Катализаторы, адсорбенты, фильтры, зонды, резервуары — под капотом современного автомобиля прячется целый завод по переработке химических отходов. Мы решили разобраться в машинерии, которая, по велению экологического законодательства, превращает токсичные выхлопы ДВС в запах фиалок.

В конце 2015 года правительство Германии объявило, что через 35 лет на территории страны не останется автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Это сенсационное заявление стало следствием присоединения к международному альянсу ZEV (Zero-Emission Vehicle), амбициозной целью которого является кардинальное снижение выбросов парниковых газов к 2050 году. Конец автомобилей на углеводородном топливе? Говорить об этом пока рано, так как у автопроизводителей в арсенале много средств снижения токсичности.

Для чего вообще обезвреживать выхлопные газы? Ведь еще в школьном курсе химии вполне четко описано уравнение горения любого органического топлива, в результате которого образуются углекислый газ и вода. И если углекислый газ может представлять некую опасность, то уж водяной пар совсем безобиден.

Однако в камере сгорания двигателя реакции далеки от того школьного уравнения. Во‑первых, топливо сгорает не полностью, что ведет за собой образование чрезвычайно токсичного угарного газа (СО) и многочисленных недогоревших углеводородов (от парафинов до аренов). Во‑вторых, в процесс горения активно вмешиваются азот воздуха (N2) и различные примеси в бензине (обычно сера). Выбросы оксидов азота (NOx) приводят к образованию смога, кислотных дождей и озоновых дыр, соединения серы вредны для здоровья, в частности раздражают слизистые оболочки глаза.

Кстати, в Соединенных Штатах особое внимание уделяют именно концентрации NOx в выхлопных газах, так как при их разложении под солнечными лучами образуется знаменитый калифорнийский фотохимический смог.

Каталитический нейтрализатор

Из школьной программы мы помним, что катализаторы — это вещества, которые ускоряют химические реакции, но сами в них не вступают. Благородные металлы — отличные катализаторы. Внутри трехкомпонентного каталитического нейтрализатора палладий (Pd), платина (Pl) и родий (Rh) тончайшим слоем покрывают керамические соты, площадь поверхности которых достигает 20? 000 м2. Такая внушительная площадь способствует контакту выхлопных газов с благородными металлами, которых, к слову, требуется всего два-три грамма на один нейтрализатор. Задача агрегата — дожечь угарный газ и несгоревшие углеводороды до углекислого газа и воды, а вредные оксиды NOx восстановить до обычного атмосферного азота (последнюю функцию берет на себя родий).

Рабочая температура каталитического нейтрализатора лежит в диапазоне от 400 до 800 °C, поэтому внутренности агрегата изготовлены из термически устойчивой керамики (кордиерит или карбид кремния). Для прогрева катализатору необходимо некоторое время, поэтому холодный мотор выбрасывает в воздух практически неочищенные выхлопы. Инженеры постоянно сталкиваются с выбором: поставить нейтрализатор ближе к мотору, где он будет быстрее прогреваться, либо расположить его ближе к глушителю, где прибор сможет работать в более щадящем температурном режиме.

В любом случае стоит помнить: большинство современных авто оснащается системами нейтрализации, поэтому не стоит оставлять машину на газоне с сухой травой — раскаленный после поездки корпус нейтрализатора ее воспламенит. Также неразумно заводить двигатель путем буксировки — это может спровоцировать попадание топлива в нейтрализатор с последующей детонацией и разрушением керамических сот.

Адсорбент оксидов азота

Нейтрализатор LNT (Lean NOx Trap) используется для борьбы с оксидами азота в выхлопных газах дизельных моторов. Аппарат накапливает оксиды в корпусе с помощью адсорбента, в качестве которого часто выступает оксид бария. В тот момент, когда нейтрализатор заполняется полностью, компьютер резко обогащает топливовоздушную смесь, поступающую в камеры сгорания. Казалось бы, смесь, в которой много бензина и мало воздуха, резко увеличивает концентрацию токсичного угарного газа в выхлопе. Однако внутри LNT-нейтрализатора угарный газ вступает в реакцию с оксидами азота, превращая их в безобидный молекулярный азот N2 и условно безобидный углекислый газ. Как только нейтрализатор полностью очищается от NOx, двигатель возвращается в нормальный режим работы. Разумеется, периодическое переобогащение смеси негативно сказывается на экономичности. Но чистота атмосферы гораздо дороже.

Лямбда-зонд

Оптимальная концентрация кислорода гарантирует эффективную нейтрализацию. Если смесь чрезмерно обеднить, то есть обделить топливом за счет воздуха, в выхлопных газах увеличится концентрация NOx. Обогащение смеси приведет к тому, что топливо сгорит не полностью и в выхлопе станет больше угарного газа и неокислившихся углеводородов. Поддерживать идеальный баланс помогает лямбда-зонд — датчик, контролирующий уровень кислорода в выпускном коллекторе двигателя. Лямбда, или коэффициент избытка воздуха, — это показатель соотношения воздуха и топлива в смеси. Если? > 1 — смесь бедная, если? <1, то обогащенная. Датчик представляет собой подобие топливной ячейки с электролитом из диоксида циркония и платиновыми электродами, один из которых сообщается с забортным воздухом (содержит кислород, окислитель), а другой – с выхлопными газами. Несгоревший бензин служит «топливом» для «ячейки», и при обогащении смеси напряжение на датчике растет. В ответ на этот сигнал компьютер обедняет смесь.
Фото
Лямбда-зонд представляет собой топливную ячейку из двух платиновых электродов и электролита из диоксида циркония. И электроды, и электролит проницаемы для кислорода. Внутрь зонда подается воздух с улицы, который подогревается нагревательным элементом. Если смесь богатая и выхлоп содержит мало кислорода, концентрация O2 внутри зонда становится намного больше, чем снаружи. Поэтому кислород из забортного воздуха проходит через электроды и электролит в виде ионов, вызывая тем самым электрический ток во внешней цепи. Как только молекулы кислорода появляются в выхлопе (при бедной смеси), концентрации выравниваются, и напряжение резко падает.
Фото

