Евро за «Евро» – зачем нужны строгие нормы для выхлопа

Из истории вопроса

Первые нормы токсичности выхлопа появились в середине 80-х годов в Калифорнии, когда выяснилось, что Лос-Анджелес и Сан-Франциско задыхаются от смога. И сегодня законодательство этих штатов — самое суровое в мире в этом вопросе. Остальные подтягиваются. Во всей Европе, в Америке и Японии законодатели жмут на производителей автомобилей, заставляя их снижать вредные выбросы двигателей. Исполнение их требований становится все дороже и дороже. При этом среди автовладельцев упертых «зеленых» не так уж и много. Последние вообще считают машины злом и ездят на велосипедах и электричках. Остальные же считают удорожание техники неизбежным налогом, который надо заплатить, чтобы спать спокойно.

За что же платим? Основными вредными веществами, которые выбрасывает автомобильный двигатель, являются угарный газ, оксиды азота и не сгоревшие углеводороды. Их выбросы на сегодня ограничены практически до нуля. Есть еще углекислый газ, но пока его принимают неизбежным злом, и избавиться от него, не перейдя на питание водородом, не удается. Поэтому пытаются сократить нормы выделения, но они жестко завязаны на расход топлива, а тот – на размеры и вес автомобиля.

Про углекислый газ мы поговорим позже, а пока – про все остальное. Первым под борьбу попал угарный газ. Автомобилисты со стажем помнят, как вдоль дорог стояли инспектора с газоанализаторами и проверяли старые советские машины на концентрацию СО в выхлопе. У нас это началось на десятка полтора лет позже, чем в Америке. А там первой реакцией на введение норм концентрации вредных веществ в выхлопе стала установка систем, подающих дополнительный воздух в выхлопную трубу. Подавалось это под соусом дожигания топлива на выпуске, но, по сути, было просто разведением для снижения концентрации СО.

Законодатели это «просекли» и запретили. Пришлось заняться разработкой систем впрыска топлива, которые могли точнее регулировать процессы смесеобразования и исключать неполное сгорание. Потом появились катализаторы, которые довольно эффективно очищали выхлопные газы, оставляя только воду и углекислый газ. Для дизельных двигателей тогда все еще было относительно спокойно, ведь в их выхлопе нет угарного газа.

Борьба пошла по нарастающей. С 2000 года в Европе появились нормы на оксиды азота и несгоревшие частицы. И здесь бензиновым моторам особых проблем не прибавилось, а вот у дизелистов они начались.

Когда форсунка впрыскивает топливо, на краях факела воздуха много, и топливо хорошо горит — синий цвет на фото А, а в середине кислорода не хватает — там пламя оранжевое. За счет завихрений в камере сгорания можно организовать подачу воздуха к зоне горения, но для этого его должно быть в избытке. Темные зоны на фото В – место где находится избыточный воздух и происходит окисление азота.

Ведь для того, чтобы дизель работал, воздух в нем сжимается в 20-40 раз, нагреваясь до очень высоких температур. Сжать так смесь невозможно, она просто сдетонирует гораздо раньше. Топливо впрыскивается в цилиндр почти в самом конце такта сжатия и факел начинает гореть по краям, а потом догорает то, что в середине. И все равно в камере сгорания остается много воздуха, которому не хватило топлива.

В итоге кислород вступает в реакцию с азотом, и остается много топлива, которому не хватило воздуха. При этом образуются оксиды азота и частицы несгоревших углеводородов. Проблема заключается в том, что одновременно избавиться от обоих вредных веществ не получается. Тщательно регулируя момент и давление впрыска и закручивая вихри в камере сгорания, производители смогли довести двигатели до норм Евро-3.

Дальше можно было только уменьшить что-то одно за счет другого. А с оставшимся бороться уже на выходе. А законодатели жмут. Начиная с Евро-4, токсичность контролируется специальными органами и все сбои фиксируются в памяти блока управления на 400 дней. В Европе транспортная инспекция может в любой момент проверить эти коды и вкатить такой штраф, что мало не покажется. А чтобы даже в отсутствие догляда неповадно было загрязнять окружающую среду, в систему управления двигателем встроена функция NOx-контроль, которая отрубает 2/3 крутящего момента, если засекает превышение норм.

