Всем привет! Сегодня мы с вами разберем системы экологии, которые устанавливаются на современные дизельные двигатели. Поймем, как они устроены, зачем нужны и как они влияют на тюнинг двигателя.
Зачем нужны системы экологии
Чтобы не вредить окружающей нас природе! Очевидно же! Но почему именно на машинах? Машины используют кислород из воздуха, мы, кстати, тоже. И сжигают топливо, выбрасывая все, что успело и не успело сгореть. Включая углекислый газ, оксиды азота, угарный газ и еще пачку всяких газообразных оксидов, в зависимости от того, что у вас было намешано в топливе и масле. И конечно же всякие твердые несгоревшие частички, например остатки вала турбины сажи. Большинство из них в том или ином виде вредные для здоровья или окружающей среды. Например углекислый газ CO2 накапливаясь в атмосфере приводит к парниковому эффекту, так что быстро переставайте дышать! Угарный газ CO соединяется с гемоглобином в крови и молекула, с которой он соединился, уже не способна переносить кислород - если надышаться им, то можно оперативно отправиться к праотцам. Оксиды азота NOx могут соединяться с гемоглобином аналогично угарному газу, соединяться с водой образовывая кислоту, и делать это, например, внутри крови, вызывая воспаления. Сажу считают канцерогеном. Если она будет проникать в легкие, это может увеличить вероятность злокачественных новообразований в легких. Если в топливе есть сера, то оксид серы, соединяясь с водой, превратится в серную кислоту и так далее. В общем все продукты горения так или иначе вредят нам с вами.
Не удивительно, что государства стараются законодательно ограничить выбросы вредных веществ в атмосферу, с помощью различных экологических требований, а автопроизводители вынуждены следовать букве закона, если хотят продавать автомобили в стране, в которой эти нормы приняты.
Почему вообще эти вещества появляются в выхлопе?
Например, откуда берутся оксиды азота? Азот ведь не горит, в школе еще проходили. Откуда в двигателе угарный газ, если при сгорании должен образовываться только углекислый? К CO2 вопросов нет, мы сами его выдыхаем. Кто-нибудь кстати сравнивал выбросы CO2 человеком на 100км?
После того как уже написал статью, все-таки обратился к данным из интернета и простым расчетам. В общем при обычной ходьбе человек выдыхает около 11 г/км CO2 если спокойно ходит, для сравнения Golf 8 GTD делает в среднем 136 г/км. Получается что 12 человек дышат как одна машина. А учитывая что на машине не ездят 24/7, а человек не может задержать дыхание на 12+ часов, делайте выводы. Не машины виноваты в парниковом эффекте.
Но вернемся к сути. На самом деле все дело в том, что в двигателе горение топлива происходит при большом давлении и температуре. 200+ атмосфер и больше 1000 градусов по цельсию - как вам такие показатели? При таком давлении и температуре даже азот из воздуха начинает соединяться с кислородом. Этот кислород, кстати, мог бы соединиться с нашим топливом, и принести пользу, но увы. А еще, если двигатель получил недостаточно воздуха или налил слишком много топлива, то горение будет проходить не оптимально. Это в костре бензин горит хорошо, с избытком кислорода. В двигателе обычно тоже неплохо, но бывает что и не очень, если переборщить. А еще сгорает куча всяких дополнительных веществ, которые находятся в топливе в виде присадок и конечно же масло. Даже если у вас все в порядке технически, остатки масла со стенок цилиндров будут подгарать и улетать в выхлоп.
Как можно исправить ситуацию? Собрать лучших инженеров и придумать решения, которые потом будут портить жизнь водителям. Или не будут? Давайте разбираться, с чем нам предстоит иметь дело как водителям и тюнерам.
