Епичната борба за създаването на чистия двигател с вътрешно горене

23 Dec 2025

В тази поредица ще ви разкажем за еволюцията на системите за очистване на газовете. Може би всичко това е нужно за да бъде разбран дебатът относно чистотата на модерния автомобил.

Темата с емисиите на автомобилите и реалното развитие на електрическата мобилност в Европа бе доста обсъждана през последните години. Резултатът от това е представеният наскоро от Европейската комисия пакет за автомобилната индустрия, който смекчава ограниченията в стремежа към постепенното премахване на двигателите с вътрешно горене до 2035 година. Новите стандарти на CO2 имат за цел да предложат по-голяма гъвкавост при преминаването на автомобилната индустрия в прехода изцяло електрическа мобилност. Според този, засега последен, пакет автомобилните производители ще бъдат задължени да намалят емисиите на CO2 на новите си автомобили „само“ с 90 процента. Те обаче трябва да компенсират останалите 10 процента с други средства, като използването на стомана произведена с енергия с нисковъглеродни производствени емисии, която трябва да се произвежда в Европа, или пък да се използват синтетични горива като така наречените e-fuels, използващи зелена електрическа енергия за органичен синтез на горива и биогорива, които също са базирани на органичен синтез. Подобно нещо би позволило регистрирането, освен на електрически автомобили и на Plug-in хибриди, меки хибриди, електрически автомобили с удължител на пробега (range extender) и само с двигатели с вътрешно горене, стига производителите на изпълнят целта си от 90 процента намаляване на емисии на CO2 за всички нови автомобили, които продават.

Още преди това те ще могат да се ползват от така наречените „суперкредити“, за създаването на малки, достъпни електрически автомобили, произведени в Европейския Съюз. В известна степен, по-улеснени ще бъдат производителите на лекотоварни автомобили, при които преминаването към електрическо задвижване е структурно по-трудно. Към това се добавя бюджет за, така наречения “Battery Booster” осигуряващ средства за безлихвени кредити за създаването на местно производство на ключовия за електрическите автомобили елемент – литиево-йонните клетки (и въобще клетки за батерии). На фона на отделените през последните години средства за развитие на електрическата мобилност в Китай, отделените 1,8 милиарда евро са капка в морето, но все пак са някакво начало.

Реакциите на този план на ЕК от различни организации в Германия бяха изключително крайни: Според президента на Германската автомобилна асоциация, това е „фатален цялостен проект“ и „антитеза на сигурността в планирането“, с многобройни пречки и неясна цялостна идея, която превръща автомобилната индустрия в заложник, и с изискването да отговаря за дейности с които тя не се занимава – като производството на стомана. Примерът е много подобен на този с изграждането на мрежа от зарядни станции. Президентът на автомобилната асоциация ADAC Карстен Шулце пък определи решенията като „правилна посока, но без да се използва конкуренцията между технологиите“.

На съвсем другия край в мнението си са екологични организация като „Транспорт и околна среда“, които определят решенията като „объркващ сигнал за европейската автомобилна индустрия“, особено на фона на факта че емисиите на Plug-in хибридите в реалния живот са далеч по-високи от декларираните и инвестициите в тях намаляват инвестициите в електрически автомобили. Още по-крайни бяха от Клуба за екологичен транспорт VCD, който нарече решението „черен ден за опазването на климата и за доверието в политическите решения“, който ще бъде скъп за европейската икономика и ще допринесе единствено за нейното изоставане. Автомобилният клуб ACE също обяви че е разочарован, от факта че ЕК изоставя веднъж взети решения, и дори кара хората да се питат дали да купуват електрически автомобили. Станала известна с делата си срещу автомобилните компании след дизеловия скандал от 2015 година Германска асоциация за помощ за околната среда DUH смята решението за сериозен удар по европейската климатична и индустриална политика, с удължаване на живота на неефективни технологии за двигатели с вътрешно горене и капитулация през германските автомобилни производители като Mercedes, BMW и Volkswagen Group.

