Двигатели на строителни машини

използване на филтри за частици (DPF) и урея (AdBlue)

Все по-строгите екологични законови изисквания в ЕС принудиха производителите на строителна техника през последното десетилетие да влагат все по-сложни технологии за третиране на изгорелите газове, изпускани в атмосферата от дизеловите двигатели. По-чистият въздух се оказа по-скъп, предвид стотиците милиони евро инвестирани в инженерни разработки, а в същото време в приложението им по строителните обекти започнаха да възникват различни проблеми - някои очаквани, някои не съвсем.

В следващите страници ще разгледаме основните проблеми при използване на филтри за частици (DPF) и урея (AdBlue) към двигателите на строителните машини. DPF е свързан обикновено с технологията за рециркулация на отработили газове (EGR) и се използва за намаляването до минимум на емисиите дизелови сажди, а AdBlue е необходим при селективната каталитична редукция (SCR), на която се разчита за понижаване на концентрацията на азотни оксиди.

Приложение на DPF при строителни машини
DPF е съкращение от Diesel Particulate Filter и представлява специална филтрираща система за дизелови двигатели, която отделя от изгорелите газове твърдите частици, основно дизелови сажди. Тя се използва отдавна при леките автомобили и камионите, но започна да навлиза активно при строителните машини след 2010 г. заради въведените от ЕС все по-стриктни норми за изгорелите газове, известни като Етап IIIВ, Етап IV и настоящия Етап V, при който използването на DPF става абсолютно задължително предвид нищожните количества частици, които е позволено да се изпускат в атмосферата. Това означава, че собствениците, операторите и сервизите на строителни машини няма как да не се сблъскат с проблематиките около DPF.

В днешно време филтърът DPF се разполага най-често на мястото на шумозаглушителя на дизеловия двигател, съобразен с нормите на почти „непретенциозния“ Етап IIIА, като осигурява същото или по-добро шумозаглушаване. Обикновено филтриращата система се състои от четири секции: вход, дизелов окислителен катализатор (DOC), филтър за частици (DPF) и изход. Отработилите газове преминават през катализатора и след това влизат в DPF, където частиците се събират по стените на DPF. Заради ниското обемно тегло на дизеловите сажди, което е под 0,1 г/куб. см (в едно изследване се посочва измерена 0,056 г/куб. см), филтърът бързо събира големи количества сажди. Тяхното прекалено натрупване би могло да причини задръстване и повишаване на налягането на отработилите газове във филтъра, което ще се отрази негативно на работата на двигателя. Ето защо се налага премахване на натрупаните сажди от филтъра чрез изгаряне и възстановяване на способността му да събира твърди частици – процес, който се обозначава с термина регенерация. При термичната регенерация събраните сажди се изпускат в атмосферата след изгарянето под формата на газове, основно въглероден диоксид. Освен че елиминира опасни вещества, като въглеводороди и въглероден оксид, и редуцира разтворимите частици, ролята на дизеловия окислителен катализатор е да спомогне изгарянето да става при по-ниска температура - той превръща азотния оксид в азотен диоксид, който на свой ред изгаря (окислява) саждите уловени в DPF. За целите на този процес обаче се изисква използване на дизелово гориво с ултраниско съдържание на сяра в отношение 5-15 части на милион. Ето защо строителните фирми трябва внимателно да подбират доставчиците си на дизел, чието качество може да се окаже ключово за правилната експлоатация на двигателя и DPF.

Когато работните условия позволяват поддържането на достатъчно висока температура на отработилите газове, DPF се саморегенерира, което се обозначава като пасивна регенерация. Тя не се отразява на работата на машината и обикновено на нея се разчита за нормалното функциониране на DPF. В определени случаи, когато температура на отработилите газове продължително време е недостатъчно висока, се налага активна регенерация за премахване на натрупаните сажди в DPF. При активната регенерация температурата на отработилите газове се повишава чрез впръскване на малко количество дизелово гориво в потока на газовете в DPF. В съчетание с катализатора се получава химична реакция, чрез която температурата се вдига и саждите изгарят. Това може да стане без намесата на оператора, т.е. в случая е налице активна авторегенерация. Използваното гориво е съвсем малко, от порядъка на 0,1% за повечето приложения. Смята се за нормално, времето през което се извършва активна регенерация, да бъде около 1% от времето на работа на машината. В зависимост от вида на машината и условията на работа понякога се налага операторът да стартира активна регенерация в стационарно състояние, т.е. машината не трябва да извършва работни движения, а да се паркира на безопасно място за времето на регенерацията.