Каталитический нейтрализатор или в народе катализатор - располагается как можно ближе к двигателю - в выпускном коллекторе или сразу после турбины. Нужен для того, чтобы на его поверхности остатки топлива и угарного газа все-таки соединились с кислородом и вылетали дальше в виде относительно безопасного углекислого газа. Работает только в разогретом состоянии, поэтому располагается как можно ближе к двигателю, а для его разогрева сразу после старта двигателя машина не только повышает обороты, но и повышает содержание топлива, чтобы оно догорало на катализаторе и таким образом разогрело его быстрее. Интересный факт - чтобы охладить перегретый катализатор, подачу топлива увеличивают еще сильнее, чтобы его банально “залить”. Бензином, например можно потушить костер, если его будет прям очень много и лить большим потоком, суть такая же.
Катализатор представляет из себя много мелких трубочек - сот, которые продуваются выхлопом, обычно они сделаны из керамики, реже из металла, а на поверхности этих трубочек нанесены металлы, которые могут выступать в роли катализатора и ускорять химические реакции. Например платина. Поэтому катализаторы дорогие. Этих трубочек очень много и в современных автомобилях они могут быть очень маленькими в диаметре. Вы когда-нибудь пробовали быстро выдуть воздух через тоненькую соломинку, например от детского сока? А через толстую от колы в кинотеатре? Через тонкую трубку продувать воздух тяжелее, но при этом будет получаться больше площадь поверхности соприкосновения газа с металлом ускоряющим реакцию. Обычно плотность и как следствие размер трубочек определяют в количестве ячеек на квадратный дюйм катализатора. В современных машинах стоят катализаторы 600-700 ячеек, в машинах начала 200х примерно 400-500, спортивные катализаторы обычно имеют плотность 300, реже 200 ячеек. Чем ниже плотность, тем хуже дожигаются остатки веществ в выхлопных газах, но при этом ниже сопротивление выходу выхлопа из двигателя.
Если мы хотим получить большую мощность, то нам нужно будет сжечь много топлива и воздуха, после горения образуется много выхлопных газов и им всем нужно будет протиснуться через катализатор. На мощности 250лс, через катализатор нужно будет продавливать примерно 150 литров выхлопных газов в секунду, при условии что их температура упадет до 500 градусов. Огромные объемы, кстати, если говорить о конкретной мощности, то объем газов, который будет выделяться не зависит от оборотов или типа топлива двигателя, он будет примерно одинаковым. Получается, что если катализатор слишком плотный или двигатель слишком мощный для этого катализатора, выхлопные газы будут скапливаться на выходе из цилиндра, мы получим противодавление, например в 1 атмосферу. И если мы будем пытаться затолкнуть в цилиндры воздух с помощью турбины и бустом 1 атмосфера (1 атмосфера из воздуха + 1 атмосфера наддува), мы получим что внутри двигателя будет разница давлений всего в 1 атмосферу и наполняться цилиндры будут так же, как если бы не было и турбины и катализатора одновременно.
Поэтому при тюнинге некоторые убирают катализатор целиком, но я настоятельно рекомендую так не делать и, если вы действительно уперлись в катализатор, то менять его на спортивный с меньшим количеством ячеек. Это как минимум уберет очень неприятный запах выхлопа, который будет вас преследовать, если вы уберете катализатор. Если не верите, откройте окошко рядом с каким-нибудь старым камазом, когда он разгоняется, и понюхайте выхлоп. Будет неприятно и вам и окружающим, поэтому еще раз повторюсь - не надо так. Хотите добавить мощности, ставьте второй катализатор параллельно или меняйте на меньшее количество ячеек.
Кстати, на дизелях обычно стоят катализаторы “с запасом”, и даже в случае установки большой турбины, вам будет хватать штатного ката, поэтому повторюсь - я противник удаления катализатора при тюнинге дизеля и тюнинге уровня Stage 2. На некоторых бензиновых машинах такая доработка бывает актуальна, но лучше все равно поставить спорт кат.
При удалении катализатора в большинстве случаев потребуется отключить его контроль в прошивке двигателя.
Следующим претендентом для рассмотрения у нас будет EGR - Exhaust Gas Recirculation или система рециркуляции выхлопных газов. Для простоты будем звать ее ЕГР, по-русски. Эта система работает чтобы уменьшить количество оксидов азота в выхлопе. Работает просто - часть выхлопа подает обратно в цилиндр на впуске вместе со свежим воздухом. Наличие выхлопа замедляет скорость горения топлива, а значит и температуру его горения. Чем ниже температура, тем меньше азота сможет соединиться с кислородом.
