SILNIKI SPALINOWE
Metody ograniczania

toksyczności spalin w

silnikach spalinowych

1. Wiadomości wstępne

Silniki spalinowe zużywają znaczne ilości paliw i emitują do atmosfery znaczne
ilości składników toksycznych.
Ich negatywne oddziaływanie na środowisko ma charakter zarówno lokalny, jak i

globalny.

Przy tym role odgrywane przez

silniki tłokowe i silniki turbinowe różnią się

zasadniczo zarówno ze względu na udział w ogólnym bilansie spalania paliw,
jak i charakter oddziaływania na środowisko.

Silniki tłokowe stwarzają największe problemy w dużych aglomeracjach.
Za przykład może służyć Kalifornia, największy pod względem liczby ludności i
potencjału przemysłowego stan USA. Po stanie tym porusza się 25 mln
samochodów, spalających dziennie 133 mln litrów benzyny, czyli ok. 35 mln ton
rocznie. Mimo podejmowania przez administrację stanu bardzo radykalnych

działań, przede wszystkim legislacyjnych, sześć spośród siedmiu
amerykańskich miast o najbardziej zanieczyszczonym powietrzu znajduje się
właśnie w Kalifornii. Głównym zagrożeniem, jakie stwarza emisja spalin
samochodowych w tym stanie, jest

smog.

Lokalne środowisko, sprzyjające jego powstawaniu, to zagęszczenie dużych miast,
słoneczny klimat, długie, pełne mgieł wybrzeże Oceanu Spokojnego oddzielone od
kontynentu górami. Podobne do opisywanych problemy mogą wystąpić także w
innych aglomeracjach o niekorzystnych lokalnych warunkach przewietrzania w
miarę wzrostu ruchu samochodów.

Zupełnie inne problemy stwarzają

lotnicze silniki turbinowo-odrzutowe.

W odróżnieniu od silników samochodowych ich udział w ogólnym bilansie spalania
paliw jest względnie bardzo mały. Emisja spalin z silników turbinowo-odrzutowych
stanowi zagrożenie dla obszarów miejskich usytuowanych w pobliżu lotnisk i dla
stratosfery. Pomiary wykazały, że ok. połowa składników toksycznych spalin na
lotniskach pochodzi z silników samolotowych, a pozostała część z silników
samochodowych. Największe zagrożenie dla stratosfery stanowi emisja dwutlenku
węgla, związków siarki i tlenków azotu.

2. Charakterystyka właściwości toksycznych silników tłokowych

Jeszcze do niedawna wydawało się, że silniki o zapłonie samoczynnym są

znacznie bardziej przyjazne dla środowiska niż silniki o zapłonie iskrowym.

Wytwarzają one bowiem mniej toksycznych składników gazowych niż silniki

benzynowe, a potencjalne zagrożenie ze strony emisji cząstek stałych nie wydawało
się tak groźne jak się sądzi obecnie. Jednak wprowadzenie w szerokim zakresie do
układów wydechowych silników benzynowych

reaktorów katalitycznych znacznie

zmniejszyło zagrożenie spowodowane ich składnikami toksycznymi.

Okazało się, że problem zanieczyszczeń środowiska przez silniki o zapłonie

samoczynnym, które stwarzają zagrożenie przede wszystkim poprzez emisję
cząstek stałych, jak również tlenków azotu, jest znacznie poważniejszy niż
wydawało się to początkowo.

Rozwiązania przyjęte w silnikach benzynowych w postaci dopalacza

katalitycznego tlenków azotu nie mogą być zastosowane w silnikach o zapłonie
samoczynnym. Cząstki sadzy emitowane przez silniki o zapłonie samoczynnym
stwarzają zagrożenie ze względu na możliwość zachorowań na nowotwory.

Cząstki te, w skład których wchodzi w stosunku do masy około 70 -- 90%

pierwiastka węgla, stanowią największe zagrożenie dla płuc, podczas gdy inne
substancje gromadzone na ich powierzchni, w tym substancje rozpuszczalne, mają
drugorzędne znaczenie.

W silnikach benzynowych emisja cząstek stałych w porównaniu z silnikami o

zapłonie samoczynnym jest mniejsza o kilka rzędów wielkości.

Główne zagrożenia stwarzane przez te silniki polegają na emisji gazowych

węglowodorów, a zwłaszcza pierścieniowych węglowodorów aromatycznych, z
których tylko część ma własności rakotwórcze.

Również taki składnik spalin jak benzen, powodujący zachorowania na

białaczkę, musi być brany pod uwagę.

Ocenia się jednak, że ryzyko zachorowań na raka w wyniku emisji sadzy z silników

o zapłonie samoczynnym jest około 10 razy większe niż pod wpływem gazowych
wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych o porównywalnym poziomie
emisji.

Ryzyko zachorowań pod wpływem benzenu jest z kolei o rząd wielkości mniejsze

niż w wyniku oddziaływania wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych,
oczywiście przy porównywalnym poziomie emisji.

Z zarysowanych zagrożeń wynika, że ograniczenie występowania cząstek stałych
powinno stanowić główny priorytet w działaniach, zmierzających do ograniczenia
negatywnych skutków składników toksycznych w spalinach.

Nie ulega wątpliwości, że paliwa kopalne o dużej zawartości węgla jako pierwiastka

będą ciągle głównym źródłem energii silników na przyszłe lata.

Silna presja na dalsze zmniejszanie jednostkowego zużycia paliwa będzie

wywierana przynajmniej z dwu powodów:
• potrzeby oszczędności paliwa
• konieczności zmniejszenia emisji CO

2

do atmosfery.

