Zmniejszanie zanieczyszczeń spalin samochodowych

Surowe wymogi unijne dotyczące emisji substancji szkodliwych wymuszają na firmach motoryzacyjnych stosowanie coraz bardziej zaawansowanych technologii.

Układ recyrkulacji spalin (EGR – ang. Exhaust Gas Recirculation) to jeden z kilku używanych układów zmniejszenia zanieczyszczeń spalin. Zasada działania polega na wprowadzeniu do układu zasilania silnika pewnej ilości spalin.

• przyspieszenie odparowania paliwa (poprzez jego podgrzanie),

• obniżenie temperatury spalania ubogiej w tlen mieszanki paliwowo-powietrznej,

• utlenienie pozostałych w spalinach niespalonych węglowodorów (HC).

Skutkiem działania układu recyrkulacji spalin jest obniżenie emisji tlenków azotu (NOx) przez obniżenie temperatury spalania ubogiej w tlen mieszanki paliwowo-powietrznej i obniżenie emisji HC (przez ich utlenienie).

Do optymalnej pracy systemu niezbędne jest odpowiednie dawkowanie ilości spalin dostarczanych z powrotem do komory spalania (zależne od aktualnego obciążenia silnika czy możliwości zubożenia mieszanki). W silnikach z zapłonem iskrowym z powrotem do cylindra wprowadza się do ok. 25% objętości spalin (temperatura ok. 650°C), a w silnikach o zapłonie samoczynnym nawet do 50% (temperatura ok. 400-450°C).

Metodą ograniczania emisji zanieczyszczeń spalin (NOx) m.in. w samochodach ciężarowych dla osiągnięcia poziomu Euro 5 jest zastosowanie tzw. AdBlue. Jest to nic innego jak mocznik w proszku, rozcieńczany z wodą. Proces polega na selektywnej redukcji katalitycznej (SCR). Technologia SCR daje możliwość rozkładu NOx na azot i wodę. Zalety AdBlue to między innymi obniżenie zużycia paliwa o ok. 5% przy normie Euro 5 oraz zmniejszenie emisji substancji szkodliwych (NOx). Niedogodnością, z jaką możemy się spotkać w okresie zimowym, jest zamarzanie roztworu AdBlue (ze względu na zawartą wodę). Dlatego też wymogiem dla samochodów, w których wykorzystuje się AdBlue, jest system podgrzewania zbiornika z tą cieczą oraz system odprowadzania mieszanki z przewodów. Zwiększa to koszty produkcji oraz zakupu pojazdu.

Inny system ograniczania zawartości NOx zastosowała Scania. Jest to układ EGR (recyrkulacji spalin). Z układem EGR współpracuje turbosprężarka pozwalająca na sterowanie ciśnieniem doładowania niezależnie od prędkości obrotowej silnika. Układ EGR opatentowany przez firmę Scania zmniejsza emisję tlenków azotu przez schładzanie i ponowne użycie części spalin. Zwiększa to też efektywność zużycia paliwa. Układ EGR Scanii zmniejsza emisję NOx niezależnie od warunków panujących na drodze decydujących o obciążeniu silnika.

W samochodach osobowych sytuacja przedstawia się trochę inaczej. W przypadku silników o zapłonie samoczynnym na etapie konstrukcyjnym istnieją następujące możliwości ograniczenia emisji substancji szkodliwych:

• stosowanie wtrysku bezpośredniego,
• wysokie ciśnienie wtrysku,
• układy dolotowe o zmiennej geometrii,
• doładowanie z chłodzeniem powietrza,
• rozrząd wielozaworowy ze zmiennymi parametrami (fazami rozrządu i wzniosami zaworów),
• recyrkulacja spalin,
• elektroniczne systemy sterowania (sprzężenie zwrotne w przypadku sond lambda),
• katalityczne oczyszczanie spalin.

W przypadku silników o zapłonie iskrowym metody są następujące:

• zwiększenie stopnia sprężania,
• zastosowanie wtryskowych systemów zasilania,
• układy dolotowe o zmiennej geometrii,
• doładowanie z chłodzeniem powietrza,
• rozrząd wielozaworowy o zmiennych parametrach (fazy rozrządu i wzniosy zaworów),
• recyrkulacja spalin,
• elektroniczne systemy sterowania (sprzężenie zwrotne w przypadku sond lambda),
• katalityczne oczyszczanie spalin.

