Нормы для выхлопа

Первые нормы токсичности выхлопа появились в середине 80-х годов в Калифорнии, когда выяснилось, что Лос-Анджелес и Сан-Франциско задыхаются от смога. И сегодня законодательство этих штатов — самое суровое в мире в этом вопросе. Остальные подтягиваются. Во всей Европе, в Америке и Японии законодатели жмут на производителей автомобилей, заставляя их снижать вредные выбросы двигателей. Исполнение их требований становится все дороже и дороже. При этом среди автовладельцев упертых «зеленых» не так уж и много. Последние вообще считают машины злом и ездят на велосипедах и электричках. Остальные же считают удорожание техники неизбежным налогом, который надо заплатить, чтобы спать спокойно.

За что же платим? Основными вредными веществами, которые выбрасывает автомобильный двигатель, являются угарный газ, оксиды азота и не сгоревшие углеводороды. Их выбросы на сегодня ограничены практически до нуля. Есть еще углекислый газ, но пока его принимают неизбежным злом, и избавиться от него, не перейдя на питание водородом, не удается. Поэтому пытаются сократить нормы выделения, но они жестко завязаны на расход топлива, а тот – на размеры и вес автомобиля.

Про углекислый газ мы поговорим позже, а пока – про все остальное. Первым под борьбу попал угарный газ. Автомобилисты со стажем помнят, как вдоль дорог стояли инспектора с газоанализаторами и проверяли старые советские машины на концентрацию СО в выхлопе. У нас это началось на десятка полтора лет позже, чем в Америке. А там первой реакцией на введение норм концентрации вредных веществ в выхлопе стала установка систем, подающих дополнительный воздух в выхлопную трубу. Подавалось это под соусом дожигания топлива на выпуске, но, по сути, было просто разведением для снижения концентрации СО.

Законодатели это «просекли» и запретили. Пришлось заняться разработкой систем впрыска топлива, которые могли точнее регулировать процессы смесеобразования и исключать неполное сгорание. Потом появились катализаторы, которые довольно эффективно очищали выхлопные газы, оставляя только воду и углекислый газ. Для дизельных двигателей тогда все еще было относительно спокойно, ведь в их выхлопе нет угарного газа.

Борьба пошла по нарастающей. С 2000 года в Европе появились нормы на оксиды азота и несгоревшие частицы. И здесь бензиновым моторам особых проблем не прибавилось, а вот у дизелистов они начались.

Когда форсунка впрыскивает топливо, на краях факела воздуха много, и топливо хорошо горит — синий цвет на фото А, а в середине кислорода не хватает — там пламя оранжевое. За счет завихрений в камере сгорания можно организовать подачу воздуха к зоне горения, но для этого его должно быть в избытке. Темные зоны на фото В – место где находится избыточный воздух и происходит окисление азота.

Ведь для того, чтобы дизель работал, воздух в нем сжимается в 20-40 раз, нагреваясь до очень высоких температур. Сжать так смесь невозможно, она просто сдетонирует гораздо раньше. Топливо впрыскивается в цилиндр почти в самом конце такта сжатия и факел начинает гореть по краям, а потом догорает то, что в середине. И все равно в камере сгорания остается много воздуха, которому не хватило топлива.

В итоге кислород вступает в реакцию с азотом, и остается много топлива, которому не хватило воздуха. При этом образуются оксиды азота и частицы несгоревших углеводородов. Проблема заключается в том, что одновременно избавиться от обоих вредных веществ не получается. Тщательно регулируя момент и давление впрыска и закручивая вихри в камере сгорания, производители смогли довести двигатели до норм Евро-3.

Дальше можно было только уменьшить что-то одно за счет другого. А с оставшимся бороться уже на выходе. А законодатели жмут. Начиная с Евро-4, токсичность контролируется специальными органами и все сбои фиксируются в памяти блока управления на 400 дней. В Европе транспортная инспекция может в любой момент проверить эти коды и вкатить такой штраф, что мало не покажется. А чтобы даже в отсутствие догляда неповадно было загрязнять окружающую среду, в систему управления двигателем встроена функция NOx-контроль, которая отрубает 2/3 крутящего момента, если засекает превышение норм.

Производители пошли разными путями. Одни решили повысить температуру в цилиндрах и тщательнее сжигать топливо, а с возросшим количеством оксидов азота бороться с помощью системы последующей обработки выхлопа SCR. В глушитель таких машин встроен ванадиевый катализатор, а в выпускной коллектор — форсунка, которая впрыскивает специальный реагент — мочевину, которую из скромности называют AdBlue или DEF. Испарившийся раствор разлагается на аммиак и воду, а на поверхности катализатора происходит реакция между ним и оксидом азота. В результате получается еще вода и чистый азот.

Насос подает реагент (раствор мочевины NH2+H2O) 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. Для европейских машин эти системы производят Bosch и Highlite.

Все было бы просто замечательно, но есть несколько проблем, решить которые до сих пор полностью не удается. И связаны они в большей степени не с техникой, а с человеческим фактором.

Аммиак возить в машине нельзя – это сильный яд, поэтому применяют раствор карбамида (мочевины), который состоит в основном из воды, но стоит около 1 евро за литр. Грузовые машины Евро-4 потребляют около 2-4 литров реагента, как аккуратно называют этот состав, на 100 км, а Евро-5 – до 8 литров.

Как обманывают?