Като извод от всичко това можем да кажем че Европейската Комисия наистина е разпъната между различни лобита, желанието за създаване на по-чиста околна среда и реалността. За мнозина хора от автомобилната индустрия, включително журналисти, от самото начало бе ясно че свръхцелите в областта на електрическата мобилност са реално неизпълними, и развитието на технологиите в областта на литиево-йонните клетки не е достатъчно, ако не бъде съпроводено с паралелното и съответстващо развитие на мрежата за зареждане. А и никой в Европа не можеше да осигури гигантските инвестиции, в технологиите за литиево-йонни клетки, които станаха факт в Китай. Информация и по двете тези можете да откриете в материалите „От ТЕЦ до соларни панели, от трансформатори до далекопроводи: как се генерира и пренася електрическа енергия“ https://dizzyriders.bg/post/16701/ot-tets-do-solarni-paneli-ot-transformatori-do-dalekoprovodi-kak-se-generira-i-p, и „Литиево-йонните батерии: от първата идея, до Нобеловата награда за химия и отвъд нея“ https://dizzyriders.bg/post/17771/litievo-yonnite-baterii-ot-pyrvata-ideya-do-nobelovata-nagrada-za-himiya-i-otvyd.

Междувременно това които се случва в реалния живот и в краткосрочен план е въвеждането от ноември 2026 година на стандарта за емисии Euro 7 за нови модели, и от 2027 година за всички автомобили в продажба. Освен завишените изисквания към отделяните емисии, той включва в много по-голяма степен износването на автомобилите, с увеличаване на изискуеми срок за това до 200 000 км.

Човек може да не е наясно обаче с факта, че въглеродният окис CO2, около който се движи дебатът е пряка функция на разхода на гориво, но зависи също от вида на двигателя, респективно на това дали използва дизелово гориво или бензин, с различно относително съдържание на въглерод. Както и с това че отчитаните в стандартите Euro (и подобните американски и китайски нормативи) азотни окиси NOx, групата от газообразни въглеводороди CH и въглероден окис CO са продукти и резултати от горивния процес в двигателите и се преработват от комплексна система. Тъй като това води до известно объркване, стремежът на тази поредица от два материала, наречена „Епичната борба за създаването на чистия двигател с вътрешно горене“ е опит за изясняване на ситуацията.

Тоест ще се опитаме да ви осигурим знание, за това какво всъщност се случва в автомобилния двигател, какво представляват горивата и до какви крайни продукти довеждат горивните процеси. И в резултат от това – какво представлява преработката им в съвременните автомобили – било в бензинов или в дизелов мотор. А следователно и в какво се състои смисълът на проблемите които разтърсиха из основи съвременната автомобилна индустрия. Даваме си сметка че задачата не е никак лека защото горивните процеси и техните продукти са фундаментът в работата на един двигател и са обект не само на автомобилното инженерство, но и на химиците. В раздела „Анатомията на автомобила“ има материал, който подробно разказва за дълбочината на химическите процеси в двигателя с вътрешно горене, затова тук ще опитаме да бъдем максимално лаконични по темата, за да изясним връзката със системите за обработка на газовете – и най-вече за пътя към чистата околна среда, философия, която трябва да е обединяваща за всички хора, населяващи тази Земя. И за това, което ще бъде оставено на следващите.

Безумният инженерен ребус

Според инженерите конструиращи задвижващи агрегати в Opel, модерната система за контрол на двигателя включва почти 20 000 функционални параметъра, а системите за преработка на емисиите са изключително сложни и интегрирани в общата конфигурация. При това изчисляването и контрола в реално време изисква често изключително противоречащи си действия. Необходимият химически и топлинен „баласт“ от отработили газове, който се връща обратно в цилиндрите (EGR) в името на намаляването на азотните окиси при по-големи количества всъщност влошава стабилността на горивния процес. Поради тази причина количеството и температурата им се регулират прецизно в зависимост от условия. Тук не трябва да се забравя обаче и че, в зависимост от същите тези условия, става и генерирането на същите тези газове. Голямото количество върнати отработили газове създава предпоставки и за усилено образуване на сажди, тоест твърди частици, а това трябва да предотвратява защото води до влошаване на работата на двигателя, динамичните му качества и увеличаване на другите емисии. Освен това количеството им зависи от натоварването и оборотите на двигателя, от външната температура и температурата на охладителната система (от която пък зависи горивния процес) и т.н. Въобще контролът на емисиите е изключително сложен процес част от общия мениджмънт на двигателя и на практика, особено в големите модерни дизелови двигатели е цяла допълнителна химическа централа.