Istnieje międzynarodowe porozumienie uznające nieodzowność zmniejszenia emisji

CO

2

do roku 2005 o 25%.

Wymaga to znacznego zmniejszenia średniego zużycia paliwa w nowych
samochodach, pojawiających się na rynku.
Obliczenia wykonane dla gospodarki niemieckiej wykazują, że aby mogła ona
wywiązać się z zobowiązań międzynarodowych, dotyczących zmniejszenia ilości
CO

2

do poziomu przewidywanego w 2005 roku, producenci samochodów muszą

zmniejszyć zużycie paliwa do tego czasu z obecnych średnio 8 l/100 km do około
ś

rednio 4,1 l/100 km, co odpowiada jego zmniejszeniu o 49% .

W celu uzyskania takich wyników, planuje się znaczne zwiększenie sprawności
silników.

Analizy wykazują, że wzrost sprawności silników tłokowych można uzyskać

przez zmniejszenie różnego rodzaju strat występujących podczas ich pracy,
zarówno przy obciążeniach częściowych, jak i przy pełnej mocy.

Oszczędności należy poszukiwać w ulepszeniu procesów przebiegających w

warunkach wysokich ciśnień, w zmniejszeniu strat przepompowywania, w
ograniczeniu strat tarcia i w optymalizacji wspomaganej elektronicznie pracy silnika.

Zmniejszenie zużycia paliwa przez pojazdy można uzyskać nie tylko na skutek

wzrostu sprawności silnika, ale również przez zmniejszenie masy pojazdu i
polepszenie jego właściwości aerodynamicznych.

Właśnie ten sposób podejścia zaprezentowały trzy największe firmy

samochodowe Stanów Zjednoczonych A.P., podejmując wspólnie w 1993 r.
realizację bardzo ambitnego dziesięcioletniego programu budowy nowego
"czystego" samochodu.

W programie przewiduje się zmianę filozofii budowy samochodu, w wyniku czego

zmniejszy się średnie zużycie paliwa do 30% obecnego.

Nie ulega wątpliwości, ze wyzwania niemieckie i amerykańskie będą podjęte

przez potentatów samochodowych z innych krajów.

Ze względu na sprawność i ekonomiczność silników należy stwierdzić, że

produkowane obecnie silniki o zapłonie samoczynnym z komorami dzielonymi,
przeznaczone do napędu samochodów osobowych, są o ok. 20% bardziej
ekonomiczne od współczesnych równorzędnych im silników benzynowych.

Zastosowanie w samochodowych silnikach o zapłonie samoczynnym wtrysku

bezpośredniego może zmniejszyć jednostkowe zużycie paliwa o dalszych 20%,
zwłaszcza przy zastosowaniu turbodoładowania i elektronicznie sterowanego
wtrysku paliwa.

Chociaż więc budowane w przyszłości silniki benzynowe będą bardziej

ekonomiczne od obecnych co najmniej o 30%, to jednak i tak będą ustępować
najlepszym silnikom o zapłonie samoczynnym pod względem ekonomiczności
przynajmniej o kilkanaście procent.

Silniki benzynowe spełniają wymagania norm dotyczące emisji składnik

toksycznych w spalinach dzięki zastosowaniu dopalaczy katalitycznych i czujnik
zawartości tlenu (tzw. sondy lambda), oddziałującego na sterowanie składem
mieszanki.
Zakłada się, że również w przyszłości ten rodzaj techniki będzie nadal stosowany.
W silnikach o zapłonie samoczynnym ograniczenie nadmiernej ilości tlenk azotu
i cząstek stałych w spalinach odbywa się i będzie się odbywać z zastosowaniem
wielu zabiegów.

Podczas przeprowadzania tych zabiegów należy jednak pamiętać o tym, że przy

ograniczaniu zawartości cząstek stałych następuje zwykle wzrost tlenków azotu.

Ograniczanie z kolei tlenków azotu wpływa negatywnie na jednostkowe zużycie

paliwa.

Rola poszczególnych przedsięwzięć czy urządzeń ograniczających

toksyczność spalin silnika o zapłonie samoczynnym jest przedstawiona na rys. 1.

Rys. 1. Obniżenie emisji składników toksycznych w dużych silnikach o zapłonie samoczynnym

Należą do nich: układ czterozaworowy, zwiększona szybkość wtrysku paliwa,
regulacja czasowa podawania dawki paliwa, elektronicznie sterowane
pompowtryskiwacze, optymalizacja szybkości wirowania ładunku, dopalacz
katalityczny, paliwo o małej zawartości siarki, recyrkulacja spalin, optymalizacja
pracy turbosprężarki. Wpływ zastosowanych środków na emisję CO

2

przedstawiono

na rys. 2.

Rys. 2. Emisja CO

2

przez średniej wielkości

samochodów osobowych w zależności od rodzaju
paliwa

W przedstawionych na tym rysunku danych uwzględniono łączną emisję CO

2

,

powstającą zarówno w procesie produkcji paliwa, jak i po jego spaleniu (z wyjątkiem
wodoru).

W tym kontekście na rysunku uwzględniono również zasilanie silnika

innymi paliwami niż benzyna i olej napędowy.

Najmniejszą emisją CO

2

charakteryzuje się silnik o zapłonie samoczynnym i

wtrysku bezpośrednim zasilany olejem napędowym.
Na drugim miejscu znajduje się ten sam silnik zasilany metanolem.

Najprawdopodobniej metanol i gaz ziemny będą rozpatrywane jako paliwa

alternatywne do zasilania silników tłokowych na początku obecnego wieku.

Paliwa te zapewniają dużą sprawność oraz małą emisję dwutlenku węgla i

składników toksycznych w spalinach.