Производители пошли разными путями. Одни решили повысить температуру в цилиндрах и тщательнее сжигать топливо, а с возросшим количеством оксидов азота бороться с помощью системы последующей обработки выхлопа SCR. В глушитель таких машин встроен ванадиевый катализатор, а в выпускной коллектор — форсунка, которая впрыскивает специальный реагент — мочевину, которую из скромности называют AdBlue или DEF. Испарившийся раствор разлагается на аммиак и воду, а на поверхности катализатора происходит реакция между ним и оксидом азота. В результате получается еще вода и чистый азот.

Насос подает реагент (раствор мочевины NH2+H2O) к дозирующему устройству, которым управляет электронный блок на основании показаний двух датчиков концентрации NOx (на схеме не показаны). Первый стоит до катализатора, второй – контрольный – после. Определенное количество раствора впрыскивается в выхлопной коллектор, где испаряется и вместе с отработавшими газами попадает в катализатор. На активной поверхности катализатора оксиды азота реагируют с выделившимся из раствора аммиаком и превращаются в азот и воду. Для европейских машин эти системы производят Bosch и Highlite.

Все было бы просто замечательно, но есть несколько проблем, решить которые до сих пор полностью не удается. И связаны они в большей степени не с техникой, а с человеческим фактором.

Аммиак возить в машине нельзя – это сильный яд, поэтому применяют раствор карбамида (мочевины), который состоит в основном из воды, но стоит около 1 евро за литр. Грузовые машины Евро-4 потребляют около 2-4 литров реагента, как аккуратно называют этот состав, на 100 км, а Евро-5 – до 8 литров.

Как обманывают?

Жаба наносит первый удар в мозг владельца и он начинает искать обходные пути. Самый безобидный для природы – это попытка заменить фирменный реагент чем-нибудь подешевле. В странах бывшего соцлагеря очень любят покупать удобрения, которые разводят в грязных ведрах. Но система очень чувствительна к загрязнениям и качеству мочевины. Результат – забитые фильтры, закристаллизованные распылители, сгоревшие катализаторы. К таким же результатам приводит и просто отказ от заливки мочевины вообще. Если некоторое время поездить без нее, скорее всего, катализатор выгорит, и для возврата системы к работе его придется поменять.

Вторая проблема – это головотяпство. Хотя бачок для реагента имеет синюю крышку, в него регулярно пытаются налить солярки. А для резинок в насосе и клапанах системы — это смерть. В последнее время появились ремкомплекты, а раньше весь блок SCR отправлялся на помойку.

Зная все это, Scania, MAN и многие производители легковых дизелей избрали другое направление. Они используют рециркуляцию отработавших газов, или EGR. В этой системе часть отработавших газов охлаждается и направляется обратно на впуск. Там, смешиваясь с воздухом, они создают смесь, которая хуже пропускает фронт пламени при взрыве. Горение происходит медленнее, температура понижается, и окисление азота уменьшается.

А кроме того, в смеси меньше концентрация кислорода и, следовательно, меньше вероятность встречи неиспользованного кислорода с азотом, что также уменьшает образование вредных веществ. Для двигателей Евро-4 возврат составляет около 10%, а для Евро-5 – до 30%.

Преимущество EGR — в отсутствии дополнительных жидкостей и катализаторов. Следовательно, и цена всей системы, как при покупке, так и в процессе эксплуатации гораздо ниже. Но все не так просто… Снижение температуры снижает КПД, а значит, растет расход топлива.

Еще одним препятствием стало качество топлива. Сера, которая содержится в солярке, тоже охотно вступает в реакцию с кислородом и образует оксид, который, растворяясь в воде, превращается в серную кислоту. Если эта кислота сразу вылетает на улицу, она портит окружающую среду, но не вредит двигателю. Но в случае возврата в цилиндры начинает разъедать все на своем пути. Особенно пока мотор не работает.

Для дизельных двигателей с EGR требуется топливо, в котором серы — меньше пяти частей на миллион. До недавнего времени российский норматив по содержанию серы был почти в 40 раз больше, и хотя сейчас он полностью соответствует европейскому (не более 10 мг на килограмм), в стране процветает нелегальная торговля соляркой, которая не соответствует техрегламенту. И если в крупных городах «паленого» топлива не так много, то в провинции и на трассах – полно. В наихудшем случае регулярная заправка плохой соляркой обернется полной заменой поршневой группы и топливной системы через пару лет. А это легко потянет на десяток-другой тысяч в европейской валюте. Поэтому Scania запретила продажу таких машин во всех странах бывшего соцлагеря. Для них предлагают машины с мочевиной.

