Дизельный двигатель: сажа и лажа

Обитель зла

Каждые пять лет в Европе принимают новые экологические нормы. Как назло, наибольшие ужесточения касаются тех выбросов, которые более характерны для дизеля, – речь об оксидах азота и твердых частицах. От Евро‑3 до Евро‑6 допустимый уровень понизили соответственно в восемь и десять раз.

Даже при нормальном сгорании дизельного топлива неизбежно образование твердых частиц – сажи. А режимов неполного сгорания предостаточно, причем в каждом выбросы сажи повышаются многократно. Пресловутые оксиды азота образуются в камере сгорания при высокой температуре и большом избытке воздуха в топливовоздушной смеси, на котором, собственно, и работает дизельный двигатель. Из-за этого же избытка воздуха привычный нейтрализатор не способен их обезвреживать.

Для начала инженерам пришлось внедрить систему рециркуляции отработавших газов (EGR), которая направляет часть их обратно на впуск. Многие думают, что это нужно просто для дожигания выхлопных газов. Отчасти так, но основная задача – снизить количество кислорода в свежей топливо‑ воздушной смеси и сбить температуру сгорания в цилиндре. Иногда системой рециркуляции снабжают и бензиновые двигатели. У дизеля она состоит из управляющего клапана, охладителя потока газов и впускного запорного клапана.

Управляющий клапан EGR установлен на стороне выпуска и отводит отработавшие газы (ОГ) обратно на впуск. Его работой заведует модуль управления двигателем. Также в клапан встроен датчик положения. Предусмотрена функция самоочистки: при выключении двигателя клапан несколько раз открывается и закрывается. При выходе из строя системы EGR он остается закрытым. Однако нередки случаи, когда отложения сажи и коррозия со временем приводят к залипанию клапана в открытом положении. Дизельный мотор и так не отличается внутренней чистотой, вдобавок постоянно на впуск будет возвращаться полная порция ОГ, что снизит ресурс элементов двигателя и его мощность.

Охладитель EGR работает как интеркулер в системах наддува. Охлажденные газы имеют бóльшую плотность, а значит, влекут больший расход. Дополнительно они еще сильнее сбивают температуру сгорания в цилиндре. В некоторых режимах двигателя такая интенсивная рециркуляция во вред: она ведет к неполному сгоранию топлива – например, при пуске и в режиме прогрева. Чтобы избежать этого, в систему встроен клапан, который направляет газы в обход охладителя и дополнительно предохраняет его от осаждения конденсата из-за слишком низкой температуры.

Впускной запорный клапан – не что иное, как дроссельная заслонка, которая стоит во впускном тракте перед каналом подачи отработавших газов. При необходимости она закрывается почти наполовину, уменьшая поперечное сечение впускного трубопровода. За счет этого во впускном коллекторе создается разрежение и растет интенсивность рециркуляции ОГ. По факту для работы самогó двигателя она не используется, за исключением момента его более мягкой остановки, когда заслонка полностью закрывается и прекращает подачу воздуха. У дизеля – качественное регулирование топливовоздушной смеси, то есть меняются только параметры впрыска топлива. При отказе заслонка полностью открывается. Функция само‑ очистки срабатывает после выключения двигателя, когда дроссель несколько раз полностью открывается и закрывается.

О неисправности системы рециркуляции отработавших газов сигнализирует лампа Сheck. Диагностику проводят в основном с помощью компьютера. Хорошее самочувствие системы да и самого мотора продлят периодические поездки за город без пробок, дабы немного очистить их от нагара, а также применение рекомендованного моторного масла и заправка на проверенных АЗС. Продукты сгорания сомнительной солярки и дешевого масла бумерангом вернутся в двигатель.

Трубочист

Дальше экологи начали сильно прижимать двигателистов насчет выбросов сажи. Для этого окислительный нейтрализатор, который борется с выбросами СО и СН, дополнили дизельным сажевым фильтром (DPF). Чаще их объединяют в одном корпусе, но встречаются и раздельные конструкции.

Фильтр DPF напоминает обычный нейтрализатор. Разница в том, что он именно накапливает в себе частицы сажи и производит их дожигание – регенерацию. Для процесса нужна температура около 600 градусов. При обычных условиях температура отработавших газов дизеля – от 150 до 300 ºС, а воздействием на управление двигателя ее можно поднять только до пятисот. Проблему решают двумя путями. Следуя первым, каналы фильтра покрывают платиной. Этот каталитический слой снижает температуру сгорания сажи до нужных 500º и ускоряет сам процесс. Второй путь – использовать в качестве катализатора присадку к топливу, для которой предусмотрен небольшой дополнительный бак.

После регенерации остаются зольные остатки, которые заполняют фильтр. Образуются они из моторного масла и топлива, преобразовать их во что-либо невозможно. Полезный объем фильтра уменьшается, сокращаются интервалы регенерации. Фильтр, забитый окончательно, заменяют.