3. Ograniczanie toksyczności spalin w silnikach o zapłonie iskrowym

Ź

ródła powstawania składników toksycznych w cylindrze konwencjonalnego

silnika o zapłonie iskrowym przedstawiono jakościowo na rys. 3. Na schemacie
przedstawiono komorę spalania w czasie czterech różnych faz cyklu pracy silnika:
sprężania, spalania, rozprężania i wydechu.

Rys. 3. Mechanizm powstawania składników HC, CO i NO w silniku o zapłonie iskrowym

Rys. 3. Mechanizm powstawania składników HC, CO i NO w silniku o zapłonie iskrowym (cd.)

Tlenek azotu (NO) powstaje w obszarze gorących spalin za płomieniem w

wyniku reakcji chemicznych, w których biorą udział azot i cząsteczki tlenu, które nie
osiągnęły równowagi chemicznej. Im wyższa jest temperatura gazów, tym większa
jest szybkość powstawania NO.

Przy obniżaniu temperatury spalin podczas suwu rozprężania reakcje z NO ulegają

zamrożeniu, a stężenie NO pozostaje na poziomie znacznie przekraczającym stan
równowagi, odpowiadający warunkom wydechu.

Tlenek węgla również powstaje podczas procesu spalania. W mieszance

bogatej w paliwo występuje deficyt tlenu, uniemożliwiający przereagowanie całej
ilości węgla zawartego w paliwie w dwutlenek węgla CO2.

Również w produktach spalania o wysokiej temperaturze, nawet w mieszankach

ubogich w paliwo, poziom CO może być znaczący wskutek dysocjacji. Następnie
podczas suwu rozprężania na skutek obniżenia temperatury spalin, również
utlenianie CO ulega zamrożeniu.

Emisja nie spalonych węglowodorów ma kilka różnych źródeł.

Pierwszym źródłem tej emisji jest to, że w czasie suwu sprężania i spalania

następuje przepływ części mieszanki z cylindra do różnych szczelin, przylegających
do komory spalania, powodowany wzrastającym ciśnieniem.

Największymi z tych szczelin są objętości między tłokiem, pierścieniami a

ś

ciankami cylindra.

Większa część mieszanki zawarta w tych szczelinach nie ulega spaleniu, ponieważ

wejście do tych zakamarków jest zbyt wąskie, aby płomień mógł się przez nie
przecisnąć (wymiary szczelin są mniejsze od odległości gaszącej). Mieszanka ta,
która opuszcza szczeliny później, tj. w czasie suwu rozprężania i wydechu, jest
jednym ze źródeł niespalonych węglowodorów.

Drugim możliwym źródłem są ścianki cylindra.

Warstwa przyścienna, do której nie przenika płomień, zawiera niespaloną i tylko
częściowo spaloną mieszankę.

Wszelkie porowate osady na ściankach powodują wzrost niespalonych

węglowodorów.

Trzecim źródłem niespalonych węglowodorów jest olej smarny, odłożony

w postaci bardzo cienkiego filmu na ściankach cylindra, na tłoku i prawdopodobnie
na powierzchni głowicy silnika. Warstwy tego oleju mogą kolejno pochłaniać i
uwalniać składniki niespalonych węglowodorów odpowiednio przed spaleniem i po
spaleniu, uniemożliwiając części paliwa branie udziału w podstawowym procesie
spalania w cylindrze.

Czwartym źródłem niespalonych węglowodorów może być niekompletne

spalanie, związane z zanikiem płomienia w tej części cyklu silnika, w której
wystąpiło powolne spalanie. Warunki powodujące tego rodzaju przebieg spalania
najczęściej występują podczas przejściowych warunków pracy silnika, w czasie
których wzajemne relacje między składem mieszanki, kątem wyprzedzenia zapłonu
i ilością recyrkulujących spalin mogą się okazać nieoptymalne.

Niespalone węglowodory opuszczają cylinder silnika, dołączając do całej masy

produktów reakcji, usuwanych w czasie suwu wydechu ruchem tłoka w kierunku
zaworu wydechowego.

Jest oczywiste, że podczas rozprężania i wydechu znaczna

część niespalonych węglowodorów może ulec utlenieniu. Ilość utlenionej substancji
zależy od temperatury i lokalnego stężenia tlenu, a także od sposobu włączania się
resztek niespalonej mieszanki do strumienia produktów reakcji opuszczających
cylinder silnika.

W dotychczasowym rozwoju silników o zapłonie iskrowym osiągnięto niespotykany

wcześniej postęp. Dotyczy on zarówno organizacji procesu spalania, jak i technologii
wykonania silnika.

W ramach tego rozwoju wykorzystano już wszystkie płytkie rezerwy dotyczące

polepszenia procesów spalania z punktu widzenia ograniczenia toksyczności spalin.
Jednym z najprostszych przedsięwzięć było wprowadzenie wtrysku paliwa do kanału
ssącego silnika.

Zastąpienie gaźnika, zwłaszcza wtryskiem wielopunktowym, zwiększyło

jednorodność zasilania poszczególnych cylindrów w paliwo i umożliwiło wytworzenie
się na wejściu do cylindra silnika praktycznie jednorodnej mieszanki.

Ujednorodnienie składu mieszanki zwykle powoduje zmniejszenie emisji tlenku
węgla i niespalonych węglowodorów.

Zmiany wprowadzane do układu zapłonowego spowodowały z kolei wzrost energii

zapłonu i polepszyły pewność działania układu, przyczyniając się do zwiększenia
równomierności biegu silnika, a przez to do zmniejszenia emisji węglowodorów.

