Рязань (ул. Яхонтова 15а)
17.05.2021

Удаление катализатора и сажевого фильтра. Зачем?

Влияние автопарка на загрязнение воздуха. Не раз уже говорили, что содержащиеся в выхлопе углеводороды (CH), окись углерода (CO) и окислы азота (NOx) — причина возникновения самых разнообразных заболеваний, вплоть до раковых. Другое дело, что в цивилизованных странах процесс улучшения экологических качеств транспорта был неразрывно связан с «очищением» промышленности. Старые мануфактуры и фабрики выводились далеко за городскую черту. Получали более чистые технологии переработки и производства, современные очистные сооружения.

Наконец, вспомним, что многие грязные производства (например, алюминиевой промышленности) Европа и США со своих территорий вывели. Та же Россия с Китаем теперь в том числе обеспечивают потребности мировой промышленности в алюминии.

Все — на борьбу с выбросами

О чистоте выхлопа задумывались еще до того, как транспортное средство на углеводородном топливе стало массовым. Якобы еще в XIX веке во Франции создавали нейтрализатор с активными веществами из платины, иридия и палладия. В 30-х годах XX века в крупных городах США вопрос загрязнения воздуха стоял уже довольно остро. Некий Юджин Гудри разработал катализатор для дымовых труб и складских погрузчиков. А в 1942 году в Калифорнии зарегистрировали первый смог над городом. Правда, для повсеместного внедрения катализаторов требовалась законодательная инициатива. Во второй половине 60-х именно в этом штате концентрацию вредных веществ в автомобильном выхлопе ограничили на уровне закона. Потом подключились другие штаты Америки. Затем в Европе с Японией были приняты эконормы, регламентирующие процентное содержание CH, CO и NOx. Сейчас все ужесточающиеся экологические требования принято ругать. Согласимся, что в плане усложнения конструкции и вытекающей из этого потери надежности — вполне обоснованно. И все-таки напомним, что именно благодаря первым «Евро», хотя и принятым в США, автомобили начали обретать впрыск топлива. А чуть позже — диагностические системы, позволяющие не только инспектировать выбросы, но и судить о работоспособности двигателя. То, во что это превратилось, мы сейчас знаем под аббревиатурой OBD — On-Board Diagnostic, система бортовой диагностики. В 70-х автопроизводители начали осторожно экспериментировать с системами рециркуляции отработавших газов, которые вошли в обиход только в 90-х. А вот каталитические нейтрализаторы, появившиеся как раз в первой половине 70-х, как и впрыск топлива, с тех пор неотъемлемая часть автомобиля.

Условия работы

Каталитический конвертер, или преобразователь, или нейтрализатор, имеет внутри два блока металлических или керамических сот, на которые изнутри нанесены активные вещества. Едва ли не микроскопический размер сот обусловлен тем, что таким образом увеличивается площадь поверхности, на которую наносится вещество-катализатор. То есть площадь, с какой контактируют выхлопные газы. Следовательно, так можно максимально увеличить объем выхлопных газов, которые нужно очистить. Правда, поначалу использовался лишь один сотовый блок — окислительный. В нем в качестве катализатора применялись платина и палладий. При их химической реакции с CO и CH на выходе образовывался достаточно безвредный углекислый газ (CO2) и вода. Подобные нейтрализаторы назывались двухкомпонентными — по количеству разлагаемых токсичных составляющих.

Но уже во второй половине 70-х в корпус бочонка добавили еще один сотовый элемент — так называемый восстановительный. В нем платина и родий занимались тем, что разлагали оксид азота на собственно азот и кислород. Подобный конвертер уже трехкомпонентный.