Эта система работает строго на частичных нагрузках на двигатель и никак не влияет на максимальную мощность двигателя. Часто она работает только на низких оборотах, например до 3000 оборотов на дизелях. Представьте, что у нас есть цилиндр объемом 0.5л мммм пивко =) для простоты будем наполнять его атмосферным воздухом, без наддува. Мы едем спокойно и для наших нужд достаточно топлива, на сгорание которого потребуется только половина воздуха из цилиндра. Мы можем наполнить цилиндр полностью воздухом, тогда половина его бодро и горячо сгорит, а воздух из второй половины под такой шумок тоже “сгорит”, но с образованием оксидов азота - часть энергии от горения уйдет на то, чтобы заставить кислород и азот реагировать между собой, а не на то, чтобы толкать поршень. Скорее всего это будут всего-лишь проценты, но они будут. А еще можно в наш цилиндр вместе с воздухом добавить выхлопные газы, тогда там будет достаточно воздуха для сжигания нашего топлива, но при горении рядом с нашими молекулами из топлива будут попадаться не только молекулы кислорода из воздуха, но и достаточно много молекул углекислого газа и молекула будет дожидаться, пока к ней подлетит достаточно кислорода, чтобы сгореть. Это ожидание будет замедлять горение, оно будет идти дольше, будет выделяться меньше энергии в единицу времени, выхлоп меньше нагреется, будет меньше NOx.
Получается что эта система позволяет двигателю меньше греться? Нет. Меньше будет температура горения, разница будет в пару сотен градусов, чего уже достаточно для уменьшения выбросов, но на нагреве самого двигателя это практически никак не отразится.
Получается что ЕГР полезная система? Да! Но с некоторыми оговорками. Она действительно не снижает мощность двигателя и никак не вредит его работе, даже позволяет немного экономить топливо. Но в выхлопе могут содержаться разные вещества и частицы, которые вместе с ним будут попадать во впускной коллектор, на клапаны, внутрь и на стенки цилиндра. Некоторые газы могут охладиться во впуске и осесть смолой на клапанах или впускных каналах головки блока, сажа от недогоревшего топлива может сделать то же самое, а из-за того, что она твердая, она может не только налипать, но еще и царапать, например стенки цилиндра, попадая в зазор между поршнем и цилиндром.
Поэтому эту систему имеет смысл отключать только если вы понимаете что у вас не очень чистый выхлоп и вы хотите продлить жизнь своему мотору или просто реже залезать во впуск, чтобы его отмыть от отложений. Увы, но всю систему ЕГР придется удалить, если вы убираете или если вышли из строя сажевый фильтр и катализатор.
В современных двигателях выхлопные газы перед подачей в цилиндр дополнительно охлаждают антифризом, чтобы их можно было подать побольше. Это усложняет и систему охлаждения - в ней появляется теплообменник - к нему требуется подавать антифриз. Теплообменник со временем может стать причиной утечки антифриза, а удаление его из системы незначительно замедлит скорость прогрева двигателя.
При удалении системы ЕГР потребуется отключить его работу в прошивке двигателя, а часто еще и заглушить отверстия или клапан, через который эти газы подаются. Если вы захотите удалить только теплообменник, потребуется скорректировать работу ЕГР в прошивке двигателя. Сомневаюсь что кто-то в здравом уме возьмется за это, т.к. Отключить систему целиком гораздо проще.
Переходим к главной боли владельцев дизелей Euro 5 - фильтру сажевых частиц или DPF - Diesel Particulate Filter. Это большая банка, сделанная подобно катализатору, но трубочки в ней пористые, закрытые с одного конца и расположенные в шахматном порядке. Получается что выхлопу нужно зайти в трубку, пройти через пору в ее стенке и выйти из противоположного конца соседней трубки. Это еще сложнее, чем просто пройти через трубку в катализаторе. Чтобы снизить сопротивление прохождению выхлопных газов, сажевый фильтр делают большим по площади и размеру - он раза в четыре больше катализатора.