Wprowadzenie elementów elektronicznego sterowania pracą silnika w większości

przypadków ma również pozytywny wpływ na ograniczenie udziału w spalinach
wszystkich składników toksycznych, a zależy to od wymagań stawianych systemowi
sterowania, innymi słowy od tego, jak będzie on zaprogramowany.

Powstaje pytanie w jaki sposób i w jakim stopniu można w dalszym ciągu

ograniczać powstawanie składnik toksycznych w silniku o zapłonie iskrowym, w
ś

wietle zarysowanego wyżej mechanizmu ich formowania się (rys. 3).

Ograniczenie zawartości tlenków azotu w spalinach można uzyskać obniżając

temperaturę w obszarze spalania.

Można to osiągnąć przez spalanie mieszanek ubogich lub przez uwarstwienie

ładunku.

Niestety, spalanie mieszanek ubogich nie jest dotychczas opanowane technicznie,

natomiast system ładunku uwarstwionego jest systemem dojrzałym, ale
skomplikowanym technicznie, co podwyższa koszty produkcji silników.

W celu ograniczenia zawartości tlenku węgla w spalinach należałoby również

zastosować spalanie mieszanek ubogich lub uwarstwienie ładunku.

Najtrudniej byłoby natomiast zmniejszyć ilość niespalonych węglowodorów.
Mechanizm ich powstawania bardzo ogranicza możliwości ingerencji u źrła ich

powstawania, tzn. w procesie spalania. Jedynie radykalne zrezygnowanie ze
stosowania paliw węglowodorowych, np. przez ich zastąpienie wodorem, mogłoby
rozwiązać ten problem.
W silniku o zapłonie iskrowym po uzyskaniu pewnego minimum toksyczności spalin
w wyniku ingerowania w proces spalania, lepszych wyników już się nie da osiągnąć.

W tej sytuacji, gdy nie można bardziej ograniczyć powstawania składników

toksycznych u ich źródła, a trzeba sprostać przepisom ograniczającym toksyczność,
stosuje się ich neutralizację na wyjściu z układu wydechowego silnika.

Do tego celu służy

reaktor (dopalacz) katalityczny.

Buduje się reaktory katalityczne utleniające dla HC i CO, redukujące NOx i

trójdrożne dla wszystkich trzech składników.

Dopalacze katalityczne stosowane w silnikach o zapłonie iskrowym składają się z

aktywnego katalitycznie wkładu, umieszczonego w specjalnie zaprojektowanej
metalowej obudowie, która jednocześnie stanowi kanał do przepływu gazów
wylotowych z silnika.

Katalitycznie aktywny materiał (zwykle metale szlachetne) musi być rozłożony na

dużej powierzchni w taki sposób, aby kontakt między przepływającymi gazami a
aktywną powierzchnią katalizatora umożliwiał prawie 100% neutralizację składnik
toksycznych w spalinach. Dwa typy najczęściej stosowanych dopalaczy
katalitycznych pokazano na rys. 4.

Rys. 4. Dopalacze katalityczne stosowane w silnikach o zapłonie iskrowym: a)

wkład w postaci bloku,

Rys. 4. Dopalacze katalityczne stosowane w silnikach o zapłonie iskrowym: b)
wkład z wypełniaczem kulkowym

Pierwszy typ dopalacza z wkładem w postaci ceramicznego bloku o

strukturze plastra miodu (rys. 4a) jest umieszczony w metalowej obudowie w
kształcie rury,
którą przepływają spaliny. Katalizator znajduje się na powierzchni bardzo porowatej
warstwy tlenku glinowego. Warstwa ta, o grubości 20 µm, pokrywa ścianki
wszystkich kanalików. Typowy blok jest wypełniony kanałami o wymiarach
wewnętrznych ok. 1 mm, rozdzielonych porowatymi ściankami o grubości ok. 0,3

µm. W przekroju poprzecznym na powierzchnię 1 cm

2

przypada 30 - 60 kanałów.

Warstwa tlenku glinowego stanowi 5 - 15% masy bloku i ma powierzchnię 100 - 200
m

2

/g.

Drugi typ dopalacza z wkładem w postaci wypełniacza z ceramicznymi kulkami

(rys. 4b), ma na celu zwiększenie powierzchni kontaktu z przepływającymi gazami.
Katalizator jest umieszczany na powierzchni kulek, zwykle o średnicy 3 mm,
zawierających porowatą warstwę tlenku glinowego, o grubości do 250 µm. Materiał
kulek jest dobierany z punktu widzenia wytrzymałości na ścieranie w zakresie
temperatur do 1000

o

C. Przepływ spalin przez wkład katalityczny odbywa się w

sposób pokazany na rysunku. Zapewnia on dużą powierzchnię kontaktu gazu z
kulkami katalizatora przy małym spadku ciśnienia.

Na powierzchni katalizatora utleniającego następuje dopalanie tlenku węgla i

węglowodorów na dwutlenek węgla i wodę w spalinach, które w typowych
przypadkach zawierają ok. 12% CO

2

i H

2

O, 100 - 2000 ppm (cz. mln) NOx, ok. 20

ppm SO

2

, 1 - 5% O

2

, 0,2 - 5% CO i 1000 - 6000 ppm HC.

Węglowodory nasycone dopalają się najtrudniej. Łatwość utleniania wzrasta wraz

ze wzrostem masy molowej.

Do utleniania CO i HC należy zapewnić wystarczającą ilość tlenu. Jeżeli silnik jest

zasilany ubogą mieszanką paliwa z powietrzem, wówczas ilość tlenu w spalinach
jest wystarczająca do utlenienia CO i HC, w przeciwnym przypadku należy do
kolektora wylotowego spalin doprowadzać powietrze z zewnątrz.

