкий, дорогостоящий и в некотором роде сложный процесс, но он дал поразительный результат: учтите, что трактор Stage V, которому должны соответствовать двигатели, устанавливаемые на новые модели на рынке, выбрасывает всего 2% загрязняющих газов по сравнению с транспортным средством с двигателем той же мощности, соответствующим Stage I. Это означает, что один трактор Stage I загрязняет окружающую среду столько же, сколько 50 тракторов Stage V.
Если учесть, что средний возраст тракторного парка в Италии составляет более 25 лет, то легко представить, как замена старого транспортного средства на новое может обеспечить неисчислимую экологическую выгоду. Однако соответствие все более строгим экологическим нормам заставило производителей предпринять сложную технологическую разработку для ограничения выбросов, что, с одной стороны, привело к изменению параметров сгорания дизельных двигателей, а с другой — к установке дополнительных устройств ниже по потоку от цилиндров для очистки отработавших газов от вредных компонентов.
Стандарты и рабочие циклы
Соответствие различным уровням Stage и TIER устанавливается на основе ряда правил, разработанных совместно Европейской комиссией и Агентством по охране окружающей среды США, которые основаны на конкретных (и предполагаемых) рабочих циклах двигателей, которыми оснащены транспортные средства, предназначенные для внедорожного использования.
Этот выбор понятен, поскольку это единственный способ объективно установить, соответствует ли данный двигатель желаемым требованиям. Кроме того, это позволяет сразу определить, лучше ли определенный двигатель другого, поскольку он производит меньше загрязняющих газов.
Однако рабочие циклы почти никогда не являются точным показателем фактического использования внедорожного мобильного транспортного средства, поскольку режимы использования могут быть очень многочисленными и разнообразными. Это соображение еще более справедливо для тракторов, чья универсальность использования является их сильной стороной. Фактически, существует действительно множество переменных, которые могут влиять на это: прежде всего, продолжительность фактической работы и средняя используемая мощность, но также и степень износа двигателя, уровень технического обслуживания, качество топлива, стиль вождения и т. д. И это еще не все: в сельском хозяйстве разнообразие механизированных процессов, которые могут выполняться в производственных цепочках, чрезвычайно велико; необходимо также учитывать, что классический сельскохозяйственный трактор также используется во многих других параллельных секторах, таких как лесное хозяйство, уход за зелеными насаждениями, содержание дорог, карьеры и строительство, для уборки снега и т. д.
Таким образом, определить фактическое воздействие на окружающую среду с точки зрения выбросов газообразных загрязняющих веществ в достаточной степени можно будет только путем максимально точной контекстуализации использования определенного транспортного средства. Вышеупомянутая задача была поставлена перед кафедрой сельскохозяйственных и экологических наук Миланского университета с целью максимально подробно определить, насколько тракторы на самом деле загрязняют окружающую среду в некоторых типичных сценариях, с конечной целью создания серии моделей для определения в заданной рабочей ситуации, какой трактор является наиболее «экономичным» и в то же время наиболее экологически чистым.
Первоначально мы сосредоточились на секторе виноградарства, поскольку операции по выращиванию урожая, как правило, четко определены с точки зрения их выполнения и требуемых рабочих нагрузок, а также потому, что используемые тракторы имеют среднюю или низкую мощность, для которых, как известно, сложнее разработать двигатели с низким уровнем загрязнения.
Процедура
Начиная с так называемых «рабочих точек», то есть условий работы (предполагаемых постоянными) двигателя трактора в определенном процессе, были созданы модели вышеупомянутой цепочки поставок, приписывая каждой идентифицированной операции определенную продолжительность в часах, в течение всего вегетационного периода.
На основе этого сценария затем можно было легко смоделировать в фиксированной точке и с помощью электромагнитного тормоза рабочую нагрузку для каждого процесса и получить требуемые данные (т. е. удельный крутящий момент, мощность и потребление).
В то же время в этих условиях измерялось количество образующихся загрязняющих веществ, при этом особое внимание уделялось компонентам, оказывающим наибольшее воздействие на дизельные двигатели, а именно оксидам азота (NO и NO 2 ) и твердым частицам (ТЧ).