При работе дизеля, особенно в момент разгона, когда в цилиндры уже подается достаточно много топлива, но еще недостаточно воздуха, когда турбина еще не раскрутилась, часть этого топлива может не догорать в цилиндре и мелкими частичками сажи вылетать в выхлоп. Сажевый фильтр улавливает эти частички, потому что они не могут пройти через поры трубок сажевого фильтра. К сожалению, каждая пойманная частичка сажи забивает пору, через которую она не пролезла и получается что фильтр накапливает сажу.
При достижении определенной отметки по накоплению сажи, двигатель постарается от нее избавиться - увеличит температуру выхлопа, чтобы разогреть сажевый фильтр примерно до 500 градусов, а потом будет подавать в выхлоп избыток воздуха, чтобы разогретая сажа прогорала, но не слишком много воздуха, чтобы фильтр не перегрелся. Выглядит это абсолютно аналогично тому, как вы раздуваете мангал - сначала сжигаете топливо, чтобы разогреть угли, а потом дуете на них, чтобы они горели.
Проблемы с сажевым фильтром часто встречаются у любителей городских пробок. У них много коротких разгонов и в целом коротких поездок, за которые сажевый фильтр не успевает прогреться до достаточной температуры и начать прожиг. А если вы не знаете, как выглядит прожиг на вашей машине и не даете ей его завершить и вместо этого активно жмете на газ или глушите машину, ни к чему хорошему это не приведет.
Обычно прожиг начинается при накоплении около 15-20 грамм сажи. Если вы не дали машине самостоятельно прожечь сажу и ее значение выросло до 30-35 грамм, то машина потребует обратиться в сервис, чтобы сделать прожиг в специальном сервисном режиме. Если вы забили на предупреждение и масса сажи в фильтре достигла отметки в 50 грамм, то поздравляю - вы балбес. Машина включит аварийным режим, не даст сделать прожиг в сервисном режиме и потребует заменить сажевый фильтр или сделать его очистку со снятием фильтра, с помощью специальной химии.
Степень заполнения фильтра будет определяться по датчику разницы давлений выхлопа до и после фильтра. Обычно оно составляет около 0.05-0.1 бара на чистом фильтре и может доходить до 0.3-0.5 бара на полностью забитом фильтре. И это на холостых оборотах и низкой нагрузке. Если вы боретесь за 0.1 атмосферы наддува, то сажевый для вас будет однозначным злом.
Лично я против чадящих сажей дизелей и считаю что удалять сажевый фильтр не нужно. А при спокойных настройках двигателя он не сильно отразится на достигаемой мощности. Но если вы часто совершаете короткие поездки по городу в рваном режиме, то скорее всего сажевик быстро забьется и вам придется принимать решение - мыть его за очень дорого или просто удалить. Если вы хотя бы раз в неделю выезжаете на трассу без пробок и двигаетесь со скоростью 80+ километров равномерно около 20-30 минут, то ваш сажевый фильтр будет вечно молодым вечно пьяным.
При удалении сажевого фильтра надо будет обязательно отключить алгоритмы отслеживания его состояния и запуска прожига в прошивке двигателя, а дополнительно еще удалить систему ЕГР. Обычно ЕГР забирает уже отфильтрованный в сажевом выхлоп, который достаточно чистый, если убрать сажевый фильтр и пустить в двигатель поток копоти, вы заметно ускорите знакомство со словосочетанием “капитальный ремонт”.
Кстати, на бензиновые двигатели тоже начали ставить сажевые фильтры. Называют их OPF. Устройство и суть работы у них точно такие же как и у DPF.
У некоторых владельцев самых современных дизелей Euro 6 чаще чем от сажевика болит голова только от SCR - Selective Catalytic Reduction или в народе AdBlue/мочевина. На самом деле AdBlue это сама добавка, которая используется для уменьшения количества NOx в выхлопе, но моча есть моча или как вы лодку назовете, так она и поплывет - система вызывает очень много проблем, особенно у нас в стране.
