Статьи

Экологические нормы во всем мире постепенно ужесточаются. Даже в нашей стране с нового года нельзя будет продавать импортные автомобили ниже Евро 4. А что собственно это значит для покупателей? Как говорится, это к деньгам... Причем из их кармана.
С легковыми машинами, особенно бензиновыми все достаточно просто - установка катализатора поближе к цилиндрам, так называемый катаколлектор, и настройка блока управления позволяют решить эту проблему даже без изменения базовой конструкции двигателя ВАЗ 2108, созданного в начале 80-х годов. А вот для дизелей все гораздо сложнее. И связано это с тем же, с чем связана лучшая экономичность дизеля - с высокой степенью сжатия.
Если немного углубиться в физику процессов, происходящих в поршневых ДВС, то можно заметить, что чем выше степень сжатия, тем больше расширяются образовавшиеся при воспламенении смеси газы. А это, в свою очередь повышает КПД. Для бензиновых двигателей максимум степени сжатия на сегодня - 12-13. Больше нельзя, поскольку топливо-воздушная смесь детонирует и вместо полезной работы просто разрушает двигатель. Основу работы дизеля именно детонация и составляет. Поэтому для устойчивого запуска дизелю нужно сжать воздух минимум в 18 раз, а учитывая давление наддува, реально воздух сжимается в 30 -40 раз.
Такая степень сжатия повышает КПД, но одновременно и температуру и давление в цилиндре. И в этих, поистине адских, условиях обычно нейтральный азот, которого в воздухе около 70%, начинает вступать в реакцию с кислородом, образуя очень вредные оксиды (NOx). Для бензиновых двигателей эта проблема решается достаточно просто - настройками двигателя увеличивают подачу топлива до уровня, когда весь кислород выжигается бензином. То есть, говоря научно, Л=1, а то небольшое количество оксидов азота, что все же образуется, уничтожает трехкомпонентный катализатор. А вот для дизелей этот путь не подходит. В цилиндры дизельного двигателя можно впрыснуть примерно в полтора раза меньше топлива, чем имеется кислорода для полного сгорания. То есть Л (лямбда)= 1,5. Это связано с тем, что тяжелое топливо не успевает испариться и не все молекулы солярки могут легко соединиться с кислородом. Обязательно должен быть запас окислителя. И часть этого запаса вступает в реакцию с азотом.




Соотношение ограничений выброса основных загрязняющих веществ в выхлопе

Собственно отличие увеличение уровня Евро, начиная с Евро 2, и состоит, в основном, в ужесточении норм выбросов окислов азота. Нормы Евро 3 еще удалось выполнить за счет оптимизации процессов сгорания, но дальше такой номер уже не проходит. Простое уменьшение температуры в камере сгорания снижает выбросы (NOx), но при этом растет количество несгоревших частиц - черный дым, на который тоже довольно жесткие нормы



Зависимость концентрации вредных веществ в выхлопе от опережения момента впрыска топлива в дизельном двигателе Евро 3

Начиная с Евро 4, токсичность контролируется специальными органами. И все сбои фиксируются в памяти блока управления на 400 дней. А чтобы даже в отсутствие догляда неповадно было загрязнять окружающую среду, в систему управления двигателем встроена функция, которая отрубает 2/3 крутящего момента, если засекает превышение норм. Сократить выбросы в дизельном двигателе можно только двумя путями - либо уменьшить температуру в камере сгорания, либо как-то уничтожать окислы уже на выходе. Радикальных преимуществ не дает ни один из методов. Но грядущие нормы Евро 6 выполнить можно только сочетанием их обоих.

Большинство производителей склоняется к применению второй технологии, и использует каталитический нейтрализатор, в котором аммиак смешивается с отработавшими газами и разлагает оксиды азота на чистый газ и воду.



Принципиальная схема системы SCR. Насос подает реагент Ад Блю к дозирующему устройству, которым управляет электронный блок на основании показаний двух датчиков концентрации NOx (на схеме не показаны). Первый стоит до катализатора, второй - контрольный - после. Определенное количество раствора впрыскивается в выхлопной коллектор, где испаряется и вместе с отработавшими газами попадает в катализатор. На активной поверхности катализатора оксиды азота реагируют с выделившимся из раствора аммиаком и превращаются в азот и воду