We wszystkich nowoczesnych samochodach osobowych z silnikami o zapłonie iskrowym bądź z silnikami z zapłonem samoczynnym stosuje się reaktory katalityczne spalin. W samochodach benzynowych używa się reaktorów trójfunkcyjnych (TWC). Reaktor TWC współpracuje w układzie zamkniętym z sondą lambda. W samochodach z silnikami o zapłonie samoczynnym wykorzystuje się zaś reaktory utleniające.

Reaktor trójfunkcyjny jest odpowiedzialny za redukcję tlenków azotu (NOx) oraz utlenianie tlenku węgla (CO) i węglowodorów (HC) przy kontrolowaniu stosunku powietrza do paliwa. Możliwość takiej kontroli wymaga stosowania elektronicznego wtrysku paliwa oraz układu regulacji składu mieszanki za pomocą sondy lambda (możliwość pracy jednostki napędowej na mieszance stechiometrycznej bądź ubogiej).

Sonda lambda umieszczona jest bezpośrednio przed reaktorem katalitycznym oraz za nim. Na podstawie zawartości tlenu w spalinach metodą elektrochemiczną określany jest optymalny skład mieszanki palnej. Bardzo wysoka (ponad 90%) skuteczność (TWC – ang. Three Way Catalyst) jest osiągana w pobliżu stechiometrycznej wartości stosunku powietrza do paliwa przy jednocześnie stosunkowo małej sprawności pracy silnika.

Aby spełnić obecne i przyszłe normy emisji spalin (w Europie obowiązują tzw. normy Euro) zarówno w silnikach o zapłonie iskrowym, jak i o zapłonie samoczynnym, konieczne jest używanie układów oczyszczania spalin składających się z dwóch lub trzech reaktorów katalitycznych. W przypadku silników benzynowych pierwszy reaktor układu to przeważnie reaktor TWC o małej pojemności cieplnej. Jego zadaniem jest zmniejszenie emisji przy zimnym rozruchu silnika. Następnie spaliny przepływają przez układ katalityczny złożony z dwóch lub trzech nośników katalitycznych zabudowanych w jednej obudowie, na które składają się część utleniająca oraz reaktor DeNOx.

W silnikach z zapłonem samoczynnym z uwagi na zwiększoną emisję cząsteczek stałych (PM) oraz tlenków azotu (NOx) wymagane jest dopalenie tych dwóch składników. Jednym ze sposobów może być układ katalityczny złożony z systemu CRT (ang. Continuously Regeneration Trap) oraz dwóch reaktorów selektywnej, katalitycznej redukcji tlenków azotu i reaktora utleniającego.

Układ CRT obejmujący reaktor utleniający oraz filtr cząstek stałych umożliwia utlenienie rozpuszczalnych frakcji organicznych (SOF - ang. Soluble Organic Fraction), tlenku węgla (CO), węglowodorów (HC) oraz wychwycenie cząsteczek stałych (PM). W drugiej części układu za pomocą dostarczonego amoniaku (popularnie nazywanego AdBlue) następuje redukcja tlenków azotu (NOx).

Reakcje chemiczne zachodzące w układach CRT oraz SCR:

Reaktor katalityczny zbudowany jest przeważnie z ceramicznego lub metalowego nośnika katalitycznego oraz naniesionych drogą chemiczną warstw, takich jak warstwa pośrednia (w celu zwiększenia powierzchni czynnej) czy warstwa aktywna (składa się głównie z metali: platyna, pallad, rod, iryd, ruten). Umożliwia to zwiększoną redukcję emisji CO do 40% w stosunku do reaktora katalitycznego ze standardową gęstością cel. Pozwala to na zmniejszenie długości całego reaktora katalitycznego bez obaw o efektywność jego działania. Zastosowanie cieńszych ścianek nośnika umożliwia zmniejszenie bezwładności termicznej nośnika katalitycznego, co wpływa na obniżenie temperatury (light-off) osiągania 50% sprawności konwersji składników toksycznych.

Reaktor katalityczny czterofunkcyjny (Four Way Catalyst) jest układem reaktorów katalitycznych: utleniającego i redukującego DeNOx. Utleniane są takie składniki jak: HC, CO i SOF, a NOx redukowane są przez reakcję z HC.

