Как снизить вредные выбросы дизеля: обзор систем, отвечающих за «экологию»

Дизельный и бензиновый двигатели отличаются составом отработавших газов. Поэтому системы очистки у них тоже разные, причём добиться «чистого» выхлопа в дизеле сложнее. Необходимые экологические показатели достигаются за счёт разных устройств и их сочетания. Рассказываем, как устроена так называемая экология дизеля — и можно ли обойтись без неё.

Более правильное название устройства, не ставшее общеупотребительным, — каталитический конвертер, поскольку он преобразовывает одни газы в другие, менее вредные.

Каталитический нейтрализатор — часть выпускной системы автомобиля. Установлен на выходе выхлопных газов из двигателя и выглядит как небольшой металлический бочонок (расширение на трубе). В нём протекают восстановительно-окислительные химические реакции — они запускаются благодаря катализаторам. Ими служат драгметаллы: платина, палладий, родий, реже золото. Поскольку сами эти вещества в процессе реакций не расходуются, для работы нейтрализатора достаточно совсем небольшого их количества.

Тончайший слой катализаторов напыляют на поверхность «сот» — ячеистой структуры из керамики или жаропрочного металла внутри бочонка, через которую проходят выхлопные газы.

Нейтрализаторы, устанавливаемые на современные автомобили, — трёхкомпонентные. Они преобразуют три вида газов: углеводороды (СₓНᵧ), окислы азота (NOₓ) и угарный газ (CO).

Вот основные реакции, которые происходят в нейтрализаторе:

• в присутствии платины и родия окислы азота распадаются на нейтральный азот и чистый кислород;
• платина и палладий отвечают за окисление углеводородов образовавшимся кислородом — на выходе получаются углекислый газ (CO₂) и вода (H₂O);
• угарный газ доокисляется до углекислого.

Для корректного функционирования каталитического нейтрализатора необходимо, чтобы двигатель работал на оптимальной топливовоздушной смеси. Вреден как недостаток кислорода, так и его избыток — то есть «богатая» и «бедная» смесь. Чтобы контролировать состав, до и после катализатора в выпускной системе устанавливают датчики кислорода — лямбда-зонды, сигналы от которых подаются в блок управления двигателем (ЭБУ). Первый корректирует состав смеси, второй показывает, как справляется со своими задачами сам нейтрализатор.

Можно ли вырезать катализатор

Можно, если он забился и плохо пропускает выхлопные газы или керамика начала «пылить» — разрушаться. Однако сразу же нужно поставить новый катализатор. Потому что внесение изменений в режим работы выпускной системы подпадает под действие статьи 12.5.1 КоАП. Но дело не только в законодательных нормах. 

Да, многие автовладельцы отмечают, что отклик двигателя на педаль акселератора с удалённой «экологией» становится активнее. Но без катализатора двигатель в любом случае начнёт дымить, а у выхлопа появится характерный «тракторный» запах. Из-за изменения содержания кислорода в выпуске лямбда-зонд начнёт передавать некорректные значения (в большинстве случаев он ещё и будет быстрее выходить из строя), поэтому ЭБУ потребуется перепрошивка, после которой дизель может работать хуже, а его ресурс снизится. В некоторых случаях потребуется и установка пламегасителя.

В случае с дизелем сегодняшние жёсткие экологические требования уже практически невозможно выполнить за счёт использования только нейтрализатора. В современных автомобилях его дополняет система селективного каталитического восстановления (Selective Catalytic Reduction, SCR) — она уменьшает концентрацию оксидов азота в выхлопных газах. Дело в том, что из-за особенностей сгорания топлива и его химического состава дизельный двигатель вырабатывает их больше, чем бензиновый.

SCR — более сложная система, кроме того, она дополнительно использует диамид угольной кислоты (NH₂)₂CO, он же мочевина. Вещество вступает в реакцию с выхлопными газами, в результате которой концентрация оксидов азота падает.

Система состоит:

• из бака — содержит раствор мочевины (коммерческое название — AdBlue) с концентрацией 32,5% активного вещества, оборудован датчиками уровня и температуры жидкости;
• нейтрализатора SCR — в нём происходит химическая реакция между мочевиной и оксидами азота. Её катализаторами служат оксиды вольфрама, ванадия, молибдена, церия, различных цеолитов;
• форсунки и насоса — обеспечивают подачу точно отмеренного количества раствора мочевины в поток выхлопных газов; 
• датчиков оксида азота — замеряют концентрацию веществ в выхлопе и помогают регулировать подачу мочевины, отправляя данные в ECU;
• электронного блока управления (ECU) — управляет системой SCR на основе данных, полученных от датчиков, определяя количество и частоту подачи раствора мочевины; 
• подогрева бака — жидкость AdBlue начинает замерзать при температуре −11 °С, поэтому в систему устанавливается подогрев бака и трубопровода, чтобы SCR могла функционировать в зимнее время. 

