В настоящее время отечественные и зарубежные автомобилестроительные фирмы все больше стали применять дизели, устанавливая их не только на автобусы и автомобили с большой грузоподъемностью, но и на легковые автомобили. Причиной этому является их экономичность, высокий крутящий момент, дешевое топливо, так же можно отметить, что последние модели дизелей по шумности практически не отличаются от бензиновых.

Но, не смотря на все положительные стороны дизеля, он имеет существенный недостаток – это крайне негативное влияние на окружающую среду. Проявляется это следующим образом: при сгорании 1 кг дизельного топлива выделяется  от 80 до 100 г токсичных компонентов. Из них:

- от 20 до 30 г окиси углерода;

- от 20 до 40 г окислов азота;

- от 4 до 10 г углеводородов;

- от 10 до 30 г окислов серы;

- от 0,8 до 1,0 г альдегидов;

- от 3 до 5 г сажи и др.

Значительное количество тяжелых, канцерогенных ароматических углеводородов адсорбируется на твердых частицах (саже). Концентрация бензапирена на сажевых частицах в 3-4 раза выше, чем в потоке газа [1].

Помимо того, в отработавших газах (ОГ) дизелей присутствуют частицы металлов, образующиеся в результате износа деталей двигателя и горения масла, попадающего в камеру сгорания. Все они способны притягиваться к частицам сажи, в состав которых и так входят углеводороды, обладающие повышенным мутагенным и канцерогенным действием [2].

В связи повышенной агрессивностью твердых частиц (ТЧ), Европейская экономическая комиссия ООН (ЕЭК ООН), действующая на основании Женевского соглашения, приняла в 1993 году правила № 49 для грузовых автомобилях, а в 2009 году правила № 83 для легковых автомобилей, где были введены нормы на выброс ТЧ (таблица 1).

Таблица 1 – Нормы на выброс вредных веществ (Правилам № 49 ЕЭК ООН)

И, не смотря на это, в 2012 году Всемирная организация здравоохранения вышла с предложением о запрете эксплуатации автомобилей с дизелем в европейских городах. Причиной этому послужило значительное количество ТЧ в ОГ дизеля [3].

Основным компонентом в составе ТЧ безусловно является сажа, которая способна притягивать к себе механические частицы образовавшие в камере сгорания дизеля и представляет собой аморфное вещество, не имеющее кристаллической решетки, содержащее свыше 90% углерода [1].

Образование сажи происходит в результате пиролиза (термического разложения углеводородов при недостатке кислорода). Этот процесс имеет место при значениях коэффициента избытка воздуха α от 0,3 до 0,7. Общепринятая схема сажеобразования может быть представлена в следующем виде (рисунок 1) [4].

Рисунок 1 – Схема образования сажи

В значительной степени на количество образования сажи влияют давление и температура, а также состав топлива. Размер частиц сажи зависит от режима работы дизеля (рисунок 2)

1 – на режиме малой нагрузки; 2 – на режиме с высокой нагрузкой; d-диаметр частиц сажи; Pd – плотность распределения частиц сажи по диаметрам

Рисунок 2 – Размер частиц сажи в отработавших газах дизеля

Для экологически безопасной эксплуатации дизеля необходимо в полной мере представлять процессы которые происходят в камере сгорания и способствуют образованию ТЧ. Востребована математическая модель, которая в полном объеме охватит все физико-химические процессы образования сажи и которую возможно применить уже к существующим моделям дизелей.

На сегодняшний день нет такой единой модели сажеобразования, хотя есть существенные сдвиги в понимании механизма образования сажи.

Модели образование сажи в дизеле могут быть классифицированы от полуэмпирических, феноменологических до физико-химических, построенных на уравнениях химической кинетики.

Кроме всего прочего их можно разделить на модели с подробным механизмом горения топлива и упрощенным. Хотя отметим, что по проведенным исследованиям разница в расчетах между моделью с  подробным механизмом и упрощенным невелика.

Из всех существующих моделей образования сажи, а их достаточно большое количество, можно выделить как наиболее приемлемую к рабочему циклу дизеля полуэмпирическую модель с двухступенчатым механизмом образования сажи «Hiroyasu». Состоит данная модель из двух уравнений:

- скорость формирования сажи

                                                                                           (1);

- скорости окисления

                                                                                        (2).

Где: m_f, m_sf, m_so – массы топлива, сформировавшейся и окислившийся сажи;

A_f, A_o – калибровочные константы, определяемые типом двигателя;

E_f, E_o – энергия активации реакций формирования и окисления сажи;

R – универсальная газовая постоянная;

p, T – давление и температура в цилиндре двигателя.