Metale szlachetne ze względu na swoją aktywność są najbardziej odpowiednie

do budowy dopalaczy katalitycznych. Są one bardzo aktywne w utlenianiu HC,
utrzymują aktywność w niskich temperaturach i są dość odporne na zatrucia siarką
zawartą w paliwie. Najczęściej stosuje się mieszankę platyny (Pt) i palladu (Pd).
Czyste metale szlachetne ulegają spiekaniu w temperaturach 500 - 900°C, czyli w
zakresie temperatur pracy dopalacza.

Ponieważ katalizator spełnia swoją rolę poprzez katalityczne oddziaływanie atom

na powierzchni, więc metale szlachetne napyla się na obojętne nośniki katalizatora,
typu g-A1203 w postaci tak cienkich pokryć, jak to jest tylko możliwe, co
przeciwdziała kontaktowi cząstek metalu pomiędzy sobą, a więc i ich spiekaniu.

Wymiary cząstek szlachetnego metalu na świeżej powierzchni wkładu
katalitycznego nie przekraczają 50 nm.
W miarę upływu czasu pracy katalizatora w wysokich temperaturach wymiar cząstki
stopniowo zwiększa się do ok. 100 nm. Ilość szlachetnego metalu przypadająca na
jednostkę objętości w typowym dopalaczu z wkładem o strukturze plastra miodu
wynosi 2 g/dm

3

.

Z dużym przybliżeniem można przyjąć, że niezbędna do prawidłowego
funkcjonowania objętość dopalacza z wkładem z ceramicznymi kulkami nie
powinna być mniejsza niż połowa pojemności skokowej silnika.
Sprawność dopalania katalitycznego któregoś ze składników, np. CO jest
zdefiniowana przez zależność:

gdzie 1 i 2 – indeksy oznaczające odpowiednio wejście i wyjście dopalacza

Typową zależność między sprawnością dopalania a temperaturą przedstawiono
na rys. 5. W początkowym okresie pracy katalizatora sprawność dopalania w
dostatecznie wysokich temperaturach jest wysoka i wynosi 98 - 99% dla CO i ok.
95% dla HC. Katalizator przestaje działać przy temperaturach niższych od 250

o

C.

Rys. 5. Sprawność dopalania CO i HC w zależności od temperatury

Z upływem czasu pracy efektywność katalizatora zmniejsza się. Jest to

powodowane "zatruwaniem" jego powierzchni, jak i zmniejszaniem się tej
powierzchni pod wpływem spiekania się cząstek.

"Zatrucie" katalizatora następuje pod wpływem związków ołowiu zawartych w

paliwie, a także fosforu, który występuje w dodatkach do oleju smarowego.

Chociaż czteroetylek ołowiu nie jest dodawany do benzyny bezołowiowej, to

jednak niewielkie ilości związków ołowiu przedostają się do tego paliwa poprzez
system dystrybucji paliw.

Spadek sprawności dopalania katalitycznego węglowodorów pod wpływem

"zatrucia" katalizatora związkami ołowiu przedstawiono na rys. 6.

Rys. 6. Sprawność dopalania w
zależności od zawartości ołowiu w
katalizatorze; sprawność dopalania
wszystkich związków HC na osi po lewej
stronie, sprawność dopalania związków
HC nie zawierających metanu na osi po
prawej stronie

Pod wpływem tego zatrucia szczególnie zmniejsza się aktywność utleniająca
węglowodorów nasyconych (metan).

W okresie uruchamiania silnika ceramiczny wkład z katalizatorem jest zimny i

dopóki nie przekroczy temperatury 250 - 300°C, silnik emituje duże ilości CO i HC.

Bardzo ważne jest, aby czas dochodzenia do tej temperatury był na tyle krótki,

na ile jest to tylko możliwe i aby wzbogacanie mieszanki podczas rozruchu silnika
było utrzymywane na najniższym z możliwych poziomie.

Wynika z tego, że blok ceramiczny reaktora katalitycznego powinien mieć

możliwie małą bezwładność cieplną, a katalizator niską temperaturę pobudzania
jego aktywności.

Im bliżej miejsca wydechu silnika jest umieszczony katalizator, tym szybciej się

nagrzewa i osiąga właściwości katalityczne, ale jest wówczas narażony na szybkie
zniszczenie w wyniku oddziaływania bardzo wysokich temperatur podczas
normalnej pracy silnika.

Przyjmuje się, że katalizator powinien normalnie funkcjonować w ramach 100000

km przebiegu samochodu.

Tlenek azotu jest usuwany ze spalin w wyniku redukcji, za pośrednictwem CO,
węglowodorów i H

2

zawartych w spalinach. Przebieg możliwych reakcji redukcji

NO jest następujący:

1. NO + CO → ½ N

2

+ CO

2

2. 2NO + 5CO + 3H2O → 2NH

3

+ 5CO

2

3. 2NO + CO → N2O + CO

2

4. NO + H

2

→ ½ N

2

+ H

2

O

5. 2NO + 5H

2

→ 2NH3 + 2H

2

O

6. 2NO + H

2

→ N

2

O + H

2

O

przy czym reakcje 3 i 6 zachodzą w 200°C, tzn. poniżej temperatur spotykanych w
układach wydechowych.

Redukcja NO może przebiegać tylko w warunkach spalania mieszanek
przebogaconych, w których występuje przewaga cząsteczek redukujących nad
utleniającymi.

Katalizator stosowany w tych warunkach jest nazywany

reaktorem katalitycznym

redukującym NO. W celu usunięcia pozostałych składników toksycznych CO i HC
jest potrzebny kolejny

katalizator utleniający wraz z dopływem dodatkowego

powietrza.