Някои производители на дизелови двигатели за строителни машини предлагат като решение за агрегати над 173 к.с. активна регенерация чрез горелка в DPF. Горелката създава първоначален пламък, който запалва дизеловото гориво, подадено в потока на отработилите газове. Така в DPF температурата на отработилите газове се повишава до необходимото за изгарянето на саждите ниво от около 600°С.

По време на работа в DPF се натрупва пепел. Тя е негорим материал, който обикновено произхожда от добавките на моторното масло. Всеки двигател консумира малко количество масло в горивната камера заедно с горивото, a получената пепел се улавя от филтърната система за третиране на отработилите газове. При регенерация на филтъра саждите изгарят и напускат DPF, но пепелта не може да изгори и се натрупва. Ето защо DPF изисква периодично почистване от натрупаната пепел. Ако дизеловият двигател се експлоатира и сервизира правилно, DPF се почиства стандартно веднъж на около 4500 моточаса за агрегати над 173 к.с. и на около 3000 моточаса под 173 к.с. През последните години се появиха филтри за частици, за които производителите им декларират, че е необходимо почистване веднъж на 8000 моточаса. Почистването трябва да се извършва много внимателно от оторизиран сервиз, за да не се повреди филтърът.

DPF в процеса на работа
Състоянието на DPF и извършването на регенерацията се контролира от електронна система за управление. Тя събира информация от датчици, разположени във филтърната система: датчик за температура е разположен преди входа на отработилите газове в дизеловия окислителен катализатор; на изхода на катализатора и преди DPF обичайно има датчици за температура и налягане; на изхода на DPF също има датчици за температура и налягане. Съответно системата за управление дава светлинни индикации на таблото в кабината на строителната машина в зависимост от състоянието на DPF. Това от своя страна изисква адекватна реакция на оператора и/или сервизния техник.

През повечето време работата с машината не изисква от оператора някакво специално внимание към DPF. В някои случаи обаче се налага да включи режим на активна регенерация за изгаряне на натрупалите се сажди. Светлинен сигнал на таблото показва състоянието на системата и какво действие да предприеме операторът. Например някои машини имат светлинен индикатор за много висока температура (над нормалната) на отработилите газове от двигателя. Това може да се случи при активна регенерация. В такъв случай операторът трябва да обърне внимание ауспухът да не е насочен директно към повърхност или материал, който е лесно запалим.

Когато DPF започва да се препълва със сажди, на таблото светва индикаторът за DPF. Това означава обикновено, че системата не е в състояние да започне активна регенерация. В такъв случай операторът трябва да се увери, че превключвателят, забраняващ регенерацията, е в изключено положение и да продължи да работи, докато дойде подходящ момент за извършване на регенерация в неподвижно състояние на машината. Когато DPF е почти пълен, светлинният индикатор при някои машини започва да мига и в същото време се усеща загуба на мощност. Операторът трябва да се увери, че превключвателят, забраняващ регенерацията, е в изключено положение, като се препоръчва извършване на регенерация в паркирано неподвижно състояние на машината възможно най-скоро. При напълно задръстен DPF се появява съответната сигнализация – например индикаторът за DPF мига, но светва и индикатор за проверка състоянието на двигателя, като същевременно мощността на двигателя пада съществено. Това значи, че трябва незабавно да се извърши регенерация в паркирано положение. Обикновено се предвижда и сигнализация чрез червен индикатор на таблото, показващ, че по-нататъшната работа на двигателя ще повреди DPF. В такъв случай двигателят се изключва и се търси помощ от оторизиран сервиз.

Превключвателят, забраняващ стартиране на регенерацията, позволява на оператора да отложи активната регенерация, най-вече когато високата температура на отработилите газове представлява опасност. Ако този превключвател се използва твърде често, това ще доведе до необходимост от сервизно обслужване на DPF, т.е. почистване, или неговата подмяна с нов.

