Мочевина развела производителей
Все дело в том, что экологические стандарты Euro-0, -1, -2 и -3 достигались только за счет сравнительно несложных конструктивных изменений в двигателе, в первую очередь в системе подачи топлива и оптимизации компьютерного управления ею, а также совершенствования газораспределения. Так появились насос-форсунки, индивидуальные для каждого цилиндра топливные насосы высокого давления, топливные рампы (Common Rail). Давление впрыска подняли до 2000 бар, ввели несколько фаз впрыска (рис. 3) и многоточечные распылители. Все это позволило относительно легко и безболезненно производителям выпустить новые машины, а перевозчикам пересесть на них.
В 2006 г. Европа вводит экологические стандарты Euro-4. По этому поводу тоже спору нет. Снижение окислов азота и сажи в выхлопных газах автомобилей легко достигается за счет рециркуляции отработавших газов (EGR – exaust gas recirculation) и установкой сажевых фильтров. Эти сиcтемы уже давно и успешно работают на легковых и грузовых автомобилях, и претензий к ним нет, кроме увеличения цены (грузовик дороже на 5–6 тыс. евро).
Смысл рециркуляции в том, что часть выхлопных газов возвращается обратно в цилиндры, где и происходит «дожигание», а, выражаясь химическим языком, окисление химически активных окислов азота NOх до инертного N2O3. Проблема в том, что эта реакция не терпит высоких температур – чем она выше, тем ниже выход инертного оксида. Выхлопной газ, который мы возвращаем в цилиндры, уже нагрет до приличной температуры, поэтому его необходимо охладить в теблообменнике.
Далее, в двигателях с турбонаддувом воздух в цилиндры поступает под давлением, превышающим давление выхлопных газов, отобранных для повторного использования, поэтому последние надо «загнать» во впускной коллектор. Для этого существует так называемое сопло Вентури. На дизелях с турбокомпаундом дополнительная турбина, передающая часть энергии выхлопных газов на коленвал, создает достаточное давление для того, чтобы втиснуть выхлопные газы во впускной коллектор. Эта конструкция характерна для двигателей Scania.
Моторы с EGR получились более теплонагруженными, поэтому они предъявляют повышенные требования к системе охлаждения. Особенно велико тепловое воздействие при больших нагрузках, так как при разных режимах работы автомобиля в цилиндры возвращается и разное количество выхлопных газов: на холостом ходу – 5%, на средних оборотах при движении по магистрали – 15%, а при штурме горы или в тяжелых дорожных условиях – до 30%.
Еще одна особенность двигателей с EGR заключается в повышенном расходе топлива. Так говорят те, кто использует альтернативную систему достижения норм Euro-4, хотя производители двигателей с EGR божатся, что это неправда. С точки зрения физики процесса сгорания первые правы. Разбавленный продуктами сгорания воздух, поступающий в цилиндры, вызывает приступ кислородного голодания у двигателя и «аритмию» процесса сгорания топлива. Поэтому приходится колдовать, чтобы подготовить горючую смесь и реанимировать нормальную работу цилиндров. Один из методов – более поздний впрыск топлива в цилиндры, что приводит к его дополнительному расходу, хоть и незначительному (на 3%).
А как дополнение к физике процесса сгорания следует отметить и антагонизм оксидов азота и сажи. Чтобы уменьшить количество последней, надо повысить температуру сгорания и увеличить давление впрыска, а чем больше температура, тем больше и оксидов – уменьшение одного вызывает увеличение другого и наоборот (Рис. 1). Экологи всю жизнь твердят, что свободные радикалы в виде активного оксида азота более вредные, чем сажа. Поэтому первым делом надо удовлетворить их, но и граждан, смывающих с себя сажу килограммами, уважить тоже не забыли, установив сажевый фильтр в глушителе.
