Дизель и экология: трубочист для дизеля

У бензинового двигателя нейтрализатор эффективно преобразует токсичные соединения СО, СН, NOх в безвредные компоненты СО2, H2O и N2. При кратковременных отклонениях состава топливовоздушной смеси от оптимального или нарушениях воспламенения могут появляться микрочастицы несгоревшего углерода – проще говоря, сажа. Но пока нет серьезных неисправностей, ее доля в отработавших газах невелика и в нейтрализаторе она дожигается до углекислого газа. За автомобилем с исправным нейтрализатором черного дыма не бывает.
С выхлопом дизеля не все так просто! При работе с небольшими нагрузками температура газов на входе в нейтрализатор бывает гораздо ниже, чем у бензинового двигателя, и сажа просто не успевает сгорать. Но выбрасывать канцерогены в атмосферу – дурной тон, вот и получил дизель в придачу к нейтрализатору особый, сажевый фильтр. На современных двигателях оба узла размещены в едином корпусе – катколлекторе, расположенном рядом с двигателем. Рядом потому, что чем ближе к выпускным клапанам, тем выше температура отработавших газов, необходимая для эффективной работы системы очистки.
Схема выпускной системы дизельного двигателя:
1 – блок управления двигателем;
2 – датчик массового расхода воздуха;
3 – датчик температуры газов на входе в турбокомпрессор;
4 – турбокомпрессор;
5 и 9 – датчики температуры газов перед сажевым фильтром и после него;
6 – датчик состава смеси (широкополосный датчик кислорода);
7 – фильтр-нейтрализатор;
8 – датчик перепада давления газов;
10 – глушитель.
Но все же со временем фильтр постепенно заполняется сажей. Чтобы она намертво не закупорила соты, от нее нужно периодически избавляться, дожигать. Используют два способа. В первом система управления двигателем никак не вмешивается в рабочий процесс – это так называемая пассивная регенерация. Она протекает при температуре газов на входе в фильтр не ниже 350 градусов, в присутствии катализатора – платины, нанесенной на его керамические соты. Последние похожи на хорошо известные соты современных нейтрализаторов, но имеют существенное отличие, показанное на рис. 2. Каналы делятся на впускные и выпускные. В первые, открытые со стороны двигателя, поступают газы со всем букетом отравляющих веществ, в том числе и сажей. Вторые же открыты с противоположной стороны – из них очищенные от сажи газы идут дальше, в нейтрализатор. Каналы расположены в шахматном порядке и разделены тонкими фильтрующими стенками, непроницаемыми для сажи (она остается во впускных), но пропускающими газы. Их материал – пористый карбид кремния, покрытый смесью оксидов алюминия и церия, он-то и служит опорной поверхностью для слоя платины.
Схема организации каналов (сот) сажевого фильтра:
Сажа скапливается во впускных каналах, а газы, пройдя через пористые стенки, уходят в выпускные каналы.
Необходимую для дожига сажи температуру отработавших газов обеспечить в дизеле удается не всегда – при малых нагрузках в цилиндры поступает много воздуха, а топлива мало! Достаточно тепла выделяется лишь в случае работы при относительно высокой мощности – например, на скорости 60–80 км/ч, а то и выше. Но зачастую это невыполнимо, особенно в городе, и самоочистки сажевого фильтра не происходит. Если полагаться только на нее, то со временем сажа полностью закупорит впускные каналы (соты) и рабочие процессы в двигателе нарушатся. Чтобы этого не произошло, от сажи нужно избавляться, а для этого держать высокую температуру газов внутри сажевого фильтра.
Второй способ очистки фильтра – активная регенерация. При необходимости (об этом – ниже) блок управления двигателем начинает подавать в цилиндры немного дополнительного топлива уже после основной дозы, незадолго до открытия выпускного клапана. «Лишняя» солярка сработать не успевает и вылетает в сажевый фильтр, где в присутствии платины бурно горит. Температура газов увеличивается, и сажа сгорает фактически по команде блока управления.
Вернемся к рис. 1. Блоку управления 1 нужно решить, когда и на какое время включать режим активной регенерации фильтра. Но как он сообразит? Очень просто: по падению давления газов на нейтрализаторе. Для этого с обеих его сторон встроены трубки, соединенные с датчиком 8 перепада давления. Когда дельта превысит заданную величину, включится режим регенерации. Обычно он длится 10–15 минут.
На самом деле не все так просто. Перепад давлений на сажевом фильтре связан с объемным расходом отработавших газов, который, в свою очередь, зависит от их температуры. Поэтому перед сажевым фильтром и после него установлены и температурные датчики 5 и 9. Ну и конечно же, для полноты информации блок управления учитывает массовый расход воздуха, датчик 2 которого традиционно размещен во впускной трубе.
Непосредственно на выпускной трубе двигателя есть еще датчик 3. Он отслеживает температуру отработавших газов на входе в турбокомпрессор. Если она приблизится к пределу, за которым возможен перегрев и разрушение весьма дорогостоящего узла, блок управления ограничит подачу топлива – и температура снизится.
Разумеется, очистка фильтра происходит наиболее эффективно, когда в него поступают газы с оптимальным соотношением воздух/топливо. Блок управления контролирует состав смеси, опираясь на показания широкополосного датчика кислорода (датчик состава смеси) 6, следящего за содержанием кислорода в отработавших газах. В конечном счете, переработав всю полученную информацию, блок управления корректирует подачу топлива в цилиндры двигателя.
Состояние всех компонентов, отвечающих за очистку выхлопных газов, контролирует бортовая система самодиагностики. Если выявит неисправности, зажжет Check Engine. К примеру, в пробках из-за низкой температуры выхлопных газов, несмотря на все старания блока управления, регенерация не запускается! Фильтр переполняется сажей – и в комбинации приборов горит сигнал с изображением фильтра (если он предусмотрен конструкцией) либо мигает лампа «проверь двигатель». Тогда остается попробовать выжечь сажу пассивным способом – поездить минут десять-пятнадцать при более высоких мощностях. Если после этого контрольная лампа не погаснет, придется ехать к «трубочистам» в сервис.