Евро не пахнет

В 80–90-х годах прошлого века разработчикам автомобилей сильно усложнили жизнь. Помимо броской внешности, хороших динамических характеристик, удобного и комфортного салона, появилось еще одно требование, диктуемое не рынком, но законом, – машина должна укладываться в экологические нормы. Эти требования с годами становятся жестче, и чтобы их выполнять, производители создают более экономичные двигатели, оснащают их хитрыми электронными начинками и, конечно же, совершенствуют системы нейтрализации. Давайте разберемся с последними.

В ХОЛОДЕ И ГОЛОДЕ

Введенные в 2000 году в Европе нормы Евро III внесли коррективы в испытания новых моделей на соответствие экологическим требованиям – в методику добавили холодный пуск и контроль за испарениями топлива на стоянке. Подстроиться под последнее требование производители сумели, научившись улавливать пары бензина, холодный же пуск вызвал у разработчиков больше проблем.

По методике испытаний на соответствие Евро III (равно как и Евро IV) фиксировать выбросы начинают сразу же после запуска двигателя, охлажденного до -7°С. Проблема в том, что при минусовых температурах в цилиндры приходится подавать обогащенную смесь, при сгорании которой растет количество СН и СО в отработавших газах. При этом нейтрализатор практически бездействует: ведь он начинает эффективно работать, только прогревшись до 300–350°С. Проблему частично решили, приблизив нейтрализатор к выпускному коллектору (такое сочетание часто называют катколлектором). Кроме этого, коллектор изготавливают из тонкостенных стальных труб вместо массивных чугунных и дополнительно утепляют, уменьшив тем самым тепловые потери.

Другой способ быстро прогреть нейтрализатор – подать в отработавшие газы дополнительную порцию воздуха и одновременно обогатить смесь. Топливо догорает уже на выпуске, температура выхлопных газов растет, и нейтрализатор быстрее выходит на рабочий режим. В двигателях с непосредственным впрыском подают в камеру сгорания дополнительную порцию бензина уже во время рабочего хода. Смесь сгорает медленно в основном вне цилиндра, повышая температуру отработавших газов. Иногда нейтрализатор разогревают электрическим термоэлементом, однако это влечет дополнительные энергозатраты (читай – лишние литры топлива и больше вредных выбросов).

[caption id="attachment_195249" align="aligncenter" width="150" caption="Использование сажевого фильтра в паре с нейтрализатором: 1 – совмещенный с нейтрализатором сажевый фильтр; 2 – датчики давления и температуры; 3 – блок управления двигателем;

4 – модуль подачи дополнительного топлива в выпускной тракт; 5 – подача дополн"]

[/caption]Еще одним шагом на третью ступеньку экологической лестницы стала система с двойным лямбда-управлением. Первый кислородный датчик (лямбда-зонд) определяет качество смеси – богатая или бедная. Другой, установленный за нейтрализатором, отвечает за исправную работу системы в целом. В более совершенных схемах применяют широкополосные кислородные датчики. В отличие от обычных, они не только определяют, богатая или бедная смесь, но и соотношение воздуха и бензина – насколько оно отличается от идеального (14,7:1 – стехиометрическая смесь). Кроме того, широкополосные датчики быстрее реагируют на изменение состава отработавших газов и позволяют точно регулировать соотношение бензина и воздуха, подаваемого в цилиндры.

ДОРОГАЯ ЭКОНОМИЯ

Современные двигатели с непосредственным впрыском (например, GDI у «Мицубиси» или FSI у «Фольксвагена») могут работать на обедненных смесях, существенно экономя топливо. Однако избыток кислорода в камере сгорания резко увеличивает содержание оксидов азота в отработавших газах – обычный нейтрализатор тут просто бессилен. Поэтому производители автомобилей устанавливают дополнительный NОx-накопитель, который по конструкции почти не отличается от обычного нейтрализатора. Помимо благородных металлов (платина, палладий, родий), на его активную поверхность наносят специальные вещества, задерживающие NOх-частицы – например, оксиды калия, стронция, кальция, циркония, лантана или бария. Потом рабочую смесь в двигателе кратковременно обогащают, и ядовитые оксиды разлагаются на безвредный азот и углекислый газ.

Однако накопительно-восстановительные нейтрализаторы наиболее эффективно работают при температуре не более 400°С, а выхлопные газы значительно горячее. Поэтому двигатели с непосредственным впрыском оснащают двумя нейтрализаторами: сразу за мотором – обычный трехкомпонентный, чуть дальше – накопительный.

Двигатели с воспламенением от сжатия всегда работают с избытком воздуха, поэтому у исправных дизелей с выбросами СО все в порядке. Тут приходится нейтрализовать несгоревшие углеводороды, оксиды азота и твердые частицы. Для устранения последних давно применяют сажевые фильтры. Но большие межсервисные интервалы (особенно это касается грузовиков) не позволяют их часто менять, поэтому в конструкциях прошлых лет накопившуюся сажу выжигали. Двигатель переходил на обогащенную смесь, и фильтр нагревался до нужной температуры (около 600°С). Однако в этом случае резко увеличивались выбросы других вредных веществ. Поэтому современный сажевый фильтр чаще всего работает в паре с окислительным нейтрализатором, который восстанавливает NОx до NO2 и одновременно дожигает сажу, причем при более низких температурах – около 250°С.

Но этого все-таки недостаточно, поэтому в топливный бак добавляют химический реагент AdBlue – раствор мочевины, который в нейтрализаторе превращается в аммиак и реагирует с NОx. На выходе – безвредные азот и вода. Такой принцип борьбы с оксидами азота окрестили аббревиатурой SCR (Selective Catalitic Reduction – раздельное каталитическое восстановление). Его используют в грузовиках и дизельных фургонах. Есть у него и фирменное название – компания «Бош» именует эту разработку «Денокстроник» (Denoxtronic).

В России пока действуют относительно лояльные требования Евро II, а потому столь сложные системы нейтрализации – редкость. Европа же начинает готовиться к Евро V, вступающему в силу в 2010 году. Не исключено, что это последний рубеж, который смогут преодолеть в одиночку двигатели внутреннего сгорания. А дальше им придется кооперироваться с электромоторами или просто уйти с автомобильной арены, уступив место экологически чистым источникам энергии.

СТАЛЬ ИЛИ КЕРАМИКА?

Базу (соты) нейтрализатора изначально изготавливали из керамики. Ее покрывали особым веществом с мелкопористой структурой, что увеличивало площадь контакта с газами в несколько тысяч раз. Однако керамика боится тряски и сильных ударов, она разрушается, если двигатель работает на низкокачественном топливе или неисправна система управления. Поэтому в нейтрализаторах все чаще применяют металлические соты из стальной проволоки. Они прогреваются чуть дольше керамических, рабочая поверхность при схожих размерах немного меньше, зато они не боятся механических повреждений и высоких температур. Кроме того, у таких сот намного ниже сопротивление потоку, а значит, меньше топлива будет «вылетать в трубу». Скорее всего, керамика окончательно уступит место стали.