Жаба наносит первый удар в мозг владельца и он начинает искать обходные пути. Самый безобидный для природы – это попытка заменить фирменный реагент чем-нибудь подешевле. В странах бывшего соцлагеря очень любят покупать удобрения, которые разводят в грязных ведрах. Но система очень чувствительна к загрязнениям и качеству мочевины. Результат – забитые фильтры, закристаллизованные распылители, сгоревшие катализаторы. К таким же результатам приводит и просто отказ от заливки мочевины вообще. Если некоторое время поездить без нее, скорее всего, катализатор выгорит, и для возврата системы к работе его придется поменять.

Вторая проблема – это головотяпство. Хотя бачок для реагента имеет синюю крышку, в него регулярно пытаются налить солярки. А для резинок в насосе и клапанах системы — это смерть. В последнее время появились ремкомплекты, а раньше весь блок SCR отправлялся на помойку.

Зная все это, Scania, MAN и многие производители легковых дизелей избрали другое направление. 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, что также уменьшает образование вредных веществ. Для двигателей Евро-4 возврат составляет около 10%, а для Евро-5 – до 30%.

Преимущество EGR — 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.

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 дизельных двигателей с EGR требуется топливо, в котором серы — меньше пяти частей на миллион. До недавнего времени российский норматив по содержанию серы был почти в 40 раз больше, и хотя сейчас он полностью соответствует европейскому (не более 10 мг на килограмм), в стране процветает нелегальная торговля соляркой, которая не соответствует техрегламенту. И если в крупных городах «паленого» топлива не так много, то в провинции и на трассах – полно. В наихудшем случае регулярная заправка плохой соляркой обернется полной заменой поршневой группы и топливной системы через пару лет. А это легко потянет на десяток-другой тысяч в европейской валюте. Поэтому Scania запретила продажу таких машин во всех странах бывшего соцлагеря. Для них предлагают машины с мочевиной.

Что нас ждет впереди

А с Евро-6 все еще сложнее, потому что там обе системы работают вместе, катализаторов в глушителе — 3 штуки, да еще и сажевый фильтр впридачу. И частицы теперь меряются не концентрацией, а поштучно, за 1 час. Если посмотреть на все это глазами автомобильного инженера ХХ века, то это просто кошмар.

Химики, которые создавали блок катализаторов, называют его химической фабрикой, а двигатель пренебрежительно именуют источником сырья и тепла. Цена такой фабрики в Европе – около 13 тысяч евро, а сколько он будет стоить у нас — даже думать страшно.

Чтобы неповадно было все это отключать, в систему встроен контроль, который уже не мощность «рубит», а скорость. Например, кончилась мочевина в бачке — и скорость падает до 25 км/ч. Ползи себе потихоньку до ближайшей колонки, где сможешь ее купить. Еще одна фишка законодателей – если до сих пор машина считалась удовлетворяющей нормам по факту своего рождения, то для Евро-6 предусмотрен выборочный контроль машин с пробегом.

В двигателях Евро-6 использованы обе системы, и SCR, и EGR. До 30% отработанных газов, пройдя через охладитель, возвращаются в цилиндры, чтобы снизить температуру и уменьшить образование окислов азота. А то, с чем они не смогли справиться (1), обрабатывается в глушителе, где сперва стоит окислительный катализатор (2), дожигающий все то, что не сгорело, потом фильтр твердых частиц (3). После этого газы выходят в смесительную камеру (6), куда через сопло (4) подается реагент(5), который испаряется, и все это вместе попадает, собственно, в SCR – катализатор, в котором происходит реакция между мочевиной и остатками NOx (7). А на выходе – катализатор, расщепляющий оставшийся от реакции аммиак (8). Весь этот блок весит 130 кг.

Цена «химических фабрик» столь сладка, что их приладились делать не только производители автомобилей, но и такие, казалось бы далекие от глушителей фирмы, как Эбершпехер. На снимке полный ряд для всех основных европейских брендов.

А стоит ли овчинка выделки?

Нашему человеку, в массе своей, все эти затраты кажутся совершенно излишними. А уж ограничения, накладываемые так называемым NOx-контролем, и подавно. В общем-то, европейским водителям тоже, поэтому в систему и встроены неудалимые коды неисправности, а отключить ее нельзя, она забита в двигатель «по железу».

И здесь опять битва щита и меча. Экологи проводят через законодательство все более жесткие меры. Производители бьются над их выполнением. А в это время большинство европейских и китайских 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 просто обвальный.

Обмануть можно — пока. Это даже не очень сложно и дорого. Точнее, можно отключить NOx-контроль, поснимать элементы систем и думать, что теперь двигателю стало легче жить. На самом деле, крутящий момент действительно перестает ограничиваться, но двигатель входит в аварийный режим работы, а на панели горит лампочка повышенной токсичности выхлопа. Особенно это касается машин с EGR, где многие функции управления двигателем завязаны на соотношение воздуха с отработавшими газами.

Если просто перекрыть поток отработавших газов на впуск, система заметит недостаток давления в коллекторе и включит обходную программу, которая заменит недостающие данные усредненной величиной. Когда такое происходит, мощность двигателя уменьшается на 40%. Если это ограничение снять, двигатель будет работать при сильном недостатке воздуха, что снижает экономичность и повышает дымность выхлопа. В дальнейшем это приводит к залеганию колец.

Реально отключить систему можно только полностью заменив программное обеспечение блока управления, но это обычно делается только через завод-изготовитель. А он, зная, что после такой переделки машина перестанет выполнять местное законодательство, скорее всего, откажет. Хотя для некоторых машин прошивки появились уже и у наших умельцев.

Желание сэкономить здесь и сейчас – это наш национальный вид спорта. 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…