CO, CH, TCH, PM…какво значи всичко това

Във всеки тест на аналитична автомобилна медия се появява параметърът на измерените количества емисии – вече всички спазващи последните нива на стандарта за Европа Euro 6e и включващи параметрите въглеводороди (HC) няколко вида азотни окиси (NOx), въглероден окис (CO) и твърди частици PM (чист въглерод). Към тях обикновено се добавя и въглеродният двуокис, но той не е част от тези стандарти и на практика зависи от разхода на гориво и вида на двигателя (при един и същ разход дизеловият двигател отделя повече въглероден двуокис). При това, колкото по-добре се изчистват газовете – тоест намаляване CO и HC, толкова повече се увеличава въглеродният двуокис, защото едно от получените при окисляването на въглеводородите и въглеродния окис съединения е именно CO2.

В рамките на работата на двигателя с вътрешно горене се генерират няколко хиляди вида химически съединения. В параметрите на стандартите има и други параметри, но именно тези остават ключови. Преди да достигнем до същността на горивните процеси и еволюцията на системите за обработването им нека се назад в историята.

Дъх от преизподнята

Всички знаем какво би се случило ако оставим работещ автомобил автомобил в гараж. Макар че функционира на празен ход и отделя малко газове (всъщност тогава нивото на замърсяване е най-високо, но за това по-късно) той скоро ще превърне атмосферата в неподходящо за обитание от дишащо кислород живо същество. По време на Втората Световна Война нацистите използват специално оборудвани фургони наречени “Gaswagen”, в които отработилите газове се насочват към товарното помещение за умъртвяване на хора. Този зловещ аспект от историята на автомобила е ясен израз на един от недостатъците на двигателя с вътрешно горене с който конструкторите неистово се борят и до наши дни.

Зловещата отровна мараня

На 26 юли 1943 година, по същото време, в което в Европа се извършват подобни кошмарни деяния, американският град Лос Анжелис е атакуван от зловещо химическо оръжие. То няма нищо общо с войната и не е дело нито на германците, нито на японците. „Лос Анджелис Таймс“ пише за това, как пушеци и мъгла обвиват сградите, намаляват видимостта до 100 м, а жителите на града ходят с подути и насълзени очи, давайки си сметка че нещо с техния великолепен град не е наред.

На следващия ден управата на града обвинява за причинител на бедствието завода за бутадиен на фирмата Aliso и той веднага е затворен. Но…зловещата мъгла не изчезва…Трябва да изминат още няколко месеца, преди да бъде открит истинският източник на замърсяването, неговият произход и преди да започне епичната борба със смога.

През 1971 година е изчислено, че са последните 266 години от човешкото развитие – от 1705 до 1971 година – обемът на световното производство нараснал 1730 пъти и повече от половината от този ръст е осъществен след Втората Световна Война – от 1948 до 1971 година. За тези 25 години световната търговия се е увеличила със забележително темпо – несравнимо с нищо, случвало се в човешката история.

Стабилното развитие, направило възможно феноменалното подобрение на живота на хората, в голяма степен се осигурява от силната американска икономика. В края на 60-те години трудоспособното американско население нараства рязко в резултат от бума на раждаемостта от края на 40-те години, а Американската автомобилна промишленост започва да бълва все повече и по-големи автомобили за забогатяващото население – за съжаление с всички произтичащи от това последици. Значително нараства броят на автомобилите и в Европа. Автомобилизацията на Стария континент, започнала през 60-те години, благодарение на модели като „Костенурката“ на VW, R4 на Renault, 500 и 600 на Fiat, в Америка се е състояла още преди Войната. През 60-те години сили набира и японската икономика

И тогава непредвидени обстоятелства променят спокойствието. Петролната криза от 1973 година и първите сериозни признаци на замърсяване карат конструкторите много по-сериозно да се замислят върху ефективността и екологичността на автомобилите. Те трябва да изградят нова философия за модерното превозно средство и то трябва да започне с въпроса какво точно се случва в химическия реактор наречен двигател с вътрешно горене.