С тех пор «химическая» конструкция катализаторов принципиально не изменилась. Добавляли лишь оксид алюминия и церия, диоксид кремния и титана. Тем не менее почти сразу было понятно, что нормально катализатор может работать только в условиях, когда соотношение воздуха и топлива в горючей смеси лежит в пределах от 14,5:1 до 14,7:1. Это, кстати, стало одним из стимулов перехода от несовершенных (пусть даже электронно-управляемых) карбюраторов на впрыск. Появилась транзисторная система зажигания, сводившая к минимуму пропуски в искрообразовании, из-за которых несгоревшее топливо попадало в нейтрализатор и догорало там, спекая его соты.

Кроме того, со временем выяснили, что химический процесс начинается лишь при температуре в 250–300 градусов. То есть после пуска катализатор какое-то время фактически не работает. Пока эконормы были либеральными, это никого не волновало. А с их ужесточением пришлось искать возможности сразу ввести конвертер в работу. Например, устроить для него отдельный электроподогрев мощностью до нескольких кВт. Или встроить прямо за выпускным коллектором небольшой, размещенный внутри тракта нейтрализатор. Он бы сразу выходил на рабочую температуру и трудился, пока прогревается основной, расположенный под днищем. Либо устроить после «штанов» ловушки, придерживающие углеводороды. Какие-то из этих идей наверняка были воплощены в опытных конструкциях. Серийно же приняли вариант, близкий ко второму из приведенных — катализатор придвинули вплотную к выпускному коллектору. Получился, на сленге механиков, «катколлектор». охоже, к двигателю катализатор начали перемещать еще с начала 90-х. А к концу десятилетия и началу 2000-х подобное размещение стало повсеместным. Различаться могла компоновка. Скажем, как на фото выше он мог быть единственным на четыре цилиндра. Или на три, как у V-образных «шестерок» серии MZ. На рядной «шестерке» 1G каждым трем цилиндрам также полагалось по катализатору. Но из-за того, что выпускной тракт располагается с одной стороны от мотора, их пришлось разводить по высоте. На фото первый начинается сразу за лямбда-зондом. Второй — гораздо ниже, виднеется за рулевым валом. Похоже, среди как минимум японских 1MZ и 1G Beams — одни из первых моторов с таким расположением катализатора. Между тем эксперименты продолжались. К примеру, на ниссановской «четверке» QR20DE и тойотовской 1AZ тоже имелось по два бочонка. С начала же 2000-х, для того, чтобы уложиться в грядущие нормы Евро-4, вдобавок к лямбда-зонду, расположенному перед катализатором, добавили второй, размещенный сразу за ним. Его задачей было в том числе корректировать впрыск, анализируя состав выхлопных газов. Но уже на выходе из конвертера. По сути, этот кислородный датчик следил за состоянием последнего.

Чуть позже, ближе к появлению в конце 2000-х норм Евро-5, сначала на автомобилях дорогих стали устанавливать по два катализатора на тракт. То есть один устанавливался непосредственно после «штанов». Второй стоял, как прежде, под днищем, уже безо всякой диагностики. На V-«образниках», которые сами по себе атрибут моделей как минимум недешевых, нейтрализаторов стало по четыре.

Потом такая схема стала применяться на автомобилях массовых и все ниже и ниже классом, вплоть до тех, что мы сейчас зовем «бюджетными». Запросто может наблюдаться следующая ситуация: на модели, официально продающейся на российском рынке, стоит один катализатор. А на такой же для Европы или США — уже два.

Материал самих сот тоже варьировали. Естественно, всего лишь в двух вариантах — либо металл, либо керамика. Часто из различных источников приходится слышать, что, дескать, на современных катализаторах опять используется некий металлический сплав. Но ремонтники, занимающиеся удалением конвертеров, это не подтверждают — «железные» использовались ограниченно и на автомобилях прежних поколений, в 90-х годах. Сейчас и на «бюджетниках», и на «премиуме» применяется керамика.