Następujące jeden po drugim dwa układy katalityczne mogą spowodować usunięcie
ze spalin wszystkich trzech składników NO, CO i HC. Nie jest to jednak rozwiązanie
optymalne ze względu na podwyższone jednostkowe zużycie paliwa, występujące
podczas pracy silnika na mieszankach przebogaconych, jak i dlatego, że drugi układ
katalityczny utlenia część NH

3

, powstałą po przejściu przez pierwszy katalizator, z

powrotem na NO.

Jeśli jednak silnik w sposób ciągły jest zasilany mieszanką stechiometryczną,

wówczas zarówno redukcja NO, jak i utlenianie CO i HC może być dokonane za
pomocą jednego układu katalitycznego. W tych warunkach katalizator efektywnie
utrzymuje skład spalin w stanie bliskim równowagowemu, zapewniając wystarczającą
ilość gazów do redukcji NO i wystarczającą ilość O

2

do utlenienia CO i HC. Tego

rodzaju układ katalityczny nazywa się

reaktorem katalitycznym trójdrożnym,

ponieważ usuwa wszystkie trzy składniki toksyczne jednocześnie.

Rys. 7. Sprawność dopalania składników NO, CO i HC w dopalaczu trójdrożnym w

zależności od stosunku powietrza do paliwa

Na rysunku 7 przedstawiono sprawność dopalania katalitycznego trzech

składników NO, CO i HC jako funkcję współczynnika nadmiaru powietrza.

Z rysunku widać, że duża sprawność dopalania wszystkich trzech składników

utrzymuje się w bardzo wąskich granicach w pobliżu składu stechiometrycznego.

Wykluczone jest, aby utrzymywanie się w tak wąskich granicach składu można

było uzyskać przez regulację konwencjonalnego gaźnika lub układu wtryskowego.

W celu umożliwienia stosowania katalizatora trójdrożnego wprowadzono

dokładną regulację składu mieszanki za pomocą

czujnika zawartości tlenu,

kontrolującego ten skład (

sonda lambda).

Czujnik zawartości tlenu umieszczony w spalinach sygnalizuje, kiedy silnik

pracuje z niedomiarem, a kiedy z nadmiarem tlenu i przesyła sygnał, powodujący
skorygowanie składu do wartości pożądanej.

Czujnik ten jednak nie jest w stanie utrzymać składu mieszanki na ściśle

ustalonej wartości i współczynnik nadmiaru powietrza nieznacznie oscyluje koło tej
wartości.

Eksperymenty wykazały, że oscylacje te wpływają korzystnie na rozszerzenie

granic składu, w ramach którego utrzymuje się duża sprawność dopalania
katalitycznego.

4. Ograniczanie toksyczności spalin w silnikach o zapłonie samoczynnym

W silnikach o zapłonie samoczynnym i bezpośrednim wtrysku, paliwo jest
wtryskiwane do komory spalania tuż przed początkiem samozapłonu, a więc w
najbardziej krytycznej części cyklu pracy silnika rozkład paliwa jest niejednorodny.
Powstanie składników toksycznych w dużym stopniu zależy od rozkładu paliwa w
komorze spalania i od zmian tego rozkładu w czasie wskutek mieszania.

Rys. 8. Mechanizm powstawania składników toksycznych w silniku ZS i bezpośrednim wtryskiem
paliwa a) w fazie poprzedzającej mieszanie, b) w fazie mieszania

Na rys. 8 przedstawiono wpływ różnych części strugi paliwa i płomienia na

powstawanie tlenków azotu, niespalonych węglowodorów i sadzy podczas -
kontrolowanej przez mieszanie paliwa z powietrzem - fazy spalania.

Tlenek azotu powstaje w obszarach spalania o wysokiej temperaturze, które w

niejednorodnej strudze są zlokalizowane w pobliżu mieszanki stechiometrycznej.

Sadza powstaje w objętych płomieniem rdzeniach strug paliwa, ubogich w

dostęp tlenu, gdzie pary paliwa są ogrzewane poprzez mieszanie ich z gorącymi
produktami reakcji.

Część sadzy następnie utlenia się w płomieniu, podczas kontaktu z

niewykorzystanym tlenem, co przejawia się żółtą poświatą.

Węglowodory i aldehydy powstają wskutek gaszenia płomienia przez ścianki,

bądź też w tych obszarach, w których występuje lokalny nadmiar tlenu.

Paliwo wydostające się ze studzienki pod igłą rozpylacza i odparowujące w

późnym stadium spalania jest również źródłem węglowodorów.

Hałas spalania powstaje we wczesnych stadiach procesu spalania

W projektowaniu każdego silnika musi się obecnie uwzględniać coraz ostrzejsze

wymagania zawarte w normach, ograniczające powstawanie toksycznych
składników spalin, oraz stosować środki dotyczące ich przestrzegania.

Należy się spodziewać, że procedura projektowania i rozwoju silników będzie

podobna do tej, którą stosowano podczas opracowania silnika o zapłonie
samoczynnym do samochodu Audi 100

TDI .

Silnik Audi 100

TDI jest pięciocylindrowym silnikiem o zapłonie samoczynnym,

bezpośrednim wtrysku paliwa, o pojemności 2,5 l, turbodoładowanym, osiągającym
moc 88 kW. Firma uważa, że produkt ten jest silnikiem drugiej generacji.

System spalania przesądza o osiągach silnika i jakości spalin. Rozwój każdego

systemu spalania dotyczy przede wszystkim optymalizacji tworzenia mieszanki.
Wpływ na powstawanie mieszanki ma kanał wlotowy doprowadzający powietrze do
cylindra, usytuowanie komory spalania w tłoku i charakterystyka wtrysku paliwa.

