При холодном пуске автомобильный двигатель выбрасывает гораздо больше твердых частиц и других загрязняющих веществ, чем при теплых условиях. Это связано с тем, что холодный каталитический нейтрализатор гораздо менее эффективен при низких температурах выхлопных газов. Так какой ответ? Разогрейте машину микроволнами. Ученые Empa разработали первый микроволновый преобразователь для обогрева легковых автомобилей.
Двигатели внутреннего сгорания в настоящее время находятся под огнем - снова и снова. Первой проблемой была дизельная сажа, но ее можно решить с помощью сажевых фильтров. Затем, опять же с дизелем, в центре внимания оказались вредные оксиды азота, с которыми (предположительно) справились с помощью сложных систем доочистки выхлопных газов. В дебатах о дизельных двигателях, как правило, упускают из виду: бензиновые двигатели также способствуют выбросам твердых частиц в городах, особенно в местах, где многие двигатели запускают холодный двигатель. 90 процентов всех загрязняющих веществ образуются в первую минуту после холодного пуска современного бензинового двигателя.
Или, говоря по-другому: первые 500 метров пути загрязняют воздух не меньше, чем следующие 5000 километров при условии, что автомобиль будет двигаться без остановок. Таким образом, каталитические нейтрализаторы, которые максимально быстро прогреваются или, что еще лучше, эффективно очищают выхлопные газы уже при первых оборотах двигателя, жизненно необходимы для дальнейшего значительного улучшения качества воздуха. Потис Димопулос Эггеншвилер, специалист по очистке выхлопных газов в Лаборатории технологий автомобильных трансмиссий Empa, и его команда в течение последних двух лет работали над решением проблемы холодного запуска. С помощью разработанной системы ожидается значительное снижение загрязнения воздуха в городских районах, учитывая высокую частоту холодных пусков и небольшие пройденные расстояния. Проект финансируется Швейцарским национальным научным фондом (SNSF) и Федеральным управлением по охране окружающей среды (FOEN).
Теплообменные свойства каталитического нейтрализатора должны быть подобраны таким образом, чтобы обеспечить быстрый нагрев до 300 градусов Цельсия при минимально возможном потреблении энергии. В конце концов, эта энергия должна поставляться системой электроснабжения автомобиля. Dimopoulos Eggenschwiler предлагает структуру с открытыми порами и специальным покрытием, которое можно нагреть с помощью небольшого микроволнового передатчика в течение десяти секунд, как в домашней микроволновой печи. Еще в 2012 году команда Empa уже разработала особенно эффективный каталитический нейтрализатор: керамический отлив из пенополиуретана, который более эффективно закручивает выхлопные газы и создает меньшее противодавление, чем каталитический нейтрализатор с его традиционной сотовой структурой.
Керамика из 3D-принтера
Катализатор на основе пены породил следующую идею: полиэдрическая ретикулярная структура, состоящая из тонких керамических стержней, которая требует лишь небольшого количества драгоценного металла для достижения высокой конверсии загрязняющих веществ. «Прежде всего мы искали идеальную структуру на компьютере, - говорит Димопулос Эггеншвилер. «Структура, которая быстро нагревается, ускоряет химические реакции и как можно меньше препятствует потоку газа. Затем мы приступили к воссозданию структуры в керамике». Специалисты Scuola universitaria professionale della Svizzera italiana (SUPSI) в Лугано построили решетку, спроектированную на компьютере, используя стереолитографию, своего рода 3D-печать из жидкостей и ультрафиолетового света. Затем специалисты Empa покрыли керамику карбидом кремния, оксидом циркония и оксидом алюминия, а также активными каталитическими преобразователями, состоящими из платины, родия и палладия. EngiCer SA, компания из Тичино, взяла на себя производство первой малой серии и заявила о своей заинтересованности в увеличении мощности, если рыночный спрос будет достаточно высоким. Также на борту находится швейцарский производитель катализаторов HUG Engineering AG.
Ожидания оправдались
То, что, вероятно, является первым в мире напечатанным на 3D-принтере каталитическим нейтрализатором выхлопных газов, оправдало ожидания в ходе полевых испытаний: в выхлопных газах модельного газового реактора Empa многогранный кот фактически очищал загрязняющие вещества даже более эффективно, чем на основе пены 2012 года. катализатор. После успешных первоначальных лабораторных испытаний с использованием небольших моделей кошек исследователи теперь ведут переговоры с промышленными партнерами, чтобы интегрировать один из этих каталитических нейтрализаторов в натуральную величину в тестовый автомобиль. В настоящее время проектируется первое приложение для тестирования этих новых разработок на динамометрическом стенде, а также на дороге в реальном транспортном средстве.
Следующим шагом Dimopoulos Eggenschwiler станет внедрение микроволнового нагрева. «Важно, чтобы мы не нагревали всю керамическую структуру», - говорит он. «Мы хотим нагреть только некоторые сегменты каталитического нейтрализатора микроволнами, которые генерируются при использовании драгоценного заряда батареи. Как только начнется химическая реакция, все остальные детали сами нагреются». По словам специалиста по выхлопным газам, от автомобильного аккумулятора можно легко отвлечь один-два киловатта на десять-двадцать секунд. «Этого должно быть достаточно». Как только двигатель работает, выхлопные газы и химические реакции в каталитическом нейтрализаторе выделяют достаточно тепла для поддержания высоких температур, после чего микроволновую печь можно выключить. Таким образом, выбросы при холодном пуске вскоре могут уйти в прошлое.
Коробка: Частицы на завтрак
Твердые частицы в центре города образуются не только из-за дизельных автомобилей без фильтров; бензиновые машины тоже играют роль - особенно при холодном пуске. Группе исследователей во главе с Андре Прево из Института Пауля Шеррера (PSI) удалось продемонстрировать, как эти мелкие частицы развиваются в так называемой смоговой камере. Исследователи собрали выхлопные газы испытательных автомобилей в камере надува объемом 12 кубических метров со стенками из прозрачной тефлоновой пленки. Внутри выхлопные газы автомобиля смешиваются с окружающим воздухом и облучаются ультрафиолетовыми лампами в течение нескольких часов, чтобы имитировать солнечный день. «Свежие» выхлопные газы теперь трансформируются в различные вещества: например, частицы соли, такие как нитрат аммония. Несгоревшие углеводороды окисляются на воздухе и образуют «вторичные» частицы, влияние которых на атмосферный воздух подробно изучается учеными. В некоторые дни таким образом может образовываться до 90 процентов загрязнения мелкой пылью.