Zasada działania systemu SCRT (Copy)

Zdrowy wydech.

 

Współczesne układy wydechowe może nie należą do najbardziej skomplikowanych elementów pojazdu, ale żeby zaprojektować układ, który sprawnie usuwa spaliny i tłumi hałas trzeba skorzystać ze skomplikowanych programów komputerowych. Jednak jeszcze 100 lat temu wyglądało to zupełnie inaczej. W pierwszych pojazdach, czy raczej automobilach, nie tylko nie montowano żadnych urządzeń, które miały tłumić hałas, ale i nie stosowano także rur, które odprowadzały spaliny. Dopiero z biegiem lat zaczęto stosować zwykłą rurę do odprowadzania spalin do atmosfery, a na tłumik na jej końcu trzeba było jeszcze poczekać ładnych parę lat.

Przez te wszystkie lata, poza postępem techniki, jedna rzecz się nie zmieniła: układ wydechowy zaczyna się przy silniku i kończy (zazwyczaj) w tylnej części pojazdu. Pomińmy tu łączną długość elementów tworzących układ wydechowy i kształt, który zmienia się w zależności od typu i marki pojazdu i skoncentrujmy się na podstawowych jego zadaniach. W zasadzie od początków automobilizmu praktycznie nie zmieniły się one w ogóle i są to:

  1. Gromadzenie i usuwanie spalin powstałych podczas procesu spalania paliwa.

  2. Zmniejszenie emisji ciepła.

  3. Zmniejszenie poziomu hałasu.

Do powyższych trzech punktów należy dołożyć czwarty, który ostatnimi laty jest jednym z bardziej znaczących i w zasadzie odróżnia nowoczesny układ wydechowy od jego poprzednika. Chodzi mianowicie o redukcję zanieczyszczeń i zmniejszenie emisji spalin. I właśnie to zagadnienie opiszemy w niniejszym artykule.

Jednym z elementów wpływającym na czystość spalin jest sonda lambda, a drugim trójfunkcyjny katalizator mający za zadanie oczyszczenie spalin z części szkodliwych substancji, czyli węglowodorów, tlenku węgla oraz tlenków azotu. Działanie sondy lambda zamontowanej przed katalizatorem sprowadza się do badania składu spalin opuszczających silnik na obecność w nich tlenu. Informacje o jego obecności lub braku są następnie przekazywane do pokładowego komputera, który po ich przeanalizowaniu tak steruje składem mieszanki paliwowej zasilającej silnik, aby był identyczny lub maksymalnie zbliżony do składu optymalnego, który dla silnika o zapłonie iskrowym wynosi zwykle około 15 części wagowych powietrza na 1 część wagową paliwa. Gdy skład mieszanki wynosi 14,7:1, nazywamy ją stechiometryczną i właśnie wówczas sonda lambda notuje najwyższą skuteczność swojej pracy (ponad 90 %). Co ciekawe, nie jest to jednak skład optymalny z punktu widzenia ekonomii. Znacznie korzystniejszy jest w tym przypadku stosunek 15,4:1, ale wówczas zawartość tlenu w spalinach może przekroczyć próg działania sondy, który wynosi około 0,2% i układ elektroniczny automatycznie wzbogaci mieszankę.

Natomiast wspomniany wcześniej katalizator ma zadanie dopalenie pozostałości palnych w spalinach, czyli redukcję tlenków azotu (NOx) oraz utlenianie tlenków węgla (CO) i węglowodorów (HC). Odbywa się to w sposób, który nie kojarzy się ze słowem „dopalanie”, czyli w temperaturze płomienia lecz w znacznie niższej. Jest to więc typowy proces chemicznego utleniania niespalonej części paliwa w temperaturze od 200 do 4000C, w obecności katalizatora, którym jest jeden z metali szlachetnych. Zazwyczaj jest to platyna, ale stosuje się też pallad, rod, iryd lub ruten. Katalizatory takie są bardzo czułe na niektóre pierwiastki, np. ołów i siarkę, których obecność w spalinach może je bezpowrotnie uszkodzić w bardzo krótkim czasie. W przypadku nowoczesnych silników, wyposażonych w układ EOBD, wymiana uszkodzonego katalizatora jest właściwie nieunikniona. Układ sprzężony z dwiema sondami lambda (jedną przed i drugą za katalizatorem) natychmiast zareaguje na jego awarię, zapalając kontrolkę silnika i przechodząc w tryb awaryjny. Z kolei starsze silniki (bez EOBD) nie poinformują nas o uszkodzeniu katalizatora, więc aby to stwierdzić, potrzebne jest podłączenie do analizatora spalin. Usunięcie katalizatora nie spowoduje wprawdzie złego funkcjonowania silnika, ale emisja spalin może przekroczyć przewidziane w przepisach normy i podczas badania technicznego diagnosta może nie przedłużyć ważności przeglądu takiego pojazdu.