Kanał wlotowy określa wraz z komorą spalania charakter zawirowania ładunku, a

w konsekwencji tego rozkład paliwa podczas jego wtrysku do komory spalania.
Intensywność zawirowania ładunku powinna być dobierana indywidualnie do
każdego wariantu komory spalania.

Zarówno zbyt duży, jak i zbyt mały stopień zawirowania ładunku powoduje

powstanie lokalnych obszarów przebogaconych w paliwo, a w związku z tym wzrost
emisji składników toksycznych, przede wszystkim dymu.

W czasie intensywnych badań kanału wlotowego dąży się do nadania mu takiego

kształtu, aby zapewniał:

•

uzyskanie optymalnego zawirowania ładunku, jako kompromisowego

rozwiązania między najkorzystniejszymi wartościami momentu obrotowego,
mocy i emisji składników toksycznych, przy zachowaniu możliwie korzystnego
jednostkowego zużycia paliwa;

•

wysoki stopień napełnienia cylindra w powietrze także przy bardzo dużych

prędkościach obrotowych;

•

niewielki wpływ tolerancji kształtu i położenia na rozrzut wartości prędkości

zawirowania ładunku i objętościowego natężenia przepływu;

•

utrzymanie wymiarów konstrukcyjnych wewnątrz pola przewidzianych

tolerancji przez zastosowanie odpowiedniej technologii wykonania w produkcji
seryjnej.

W tworzeniu zawirowań oprócz kanału wlotowego uczestniczy również cały układ

dolotowy. Tak więc optymalizacji poddaje się: kolektor dolotowy, kąt stożka
zaworu, parametry przepływu przez zawór wraz z geometrią gniazda
zaworowego.

W przypadku silnika z wtryskiem bezpośrednim istotny wpływ na uzyskanie

optymalnej relacji między mocą silnika a małą toksycznością spalin ma optymalne
ukształtowanie komory spalania.

Szczególnie ważne jest zmniejszenie do minimum przestrzeni szkodliwej między

tłokiem a ściankami głowicy w chwili ustawienia się tłoka w górnym martwym
położeniu (GMP). Na wielkość tej szczeliny mają wpływ: odległość między tłokiem a
głowicą, skok zaworów i korona tłoka.

Minimalizacja szczeliny odbywa się przez zawężenie tolerancji wykonawczych i

stosowanie uszczelek pod głowicę o różnych grubościach. Najczęściej stosowanym
rozwiązaniem w minimalizacji szczelin między tłokiem a grzybkami zaworów jest
stosowanie kombinacji niewielkiego wystawania zaworów z głowicy cylindrowej i
"okularów" w tłokach.

Koronę tłoka należy maksymalnie zredukować, w taki jednak sposób, aby w

każdych warunkach pracy silnika zapewniała poprawne funkcjonowanie pierścieni
tłokowych.

Zmniejszenie do minimum szkodliwej objętości nad tłokiem spowoduje, przy

danym stopniu sprężania, uzyskanie największej możliwej objętości komory
spalania, co zapewni w procesie spalania udział jak największej ilości powietrza.

Optymalną w projektowanym silniku

geometrię komory spalania uzyskuje się

wprowadzając w badaniach laboratoryjnych wiele udoskonaleń częściowych.

Zwykle zmianom podczas badań poddaje się następujące elementy: średnicę i

głębokość komory spalania, jej kształt, kąt denka komory spalania oraz wzajemne
położenie komory spalania i wtryskiwacza. Ze względu na wymagania dotyczące
trwałości tłoka, krawędź komory spalania zwykle zaokrągla się (zapobieganie
pęknięciom), choć jest to niekorzystne z punktu widzenia osiągów silnika.

Wtryskiwacz należy usytuować tak, aby uzyskać możliwie środkowe i pionowe

położenie rozpylacza względem komory spalania, czego zwykle nie udaje się
zrealizować ze względów konstrukcyjnych.

Położenie świecy żarowej względem rozpylacza należy wybierać tak, aby

zapewnić pewny rozruch w obniżonych temperaturach (zimny start) przy
minimalnym zakłóceniu procesu spalania.

Dobór stopnia sprężania jest zwykle rozwiązaniem kompromisowym między

zużyciem paliwa, własnościami rozruchowymi w niskich temperaturach, osiągami
silnika i toksycznością spalin. W silniku Audi 100 TDI wybrano stopień sprężania
równy 20,5.

W celu uzyskania optymalnego przebiegu procesu tworzenia mieszanki należy

stosować wysokie ciśnienie wtrysku, aż do 90 MPa. W tym celu wykorzystuje się
pompowtryskiwacze, bądź też przystosowuje się do tego poziomu ciśnień istniejące
pompy rzędowe lub rozdzielaczowe.

Podczas rozwoju konstrukcji silnika Audi 100 TDI przystosowano do tego rodzaju

wtrysku wybraną według innych kryteriów pompę rozdzielaczową firmy Bosch.

W celu przygotowania pompy rozdzielaczowej do pracy przy wysokim ciśnieniu

wtrysku w silniku szybkoobrotowym należało wykonać następujący zakres prac:

• zastosowanie wzmocnionego układu napędowego pompy,

• zwiększenie prędkości ruchu tłoczka przez optymalizację zarysu krzywki
napędowej,

• przystosowanie pompy do pracy przy zwiększonej prędkości obrotowej silnika,

• zastosowanie równoprężnego zaworu redukcyjnego zapewniającego stabilną i
powtarzalną charakterystykę układu hydraulicznego.

Oprócz modernizacji pompy należy również wprowadzić wiele zmian w

konstrukcji rozpylaczy. W szczególności należy poddać optymalizacji następujące
elementy i parametry wtryskiwaczy:
• średnicę otworków rozpylacza,
• zasięg, rozkład i kształt strug paliwa,
• prędkość ruchu igły wtryskiwacza,
• ciśnienie otwarcia.