Что нас ждет впереди

А с Евро-6 все еще сложнее, потому что там обе системы работают вместе, катализаторов в глушителе — 3 штуки, да еще и сажевый фильтр впридачу. И частицы теперь меряются не концентрацией, а поштучно, за 1 час. Если посмотреть на все это глазами автомобильного инженера ХХ века, то это просто кошмар.

Химики, которые создавали блок катализаторов, называют его химической фабрикой, а двигатель пренебрежительно именуют источником сырья и тепла. Цена такой фабрики в Европе – около 13 тысяч евро, а сколько он будет стоить у нас — даже думать страшно.

Чтобы неповадно было все это отключать, в систему встроен контроль, который уже не мощность «рубит», а скорость. Например, кончилась мочевина в бачке — и скорость падает до 25 км/ч. Ползи себе потихоньку до ближайшей колонки, где сможешь ее купить. Еще одна фишка законодателей – если до сих пор машина считалась удовлетворяющей нормам по факту своего рождения, то для Евро-6 предусмотрен выборочный контроль машин с пробегом.

В двигателях Евро-6 использованы обе системы, и SCR, и EGR. До 30% отработанных газов, пройдя через охладитель, возвращаются в цилиндры, чтобы снизить температуру и уменьшить образование окислов азота. А то, с чем они не смогли справиться (1), обрабатывается в глушителе, где сперва стоит окислительный катализатор (2), дожигающий все то, что не сгорело, потом фильтр твердых частиц (3). После этого газы выходят в смесительную камеру (6), куда через сопло (4) подается реагент(5), который испаряется, и все это вместе попадает, собственно, в SCR – катализатор, в котором происходит реакция между мочевиной и остатками NOx (7). А на выходе – катализатор, расщепляющий оставшийся от реакции аммиак (8). Весь этот блок весит 130 кг.

Цена «химических фабрик» столь сладка, что их приладились делать не только производители автомобилей, но и такие, казалось бы далекие от глушителей фирмы, как Эбершпехер. На снимке полный ряд для всех основных европейских брендов.

А стоит ли овчинка выделки?

Нашему человеку, в массе своей, все эти затраты кажутся совершенно излишними. А уж ограничения, накладываемые так называемым NOx-контролем, и подавно. В общем-то, европейским водителям тоже, поэтому в систему и встроены неудалимые коды неисправности, а отключить ее нельзя, она забита в двигатель «по железу».

И здесь опять битва щита и меча. Экологи проводят через законодательство все более жесткие меры. Производители бьются над их выполнением. А в это время большинство европейских и китайских чип-тюнеров и прочих электронных мудрецов забросила работы по повышению мощности двигателя и сосредоточилась на обмане систем контроля токсичности. Спрос на эти услуги, учитывая сказанное выше, огромный даже в старой законопослушной Европе. А уж у нас в стране он просто обвальный.

Обмануть можно — пока. Это даже не очень сложно и дорого. Точнее, можно отключить NOx-контроль, поснимать элементы систем и думать, что теперь двигателю стало легче жить. На самом деле, крутящий момент действительно перестает ограничиваться, но двигатель входит в аварийный режим работы, а на панели горит лампочка повышенной токсичности выхлопа. Особенно это касается машин с EGR, где многие функции управления двигателем завязаны на соотношение воздуха с отработавшими газами.

Если просто перекрыть поток отработавших газов на впуск, система заметит недостаток давления в коллекторе и включит обходную программу, которая заменит недостающие данные усредненной величиной. Когда такое происходит, мощность двигателя уменьшается на 40%. Если это ограничение снять, двигатель будет работать при сильном недостатке воздуха, что снижает экономичность и повышает дымность выхлопа. В дальнейшем это приводит к залеганию колец.

Реально отключить систему можно только полностью заменив программное обеспечение блока управления, но это обычно делается только через завод-изготовитель. А он, зная, что после такой переделки машина перестанет выполнять местное законодательство, скорее всего, откажет. Хотя для некоторых машин прошивки появились уже и у наших умельцев.