Эффективность двигателей…
Очевидно, что даже при равном соблюдении пределов заданной ступени выбросов двигатели, устанавливаемые на тракторах, не все одинаковы, поскольку каждый из них характеризуется разными значениями КПД, или удельного расхода (что является прямой обратной величиной КПД). На практике он проявляет свою способность преобразовывать химическую потенциальную энергию, содержащуюся в топливе, в полезную работу при его сжигании (совместно с окислителем, которым является кислород, содержащийся в воздухе) в двигателе внутреннего сгорания.
…и количество вырабатываемых загрязняющих газов: чтобы наглядно показать разницу в производительности, был принят колориметрический эталон, использующий так называемую схему «светофора» (часто применяемую, например, для домов и бытовой техники), благодаря которому нормативные пределы (измеряемые в единицах г/кВт•ч, или масса в граммах каждого загрязняющего вещества по сравнению с вырабатываемой двигателем энергией в киловатт-часах) сравнивались с полученными экспериментальными значениями.
Некоторые результаты: в качестве примера показаны зарегистрированные результаты — как по удельному расходу, так и по выбросам загрязняющих веществ — для некоторых виноградниковых тракторов, теоретически используемых одинаково, в соответствии с реальным сценарием, на винодельческом предприятии с посевной площадью 10 гектаров.
При всех равных условиях эксплуатации, различия существенны, особенно для работ, требующих ограниченной мощности. Средние значения, взвешенные в соответствии с фактической продолжительностью использования, варьируются от 226 г/кВт•ч для наиболее энергоэффективной модели до 303 г/кВт•ч для наименее эффективной: увеличение на целых 34%. Для отдельных операций разрыв иногда еще больше: например, для обрезки он составляет от 233 до 342 г/кВт•ч: увеличение более чем на 46%.
Более того, цветовая классификация делает различные условия очень понятными: трактор 2 отнесен к классу G (красный), в то время как транспортное средство 4 блестяще помещено в класс A (зеленый). Таким образом, ясно, что выбор одного трактора вместо другого означает значительную экономию на эксплуатационных расходах, по крайней мере, в том, что касается пункта «дизель». Если учесть, что этот modus operandi фактически воспроизводился в течение значительного количества лет, мы можем понять важность наилучшего выбора с точки зрения эксплуатационной экономичности лучшей модели трактора в широком рыночном предложении.
Даже с точки зрения экологии стоит тщательно выбирать наиболее подходящий трактор: соблюдение уровня выбросов уже существенно влияет на количество выбрасываемых газообразных загрязняющих веществ, но моделирование реального использования добавляет дополнительную полезную информацию, а также показывает некоторые сюрпризы. Само собой разумеется, что техническая эволюция дизельного двигателя за последние несколько десятилетий сыграла большую роль в процессе снижения загрязняющих веществ: повсеместное внедрение электронного управления, впрыска, турбонаддува и, тем более, Common Rail значительно улучшили ситуацию, особенно сократив производство несгоревших углеводородов и твердых частиц, но с вступлением в силу все более строгих ограничений на выбросы пришлось прибегнуть к дальнейшим техническим вмешательствам.
Реальная оценка загрязняющих веществ: модели из реалистичных сценариев, описанных выше, были применены на кафедре сельскохозяйственных и экологических наук Миланского университета, а затем их выбросы были сравнены с нормативными пределами, установленными Стадией (или TIER) утверждения рассматриваемых двигателей. Опять же, с особым упором на модели тракторов, используемых в винограднике, возникает контрастная ситуация, показывающая превосходные результаты сдерживания для тех загрязняющих веществ, на которые воздействуют специальные устройства, тогда как для других пределы превышаются, иногда довольно значительно. Фактически, если установлен двигатель с сажевым фильтром, выбросы CO и PM практически равны нулю, но HC и особенно NOx чрезвычайно высоки. Противоположная ситуация возникает, когда установлена только SCR, которая очень хорошо ограничивает NOx, но не может эффективно воздействовать на PM.
Текущий уровень регулирования для двигателей, устанавливаемых на тракторах, который недавно вступил в силу (Stage/TIER 5), устранил это несоответствие. Чтобы соответствовать этому уровню, большинство двигателей, которые в настоящее время устанавливаются на сельскохозяйственных тракторах, недавно поступивших на рынок, должны быть оснащены двумя (а иногда и более...) устройствами для предотвращения загрязнения.
