Как токсичные выхлопы ДВС превращаются в запах фиалок

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 (NO_x) 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 NO_x в выхлопных газах, так как при их разложении под солнечными лучами образуется знаменитый калифорнийский фотохимический смог.

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 NO_x 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.

Нейтрализатор LNT (Lean NO_x 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 NO_x, двигатель возвращается в нормальный режим работы. Разумеется, периодическое переобогащение смеси негативно сказывается на экономичности. Но чистота атмосферы гораздо дороже.

Оптимальная концентрация кислорода гарантирует эффективную нейтрализацию. Если смесь чрезмерно обеднить, то есть обделить топливом за счет воздуха, в выхлопных газах увеличится концентрация NO_x. 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.

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.

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 NO_x, 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.

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 NO_x, 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.

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.