Желание сэкономить здесь и сейчас – это наш национальный вид спорта. Но почему-то, приезжая в Германию или Швецию, мы с удовольствием вдыхаем чистый воздух их городов, а возвращаясь на родину, клянем начальников, заставивших нас платить за «никому не нужные» Евро…

Результат попадания топлива в бак реагента: Прокладки насоса испортились и мочевина потекла внутрь блока управления (коричневые кристаллы)

Данная статья написана в рамках Конкурса авторов — 2015.
Лучшие работы читайте здесь .

Нормы Евросоюза по токсичности отработавших газов легких грузовиков

Краткая история вопроса

Нормы токсичности отработавших газов (ОГ) новых малотоннажных коммерческих автомобилей утверждены Директивой 70/220/ЕЕС, которая впоследствии много раз дополнялась. Наиболее важные дополнения:

• Стандарты Euro 1: Директива 93/59/EEC (легковые автомобили и легкие грузовики);

• Стандарты Euro 2 (EC 96): Директивы 94/12/EC и 96/69/ЕС;

• Стандарты Euro 3/4 (2000/2005): Директива 98/69/ЕС с последующими дополнениями в 2002/80/ЕС;

• Стандарты Euro 5/6 (2009/2014): от 20 июня 2007 г. Часть стандартов, в которой описываются методики испытаний, коэффициенты ухудшения и принимаемые каждым государством–членом ЕС индивидуально исправленные нормы содержания твердых частиц РМ, будет окончательно утверждена 2 июля 2008 г.

Топливо. Вместе со стандартами 2000/2005 гг. были введены более строгие нормы по топливу: цетановое число для дизельного топлива должно быть не менее 51 (c 2000 г.); содержание серы в дизельном топливе – не более 350 ррм (с 2000 г.) и 50 ррм (c 2005 г.); содержание серы в бензине – не более 150 ррм (c 2000 г.) и 50 ррм (c 2005 г.). Бессернистое дизтопливо и бензин (10 ррм S) должны быть в продаже с 2005 г. и станут обязательными с 2009 г.

Измерение токсичности ОГ. Токсичность ОГ измеряется по Новому европейскому ездовому циклу на беговых барабанах для шасси NEDC (ECE 15 + EUDC). С 2000 г. (Euro 3) в эту методику внесено изменение: был исключен 40-секундный период прогрева двигателя перед началом отбора пробы ОГ. Эта измененная методика испытаний на холодный пуск получила название NEDC, или MVEG-B. Токсичность ОГ выражается в г/км.

В проект норм Euro 5/6 включена новая методика измерения массового содержания твердых частиц (сажи) в ОГ (подобная методике, предусмотренной в нормах США 2007 г.). В этих стандартах также устанавливаются количественные нормы предельного содержания твердых частиц в ОГ (методика РМР) в дополнение к значениям предельного содержания по массе. Для норм Euro 5/6 добиться соответствия содержания твердых частиц по массе можно только с помощью «закрытых» сажевых фильтров. Введение количественных значений предельного содержания предотвращает возможность разработки в будущем «открытых» фильтров, которые понижают содержание в ОГ твердых частиц по массе, но дают возможность проходить через фильтры большому количеству ультрамелких частиц сажи.

Нормы токсичности ОГ. Нормы содержания токсичных составляющих в ОГ легких коммерческих автомобилей представлены в табл. 1. Начиная с Euro 2 вводятся различные нормы токсичности для дизельных и бензиновых автомобилей. Для дизельных устанавливаются более жесткие нормы на содержание СО, но может быть более высоким содержание NOx. У бензиновых автомобилей не ограничивается содержание сажи до норм Euro 4 включительно. В Euro 5/6 устанавливаются нормы содержания по массе твердых частиц в ОГ бензиновых автомобилей. Количественные значения равны для автомобилей с дизельными двигателями и с бензиновыми с непосредственным впрыском.

Все даты, указанные в таблицах, относятся к Новым одобрениям типа транспортного средства. В Директивах ЕС также указывается вторая дата – на один год позже (если не указано иное), которая относится к первой регистрации (ввод в эксплуатацию) существующих транспортных средств, получивших Одобрение типа ранее.