При необходимост от стартиране на активна регенерация в неподвижно състояние на машината, т.е. паркирана на място, последователността обикновено е следната:

Машината се паркира на подходящо безопасно място, като се внимава ауспухът да не сочи към повърхност или материал, които са лесно запалими; Активира се спирачката, а трансмисията се поставя в позиция Паркинг или Неутрална; Натиска се превключвателят за регенерацията – светва светлинният индикатор за увеличаване на температурата на отработилите газове, оборотите на двигателя обикновено се повишават и е възможно да се забележи промяна в звука на турбокомпресора; По време на регенерацията операторът трябва да наблюдава зоната около машината и в случай на непредвидена ситуация да спре двигателя незабавно; След като DPF бъде регенериран, двигателят ще се върне автоматично на нормалните за празен ход обороти и индикаторът за висока температура на отработилите газове ще изгасне. Повърхностите на газоизпускателната уредба се охлаждат в рамките на 3-5 минути.

Посочените примери от работата с DPF имат по-скоро илюстративна цел и са представени с идеята да покажат, че влагането на DPF в една строителна машина изисква операторът да е наясно с това и да бъде обучен за работа със системата за регенерация. Всеки оператор трябва да се запознае подробно с ръководството за експлоатация на машината си и да действа според посоченото за PDF в него. Не трябва да се подценяват правилата за използване на гориво с ултраниско съдържание на сяра (5-15 части на милион), както и моторно масло, генериращо по-малко пепел.

В последните две-три години някои водещи производители на строителна техника въведоха системи, в които филтрите за частици разчитат само на пасивна регенерация. Това може да се постигне например, ако в газоиспукателната уредба се монтира клапа, която да „затваря“ в някаква степен потока от изгорели газове, което води до повишаване на налягането и температурата с резултат съответното регенериране на филтъра.

Може ли без DPF
Ясно е, че прилагането на DPF и управляването на процесите в него не е нещо съвсем просто, а ползвателите на тази технология трябва да са готови за различни ситуации. От производителите се изисква много технологичен и производствен опит, и особено експертни познания в областта. И това се доказва от по-дългия опит от влагането на DPF при леките автомобили и камионите, с тази уговорка, че режимът на работа на дизеловите двигатели на строителните машини се различава доста и съответно в евентуалната проблематика трябва да се очакват различни нюанси.

Някои производители на дизелови двигатели за строителни машини решиха да „избягат“ от възможните проблеми, като просто не използват филтър за твърди частици (DPF) за постигане изискванията на емисионните стандарти на Етап IIIB и Етап IV на ЕС. Тяхната гледна точка е, че липсата на DPF носи редица предимства и ползи за клиентите, например по-опростени и надеждни технологии, по-ниски разходи, по-малка консумация на гориво, не се влагат обемисти компоненти под капака и съответно не се налага преконструиране на машините, елиминират се опасенията от кражба заради влаганите благородни метали в катализатора и др. Такъв тип производители избягват DPF по различни начини: оптимизиране на процесите в горивната камера, така че дизелът да изгаря по-чисто; подобрения и модификации по други компоненти на самия двигател (турбокомпресор и др.) и по системата за последващо третиране на отработилите газове - обикновено такива компании не разчитат на рециркулация на отработилите газове (EGR), а на селективната каталитична редукция (SCR) с използване на урея (AdBlue). Тази стратегия обаче бе възможна до Етап IV на ЕС. С въвеждането на Етап V от 2020 г. нататък, влагането на DPF става неизбежно, тъй като по тези норми допустимите количества частици, изпускани чрез изгорелите газове в атмосферата, са изключително ниски.На практика трябва да се комбинира DPF със SCR/AdBlue.

Приложение на AdBlue при строителните машини
Факт е, че все повече строителни машини (от Етап IIIB насам), се доставят оборудвани със система за каталитична редукция (SCR), използваща като консуматив AdBlue. Неговата употреба има някои особености, които са важни за безпроблемната и безаварийна работа на техниката.

AdBlue е воден разтвор на урея, съставен от 32,5% урея и 67,5% дейонизирана вода. По стандарт ISO 22241 той се обозначава като AUS 32, а AdBlue всъщност е търговска марка, регистрирана от Немската асоциация на автомобилната индустрия VDA. Както вече споменахме, AdBlue се използва като консуматив при селективната каталитична редукция (SCR), за да намали концентрацията на азотни оксиди в емисиите изгорели газове на дизеловите двигатели.