Дизели: плюс сажевый фильтр

В том же начале 2000-х свою порцию заботы об экологии получили дизели. Как и на бензиновых моторах, на них к этому времени уже стояли катализаторы, которые не могли справиться с одной принципиальной составляющей выхлопа двигателей на тяжелом топливе. Дело в том, что температура горения в камерах сгорания в отдельных безнагрузочных режимах у дизелей ниже, чем у бензиновых агрегатов. Ее не хватает для полного сжигания углеродов, которые превращаются в твердые частицы или сажу. Которую катализатор попросту пропускает.

Уловитель назвали сажевым фильтром, или DPF — Diesel Particulate Filter. Внешне он напоминает катализатор, однако имеет иное устройство. Соты в нем расположены в шахматном порядке и разделены таким образом на впускные и выпускные. Первые от вторых, собственно, и отделены фильтрами-перегородками, задерживающими твердые частицы.

Все, что называется фильтром, когда-нибудь забьется. Вопрос о том, что делать, когда это произойдет с DPF, встал сразу. Например, Toyota в своем DPNR (Diesel Particulate NOx Reduction) предложила не накапливать сажу, а тут же ее сжигать. С помощью кислорода, выделяемого из окислов азота (как мы помним, основного вредного вещества, образующегося при сжигании солярки), и дополнительной форсунки, подающей топливо в бочонок фильтра. В компании Peugeot, которая, кстати, первой массово запустила DPF, придумали технологию FAP (Filtre A Particules). В ней для очищения фильтра в дизтопливо впрыскивается специальная присадка Eolys, содержащая микрогранулы металла церия в желатиновой оболочке. Попадая в соты фильтра, церий воспламеняется и выжигает скопившуюся там сажу. Позже использование присадки (заправленной в отдельную емкость) приняли Ford и Volvo.

Ну а остальные производители производят регенерацию сажевого фильтра, можно сказать, традиционным способом — подачей через штатные форсунки дополнительного топлива безо всяких присадок. Температура в DPF повышается до 600–1000 градусов и сажа сгорает. На ряде автомобилей режим прожига можно включить с кнопки. Чаще же он активируется блоком управления. Допускается вызвать его и программно, в сервисе. Но это крайний случай, помогающий, к сожалению, далеко не всегда.

К слову, еще до повсеместного применения DPF дизели начали получать систему рециркуляции отработавших газов. А с 2005 года Mercedes-Benz и вслед за ними некоторые другие производители приняли на вооружение SCR, как это называлось у MB — Selective Catalytic Reduction. По-русски — систему мочевинной нейтрализации. В ней мочевина, или AdBlue, то есть раствор на основе аммиака, впрыскивается в выпускной тракт и при взаимодействии с NOx разлагает его на азот и воду. 

В общем, еще один способ борьбы с вредным оксидом азота. Который, между прочим, также может доставлять проблемы. Дело в том, что производители жестко привязывают системы управления двигателем к наличию мочевины в дополнительном баке. И если AdBlue отсутствует, ЭБУ встает в аварийный режим. Существуют и вполне объективные — эксплуатационные — причины для того, чтобы отказаться от мочевины. И тем более от DPF и катализатора.

Видимые признаки и глубокие последствия

«Чекует», не тянет, потребляет больше топлива. На автомобилях 90-х годов такие проявления только в самую последнюю очередь приписывали поврежденному катализатору. По мере перехода на все более современные «Евро» ситуация менялась. И теперь не проверить катализатор после того, как появились означенные выше симптомы, — преступная халатность. Ладно, не тянет и «чекует». Неприятно, но не смертельно. Однако есть риск того, что керамические соты спекутся в гранулы или разобьются в пыль, и все это попадет в цилиндры.

Насчет последнего явления среди механиков единого мнения не существует. Кто-то считает это редчайшим прецедентом. Другие полагают, что керамика способна попасть в двигатель исключительно через клапан EGR. Но ведь есть примеры, когда система рециркуляции отсутствует, и подобное происходит через выпускные клапаны. Самый яркий пример — моторы Solaris/Rio. В любом случае неприятно, когда в опасной близости от камер сгорания находится такой источник абразива.