На сегодня основными поставщиками систем последующей обработки отработавших газов, или SCR, являются Бош, аппаратура которого под названием Диноксотроник стоит на большинстве европейских машин, включая Камаз и Хайлайт, которую в основном использует Мерседес.
Все было бы просто замечательно, но есть несколько проблем, решить которые до сих пор полностью не удается.
Во-первых, цена: Сама система стоит около 10 тысяч Евро. Кроме того, аммиак возить в машине нельзя - это сильный яд, поэтому применяют раствор карбомида (мочевины), который состоит в основном из воды, но стоит около 1 евро за литр. Грузовые машины Евро 4 потребляют около 2-4 литров АдБлю, как аккуратно называют этот состав, на 100 км, а Евро 5 - до 8.
Во-вторых, система очень чувствительна к загрязнениям и качеству мочевины, а в странах бывшего соцлагеря очень любят на ней экономить и покупают удобрения, которые разводят в грязных ведрах. Результат - забитые фильтры, закристаллизованные распылители, сгоревшие катализаторы. А каждый из компонентов стоит совсем не по детски. К тому же, пока специалистов в этой области во всем мире почти нет. В результате ремонт может встать в цену очень неплохой легковой машины - до 20000 Евро.
Другое направление избрали Скания, МАН и Камминс. Они используют рециркуляцию отработавших газов, или EGR. В этой системе часть отработавших газов охлаждается и направляется обратно на впуск. Там, смешиваясь с воздухом, они создают смесь, которая хуже пропускает фронт пламени при взрыве. Горение происходит медленнее, температура понижается, и окисление азота уменьшается. А кроме того в смеси меньше концентрация кислорода и, следовательно, меньше вероятность встречи неиспользованного кислорода с азотом, то так же уменьшает образование вредных веществ. Для двигателей Евро 4 возврат составляет около 10%, а для Евро 5 - до 30%



Схема системы EGR. Часть отработавших газов через специальный канал поступает в теплообменник, где охлаждается, а затем смешивается с воздухом и поступает в цилиндры. Объем рециркулируемых газов определяется положением заслонки и зависти от температуры воздуха и нагрузки на двигатель. Слева показано сопло Вентури, помогающее процессу смешивания отработавших газов с воздухом.

Преимущество этого метода в отсутствии дополнительных жидкостей и катализаторов. Следовательно, и цена всей системы, как при покупке, так и в процессе эксплуатации гораздо ниже. Но все не так просто... Снижение температуры снижает КПД, а значит, растет расход топлива.
С другой стороны, отработавшие газы охлаждаются той же жидкостью, что и двигатель, поэтому нужен больший радиатор, более мощный, а значит шумный вентилятор, который потребляет до 5-7% мощности двигателя. А это дополнительное потребление солярки. Так Скании пришлось на 10% увеличить рабочий объем двигателя для получения той же мощности.
Еще одним препятствием стало качество топлива. Сера, которая содержится в солярке, тоже охотно вступает в реакцию с кислородом и образует оксид, который, растворяясь в воде, превращается в серную кислоту. Если эта кислота сразу вылетает на улицу, она портит окружающую среду, но не вредит двигателю. Но в случае возврата в цилиндры начинает разъедать все на своем пути. Особенно пока мотор не работает.
Для двигателей с EGR требуется топливо, в котором серы меньше 5 частей на миллион. Сегодня такое есть только в некоторых странах западной Европы. В нашей стране по нормативам серы в 40 раз больше и срок жизни двигателя на такой солярке сильно сокращается. В наихудшем случае на полную замену поршневой и топливной системы можно попасть уже через пару лет. А это легко потянет на десяток-другой тысяч в европейской валюте.
Как показывает практика, Европа, а за ней и другие страны приблизились к той точке в борьбе за экологию, когда выполнить требования по токсичности без ущерба для потребителя нельзя. Сами автомобили становятся дороже, а вероятность выхода их из строя возрастает и цена ремонта тоже. Конечно, это не означает, что надо продолжать коптить небо чадящими Камазами и древними иномарками. Скорее это значит, что времена бесплатного использования атмосферы нашей планеты и здоровья ее жителей постепенно уходят. Сначала так решили в самых автомобилизированных и экологически сознательных странах, но постепенно осознание неизбежности расплаты за удовольствие и пользу автомобиля.
Специалисты разделились на два лагеря. На заводах и у производителей компонентов инженеры бьются над совершенствованием систем понижения токсичности. А в это время большинство европейских чип-тюнеров и прочих электронных мудрецов забросила работы по повышению мощности двигателя и сосредоточилась на обмане систем контроля токсичности. Спрос на эти услуги, учитывая сказанное выше, огромный. Даже в старой законопослушной Европе, а уж у нас в стране, он будет просто обвальный. Обмануть можно, пока. Это даже не очень сложно и дорого. Но почему-то приезжая в Германию или Швецию мы с удовольствием вдыхаем чистый воздух их городов, а возвращаясь на родину, клянем начальников, заставивших нас платить за «Никому не нужные» Евро...

Автор статьи.

Максим Левинсон, технический специалист компании Scania.