Данная модель нашла широкое применение в задачах по  прогнозирования процессов в поршневых двигателях.

Заслуживает внимание модель образования сажи разработанная профессором Разлейцевым Н.Ф. и уточненная Кулешовым А.С., которая представляет собой результирующую скорость образования сажи в цилиндре двигателя:

(3).

Более подробный вывод этого уравнения  изложен в литературе [6].

В данном уравнении первое слагаемое определяет образование сажи в пламени, второе – сажеобразование вследствие полимеризации ядра капель, третье и четвертое – учитывают уменьшение количества сажи вследствие ее выгорания.

В – это построчный множитель, равный:

                                                                                                      (4),

где: n – частота вращения коленчатого вала;

n_ном  – номинальная частота вращения коленчатого вала;

A, m – эмпирические коэффициенты.

Приведенное к нормальным условиям выражение (3) выглядит следующим образом:

                                                                      (5),

где: р₄₈₀ – давление в цилиндре в момент 60° до нижней мертвой точки (НМТ);

k – показатель адиабаты ОГ.

Данное выражение позволяет проводить расчеты динамики образования и выгорания сажи в камере сгорания дизеля [5, 6, 7].

На сегодняшний день для снижения выбросов ТЧ дизелем выбрано два основных направления:

- воздействие на рабочий процесс дизеля;

- использование устройства для очистки ОГ в выпускной системе.

Воздействие на рабочий процесс дизеля осуществляется путем усовершенствования работы топливной аппаратуры. Это позволяет достичь высокой точности дозы и момента впрыскивания топлива. Добиться этого стало возможным только путем повышения давление впрыска топлива и использования электронных систем управления процессом топливоподачи. В настоящее время широко используется система впрыска «Common Rail», которая разработана специалистами фирмы Bosch. Эта система имеет широкий диапазон регулирования давления топлива и момента начала впрыска. Она позволяет в значительной степени снизить расход топлива, уровень шума и токсичность ОГ.

Устройства и системы очистки ОГ от ТЧ устанавливаемые в выпускные системы можно разделить по принципу их действия (рисунок 3).

Рисунок 3 – Системы очистки отработавших газов дизеля от твердых частиц

Химические (окислительные) системы превращают горючие составляющие ТЧ в нетоксичные вещества, растворяющие с помощью  окислительно-восстановительных реакций (ОВР). Жидкостные (скрубберы), где удаление ТЧ происходит посредством растворения растворимых компонентов в рабочей жидкости нейтрализатора. При этом нерастворимые частицы удаляются фильтром.

Механические системы работают по принципу изменения вектора скорости движения ТЧ  относительно потока ОГ. Изменения вектора скорости происходит с помощью сил инерции (инерционные фильтры), за счет создания в фильтре слабого электромагнитного поля (электрические фильтры), задерживающие ТЧ при непосредственном соприкосновении с материалом фильтрующего элемента  (фильтрующие). Для очистки ОГ от ТЧ используют сажевые фильтры, изготовленные из мелкопористой керамики, металлокерамики. Качество очистки ОГ от ТЧ при использовании сажевого фильтра может достигать порядка 90% при этом расход топлива увеличивается на 2-3 %. Основным недостатка такого фильтра является то, что со временем ТЧ заполняют поры фильтрующего элемента в результате чего повышается расход топлива и понижается мощность дизеля, вследствие чего требуется его регенерация [2].

Именно такой тип фильтров с фильтрующим элементом в виде матрицы с ячейками изготовленный из керамики получил наибольшее распространение в выпускных системах дизелей (рисунок 4).

Рисунок 4 – Схема протока ОГ через керамические элементы сажевого фильтра

На сегодняшний день можно уверенно заявить, что одно из основных направления совершенствования конструкции дизелей будет направленно на его экологические показатели. Разработка «экологически чистого» дизеля требует глубоких и длительных исследований появление такого дизеля предполагается не раньше чем через 10-15 лет [8]. Но проблема загрязнения окружающей среды ОГ автомобилями требует принятия немедленных мер. Например, установка сажевого фильтра на автомобили уже находящиеся в эксплуатации позволит заметно снизить выброс ТЧ и не потребует больших материальных затрат. В подтверждение этому можно привести пример из опыта борьбы с токсичностью ОГ дизельных автомобилей в Германии. Так, владелец грузовика, установив на него фильтр твердых частиц, не только повышает экологический класс своего автомобиля, но и получает более широкие возможности передвижения на своем автомобиле по территории населенных пунктов. Помимо этого от государства он получает одноразовую субсидию в размере 330 евро.