Warto jeszcze nadmienić, że ze względu na mocno wyśrubowane normy emisji spalin, konieczne jest stosowanie dwóch lub nawet trzech katalizatorów. Pierwszy z nich, o małej pojemności cieplnej, ma za zadanie zmniejszenie emisji spalin przy rozruchu zimnego silnika. Następnie spaliny przepływają przez dwa lub trzy katalizatory umieszczone w jednej obudowie na które składają się część utleniająca oraz reaktor DeNOx.I jeśli chodzi o silniki ZI, to w zasadzie można by na tym poprzestać. Ale są jeszcze silniki wysokoprężne, gdzie walka o czyste spaliny jest jeszcze bardziej zażarta. Tutaj prym wiodą filtr cząstek stałych i katalizator redukujący tlenki azotu (SCR).

Ciekawym rozwiązaniem jest filtr cząstek stałych, z angielskiego DPF (Diesel Particulate Filter), lub FAP (z francuskiego Filtre A Particules). Wbrew pozorom nie jest to rozwiązanie nowe, bo stosowane jest od 1980 roku, a w pojazdach osobowych od 1996 roku. Co ciekawe, sprawność prawidłowo działającego filtra wynosi od 85 do 100%. Montuje się go bezpośrednio za katalizatorem, a jest on potrzebny żeby dostosować samochody do coraz ostrzejszych norm emisji spalin. Systemy bezpośredniego wtrysku dużo zrobiły w kwestii ekologii, ale nie zlikwidowały emisji cząstek stałych (czarny dym widoczny za autem). Cząstki stałe to nic innego jak zwykła sadza, czyli niedokładnie spalone paliwo. A skoro do tej pory nie udało się zbudować diesla, który by nie emitował cząstek stałych, więc postanowiono je wyłapać. W układzie wydechowym zamontowano więc metalową puszkę wypełnioną porowatym wkładem ceramicznym. Liczne kanaliki takiego filtra przechwytują cząsteczki sadzy, ale niestety dość szybko się zapychają. A zapchany filtr ogranicza przepływ spalin i, aby nie zatkał się zupełnie, musi zostać oczyszczony. I tu zaczynają się schody, bo sadzę da się spalić tak, że zostaje z niej nieszkodliwy dwutlenek węgla, ale trzeba w tym celu wytworzyć temperaturę ok. 550-600°C. Dodatkowy kłopot polega na tym, że filtr najlepiej regeneruje się z reguły tylko w trasie, a w warunkach miejskich (jazda na krótkich dystansach , niewysokie prędkości obrotowe) często jest to niemożliwe. W takim wypadku szybko dochodzi do zapchania i uszkodzenia filtra. Nie było więc rady; chcąc nie chcąc, kierowca musiał gnać na najbliższą trasę szybkiego ruchu i krążyć na niej przez kilkanaście minut. Kłopotliwe, prawda? Poza tym okazało się, że przerwanie takiego procesu także niszczy filtr. Owszem, można stosować filtr z wkładem ze specjalnego papieru (tzw. filtr jednorazowy), który po zapchaniu po prostu wymienia się na nowy, ale trzeba było to robić praktycznie co miesiąc.

Wymyślono więc, że układ wtryskowy będzie okresowo usuwał sadzę, dawkując do komór spalania dodatkowe paliwo, które dzięki świecy zapłonowej ma częściowo dopalać się w filtrze i w ten sposób podgrzewać go. Jednak nadmiar niespalonego paliwa przedostawał się do oleju rozrzedzając go, co powodowało jego wymianę nawet co kilka tysięcy kilometrów. Też niedobrze. Ale od czego mamy inżynierów i postęp technologiczny? Okazało się, że można usuwać sadzę z filtra specjalną substancją dodawaną do paliwa, tzw. filtr mokry. Dodatkową zaletą jest obniżenie temperatury procesu do 250-300 stopni. Wprawdzie substancja zawarta w dodatku osadza się na ściankach filtra powodując konieczność jego wymiany, ale odbywa się to co 160-180 tyś. km. Ostatnio (ze względu na coraz ostrzejsze normy emisji spalin) stosuje się DPF-y w połączeniu z układem redukującym tlenki azotu, czyli w skrócie SCR.