Filtr cząsteczek stałych, popularnie nazywany DPF (ang. Diesel Particulate Filter) lub FAP (fr. iltre à particules), montowany jest w układach wylotowych silników z zapłonem samoczynnym, dla oczyszczania spalin z cząsteczek sadzy (PM). Stosowany jest od 1980 roku, a w silnikach samochodowych pojazdów osobowych od 1996 roku. Wprowadzenie opisywanego filtra pozwoliło na wyeliminowanie efektu często zauważalnego w starszego typu pojazdach z jednostkami napędowymi z zapłonem samoczynnym, czyli czarnego dymu. Filtry cząstek stałych łączone są często z innymi układami oczyszczającymi, takimi jak np. reaktory katalityczne oxicat, DeNOx, lub ich kombinacją w postaci katalizatorów czterofunkcyjnych. Dla przykładu układ CRT stanowi połączenie reaktorów katalitycznych oxicat i filtra cząstek stałych.

Istnieje też w bardziej zaawansowanych rozwiązaniach regeneracja pasywna. Samooczyszczanie filtra polega na katalitycznym spalaniu sadzy po osiągnięciu przez filtr odpowiednio wysokiej temperatury pracy.

Występują też aktywne systemy wypalania zgromadzonej sadzy w filtrze DPF. Jednym ze sposobów jest okresowa zmiana trybu pracy silnika. Powoduje to wyższą emisję dwutlenku azotu, który przepływając przez filtr, powoduje utlenianie nagromadzonej sadzy. Inną metodą regeneracji filtra jest wykorzystanie dodatkowego wtrysku paliwa do filtra cząstek stałych. Dzięki świecy zapłonowej okresowo dochodzi do wypalania nagromadzonej sadzy w filtrze. Niektóre firmy wymagają od klientów kupujących auto wyposażone w filtr cząstek stałych okresowego utrzymywania stałej prędkości przez określony dystans, aby oczyścić filtr cząstek stałych.

Volkswagen przez długi czas używał pompowtryskiwaczy w silnikach o zapłonie samoczynnym, ale w końcu z nich zrezygnował. Dyskutowano o tym, dlaczego firma porzuciła technologię, którą rozwijała od lat. Otóż wyjaśnienie jest takie: słynne pompowtryskiwacze miały słabszą niż system Common Rail możliwość regulacji wtrysku paliwa, charakteryzowały się mniejszą niezawodnością. Obecne wtryskiwacze w silnikach o zapłonie samoczynnym z układem Common Rail zapewniają przedwtrysk, wtrysk zasadniczy (wtrysk główny) oraz powtrysk paliwa. Zastosowanie takiej metody wtrysku ma przede wszystkim poprawić kulturę pracy silnika (przedwtrysk), zmniejszyć prędkość narastania ciśnienia gazów w cylindrze oraz w ostatniej fazie wtrysku (powtrysk) podnieść temperaturę spalin dla szybszego nagrzewania się reaktorów katalitycznych oraz oczyszczania z sadzy filtra cząstek stałych.

Wyżej opisany pompowtryskiwacz można było spotkać w jednostkach napędowych Audi lub Volkswagena. Na rysunku poniżej przedstawiono dla przykładu przekrój silnika Audi (grupa VW) o objętości skokowej 1,9 dm[sup]3[/sup] z pompowtryskiwaczami.

Dla porównania poniższy rysunek przedstawia system Common Rail:

Tego typu system Common Rail powszechnie używany jest w wielu modelach samochodów. Na rysunku poniżej silnik firmy Volvo z układem Common Rail.

Obecnie są dostępne różne możliwości ograniczenia emisji substancji szkodliwych spalin emitowanych przez pojazdy i silniki spalinowe. Niektóre z nich przedstawiłem powyżej.

Trzeba pamiętać, że badania hamowniane są bardziej precyzyjne od badań drogowych, ponieważ hamowniana aparatura pomiarowa charakteryzuje się większą precyzją. Z doświadczeń zdobywanych przez lata badań wynika, że np. test europejski NEDC nie pozwala na dobre odwzorowanie rzeczywistych warunków ruchu drogowego pojazdów. W teście tym otrzymuje się w pomiarach inne wartości emisji substancji szkodliwych spalin i zużycia paliwa niż występujące w warunkach rzeczywistych. Co za tym idzie - trzeba badać samochody w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego, aby móc realnie oszacować wyniki ich emisyjności i zużycia paliwa. Umożliwia to też dobrą ocenę funkcjonalności układów opisanych wyżej.

Wprowadzanie coraz surowszych norm określających dopuszczalne wartości emisji substancji szkodliwych wpływa na rozwój silników spalinowych. Może dojść nawet do tego, że w pewnym momencie emitowane spaliny będą zawierały mniej substancji szkodliwych od zanieczyszczonego powietrza otoczenia.