Рециркуляция отработавших газов

Азот — это очень инертное вещество, и для того, чтобы он начал с чем-то реагировать, его необходимо или нагреть, или очень сильно сжать. И то и другое с ним происходит в цилиндре дизельного мотора (для бензинового мотора это не так актуально, так как степень сжатия у него значительно ниже). Снизив температуру в цилиндре, можно уменьшить концентрацию оксидов азота в выхлопе. Для этого служит EGR, или система рециркуляции отработавших газов, впервые появившаяся в конце 70-х годов прошлого столетия на американских дизельных грузовиках. С помощью специального клапана отработанные газы смешиваются с впускным воздухом и подаются обратно в цилиндр. Инертные газы принимают на себя часть тепла, образующегося при горении смеси, тем самым снижая температуру в камере сгорания.

Впрыск мочевины

Когда экологические стандарты «драконовские», на помощь приходит мочевина. Злосчастные оксиды азота отлично восстанавливаются до молекулярного азота с помощью аммиака (NH3), но вполне объяснимо, что хранить на борту автомобиля токсичный газ опасно. Поэтому инженеры-химики решили заменить его на мочевину ((NH2)2CO), которая порционно впрыскивается в выпускной тракт автомобиля. Вместе с выхлопными газами мочевина попадает в специальный нейтрализатор, где переходит в «боевое» состояние, превратившись в аммиак. И уже этот газ вступает в реакцию с NOx, превращая его в безобидный азот и воду. Эта технология носит название SCR (Selective Catalytic Reduction, выборочное каталитическое восстановление), а неудобное уху слово «мочевина» в ней заменили красивым AdBlue. Хотя AdBlue — это всего-навсего 32,5% чистой (NH2)2CO в дистиллированной воде. Вот так экологические стандарты создали целую химическую отрасль, ведь теперь владельцы «мочевинных» дизелей должны заправлять машину и соляркой, и AdBlue. А расход последней составляет до 6% от расхода топлива.
Прежде чем порция выхлопных газов вернется в цилиндр,
ее необходимо охладить. Этим может заниматься как жидкостный охлаждающий контур, так и воздушный или оба сразу. Система рециркуляции выхлопных газов EGR, представленная на схеме, принадлежит грузовому автомобилю Scania.

Сажевый фильтр

Твердые частицы в выхлопных газах тоже требуют нейтрализации. Помните, как чадят на разгоне старенькие перегруженные КамАЗы? Это не просто дым, а микроскопические частицы сажи (от 10 нм до 1 мкм), которые охотно осаждаются в наших легких. Так же, как и NOx, сажа в выхлопе — это преимущественно проблема дизельного мотора. Дело в том, что солярка является достаточно тяжелой фракцией нефти и содержит ненасыщенные соединения, что делает долю углерода в ней несколько большей, чем в бензине. Больше углерода — больше сажи при горении. И бороться с ней снова помогает устойчивая к высоким температурам керамика. До определенного момента специальные керамические фильтры DPF (Diesel Particulate Filter) собирают сажу из выхлопных газов дизельного мотора. А когда ее количество становится запредельным, двигатель переходит на особый режим работы: резко повышает температуру газов в системе выпуска до 600 °C. Вкупе с достаточным количеством кислорода это позволяет окислить сажу до углекислого газа и выбросить ее в выхлопную трубу. Чтобы не перегревать фильтр DPF, некоторые производители покрывают его керамические поверхности платиной, которая служит катализатором. Концерн PSA (Peuqeot-Citroёn) предложил добавлять присадки на основе церия (Ce) в дизельное топливо. Все это позволяет снизить теплоту окисления сажи до 450 °C, что вполне сопоставимо с обычной температурой выхлопных газов. В странах, где приняты нормы Евро-5, с 2011 года все дизельные автомобили оснащаются DPF-фильтрами.

Низковольтный гибрид

Грядущие эконормы ЕВРО-6с (2017−2020 годы) не оставляют пространства для маневра двигателям на углеводородном топливе. Скорее всего, они поголовно станут гибридными. Компания Bosch анонсировала появление низковольтных (48 В) гибридных схем. Электромобиль в такой схеме не способен в одиночку перемещать машину, он лишь ассистирует двигателю в самом «неэкологичном» режиме разгона. Зато низковольтные системы помогут минимальными усилиями «гибридизировать» самые разные модели авто. Система stop?&?start будет иметь право выключать двигатель на автомагистралях при 120−140 км/ч. Все эти мероприятия ведут к дальнейшему усложнению и удорожанию двигателей внутреннего сгорания. Так что, если ничего не изменится в законодательстве, к 2050 году электромобили действительно выйдут на первые роли.

Статья «Свежее дыхание двигателя» опубликована в журнале «Популярная механика» (№3, Март 2016).