Очистка выхлопа происходит за счёт химической реакции восстановления NOₓ до безвредного газообразного азота N₂ и воды. Весь цикл выглядит следующим образом:

1. Подача раствора мочевины в поток выхлопных газов. Датчики измеряют уровень оксидов азота и подают сигнал в блок управления, который определяет, сколько мочевины необходимо для нейтрализации вредных веществ. Далее насос подаёт раствор через форсунку, которая впрыскивает его в поток газов перед нейтрализатором SCR.
2. Разложение мочевины. Под действием высокой температуры выхлопных газов (от 200 до 500 °С) мочевина распадается на углекислый газ и аммиак, который вступает в реакцию с оксидами азота. 
3. Реакция нейтрализации. Смесь выхлопа и аммиака попадает на катализатор, и под его воздействием происходит реакция восстановления оксидов азота, в результате образуется безопасный газообразный азот и водяной пар.

Датчики измеряют количество оксидов азота на входе и на выходе. Если они обнаружат превышение, то подадут сигнал в ECU для регулировки количества впрыскиваемой мочевины. Благодаря системе SCR уровень вредных веществ в выхлопе снижается на 90% и более.

Систему SCR можно отключить, но это сопряжено с рисками ошибок ЭБУ (загорится Check Engine) и проблемами с гарантией, если автомобиль новый. Причём, если мочевина не подаётся в выпускную систему, токсичность выхлопа многократно возрастает. Поэтому на большинстве автомобилей с SCR есть система предупреждения о низком уровне жидкости в баке. Если она заканчивается, система управления просто не заводит дизель. По счастью, расход мочевины довольно низкий — в легковой машине достаточно наполнить бачок во время очередного ТО.

Система рециркуляции выхлопных газов, или EGR (Exhaust Gas Recirculation), — устройство, которое возвращает часть отработавших газов через впускной коллектор обратно в цилиндры двигателя. Она создана для тех же целей, что и SCR, — для уменьшения объёма оксидов азота в выхлопе. Однако устройство, а главное, принцип работы у EGR иные.

Дело в том, что, когда в камере сгорания двигателя остаётся «лишний» кислород, он из-за высокой температуры в ней вступает в реакцию с азотом, содержащимся в воздухе, — так образуются вредные оксиды. EGR добавляет к воздуху предварительно охлаждённые выхлопные газы, в которых мало кислорода. Это и уменьшает его концентрацию, и снижает температуру горения, что в итоге делает выхлоп чище.

Технически система намного проще, чем SCR, и не требует каких-то добавок. Вот её основные компоненты:

• клапан — регулирует количество выхлопных газов, которые возвращаются во впускной коллектор, бывает пневматическим, электрическим и пневмоэлектрическим;
• охладитель — снижает температуру газов перед поступлением их во впускной коллектор;
• электронный блок управления с датчиками — контролирует работу системы: от положения клапана до температуры охлаждающей жидкости. 

Работает это так. Часть отработанных газов направляется во впускной коллектор через охладитель EGR, который нередко встроен в систему охлаждения дизельного мотора. Клапан регулирует их количество в зависимости от сигналов ЭБУ, который в свою очередь получает данные от датчиков оксида азота. 

Несмотря на относительно простое устройство, система EGR довольно капризна и очень чувствительна к качеству топлива. Если автовладелец заливает в бак плохую солярку, то клапан, датчики и впускной коллектор быстро покрываются нагаром. Это приводит к ухудшению работы системы и самого двигателя (неравномерность холостых оборотов, хлопки и другие посторонние звуки в глушителе, проблемы с запуском мотора). Новый клапан стоит дорого, поэтому систему иногда просто отключают. Однако специалисты не рекомендуют решать вопрос так. Прежде всего потому, что теряется и второй эффект — температура в двигателе возрастает, что в итоге сказывается на его ресурсе.

Сажевый фильтр, или DPF (Diesel Particulate Filter), как понятно из названия, служит для улавливания сажи, которой богаты выхлопные газы дизельных автомобилей. Использование этого устройства необходимо для соответствия экологическим стандартам Euro 5 и 6. В отличие от других вредных веществ, сажа — это мелкие твёрдые частички углерода, вредные для дыхания человека и природы. Их приходится задерживать во выпускной системе.

Сажевый фильтр обычно устанавливается за каталитическим нейтрализатором, иногда их объединяют в один корпус. Конструкция состоит из следующих элементов:

• корпуса из нержавеющей стали жаростойких марок, который выдерживает высокую температуру отработанных газов;
• фильтрующего элемента — представляет собой соты или каналы, сделанные из керамики на основе оксида алюминия, карбида кремния или кордиерита. Система устроена так, что выхлопные газы могут двигаться только в одном направлении, проходя через ячейки фильтрующего материала;
• датчиков температуры и давления — необходимы для контроля разницы в давлении и температуре выхлопных газов на входе и выходе, ЭБУ на основе этих данных контролирует состояние фильтра.