Система рециркуляции отработавших газов уже несколько лет успешно применяется на грузовиках MAN и Scania, и к Euro-4 эти компании подошли с таким техническим решением. Другие производители наверняка тоже пошли бы по такому пути, но…
Нельзя сказать, что Euro-5 подкрались незаметно (планируется в 2009 г.), но производителей техники эти экологические нормы развели по разные стороны баррикад. Все уперлось в дальнейшее снижение содержания оксидов азота. С системой EGR таких значений достичь трудно. Несколько лет назад, когда принимались сроки введения экологических нормативов и производители ломали голову, по какому пути идти, создатели EGR искали пути достижения Euro-5, но это оказалось настолько трудно, что из «большой семерки» только MAN и Scania «не сломались» и продолжили делать ставку на рециркуляцию выхлопных газов. Остальная «великолепная пятерка» не стала «париться» и проголосовала за технологию, при которой снижение количества оксидов азота достигается каталитической реакцией с применением 32,5-процентного раствора мочевины. С инженерной точки зрения – решение менее красивое. А забегая вперед, скажу, что и вообще некрасивое, так как по всей Европе придется создавать инфраструктуру по производству, транспортировке и заправке мочевины. Но решение приняли, руководствуясь, скорее всего, сиюминутными, а может, и не очень экономическими и техническими преимуществами. Кто-то на этом заработает приличные «бабки», а кто-то, и это будет большинство, их потеряет. Чтобы как-то сгладить это решение, «пятерка» назвала мочевину – AdBlue (дословно – «добавь голубого»; я бы на месте геев возмутился), технологию снижения токсичности выхлопа – SCR (Selective Catalytic Reduction) и радостно сообщила, что к Euro-4, -5 уже готова.
Что же такое SCR? На раму машины вешается дополнительный бак, чаще пластиковый, в зависимости от класса автомобиля объемом от 40 до 150 л, устанавливают насос, подающий раствор, а в глушитель вставляют катализатор. Раствор мочевины подается в глушитель, где он смешивается с выхлопом, а дальше водно-воздушная смесь поступает на катализатор, где оксид азота восстанавливается до просто азота, а на выходе кроме него получаем воду, немножко СО, сажи, часть которой не уловил сажевый фильтр, и понемногу остальную таблицу Менделеева: 6NO2+8NH3=7N2+12H2O
Для достижения норм Euro-4 на 100 л топлива надо потратить 3–5 л мочевины, а чтобы ваш двигатель «пах» на Euro-5, потребуется примерно 5–7 л того же самого. Вроде бы все просто, но…
1. Мочевина замерзает при -11оС, поэтому при эксплуатации в условиях низких температур необходим подогрев как самого бака, так и подающих трубок. Кстати, замерзнув в баке, мочевина может его запросто разорвать, поэтому заполняется он только на 80%. Одни из производителей двигателей сказал, что существует закон, по которому при температуре ниже -5оС можно не использовать мочевину и он (производитель) собирается устанавливать на свои машины систему, автоматически отключающую подачу раствора. Для Европы, где зимой отрицательные температуры редкость, это нормально. А как же в тех районах, где -20оС и ниже держится всю зиму? Летом не травим воздух, зимой можно? Но, тем не менее, подогрев разработали все.
2. Я не хочу тратить деньги на мочевину. Европа законодательно собирается ввести на грузовиках регистрирующие устройства, показывающие использование машиной мочевины. Инспектора также будут проверять, только не понятно что – мочевину в баке, искать пережатые трубки или отключенные насосы. В будущем планируется сделать так, чтобы в отсутствие мочевины в баке при запуске двигателя он терял около 50% мощности – аналог американской «защиты от дураков», а эта система тоже стоит денег. Если раствор закончился на ходу, то двигатель выдает всю мощность, но при повторном запуске – плетись в хвосте или заливай AdBlue. Вот где раздолье нашим и не нашим Кулибиным.
3. Если уж водители иногда путают дизельные и бензиновые колонки, то милое дело залить в бак с топливом мочевину, а в мочевину «солярку». Чтобы этого не происходило, горловина бака для мочевины сделана значительно уже, чем диаметр топливного заправочного пистолета – не вставишь. Но зато заправочный пистолет для мочевины со свистом входит в горловину топливного бака. Но мы же не первый год замужем, поэтому конструкторы сделали так, что сколько ни нажимай на рычаг, мочевина не польется. В пистолете, как говорят, стоит магнитный клапан, срабатывающий только в нужном месте, а это – горловина бака для мочевины, этакий разъем мама-папа. Все бы ничего, если бы не слишком много «но».