В самата строителна машина, от собствен резервоар, Adblue се впръсква в изгорелите газове, където разтворът на урея се изпарява и се разлага на амоняк и СО2. Благодарение на амоняка, азотните оксиди се превръщат във вода и азот, които са безвредни. Обикновено количеството впръскан разтвор на урея зависи от спецификите на конкретната система за третиране на изгорелите газове, но обичайно се движи в диапазона 2-6% от разхода на дизел. Самото впръскване се регулира от електронно управление, съобразно моментните параметри на двигателя като работна температура и обороти.

AdBlue в реални работни условия
На теория всичко звучи прекрасно, но в реалните работни условия картинката може да бъде по-различна. Например съществува риск от сериозни аварии, ако в AdBlue попаднат някакви замърсители като пръст, прах или вода. Ако те навлязат в резервоара за AdBlue на машината, това може да доведе до авария в системата за селективна каталитична редукция (SCR). В такъв случай, в зависимост от марката и модела на машината, мощността на дизеловия двигател може да бъде ограничена и така самата машина няма да може да работи нормално. Ето защо е много важно операторът и техническият персонал да познават в детайли ръководството за експлоатация на съответната машина. Все пак има няколко елементарни правила, които всеки оператор трябва да спазва.

При дозареждане с AdBlue
Замърсителите могат да се натрупат по пистолета за зареждане или по фунията. Трябва да се използва чист парцал, за да се отстранят, и да се измие вътрешната повърхност на фунията за AdBlue преди тя да се използва. Необходимо е операторът да се информира за правилния начин за рециклиране или изхвърляне на отпадъци, в т.ч. AdBlue, от съответните държавни или общински органи по опазване на околната среда и/или от производителя на техниката или неговия оторизиран представител.

При използване на контейнер за съхранение на AdBlue трябва да се почисти зоната около помпата, като се внимава замърсители да не попаднат вътре. Избърсва се капачката на контейнера и околната повърхност с чист парцал, преди тя да се отвори. Внимава се да не се замърси капачката от вътрешната страна при отвиването й.

Има риск в контейнера да е попаднал замърсител заради неправилно завита капачка. Ако се наблюдават бели кристали по или около капачката, те се почистват с чист парцал. При преливане на AdBlue в контейнери и превозване трябва да се използват специализирани за целта контейнери. Не трябва да се използват такива за общи нужди, или които вече са използвани за други течности. Освен това трябва да се провери дали даденият контейнер не е замърсен и да се внимава в него да не попадне замърсител.

Ако по грешка в резервоара за AdBlue, който е на машината, е попаднала каквато и да е друга течност, като например дизел, бензин и т.н., операторът или неговият пряк ръководител трябва веднага да се обади в най-близкия офис на производителя или неговия оторизиран представител за съдействие, защото това може да доведе до авария на системата за каталитична редукция (SCR) на машината и/или пожар.

При съхранение на AdBlue
AdBlue трябва да се съхранява в херметично затворен контейнер на място без прах, за да не проникнат замърсители в него. Трябва да се внимава да не попаднат замърсители по вътрешните повърхности на зареждащия пистолет, накрайник или фуния. AdBlue може да се съхранява при температури от -10°С до 40°С в добре вентилирано място, което не е изложено на директна слънчева светлина. AdBlue замръзва при температура -11°С или по-ниска, но качеството му се запазва след размразяване. То му може да се влоши значително при съхранение при температура 40°С и по-висока. AdBlue има способност да корозира желязо, мед, месинг, алуминий и РЕТ. Ето защо AdBlue трябва да се съхранява в контейнери от специален полиетилен или неръждаеми съдове. Необходимо е контейнерът да бъде херметично затворен, за да се избегне изпаряване. AdBlue не трябва да се съхранява на едно и също място с взривоопасни материали като например бензин или дизел.

На строителния обект
В реалната експлоатация на машините, използващи AdBlue, може да се появят различни проблеми, свързани с електрониката и датчиците. Добре обученият сервизен екип на вносителя би трябвало да може да се справи с тях. За съжаление електронната система за управление на машината понякога може да показва съобщение за грешка, което води в съвсем друга посока, но проблемът да е в системата за селективна каталитична редукция и AdBlue. Тук единствената надежда е наистина сервизният техник на вносителя да е достатъчно добре обучен и с достатъчно опит, за да отстрани своевременно дефекта.