Прогностические модели: в дополнение к нормативным ограничениям, основанным на стандартизированных циклах использования, прогрессивная разработка прогностических моделей использования, учитывающих особенности производственной ситуации, сможет предоставить пользователям ценную информацию и эффективно направить их к выбору трактора, наиболее подходящего для их потребностей, уделяя внимание экономичности эксплуатации с точки зрения расхода топлива, а также снижению воздействия на окружающую среду с точки зрения выбросов газообразных загрязняющих веществ.
Стратегии и устройства для снижения выбросов газообразных загрязняющих веществ
В середине 1990-х годов были выпущены специальные параллельные правила (называемые «TIER» в США и «Stage» в Европе), направленные на постепенное сокращение (посредством последовательных шагов, разнесенных во времени) выбросов газообразных загрязняющих веществ, производимых двигателями внутреннего сгорания, в зависимости от максимальной мощности двигателя и сектора применения. Внимание было сосредоточено на четырех веществах, а именно оксиде углерода (CO), несгоревших углеводородах (HC), оксидах азота (NOx) и твердых частицах (PM). Для дизельных двигателей было особенно важно сдерживать выбросы NOx и PM. Для сокращения выбросов газообразных загрязняющих веществ были приняты меры как по ограничению их образования в камере сгорания, так и, прежде всего, путем установки различных типов фильтров после двигателя для их физической блокировки и/или катализаторов для их химической безвредности. Фактически, в последнее время обе стратегии используются все чаще. Важно подчеркнуть, что уровень Stage V (Tier 5), который теперь требуется для двигателей, устанавливаемых на сельскохозяйственную технику, снизил воздействие упомянутых загрязняющих веществ на окружающую среду на невероятные 98% по сравнению с двигателями Stage I, ограничением, действовавшим изначально.
Технические методы снижения выбросов загрязняющих веществ
EGR (рециркуляция отработавших газов)
Рециркуляция отработавших газов (EGR) — это решение, основанное на повторном введении части отработавших газов (примерно 5–15 % по объему) в камеру сгорания, что позволяет снизить температуру сгорания и, следовательно, уменьшить образование NOx.
Этот процесс обычно осуществляется снаружи, с перехватом переменной части выхлопных газов с помощью специального клапана с электронным управлением. Затем газы охлаждаются через теплообменник для снижения их температуры и повышения плотности. Затем они снова вводятся в камеру сгорания вместе с дизельным топливом и воздухом для горения.
SCR (селективное каталитическое восстановление)
Этот метод позволяет эффективно снизить уровень NOx посредством последующей обработки выхлопных газов после их образования, и, таким образом, не мешая сгоранию. Внутри каталитического нейтрализатора и способом, контролируемым специальным электронным блоком управления, 32,5%-ный чистый водный раствор мочевины (часто коммерчески называемый «AdBlue») испаряется и помещается в поток выхлопных газов. При высоких температурах он диссоциирует, выделяя аммиак. Последний вместе с кислородом соединяется в катализаторе с оксидами азота, выделяя атмосферный азот (нетоксичный) и воду в виде пара.
DPF (сажевый фильтр)
Это физический фильтр, изготовленный из чрезвычайно селективного огнеупорного материала, который умудряется улавливать более крупные частицы на типичном участке своей решетки. Периодическая очистка DPF (называемая «регенерацией») может быть пассивной, происходящей, когда температура выхлопных газов особенно высока, или активной, с изменением сгорания дизельного топлива, чтобы повысить эту температуру для запуска сгорания частиц углерода, захваченных фильтром, с соответствующим уменьшением среднего размера и их последующим выталкиванием.
DOC (дизельный окислительный катализатор)
Катализатор окисления дизельного топлива (DOC) воздействует на несгоревшие углеводороды (HC) и оксид углерода (CO), которые преобразуются в CO2 и водяной пар. DOC состоит из сотовой керамической матрицы, на которую нанесен тонкий слой благородных металлов (платина, палладий, родий), которые действуют как катализаторы, способствуя ускоренному протеканию соответствующих химических реакций.
перейти в раздел Статьи