4. Сама система SCR вместе с баком весит около 80 кг, прибавьте к ним 50–150 кг раствора, и вся достигнутая за последние годы экономия веса – коту под хвост. За Euro-4 (только система SCR) придется доплачивать 5 тыс. евро, за Euro-5 – уже 7 тыс. «евриков» плюс дополнительные фискальные датчики при принятии закона, плюс обслуживание SCR. Мочевина бесплатно в бак тоже не польется, а сейчас она стоит 30 евроцентов за литр, а на сто километров пробега надо 1,5–2,5 л раствора – считайте сами. Конечно, с увеличением производства цены на мочевину упадут, но до каких пределов, никто не знает.
5. Сам раствор мочевины безвреден для человека (так уверяют производители), но при попадании его в воду дохнет вся рыба и все, что шевелится, – блокируется дыхательная система водных животных. Поэтому установка, перевозка и производство AdBlue требуют большого количества сертификатов и денег – на подготовку заправок, оборудования и площадок для его использования, а это будет компенсировано из кармана перевозчиков.
6. Катализатор начинает работать при температуре не менее 250оС. На холостом ходу такой температуры добиться нельзя, на магистрали – можно. Исследования температурного режима катализатора при городском цикле движения показали, что он редко разогревается до 250оС, поэтому система SCR в городе неэффективна, а для автобусов и развозных грузовиков нужно искать альтернативу (Рис. 2).
Как уверяют производители, долговечность катализатора сопоставима со сроком жизни машины: 800 000–1 000 000 километров. Но когда «бэушные» пятилетние автомобили пойдут в Россию, что делать новым владельцам, где брать глушители без катализаторов – старые уже разрушатся? Работа двигателя без мочевины никак не влияет на долговечность катализатора, но один из инженеров обмолвился, что, может быть, и влияет. Наличие серы в топливе тоже не сказывается на срок службы, но это у них. У нас могут быть другие выкладки.
Путаница и с выхлопами при отсутствии мочевины. Одни производители уверяют, что при работе двигателя Euro-4, -5 без мочевины выхлопы будут соответствовать стандартам Euro-3. Другие же уверяют: Euro-0, -1, и не более. Без пол-литра не разберешься. Еще приверженцы SCR утверждают, что наличие катализатора и мочевины позволяет сделать выхлопы в выпускном коллекторе более грязными относительно оксидов азота, так как основной процесс по их нейтрализации происходит в глушителе. Следовательно, впрыск топлива в цилиндры более ранний, чем на двигателях Euro-3, что приводит к экономии топлива на 3%. Логично предположить, что машины с EGR, потребляющие топлива на 3% больше Euro-3 (см. выше), на 6% более прожорливы, чем грузовики с системой SCR. Голова пухнет.
Почему такой ажиотаж вокруг Euro-5 уже сейчас? Дело в том, что Германия, находясь в центре Европы, решила снять сливки и ввела плату за пользование автобаном. Но это рычаг не просто экономический, а макроэкономический, потому как играя платежными ставками, можно воздействовать на те или иные отрасли своей экономики и экономику других государств в целом. Чем немцы и не преминули воспользоваться, введя льготы на проезд по автобанам машин, отвечающим Euro-5. Поэтому уже сейчас все производители подготовили и будут выпускать такие автомобили с 2006 г. Получается, что Euro-4 – чисто проходной вариант, о котором скоро совсем забудут.
Тем не менее MAN и Scania продолжают делать ставку на EGR и утверждают, что в 2006 г. мир увидит двигатели, соответствующие Euro-5, без мочевины – снимаю шляпу. Пока же все двигатели Scania, отвечающие требованиям Euro-5 используют систему SCR. Больше всего проблем будет с самым мощным мотором в 620 л.с., так как тепловой баланс такого прожорливого агрегата никак не может ужиться с EGR по причинам, уже упоминавшимся. Но шведы надеются и, как мне кажется, добьются своего.
И в качестве заключения. Ломая копья по поводу преимуществ той или другой системы, мы упустили из виду, что используя альтернативные источники энергии (газ, топливные элементы, водород, спирт, солнце, электричество), можно совсем забыть о такой проблеме, как чистота выхлопа автомобильного транспорта. Хочется верить, что рано или поздно производители вместо того, чтобы идти на поводу у чиновников, бросят силы на разработки и производство совершенно новых источников энергии для машин. А безответственные политики, вместо того чтобы воевать, класть людей и ресурсы за нефтяные скважины, бросят эти ресурсы на решение экологических проблем.