Фильтр с каталитическим слоем дополнен датчиком разности давлений, датчиками температуры отработавших газов и лямбда-зондом. Датчик давления определяет разницу давлений ОГ до и после фильтра DPF. По разности давлений определяется количество накопленной сажи: чем она больше, тем сильнее забит фильтр. По этому же параметру оценивается состояние самого фильтра. Слишком сильный перепад давлений «мозг» двигателя расценивает как засорение фильтра, зажигает лампу Check и переходит в аварийный режим работы. Аналогично он поведет себя и в случае слишком низкого перепада, приписав его повреждению фильтра. Также сигнал датчика служит для контроля процесса регенерации.

В зависимости от сложности системы используют от двух до трех датчиков температуры ОГ, размещенных на корпусе фильтра. Передний датчик на входе в окислительный нейтрализатор определяет, достигнута ли его рабочая температура. Средний – на входе фильтра DPF – сигнализирует о температуре, необходимой для регенерации. Задний (в более простых системах не используют) ставят на выходе для контроля температуры выхлопных газов в процессе. По показаниям рассчитывается количество сгоревшей сажи.

Лямбда-зонд находится за сажевым фильтром, его показания нужны для более точного определения количества сгоревшей сажи.

Система с топливной присадкой устроена и работает по похожему принципу. В ней нет лямбда-зонда и только один датчик температуры ОГ. В зависимости от уровня топлива из дополнительной емкости (примерно на пару литров) в основной бак впрыскивается присадка. При работе двигателя она, осаждаясь на частицах сажи в фильтре DPF и его каналах, выступает как катализатор. За регенерацию отвечает блок управления двигателем. Когда уровень накопления сажи превышает 60%, «мозг» начинает искать подходящие условия движения. Обычно это скорость от 40 км/ч при оборотах свыше 2000. В таких условиях различными способами (как правило, это дополнительный впрыск и закрытие управляющего клапана EGR) температура ОГ повышается до 500º. Запущенный процесс контролируется датчиками давления и температуры, так как разогрев свыше 1000º может повредить фильтр DPF.

В идеальных условиях полная регенерация занимает 15 минут. (Не паникуйте, если вдруг из выхлопной трубы пойдет белый дым, а потом так же неожиданно исчезнет: это своеобразный побочный эффект.) Характерных интервалов ее проведения нет, так как каждый автомобиль эксплуатируют по-своему.

Однако в реальных условиях всё сложнее. Постоянная езда в пробках на короткие расстояния препятствует нормальной регенерации. Она может стартовать неоднократно и ни разу не завершиться. Рано или поздно система начинает просить помощи.

При достижении накоплений сажи в 80% загорается сигнальная лампа DPF. В этом случае еще есть надежда на автоматическое протекание процесса, если поездить продолжительное время вне пробок. При 100‑процентной заполненности лампа начинает постоянно мигать. В блоке управления двигателя сохраняется ошибка, и он переходит в аварийный режим с ограничением впрыска топлива. В этом случае следует ехать в сервис, где проведут регенерацию вручную с помощью диагностического компьютера. Но если пропустить и это предупреждение… Когда накопления сажи достигнут 140%, загорается Check – двигатель еще сильнее придушен, однако принудительную регенерацию все еще можно выполнить. При 200% фильтр уже не спасти. А ведь его цена доходит до 100 000 рублей…

Без компьютера диагностику системы не произвести. Для ее нормальной работы требуется качественное топливо с низким содержанием серы и периодическая езда вне пробок. Любые металлосодержащие присадки приводят к повышенному образованию золы в сажевом фильтре и сокращению интервалов регенерации.

Тройной тулуп

При дополнительной подаче топлива в процессе регенерации оно попадает в моторное масло, вызывая его разжижение. Поэтому на масляном щупе дизельного двигателя иногда можно увидеть три метки: две привычные (минимум и максимум) и еще метка максимального уровня разжижения.

Модуль управления двигателем способен сам рассчитывать уровень разжижения по продолжительности и интервалам регенерации. По достижении определенного порога на щитке появляется та или иная индикация.

Полностью полагаться на электронику не стоит, нужно периодически контролировать уровень по щупу. Даже не достигнув предела разжижения, масло заметно теряет свои эффективные свойства, а продукты его сгорания дополнительно забивают сажевый фильтр. Не ждите до последнего и замените масло пораньше. При наличии DPF нужно использовать масло с пониженной зольностью, иначе интервалы регенерации с повышением расхода будут сокращаться, а масло, следовательно, станет еще быстрее терять плотность.

Дорога в ад

Очередное предписание снизить выбросы оксидов азота заставило инженеров еще больше усложнить дизельный мотор. А ведь некоторые уже дошли до предела возможностей ограничивать их образование в цилиндре двигателя. Знакомьтесь: система селективной каталитической нейтрализации (SCR). Увидеть ее можно не только на грузовиках, но и, к примеру, на дизельном кроссовере «Мазда СХ‑7», предназначенном для европейского рынка. В выхлопную систему добавили еще один нейтрализатор-преобразователь и бак с присадкой – карбамидом (мочевиной). Этот раствор AdBlue впрыскивается в нейтрализатор и превращает оксиды азота в безвредные вещества.