Източникът на смога

През 1948 година професорът от Калифорнийския технологичен институт Ари Хааген-Смит установява след продължителни изследвания, че причината за образуването на смога е във формирания в приземния слой на атмосферата озон. Става въпрос не за защитния озонов слой във висините на атмосферната обвивка, а за озона образуван почти на нивото на земята от взаимодействието на различни източници (както ще се окаже после – най-вече автомобилни) под въздействието на слънчевите лъчи. Междувременно развитието на ситуацията започва да придобива застрашителни размери. Още през 1952 година смогът (тогава свързан с въглищния прах) отнема живота на поне 4000 човека в Лондон, а през 60-те години при жителите на много американски градове и най-вече на Лос Анджелис е забелязано обезпокоително увеличаване на сериозните респираторни заболявания.

Това е истински шок! През цялата 80-годишна история на автомобила никой не е гледал на него като на замърсител. Дори конете оставяли повече отпадъци. А сега той убива хора – тихо и някак незабелязано. Едва когато започва да доминира картината на градските улици и се появяват задръстванията, отровите с отработилите газове започват да се възприемат като непосредствен и опасен проблем. В драстични случаи като този на Лос Анджелис той се влошава не само от огромния брой автомобили, но и от споменатата фотохимична реакция, възникваща при специфичния климат – горещите калифорнийски слънчеви лъчи предизвикват реакция между азотните окиси и въглеводородите, формирайки отровна кафява мъгла. Става ясно че основният виновник за превръщането на цял един град в газова камера е автомобилът! Логично първите законови средства за контролиране и силно намаляване на емисиите биват въведени първо в Щатите. В началото на 60-те години всички автомобили по отвъдокеанските пътища трябва да имат затворена вентилация на картера. В края на същото десетилетие се появяват първите стриктни ограничения по отношение на емисиите. Американските чудовища вече са надхвърлили всякакви представи за отделяни вредни вещества, когато в началото на 70-те години Конгресът създава Агенцията за защита на околната среда (EPA) и гласува „Закон за чистия въздух“, изискващ вредните емисии да се намалят с цели 95 процента през следващия десетгодишен период.

Звучи ли вече познато? По това време нито конструкторите нито шефовете им смятат това за възможно. След гласуването на закона един от директорите на Ford изумен възкликва – „Та те искат да изкараме от ауспусите по-чист въздух отколкото влиза през въздушния филтър!“ Именно по това време Ford ще създаде една от първите системи за работа на двигателя с бедни смеси. Но това е друга история, за която сме разказвали в секцията „Анатомията на автомобила“…

Невъзможното се превръща в реалност. Привидно ненормалният и невероятен закон и петролното ембарго са предизвикателствата задвижили хиляди автомобилни мозъци и катализирали автомобилните технологии до невероятни нива. Всъщност, благодарение именно на тези драконови мерки автомобилът тръгва по друг път.

Honda в авангарда

Целият този процес коства на автомобилните фирми къртов труд. Първите стъпки включват внимателно изчисляване на смесообразуването и създаване на нови процеси като CVCC на Honda подобряващи качеството на горене. Някои от производителите започват да впръскват със специални помпи въздух в изпускателните колектори за доокисляване на газовете. Пак Honda въвежда първата система за обратно връщане на отработили газове с цел намаляване на азотните окиси. Иронията се състои в това че първоначално новите по-екологични системи довеждат до намаляване на ефективността на двигателите. От друга страна обаче навлизат по-малки автомобили, които отделят по-малко емисии. Скоро Япония и страните от Западна Европа също въвеждат законови ограничения на емисиите. Двигателите започват да стават все по-сложни творения и значително се оскъпяват. Появяват се – първоначално механични, а след това е изцяло електронно управлявани – системи за впръскване на горивото. Но…тогава конструкторите разбират, че само с вътрешнодвигателни мерки няма как да ограничат до нужната степен вредните емисии за които споменахме по-рано. И така се ражда първото устройство за обработка на самите газове – автомобилният катализатор…

Преработката на нефта накратко и индексът на Нелсън

За да разберем как се случва това, обаче трябва да кажем няколко думи и за преработката на нефта. С малки изключения от задължителните добавки до 10 процента биогорива основната част от горивото което се налива в резервоара на автомобила ви е с нефтен произход. В огромните рафинерии обаче се извършва както дестилиране на нефта на отделни фракции, така и последваща преработка за промяна на структурата на молекулите в зависимост от това от това какъв е моторът – бензинов или дизелов.

