Wydech to nie tylko rura

rura wydechowa © Neri Vill/Pixabay

Udostępnij:

Spalanie paliwa w silniku spalinowym jest zoptymalizowane pod kątem czystości spalin. Aby mieć nad tym kontrolę, konieczne jest monitorowanie ilości tlenu pozostającego w spalinach po opuszczeniu komory spalania.

W  celu zmniejszenia emisji substancji szkodliwych w silnikach Diesla stosuje się kilka zabiegów mających na celu stworzenie możliwie najczystszych spalin. Jednym z nich jest zwiększanie ciśnienia wtrysku. Obecnie nie jest rzadkością ciśnienie na poziomie 2200–2500 barów. Dzięki wysokiemu ciśnieniu możliwe stało się znaczne skrócenie czasu wtrysku, co pozwala doprowadzić paliwo do cylindra w kilku mniejszych porcjach, spalających się dokładniej niż jedna duża.



Kolejnym zabiegiem poprawiającym skład spalin jest zastosowanie ich recyrkulacji. W silniku benzynowym (ZI) recyrkulacja spalin wpływa na ich oczyszczenie nie przez ponowne „przepalenie” spalin cofniętych z wydechu, lecz obniżenie temperatury spalania. Prowadzi to do znacznej redukcji tlenków azotu, które tworzą się przy wysokich temperaturach w cylindrze.

Dzięki chłodzeniu gazów spalinowych można osiągnąć większą wydajność systemu recyrkulacji spalin EGR.
Dzięki chłodzeniu gazów spalinowych można osiągnąć większą wydajność systemu recyrkulacji spalin EGR. Źródło: „autoFACHMANN”

Samo oczyszczenie spalin może być realizowane nie tylko przez regulację pracy silnika lub układu jego zasilania, ale również przez zastosowanie odpowiedniego paliwa. Obecnie w silnikach z zapłonem samoczynnym i iskrowym stosuje się paliwa bezsiarkowe. Dzięki nim w spalinach nie pojawiają się związki siarki, a jeśli już, to w śladowych ilościach.

Na powstawanie substancji szkodliwych podczas pracy silnika Diesla wpływają:

  • początek wtrysku,
  • czas trwania wtrysku,
  • rozpylenie paliwa.

Początek wtrysku określany jest jako zależność początku wtrysku paliwa od kąta obrotu wału korbowego, czyli pozycji tłoka w cylindrze. Późny początek wtrysku wpływa na zmniejszenie ilości związków azotu (NOX) w spalinach, ale powoduje równomierny wzrost ilości węglowodorów (HC). Przyspieszanie początku wtrysku zmniejsza emisję węglowodorów, jednak wpływa na wzrost emisji związków azotu. Początek wtrysku powinien być tak określony, aby został zachowany bilans między małą emisją związków azotu a małą emisją węglowodorów.

Natomiast w czasie wtrysku ważne jest wtryskiwanie takiej dawki paliwa, która ma szansę całkowicie odparować w celu dokładnego spalenia. Brak możliwości odparowania paliwa w komorze spalania powoduje emisję sadzy, czyli niespalonych węglowodorów.

Ważny tlen

W spalinach silnika wysokoprężnego znajdują się następujące substancje szkodliwe:

  • węglowodory (HC),
  • tlenek węgla (CO),
  • tlenki azotu (NOX),
  • sadza (C).

Poza tymi związkami w spalinach często znajdują się też związki siarki (SO4), pozostałe związki węgla i wodoru oraz tlenki metali. W katalizatorze utleniającym związki te są rozbijane i łączone ponownie w kolejne związki chemiczne. Węglowodory (HC) i tlenek węgla (CO) są rozbijane i łączone ponownie w wodę (H2O) oraz dwutlenek węgla (CO2).

Katalizator utleniający składa się z rdzenia ceramicznego lub metalowego, pokrytego mieszanką utleniającą na bazie tlenku glinu, tlenku cyrkonu lub ceramiki tlenkowej. Katalitycznie aktywny jest tu metal szlachetny (platyna). Mieszanka utleniająca powiększa powierzchnię czynną katalizatora ponad 7000 razy, co znacznie poprawia jego właściwości katalityczne. Redukuje on około 70% emitowanych węglowodorów oraz 90% tlenku węgla.