Jego podstawową zasadą jest to, że tlenki azotu podlegają w katalizatorze przekształceniu w nietoksyczny azot i parę wodną. W tym celu jako reduktor wykorzystuje się amoniak. Ponieważ amoniak jest niebezpieczną substancją, stosuje się jego nietoksyczny, bezwonny i wodny roztwór, czyli mocznik. Ma on niebieski kolor i stąd w nazwie „blue”). Jest on przechowywany w odrębnym zbiorniku i wtryskiwany do strumienia gorących spalin (wtrysk usytuowany za hamulcem silnikowym), w którym pod wpływem wysokiej temperatury zamienia się w amoniak, który (jak już wspomnieliśmy wyżej) w wyniku reakcji chemicznej redukuje tlenki azotu do pary wodnej i cząsteczkowego azotu. Problemem jest tylko zamarzanie mocznika w temperaturze minus 11 stopni, co wymusiło zastosowanie podgrzewacza. Jego zużycie jest na tyle niewielkie, że spokojnie można go uzupełniać przy okazji przeglądu pojazdu.

Ciekawie sprawę rozwiązał MAN. Jego kompaktowy filtr SCRT (Selective Catalytic Reduction Technology) charakteryzuje się połączeniem katalizatora SCR z katalizatorem utleniającym oraz sterowanym elektronicznie filtrem cząstek stałych. System ten w całości mieści się w tłumiku końcowym. W uproszczeniu zasadę działania systemu SCRT można opisać tak: w strumieniu spalin katalizator utleniający zamienia cząstki węglowodorów i tlenków węgla na nieszkodliwy dwutlenek węgla i wodę, a większość tlenków jest zamieniana z tlenków azotu na dwutlenek azotu. Powierzchniowy filtr cząstek stałych (CRT) wychwytuje do 99 procent masy tych cząsteczek ze strumienia spalin. W filtrze CRT nagromadzone cząstki sadzy są spalane katalitycznie za pomocą wcześniej wytworzonego NO2 lub zamieniane na CO2. Czujnik kontroluje zanieczyszczenie filtra cząstek stałych, a więc również skuteczność filtracji. W dalszej części katalizator SCR za pomocą wtryskiwanego środka redukującego AdBlueobniża zawartość tlenków azotu poniżej granicznej wartości wynikającej z normy Euro6.

Z kronikarskiego obowiązku należy też wspomnieć o układzie recyrkulacji spalin (EGR – ang. Exhaust Gas Recirculation), chociaż jego skuteczność skończyła się na normie Euro 4. Zasada działania tego systemu polega na wprowadzeniu do układu zasilania silnika pewnej ilości spalin. Wykorzystanie takiego rozwiązania powoduje:

  • 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 emisjitlenków azotu (NOx) przez obniżenie temperatury spalania ubogiej w tlen mieszanki paliwowo-powietrznej i obniżenie emisji węglowodorów (przez ich utlenienie). Przy czym 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 siędo ok. 25% objętości spalin(temperatura ok. 650°C), aw silnikach o zapłonie samoczynnym nawet do 50%(temperatura ok. 400-450°C).

Jak więc widać droga do czystych spalin nie jest prosta. Tym bardziej, że w ramach walki z zanieczyszczeniem atmosfery Unia Europejska wprowadza coraz bardziej rygorystyczne normy emisji toksycznych związków. Poza tym wymienione wyżej systemy to nie wszystko. Podstawą jest szereg modyfikacji samego silnika, z układem wtryskowym Common Rail z wtryskiwaczami piezoelektrycznymi o ciśnieniu wtrysku rzędu 2 tysięcy barów na czele. Do tego unowocześnione świece żarowe, obniżony stopień sprężania oraz turbosprężarka o zmiennej geometrii łopatek. Dopiero wszystko to razem wzięte powoduje, że to, co opuszcza rurę wydechową w samochodzie nie spowoduje rakotwórczych zmian w naszych płucach. Niewykluczone też, że już niedługo doczekamy czasów, gdy spaliny opuszczające rurę wydechową pojazdu będą zawierały mniej zanieczyszczeń, niż otaczające nas powietrze.

Tekst: Piotr Duda

 

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.Pole wymagane *

*