Преобразователь состоит из двух частей: цеолитного нейтрализатора и нейтрализатора проскальзывания. Цеолит – это каталитическое покрытие, благодаря которому происходит реакция между карбамидом и оксидами азота. При этом выделяется аммиак, он и нейтрализует оксиды. Иногда непрореагировавший аммиак проходит дальше. Для его обезвреживания служит вторая часть – нейтрализатор проскальзывания. Смеситель перед преобразователем SCR обеспечивает почти равномерное распределение карбамида в потоке ОГ и помогает его испарению.

Датчик NОx (оксидов азота) контролирует очистку ОГ. Работает он аналогично кислородному датчику. Причем подключен к отдельному модулю управления и представляет с ним единый блок.

В бак для AdBlue объемом 15 литров встроены насос и подогреватель. Сам раствор безвреден, но начинает замерзать уже при –11º. По регламенту его надо пополнять и иногда обновлять. Форсунка стоит перед нейтрализатором SCR и впрыскивает карбамид на смеситель. Управляет работой системы отдельный модуль. Индикация SCR в основном связана с малым количеством жидкости. При неисправности она дополняется «чеком». В некоторых случаях возможна блокировка пуска двигателя.

Как и в других системах, диагностика возложена на компьютер. Система очень требовательна к качеству топлива, потому-то бóльшая часть проблем именно из-за него.

Итак, вывод. Следите за лампочками на щитке, не экономьте на топливе и маслах, время от времени выводите машину на загородную прогулку и не ленитесь проверять уровень масла – тогда ваша совместная жизнь продлится дольше.

Важный инструктаж

На разных автомобилях разные алгоритмы работы лампы DPF, поэтому обязательно изучите руководство по эксплуатации. Встречаются случаи, когда миганием лампы сопровождается штатная регенерация, а владелец, естественно, пугается и глушит двигатель... В основном же лампа загорается и гаснет при включении зажигания, давая о себе знать только при возникновении проблем.

Свои дрова

На современных дизельных машинах в корпус печки встраивают электрический обогреватель. По виду он похож на радиатор: нагревается очень быстро и готов порадовать теплым воздухом из печки на холодном моторе.

Встречаются и другие решения. Например, в выхлопную систему встраивают заслонку, которую можно прикрыть, нажав кнопку. Сопротивление на выпуске возрастет – мотор прогреется быстрее.

Рукомойник?

В большинство топливных фильтров дизелей встроен датчик уровня воды. Она попадает в топливо различными путями и ведет к коррозии элементов топливной аппаратуры. Плотность воды выше плотности солярки, поэтому она скапливается в нижней части фильтра. Поплавковый датчик известит о ее переполнении. Для слива предусмотрены болт или крышка.

В некоторые фильтры встраивают подогреватель. С легкой парафинизацией солярки в мороз он справится, но только если топливо изначально зимнее.

Иногда на корпусе фильтра встретите ручной насос для прокачки системы, глотнувшей воздуха.

Универсальный фен

Большинство дизельных двигателей наддувные. Турбины в них довольно хитрые: их изменяемую геометрию каждый производитель видит по-своему.

Одни встраивают в корпус направляющие лопатки, которые могут менять проходное сечение канала ОГ перед колесом турбины. За счет этого получается постоянное давление наддува в широком диапазоне оборотов. Другие пошли еще дальше, встроив в один большой корпус две турбины – высокого и низкого давления.

В дизельном двигателе турбина термически меньше нагружена, чем в бензиновом. Но бензиновые правила продления жизни этого узла работают и здесь. Не глушите мотор сразу после остановки. Если перед этим была езда с высокой нагрузкой или вовсю шла регенерация, то температура ОГ может быть очень высокой. Можно, кстати, поставить турботаймер, поручив заботу ему.

Подсвечник

Для облегчения старта в холодную погоду служит предпусковой подогрев. Специальные свечи за пару секунд нагревают камеру сгорания до 1000º. Благодаря этому облегчается испарение топлива и возгорание смеси. Но, к сожалению, неисправность даже одной из них может поставить крест на удачном пуске.

В настоящее время свечи работают в трех режимах: привычный предпусковой подогрев, сопровождающий и режим регенерации DPF. Сопровождающий режим используется на холодном моторе и длится около четырех минут. Нужен он в основном для снижения вредных выбросов. В режиме регенерации свечи могут дополнительно увеличивать температуру ОГ. Продлить их жизнь не в нашей власти, а потому лишь посоветуем не торопиться сразу пускать мотор: лучше выждать несколько секунд после того, как погаснет их индикация на щитке.

Хитрая масленка

Индикация высокого разжижения масла зависит уже от конкретного автомобиля. Это может быть лампа DPF, привычная масленка или конкретное текстовое предупреждение. На некоторых машинах встречаются отдельные датчики высокого и низкого уровня масла. Когда индикация уже появилась, двигатель может перейти в аварийный режим работы с ограничением мощности.

После каждой замены масла следует с помощью компьютера сообщить об этом «мозгу» двигателя, выполнив перенастройку расчета разжижения