Системы очистки выхлопных газов в современных автомобилях
Что подразумевается под системами очистки выхлопных газов? Так называются применяемые в автомобилях растворы, снижающие выбросы вредных веществ в атмосферу. Вещества, являющиеся побочным продуктом процесса сгорания топлива. Сама очистка включает в себя преобразование этих загрязнителей в натуральные вещества. Это можно сделать каталитически или химически.
Необходимость снижения количества выбрасываемых автомобилями газов была замечена еще много лет назад. NOx, HC и CO были эффективно сокращены с 1990-х годов, когда были внедрены каталитические нейтрализаторы. Вскоре после этого появились также клапаны рециркуляции выхлопных газов и сажевые фильтры. В результате выхлопным системам пришлось претерпеть множество изменений, а последующие изменения регламента заставили внедрить новые решения.
Стандарты ЕС по выбросам выхлопных газов
Европейские правила, устанавливающие ограничения на выбросы выхлопных газов, применяются к новым автомобилям, продаваемым в ЕС и Европейской экономической зоне. Они различаются в зависимости от типа транспортного средства. Дополнительные стандарты, введенные с годами, включают:
- Евро 1 – с 1992 года включает легковые автомобили и легкие грузовики,
- Евро 2 – с 1997 года расширил ограничения, включив в него двухколесные и трехколесные транспортные средства с двигателем внутреннего сгорания,
- Евро 3 – с 2001 года проведено различие между бензиновыми и дизельными двигателями (к дизелю относились более мягко по отношению к оксидам азота и более строго по отношению к оксиду углерода),
- Евро 4 – с 2004 года введены льготы по выбросам твердых частиц в бензиновых двигателях,
- Евро 5 – с 2011 года появилась обязанность оснащать автомобили с дизельными двигателями сажевыми фильтрами,
- Евро 6 – с 2014 года, согласно которому легковые автомобили не могут выбрасывать в атмосферу более 400 мг/кВтч оксидов азота и 10 мг/кВтч твердых частиц,
- Евро 6d – с 2021 года обязывает производителей следить за тем, чтобы средний уровень выбросов углекислого газа в их модельном ряду, доступном в ЕС, не превышал 95 г/км.
Конструкция выхлопной системы
Очистка выхлопных газов от токсичных соединений – одна из основных функций выхлопной системы. Поэтому с введением последующих евростандартов его пришлось оснастить современными системами очистки выхлопных газов.
Так как же выглядит выхлопная система современного автомобиля? Базовыми элементами являются:
- выпускной коллектор (собирает выхлопные газы и отводит их в выхлопную трубу),
- глушитель (передний, средний и концевой),
- каталитический нейтрализатор (каталитический нейтрализатор),
- тройник (ускоряет отвод выхлопных газов в V-образных двигателях),
- клапан рециркуляции выхлопных газов EGR,
- сажевый фильтр,
- выхлопная труба и соединительные патрубки.
EGR, то есть клапан рециркуляции выхлопных газов
Основная задача клапана рециркуляции выхлопных газов (EGR) — снижение выбросов оксидов азота (NOx). Как это возможно? Азот – компонент бензина и дизельного топлива, который также попадает в моторный отсек вместе с всасываемым воздухом. Под воздействием высоких температур и давления в цилиндрах азот вступает в реакцию с кислородом, в результате чего образуется оксид азота. Клапан EGR снижает температуру и количество подаваемого кислорода, благодаря чему образуется меньше NOx (разница может достигать 60%).
EGR работает только тогда, когда для него созданы подходящие условия и двигатель работает в среднем диапазоне. Затем клапан забирает часть выхлопных газов из коллектора, пропускает их через радиатор, а затем направляет во впускной канал. В цилиндры попадает меньше кислорода и процесс сгорания происходит в более благоприятных условиях.
Сажевые фильтры: DPF, FAP и GPF.
Массовое производство сажевых фильтров в дизельных двигателях стало результатом введения стандарта Евро 4. Бензиновые автомобили были освобождены от этого довольно долгое время: только в 2018 году ЕС наложил на производителей обязанность устанавливать фильтры в каждый новый машина. Почему это произошло так поздно? Температура сгорания в бензиновых двигателях намного выше, что приводит к образованию меньшего количества твердых частиц.
Роль фильтра заключается в нейтрализации побочных продуктов сгорания топлива. Он имеет форму цилиндра и размещается в выхлопной трубе. Внутри находится керамическая структура с очень тонкими каналами из карбида кремния. У каждого из них засорен один из концов (со стороны выхода или входа). В стенках каналов имеются микроскопические отверстия, через которые проходят выхлопные газы, но сохраняется сажа.