Как я уже сказал, система уменьшает количество оксидов азота в выхлопе за счет соединения оксидов азота с карбамидом (мочевиной). В итоге получается чистый азот, углекислый газ и вода. Работает она со специальным покрытием на сажевых фильтрах, которое по сути своей работает как катализатор и при подаче через специальную форсунку раствора мочевины при достижении желаемой температуры сажевого фильтра в районе 200 градусов цельсия, запускает химическую реакцию выборочной нейтрализации.
Помимо того, что эту жижу нужно покупать и заправлять в машину параллельно с топливом, она может заставить вас понервничать. Практически всегда выход системы из строя означает, что на машине нельзя будет продолжать движение или она даже не заведется после достижения определенного пробега. Обычно дается 1000-1500 километров от возникновения ошибки, чтобы доехать до сервиса и отдать много кровно заработанных за диагностику и ремонт системы. А выйти из строя у нее может много всего - бак, насос, датчик качества жидкости, датчик уровня жидкости, подающие трубки, форсунка впрыска и наверняка что-то еще. Самое обидное, что проблема может случиться даже не из-за того что вы решили помочиться в бак AdBlue, хотя из-за этого тоже. Из самого частого - жидкость может просто замерзнуть и разморозить трубки или соединения трубок, получите вечно мочащуюся систему. “Как вы лодку…” - помните, да?
Не спорю, есть очень много владельцев, которые передвигаются с этой системой и бед не знают. Но раз в год и палка стреляет, а по закону подлости случиться это может в самый неприятный момент, например когда вы уехали в отпуск за пару тысяч километров от дома и доверенных сервисов.
Считаю что эта система - бомба замедленного действия, а в эру камазов Евро 2 чадящих выхлопом от сжигания дешевой солярки, вклад машин с этой системой в экологию получается ничтожно мал, поэтому предлагаю владельцам при чип-тюнинге ее выключать. Благо это делается исключительно программно, никакого физического удаления не требуется.
Кстати, кому интересно, посмотрите на распределение выбросов между видами транспорта, кто вносит самый главный вклад? Может быть лучше заняться ими, а не мучать водителей и инженеров?
Почему я не написал про вихревые заслонки? Потому что они имеют косвенное отношение к экологии, хоть и тоже порой портят жизнь водителям, но пару слов о них скажу. Вихревые заслонки закрывают часть впускного канала головки блока, пока машина работает на низких оборотах. Поршень все равно засасывает нужное ему количество воздуха в цилиндр, но благодаря тому, что заслонка оставляет маленькое сечение канала, воздуху приходится проходить это заужение с большой скоростью, воздух разгоняется и разогнанным залетает в цилиндр, где образует вихрь. А еще поток воздуха становится турбулентным, сильно перемешанным. И этот воздух, который был разогнан, врывается в цилиндр и продолжает крутиться там, образовывая небольшой торнадо. Именно поэтому заслонки зовутся вихревыми - они закручивают воздух внутри цилиндра. Это нужно, чтобы воздух и топливо перемешивались, и в процессе горения кислороду было легче подобраться к капелькам топлива, чтобы сжечь их. Так вот, чем лучше сгорает топливо, тем больше оно отдает энергии и тем меньше сажи вы получаете в выхлопе.
В первую очередь вихревые заслонки улучшают горение топлива на низких оборотах двигателя, это увеличивает крутящий момент. А уже потом, как следствие уменьшают содержание сажи. Поэтому если не хотите потерять в тяге и отзывчивости машины на низах, не удаляйте заслонки. К хирургическому вмешательству можно прибегнуть только если они заклинили или готовы отвалиться, а вы не хотите тратиться на ремонт. Учтите, что вы в последствии потеряете в динамике. Отключение заслонок происходит программно, плюс их физически удаляют из впуска.
Итак, мы разобрали основные системы, которые устанавливают на дизели. Если что-то забыл - напомните в комментариях, а тем кто дочитал до конца - молодцы, держите сердечко!