Числовые значения содержания твердых частиц (сажи) в ОГ. В проекте будущих норм числовые значения содержания твердых частиц устанавливаются на уровне 5·1011 км -1 (методика РМР, Новый европейский ездовой цикл NEDC) и вступают в действие с нормами Euro 5/6 для всех категорий автомобилей с дизельными двигателями (N₁, N₂). Количественные нормы содержания твердых частиц (сажи) в ОГ должны выполняться наряду с нормами содержания твердых частиц по массе, приведенными в табл. 1.

Для автомобилей с бензиновыми двигателями количественные нормы содержания твердых частиц не устанавливаются.

Таблица 1. Стандарты Евросоюза по токсичности ОГ легких грузовых автомобилей, г/км

Категория*	Нормы токсичности	Дата введения	СО	СН	СН+NOx	NOx	Твердые частицы (сажа)
Дизельные
N1, Класс I, ≤1305 кг	Euro 1	окт. 1994	2,72	–	0,97	–	0,14
	Euro 2, IDI	янв. 1998	1,0	–	0,70	–	0,08
	Euro 2, DI	янв. a 1998	1,0	–	0,90	–	0,10
	Euro 3	янв. 2000	0,64	–	0,56	0,50	0,05
	Euro 4	янв. 2005	0,50	–	0,30	0,25	0,025
	Euro 5	сент. б 2009	0,50	–	0,23	0,18	0,005 д
	Euro 6	сент. 2014	0,50	–	0,17	0,08	0,005 д
	Euro 1	окт. 1994	5,17	–	1,40	–	0,19
	Euro 2, IDI	янв. 1998	1,25	–	1,0	–	0,12
	Euro 2, DI	янв. a 1998	1,25	–	1,30	–	0,14
N1, Класс II, 1305…1760 кг	Euro 3	янв. 2001	0,80	–	0,72	0,65	0,07
	Euro 4	янв. 2006	0,63	–	0,39	0,33	0,04
	Euro 5	сент. в 2010	0,63	–	0,295	0,235	0,005 д
	Euro 6	сент. 2015	0,63	–	0,195	0,105	0,005 д
	Euro 1	окт. 1994	6,90	–	1,70	–	0,25
	Euro 2, IDI	янв. 1998	1,5	–	1,20	–	0,17
	Euro 2, DI	янв. a 1998	1,5	–	1,6	–	0,20
N1, Класс III >1760 кг	Euro 3	янв. 2001	0,95	–	0,86	0,78	0,10
	Euro 4	янв. 2006	0,74	–	0,46	0,39	0,06
	Euro 5	сент. в 2010	0,74	–	0,350	0,280	0,005 д
	Euro 6	сент. 2015	0,74	–	0,215	0,125	0,005 д
Бензиновые
N1, Класс I, ≤1305 кг	Euro 1	окт. 1994	2,72	–	0,97	–	–
	Euro 2	янв. 1998	2,2	–	0,50	–	–
	Euro 3	янв. 2000	2,3	0,20	–	0,15	–
	Euro 4	янв. 2005	1,0	0,1	–	0,08	–
	Euro 5	сент. б 2009	1,0	0,10 е	–	0,06	0,005 г, д
	Euro 6	сент. 2014	1,0	0,10 е	–	0,06	0,005 г, д
	Euro 1	окт. 1994	5,17	–	1,40	–	–
	Euro 2	янв. 1998	4,0	–	0,65	–	–
N1, Класс II, 1305…1760 кг	Euro 3	янв. 2001	4,17	0,25	–	0,18	–
	Euro 4	янв. 2006	1,81	0,13	–	0,10	–
	Euro 5	сент. в 2010	1,81	0,13 ж	–	0,075	0,005 г, д
	Euro 6	сент. 2015	1,81	0,13 ж	–	0,075	0,005 г, д
	Euro 1	окт. 1994	6,90	–	1,70	–	–
	Euro 2	янв. 1998	5,0	–	0,80	–	–
N1, Класс III >1760 кг	Euro 3	янв. 2001	5,22	0,29	–	0,21	–
	Euro 4	янв. 2006	2,27	0,16	–	0,11	–
	Euro 5	сент. в 2010	2,27	0,16 з	–	0,082	0,005 г, д
	Euro 6	сент. 2015	2,27	0,16 з	–	0,082	0,005 г, д