Utlenianie w katalizatorze rozpoczyna się dopiero po osiągnięciu przez niego pewnej temperatury granicznej. Jest ona różna w zależności od składu spalin i szybkości ich przepływu przez katalizator. Można jednak przyjąć, że katalizator pracuje poprawnie już po przekroczeniu temperatury 170–200°C. Po przekroczeniu tej temperatury o około 20–30°C katalizator osiąga już 90% swojej sprawności. Przemiana tlenku węgla (CO) w dwutlenek węgla (CO2) zachodzi przy nieznacznie wyższej temperaturze, bo przy 235°C. Przez wysoką zawartość tlenu w spalinach w katalizatorze utleniającym może dojść do redukcji nawet 50% zawartej w spalinach sadzy.

Montaż katalizatora utleniającego w niedużej odległości od silnika pozwala na szybkie jego nagrzanie i utrzymywanie przez najdłuższy czas maksymalnej sprawności. Przy normalnej eksploatacji żywotność katalizatora nie powinna odbiegać od żywotności samochodu, w którym jest on zamontowany.

Mniej tlenków azotu

Ze względu na dużą ilość tlenu zasysanego przez silnik redukcja tlenków azotu (NOX) w spalinach nie jest łatwa, a osiąga się ją przez optymalizację kształtu komory spalania oraz przebiegu samego procesu wtrysku paliwa. Komory wirowe z kanałami o małym przekroju, „miękkie” spalanie i niskie ciśnienie spalania zmniejszają ilość tworzących się tlenków azotu. Podobnie na tworzenie tlenków azotu wpływa odpowiednio dobrany czas początku wtrysku oraz recyrkulacja spalin powodująca obniżenie temperatury w komorze spalania.

Recyrkulacja gazów spalinowych (EGR)

Głównym zadaniem recyrkulacji gazów spalinowych jest zmniejszenie emisji związków azotu (tlenków azotu, NOX), które powstają przy dużej zawartości tlenu w tworzonej mieszance oraz przy wysokich temperaturach spalania. W zakresie obciążeń częściowych tworzenie tlenków azotu rośnie wykładniczo wraz ze wzrostem temperatury spalania. Recyrkulacja spalin powoduje zastąpienie pewnej ilości tlenu w zasysanym powietrzu niepalnymi spalinami. W efekcie następuje obniżenie temperatury spalania oraz zmniejszenie ilości tlenków azotu w spalinach.

W obecnie stosowanych systemach recyrkulacji spalin osiąga się współczynnik recyrkulacji na poziomie 60%, jednak nie jest on stały w całym zakresie obrotów i obciążenia. Przy gwałtownym przyspieszaniu oraz podczas dużego obciążenia silnika komputer sterujący potrafi go nawet całkowicie wyłączyć.

Poprowadzenie gazów spalinowych przez chłodnicę dodatkowo zmniejsza ich temperaturę, co jeszcze korzystniej wpływa na obniżenie temperatury spalania. Uszkodzenie systemu recyrkulacji spalin może jednak spowodować problemy z uruchomieniem silnika. Może też spowodować utratę mocy oraz duże zadymienie spalin.

Selektywna redukcja katalityczna (SCR)

W ciężkich pojazdach użytkowych zdarza się, że recyrkulacja spalin nie wystarcza do dostatecznej redukcji związków azotu ze spalin. Dlatego też wprowadzono system redukcji katalitycznej, która polega na na hydrolizie. Dzięki mieszaniu spalin z 32-proc. roztworem mocznika i doprowadzeniu tak powstałej mieszanki do katalizatora redukującego, opartego na związkach tytanu, wolframu i wanadu, możliwe jest przekształcenie jej w azot i wodę w postaci pary. Ilość roztworu wtryskiwanego do układu wydechowego jest regulowana przez sterownik na podstawie informacji o obciążeniu silnika oraz warunków pracy.