Принцип работы довольно простой. Отработанные газы проходят через фильтрующий элемент, и частички сажи оседают на его стенках. При этом соты или каналы всегда открыты с одной стороны и закрыты с другой, чтобы газы шли в одном направлении и сажа не забрасывалась обратно. Далее очищенные газы выходят из выхлопной трубы и рассеиваются в атмосфере.

Фильтр со временем забивается сажей, поэтому нуждается в периодической регенерации. Она бывает пассивной и активной. В первом случае сажа сама выгорает при высокой температуре выхлопных газов — около 500 °С. Такие условия создаются при интенсивной работе мотора, например, при подъёме в гору или езде на высокой скорости. 

Активная регенерация запускается, когда двигатель работает в более лёгком режиме. Например, в городских условиях. Тогда ЭБУ может запустить регенерацию принудительно, увеличив подачу топлива и температуру выхлопных газов для сжигания сажи. Когда сажевый фильтр забит, система оповещает об этом водителя — на приборной панели загорается значок DPF или надпись вроде «Очистите сажевый фильтр».

Существуют и другие способы сделать выхлоп более чистым. К ним относятся производство биодизеля, использование специальных присадок и усовершенствование процесса смесеобразования и сгорания топлива.

Биотопливо

Биодизель — это метиловый эфир, который получают из растительных или животных жиров. Суть технологии заключается в химической реакции переэтерификации триглицеридов из масел и одноатомных спиртов: этилового или метилового. 

Получаемое таким образом топливо нельзя назвать на 100% экологичным, но оно считается менее вредным, чем традиционная солярка. 

Плюсы биодизеля:

• высокое цетановое число (более 51 против 40–45 у обычной солярки);
• хорошие смазывающие свойства при пониженном содержании серы;
• высокая температура воспламенения — почти вдвое выше, чем у минерального дизтоплива, меньше риск пожара в случае разлива солярки.

Что касается экологии, двигатель на биодизеле выдаёт примерно на 8–10% меньше угарного газа, всего 0,005% серы (у обычной солярки до 0,2%) и на 50% меньше сажи. 

Однако выхлопные газы после сгорания биодизеля выделяют на 10% больше оксидов азота, что требует наличия системы SCR и каталитического нейтрализатора. Ещё один минус — снижение мощности двигателя и повышенный расход топлива. Кроме того, метиловый эфир агрессивен к резиновым деталям, кристаллизуется на холоде и может разъедать краску на кузове автомобиля.

Специальные присадки

Использование специальных добавок помогает улучшить качество дизельного топлива и тем самым снизить токсичность выхлопных газов. К ним относятся присадки следующих типов:

1. Повышающие цетановое число — ускоряют воспламенение топлива, способствуют его лучшему сгоранию. Благодаря этому дизель меньше дымит, а выброс вредных веществ снижается примерно на 20%. Рекомендуются для старых моторов или двигателей с большим пробегом (они бывают и относительно новыми).
2. Очищающие сажевый фильтр — помогают быстрее и эффективнее сжигать сажу при более низких температурах, снижая расход топлива и как следствие — количество вредных выбросов.
3. Присадки с моющими свойствами. Предотвращают образование нагара и закоксовок в топливной системе, что улучшает эффективность впрыска и сгорания топлива. Существуют присадки, разработанные для использования с сажевыми фильтрами и каталитическими нейтрализаторами.

К недостаткам использования присадок относится повышение стоимости обслуживания автомобиля, а также их несовместимость с некоторыми типами двигателей. Кроме того, на рынке встречаются подделки, в которых может содержаться повышенное количество растворителя — они способны повредить мотор. Поэтому выбирать присадки нужно внимательно, ориентируясь на тип двигателя и качество топлива, а лучше — если подходящую вам посоветует профессиональный автомеханик.

Усовершенствование топливной системы дизеля

Оптимизация системы подачи топлива способна заметно улучшить экологические показатели дизельных моторов. Эти меры в основном направлены на улучшение сгорания топлива и снижение объёма оксидов азота в выхлопе. К ним относятся:

• многофазный впрыск;
• подбор оптимальной формы впрыскиваемых струй и их угла наклона;
• повышение точности дозирования топлива;
• улучшение качества распыления за счёт повышения давления впрыска;
• совершенствование системы подачи воздуха в двигатель. 

Часть этих технологий находится на стадии эксперимента, но некоторые разработки уже внедрили, и они оказались вполне эффективными в борьбе за экологию. Например, система Common Rail оптимально дозирует топливо в зависимости от нагрузки на мотор, что способствует лучшему сгоранию солярки и снижению токсичности выхлопных газов.

Все значения в таблице средние, у разных автомобилей могут немного отличаться в зависимости от режимов работы, марки и модели, а также возраста машины. 

Как видно из таблицы, сказать однозначно, какой двигатель вреднее для окружающей среды, нельзя. Бензиновые моторы в среднем выделяют больше угарного газа и углеводородов, а дизель выбрасывает много сажи. При этом существующие системы очистки выхлопных газов удаляют до 90% вредных веществ, но требуют регулярного обслуживания и стоят недёшево.