DI – двигатели с непосредственным впрыском; IDI – предкамерные двигатели.
а – до 30 сентября 1999 г. (после этой даты двигатели с непосредственным впрыском (DI) должны будут соответствовать нормам для предкамерных двигателей (IDI); б – январь 2011 г. для всех моделей; в – январь 2012 г. для всех моделей; г – применимо только к автомобилям с двигателями с непосредственным впрыском; д – предлагается изменить на 0,003 г/км, используя методику испытаний РМР; е – и методику NMHC=0,068 г/км; ж – и методику NMHC=0,090 г/км; з – и методику NMHC=0,108 г/км.
* Для Euro 1/2 классы по массе, соответствующие категории N₁: Класс I ≤1250 кг, Класс II 1250…1700 кг, Класс III >1700 кг.

Надежность сохранения уровня токсичности ОГ. Сроки эксплуатации автомобилей, в течение которых должен сохраняться уровень токсичности ОГ, составляют:

• Euro 3 – 80 000 км пробега, или 5 лет (в зависимости от того, что наступит раньше); вместо фактического испытательного пробега производители могут использовать следующие коэффициенты ухудшения: 1,2 для СО, СН, NO_x (бензин) или 1,1 для СО, NO_x, СН+ NO_x и 1,2 для твердых частиц (дизель);
• Euro 4 – 100 000 км, или 5 лет (в зависимости от того, что наступит раньше);
• Euro 5/6 – при соответствующих условиях эксплуатации: 100000 км или 5 лет; проверка надежности сохранения качества работы устройств снижения токсичности ОГ для Одобрения типа транспортного средства: 160 000 км, или 5 лет (в зависимости от того, что наступит раньше).

Прочие условия. В нормах содержится ряд дополнительных условий:

• государства Евросоюза могут вводить налоговые льготы за досрочный ввод в эксплуатацию автомобилей, соответствующих будущим экологическим нормам;
• нормы токсичности ОГ для холодного пуска (–7 °С) автомобилей с бензиновыми двигателями введены с 2002 г. (Директива 2001/100/ЕС), для легковых автомобилей норма составляет 15 г/км СО и 1,8 г/км СН; токсичность измеряется только на городских режимах ездового цикла;
• системы контроля токсичности ОГ должны диагностироваться бортовой системой автомобиля.

Требования по бортовой диагностике автомобиля. Начиная с норм Euro 3 автомобили должны оборудоваться бортовыми диагностическими системами для контроля токсичности ОГ. Водитель должен быть извещен в случае неисправности или ухудшения работы системы контроля токсичности ОГ, которое может вызвать повышение токсичности ОГ выше допустимого предела, указанного в табл. 2 (нормы для Euro-4 – предлагаются). Допустимые величины основаны на ездовом цикле NEDC (холодный пуск ЕСЕ+EUDC). Чтобы отличить эти требования от требований по бортовой диагностике США (US OBD), они называются EOBD – Европейские требования по бортовой диагностике.

Таблица 2. Европейские требования по бортовой диагностике. Нормы токсичности ОГ, г/км

Категория	Класс	Нормы токсичности	Дата введения	СО	СН	NOx	Твердые частицы (сажа)
Дизельные
N1	I	EU 3	2005 г.	3,20	0,40	1,20	0,18
		EU 4	2005 г.	3,20	0,40	1,20	0,18
	II	EU 3	2006 г.	4,00	0,50	1,60	0,23
		EU 4	2006 г.	4,00	0,50	1,60	0,23
	III	EU 3	2006 г.	4,80	0,60	1,90	0,28
		EU 4	2006 г.	4,80	0,60	1,90	0,28
Бензиновые
N1	I	EU 3	2000 г.	3,20	0,40	0,60	–
		EU 4	2005 г.	1,90	0,30	0,53	–
	II	EU 3	2001 г.	5,80	0,50	0,70	–
		EU 4	2005 г.	3,44	0,38	0,62	–
	III	EU 3	2001 г.	7,30	0,60	0,80	–
		EU 4	2005 г.	4,35	0,47	0,70	–

Примечание. Ряд требований по бортовой диагностике разъяснены в Директиве 1999/102/ЕС. Даты введения в действие требований по бортовой диагностике для автомобилей с двигателями на газе (сжиженном или натуральном) приведены в Директиве 2001/1/ЕС.