Сажевые фильтры использовались многими производителями еще до того, как ЕС наложил на них такое обязательство (например, Mercedes в S-классе). Тип фильтра зависит в первую очередь от типа двигателя.
Дизельные двигатели: DPF и FAP.
Компании, выпускающие автомобили с дизельными двигателями, используют два типа сажевых фильтров:
- DPF ( сажевый фильтр ): сухой фильтр,
- FAP ( фильтр твердых частиц ): мокрый фильтр.
Принцип их действия один и тот же: они должны очищать выхлопные газы от частиц сажи, таких как углерод, оксиды металлов, нитраты и углеводороды. Фильтры DPF встречаются гораздо чаще. За технологию FAP отвечают инженеры французского концерна PSA, поэтому вначале она использовалась преимущественно в Peugeot и Citroen. В настоящее время его также используют, в частности, Форд, Вольво и Рено.
Чем отличаются фильтры, используемые в дизельных двигателях? DPF изготовлен из керамического материала с пористой структурой, удерживающей загрязняющие вещества. Однако ФАПы оснащены дополнительным элементом: бачком с каталитической жидкостью, которая впрыскивается внутрь фильтра. Каждый тип фильтрации должен иметь возможность самоочищаться, т.е. сжигать сажу. В мокрых фильтрах благодаря наличию жидкости температура самовоспламенения сажи снижается примерно до 450 градусов Цельсия (в случае с DPF она составляет 550 градусов С). Жидкость требует регулярной доливки каждые 80-240 тыс. км. км (в зависимости от модели автомобиля). Исследования эффективности указывают на небольшое преимущество технологии FAP. Мокрые фильтры могут удерживать до 99,7%. загрязнения и DPF до 95%. .
Сажевые фильтры в бензиновых двигателях известны как GPF (бензиновый сажевый фильтр). Как и в дизельных двигателях, их функция – улавливать сажу. Интересно, что проблема образования чрезмерного количества твердых частиц в автомобилях с бензиновым двигателем появилась с популяризацией прямого впрыска. В случае с традиционным впрыском этого не было заметно, поэтому в ЕС не видели необходимости заранее устанавливать фильтры.
Основное различие между фильтрами, используемыми в автомобилях с дизельным и бензиновым двигателем, заключается в количестве вредных веществ, образующихся при сгорании топлива. В бензиновых двигателях этот процесс происходит при более высокой температуре, благодаря чему естественным путем сгорает больше твердых частиц.
В бензиновых автомобилях условия горения сажи более благоприятны, а процесс саморегенерации фильтра проще. В случае с дизелями необходимо было повысить температуру сгорания за счет подачи большей дозы топлива. В бензиновых двигателях такой необходимости нет, и нескольких десятков минут езды в городских условиях достаточно, чтобы сжечь нагар.
Какие проблемы могут вызвать фильтры DPF, FAP и GPF?
По заверениям производителей, сажевые фильтры могут достигать пробега до 150 000. км. Однако фильтр может засориться гораздо раньше. Обычно это является результатом езды только на короткие расстояния (двигатель не прогревается до нужной температуры и выбрасывает больше сажи) или использования неподходящего моторного масла . Теоретически эта проблема не должна затронуть фильтры GPF, где процесс записи проще. Как это выглядит на практике?
Эксплуатация автомобиля только на короткие расстояния может привести к засорению фильтра, в том числе и на автомобилях с бензиновым двигателем. Загрязнение фильтра связано с определенной способностью улавливать твердые частицы, что является вполне естественным явлением. Тот факт, что фильтр засорен, не означает, что его необходимо заменить. Если самоочистка не сработала, можно заставить сажу сгореть, подключив автомобиль к диагностическому компьютеру. Другой метод – гидродинамическая очистка, то есть регенерация фильтра, которая проводится в условиях мастерской. Если это не помогло, возможно, необходимо его заменить. Цены довольно высокие, поэтому некоторые водители решают убрать фильтр. И хотя снятие DPF или GPF является законным, за езду на таком автомобиле может грозить штраф. В этом случае он не соответствует нормам выбросов выхлопных газов.
Современные системы очистки выхлопных газов важны для защиты окружающей среды. В то же время они налагают на водителей новые обязательства, поскольку их эксплуатация требует регенерации, ремонта или замены. Посещения мастерской будут реже и дешевле, если позаботиться обо всех элементах выхлопной системы. Например, в случае с EGR необходимо регулярно чистить клапан. В свою очередь, сажевые фильтры будут выполнять свою функцию дольше, если, помимо прочего, вы: используйте подходящие масла с низким содержанием золы.