Всички добре знаем, че водата кипи при 100 °С. Колкото и да я нагряваме, тя ще запази тази температура, изпарявайки се интензивно. Чистото химично съединение, наричано вода, обаче е еднокомпонентна течност. За разлика от нея нефтът е изграден от множество въглеводородни химични съединения (съединения на въглерода с водорода) с различен размер на молекулите – от разтворените газове, най-простият от които е метанът, състоящ се от четири водородни и един въглероден атом до сложни тежки съединения с формули като например С₈₅Н₆₀– молекула, съдържаща 85 въглеродни атома. Всяко едно от веществата е с различна структура и тегло на молекулите и има своя собствена температура на изпарение, респективно кипене и на този факт се основава първичната преработка на нефта – атмосферната дестилация. В нея разбира се не се отделя всяко едно от веществата, а групи от такива наречени фракции. Нефтът първоначално се очиства от различни примеси, а в котлите се нагрява до температура между 320 и 410 °С, след което полученият дестилат се изпраща в т. нар. „ректификационна колона”, при което фракциите се отделят значително по-прецизно.

Освен различния си размер молекулите в тези вещества имат и различно изградена химическа структура или форма. Образно казано, можем да приемем, че молекулите на съставящите нефта вещества сами по себе са изградени като скелета на сграда – носещата конструкция може да бъде реализирана по най-различен начин. Много от веществата в горивата обаче се дължат на допълнителни, изкуствено създавани структури в името на определени нужди (както ще стане ясно по-късно) и се извършва с процеси на разкъсване на големите молекули (като термичен и каталитичен крекинг при които от големи молекули се получават такива от бензинова, керосинова и дизелова фракция) през каталитичен риформинг и изомеризация (промяна на структурата в търсене на въглеводороди с по-високо октаново число) до компаундиране (смесване на получени от различните процеси субстанции). По-дълбоката преработка на нефта изисква по-сложни съоръжения и прави рафинерията значително по-комплексно и скъпо предприятие. По правило обаче сложните рафинерии са по-независими по отношение на качествата на входната нефтена суровина. Те могат да преработват и по-тежък или с повече сяра нефт, както и различни смеси, като в края на краищата произвеждат повече продукти с висока норма на печалба. Индикатор за възможностите на една рафинерия е така нареченият „Индекс на Нелсън“. Най-голямата и сложна рафинерия в света е рафинерията Джамнагар в Индия с Nelson Complexity Index (NCI) от 21,1. Въпреки че не могат да достигнат това ниво, голяма част от индийските рафинерии също са с висок NCI. За сравнение средният NCI за рафинериите в Европа е 6,5, макара че има рафинерии с индекс от над 13. Според публикацията “Experience in Processing Alternative Crude Oils to Replace Design Oil in the Refinery” на група български експерти в областта, Nelson Complexity Index на бургаската рафинерия е 10,7, тоест изключително висок. Други рафинерии с висок NCI са Motor Oil (Гърция) с 12,61, Saras Sarroch (Италия) със 11,7, и Elefsina Refinery на HELLENiQ ENERGY (Гърция) с 12.0, както и германската Heide (9.7). Висок NCI има и огромната рафинерия Pernis на Shell в Нидерландия. Американските рафинерии имат среден NCI от 9,5, като най-добрите са на брега на Мексиканския залив с ниво от 13.