 układy selektywnej redukcji katalitycznej SCR
Żeby zredukować ilość tlenków azotu w spalinach silników pojazdów użytkowych, stosuje się układy selektywnej redukcji katalitycznej SCR, w których roztwór mocznika jest wtryskiwany do wydechu. Po dotarciu wraz ze spalinami do katalizatora redukującego tlenki azotu i mocznik zamieniane są w azot i parę wodną (wodę). Źródło: Robert Bosch

Katalizator zasobnikowy NOX



Kolejnym sposobem na redukcję zawartości tlenków azotu w spalinach jest zastosowanie katalizatora zasobnikowego, który na związki azotu działa jak gąbka. Ze względu na ograniczoną pojemność konieczna jest jego regeneracja (podobnie jak w przypadku filtra cząstek stałych). Regeneracja katalizatora zasobnikowego NOX przebiega dzięki wzbogaceniu mieszanki w celu uzyskania bogatych w węglowodory spalin (ubogich w związki azotu).

katalizator zasobnikowy NOx
Katalizator zasobnikowy NOX stosowany przez koncern Renault. Źródło: Renault

Praca katalizatora zasobnikowego przebiega w dwóch fazach:

  1. Faza gromadzenia – proces przebiegający przy ubogiej mieszance i bogatych w związki azotu spalinach.
  2. Faza regeneracji – konwersja zgromadzonych związków azotu przy pomocy bogatych w węglowodory spalin („tłustych”).

Faza gromadzenia w zależności od warunków pracy trwa 30–300 s, natomiast faza regeneracji – 2–10 s. Fazy te następują po sobie i są całkowicie sterowane przez komputer. O konieczności regeneracji decydują sygnały z szerokopasmowej sondy, umieszczonej przed katalizatorem, oraz z czujnika NOX umieszczonego za nim. Praca katalizatora zasobnikowego, czyli sterowanie wzbogacaniem i ubożeniem mieszanki w czasie jazdy, jest dla kierowcy niezauważalna. Jedyny warunek, jaki musi być spełniony, to zastosowanie paliwa bezsiarkowego (zawartość siarki na poziomie 0,0001%, czyli 10 ppm) ze względu na ochronę masy czynnej w katalizatorze.

Tłumienie dźwięków

Fale dźwiękowe mogą być osłabiane na różny sposób. W motoryzacji używa się przede wszystkim tłumików działających na zasadzie absorpcji lub odbicia (tłumiki refleksyjne). Własności tłumiące zwiększa dodatkowe wyposażenie układu w tłumiki, które działają  na zasadzie interferencji. Ponadto stosuje się różne kombinacje sposobów tłumienia dźwięku wewnątrz pojedynczego tłumika.

Metoda absorpcji opiera się na tłumiącym działaniu określonych materiałów dźwiękochłonnych. W materiałach tych energia dźwięku lub drgań spalin zostaje zamieniona w energię cieplną, która następnie jest odprowadzana do powietrza atmosferycznego. Metoda odbicia wykorzystuje to, że fale dźwiękowe odbijają się od twardych powierzchni. Powoduje to zmniejszenie energii wraz z rosnącą drogą, podobnie jak w przypadku słabnącego echa. W metodzie interferencji części spalin nakładają się na siebie, kiedy spotykają się po wcześniejszym przebyciu dróg o różnej długości, i wzajemnie się znoszą. Tłumiki absorpcyjne odznaczają się względnie niskim oporem przepływu i mają niewielki wpływ na moc silnika. Pochłaniają przede wszystkim dźwięki o wysokiej częstotliwości. Tłumiki refleksyjne pochłaniają przede wszystkim dźwięki o niskiej częstotliwości (niskie tony). Stawiają jednak spalinom względnie duży opór, a tym samym wpływają negatywnie na moc silnika.

Więcej o tłumieniu dźwięków powstających przy spalaniu przeczytasz w artykule „Zadania układu wydechowego".

Artykuł ten ukazał się w czasopiśmie

Udostępnij:

Drukuj



Maciej Blum

Redaktor naczelny miesięcznika „autoEXPERT”




TOP w kategorii






Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również