Бензиновият двигател: въглеводороди и въглероден окис

Нека се спрем на някои от специфичните принципи на работа на двата вида класически топлинни машини, защото независимо от процеса на сближаване между бензиновия и дизеловия мотор напоследък, в характера, същността и поведението им продължават да съществуват огромни разлики. При бензиновите мотори, които не работят с разслояване на заряда, смесообразуването отнема значително по-продължителен период от време и започва доста преди началото на процеса горене. Независимо дали се използва карбуратор или модерни електронни системи за директно впръскване, целта на смесообразуването е да се постигне равномерно разпределена, хомогенна по характер горивна смес с точно определена стойност на съотношението между въздух и гориво. Тази стойност варира в определен диапазон около т. нар. „стехиометрична смес”, при която кислородните атоми са точно толкова на брой, че да могат (теоретично) да се свържат в устойчива структура с всеки водороден и въглероден атом в състава на горивото, формирайки единствено H₂0 и CO₂. Степента на сгъстяване е достатъчно ниска (не повече от 14:1 при атмосферните (Mazda Skyactive-G) с директно впръскване, до 10,5:1 при турбомашините с умерена степен на налягане и още по-ниска при агрегатите с впръскване във всмукателните колектори).

Това се прави с цел да се избегне преждевременното и неконтролирано самозапалване на някои от субстанциите в горивото вследствие на високата температура при сгъстяването – бензиновата фракция е съставена от въглеводороди със значително по-ниска температура на изпаряване, но значително по-висока температура на самовъзпламеняване от тези в дизеловата фракция – функция право пропорционална на октановото число. Същинското възпламеняване на сместа се инициира от запалителна свещ, при което горенето протича във вид на фронт, движещ се с определена пределна скорост, като енергията при движение се предава на всеки следващ слой. За съжаление в горивната камера и най-вече в близост до цилиндровите стени и буталото се формират охладени зони с непълноценно протичане на процесите, водещо до образуване на въглероден окис и устойчиви въглеводороди. При движението на фронта на пламъка налягането и температурата по периферията му нарастват, в резултат на което във близките зони на все още негорящата смес се формират вредни азотни окиси (резултат от съединяването на азота и кислорода от въздуха), прекиси и хидропрекиси (съединения между кислорода и горивото). В зависимост от вида и качеството на горивото, ако количеството на последните достигне определени критични стойности това води до неконтролируемо лавинообразно детонационно горене в целия останал обем. От този момент скоростта на разпространение на фронта на пламъка рязко нараства и превишава скоростта на звука. Поради това в съвременните бензини се използват фракции от молекули със сравнително устойчива, трудноподатлива на разкъсване и процес на детонации химическа конструкция с висока температура на самовъзпламеняване (като изопарафини и ароматни въглеводороди). Именно с цел постигането на тази устойчивост в рафинериите се извършват редица допълнителни процеси, крайният резултат от които се изразява в повишаването на октановото число на горивата.

Увеличаването на степента на сгъстяване води до повишаване на налягането и температурата на сместа, в резултат от което се увеличава средната температура на процеса, ускорява се окислението и образуването на прекисни съединения. Процесът на предпламенно окисляване се осъществява още в процеса на сгъстяване, като различните въглеводороди започват да се окисляват при различни температури. За да се избегнат детонациите модерните бензинови двигатели разполагат с детонационни датчици установяващи ударните вълни, а при високотехнологичните решения те се заменят с йонизационни датчици, които установяват първите признаци на образуване на прекиси и коригират параметрите на двигателя като налягане на турбокомпресора и ъгъл на изпреварване на запалването. Апропо турбокомпресорите – в тези машини налягането в рамките на работния процес е много по-високо поради което се налага да се намали геометричната степен на сгъстяване (при реалната се отчита и налягането създадено от турбината). Те обаче имат предимството пред атмосферните с това е че въздухът може да се охлади предварително от междинните охладители и така да се намали средната температура на горивния процес – една от множеството причини те да са по-ефективни и навлизането им като част от философията на даунсайзинга. Друг важен компонент за намаляване на температурата и подобряването на смесообразуването е директното впръскване на гориво с което допълнително се охлажда обемът на горивните камери. Разбира се всичко това се отнася за режимите на по-високо натоварване – при частично то няма толкова изразен ефект, поради което някои производители използват в този случай втора система за впръскване във всмукателните колектори (по-добро смесване при някои режими, по-ниско налягане и изразходвана енергия).

(следва)

Текст: Георги Колев

Gen Z харесва този автомобил!