Przy zastosowaniu standardowych wtryskiwaczy prawdopodobnie trudno będzie

spełnić normy dotyczące emisji hałasu.

Najlepszym sposobem zmniejszenia hałasu powodowanego tzw. twardym

spalaniem jest zastosowanie

przedwtrysku paliwa.

Przedwtrysk paliwa polega na wtryśnięciu niewielkiej ilości paliwa przed

podaniem dawki podstawowej w celu zapoczątkowania reakcji chemicznych, aby
podczas wtryskiwania dawki podstawowej skrócić zwłokę samozapłonu i przez to
zmniejszyć gradient narastania ciśnienia spalania w cylindrze. Znane są różne
techniczne sposoby realizacji przedwtrysku paliwa. Sposoby te polegają na
stosowaniu dwu oddzielnych układów wtryskowych, tzw.

układu z mijającym

tłoczkiem bądź też układu z podwójną sprężyną.

W silniku Audi 100 TDI zastosowano wtryskiwacz z podwójną sprężyną (rys. 9),

który wprowadzono do produkcji seryjnej. Na początku wtrysku paliwa igła
rozpylacza podnosi się o zaledwie kilka setnych milimetra, pokonując opór pierwszej
sprężyny, aby wreszcie oprzeć się na ograniczniku drugiej sprężyny.

W tym okresie zostaje wtryśnięta jedynie niewielka dawka paliwa.
W kolejnym etapie następuje pokonanie oporu drugiej sprężyny i pełne otwarcie

przekroju rozpylacza. W następstwie tego otwarcia zostaje wtryśnięta podstawowa
dawka paliwa.

Wskutek zastosowania dwustopniowego wtrysku paliwa przebieg spalania jest

znacznie bardziej miękki i przez to następuje odpowiednie zmniejszenie hałasu
wywoływanego spalaniem. Efekt ten jest szczególnie widoczny podczas pracy
silnika przy małych obciążeniach i prędkościach obrotowych.

Rys. 9. Wtryskiwacz z podwójną sprężyną: 1 - obsada, 2 - tulejka oporowa, 3 - gniazdo sprężyny,
4 - sprężyna, 5 - podkładka, 6 - tarczka prowadząca, 7 - trzpień naciskowy, 8 - sprężyna, 9 -
podkładka, 10 - płytka pośrednicząca, 11 - nakrętka zamocowująca rozpylacza, 12 – igła
rozpylacza

Skuteczność przedwtrysku paliwa maleje wraz ze wzrostem prędkości obrotowej

silnika, przy czym w obszarze prędkości znamionowych jest pomijalnie mała.

Oprócz tego w silniku turbodoładowanym z bezpośrednim wtryskiem paliwa nie

występują zagadnienia dotyczące nadmiernej emisji hałasu w górnym przedziale
prędkości obrotowej, bowiem wskutek doładowania obserwuje się z założenia
mniejsze szybkości narastania ciśnienia w cylindrze.

Zastosowanie wtryskiwacza z podwójną sprężyną nie zmienia osiągów silnika,

natomiast ma pewien wpływ na toksyczność spalin: zmniejsza o ok. 15% zawartość
węglowodorów HC i tlenków azotu NOx oraz zwiększa do 10% zawartość cząstek
stałych.

Zastosowanie turbosprężarki powoduje zwiększenie masy powietrza

przepływającego przez silnik i polepszenie jego osiągów.

Przy doborze turbosprężarki należy uzyskać optymalne relacje pomiędzy

momentem obrotowym i charakterystyką stanów nieustalonych przy małej prędkości
obrotowej oraz maksymalną mocą i minimalnym jednostkowym zużyciem paliwa.

Czynnikiem ograniczającym wartość ciśnienia doładowania jest ciśnienie spalania w

cylindrze. Opierając się na dotychczasowych doświadczeniach przyjmuje się, że
ciśnienie nie powinno przekraczać 13 MPa.

Zainstalowanie w układzie doładowującym chłodnicy międzystopniowej powietrza

również przyczynia się do wzrostu masy powietrza przepływającego przez silnik i
zmniejszenia jego temperatury, co znakomicie powiększa osiągi silnika i zmniejsza
zawartość niektórych składników toksycznych w spalinach.

Najbardziej efektywną i polecaną do zastosowania jest

chłodnica typu

powietrze-powietrze.

Dalszy wzrost osiągów silnika uzyskuje się przez optymalizację warunków jego

pracy za pomocą elektronicznie sterowanego systemu wtrysku paliwa.

Precyzyjne sterowanie początkiem wtrysku paliwa i odmierzanie wartości jego

dawki jest ważne zarówno z punktu widzenia osiągów silnika i toksyczności spalin,
jak również ze względu na inne wymagania odnoszące się do głośności pracy,
zrywności, zachowań silnika w różnych stanach termicznych itd.

Schemat współdziałania elementów elektronicznego regulatora silnika o zapłonie

samoczynnym, zastosowanego w silniku Audi 100 TDI, przedstawiono na rys. 10.

Sygnały wejściowe, jako wielkości regulowane, są doprowadzane do regulatora z

następujących czujników: położenia pedału przyśpieszenia, prędkości obrotowej
silnika i znaczników odniesienia, początku wtrysku paliwa, temperatury powietrza,
czynnika chłodzącego i paliwa, ciśnienia doładowania i otoczenia, pozostałych
mierzonych parametrów.

Rys. 10. Elementy układu sterowania elektronicznego pracą silnika o zapłonie samoczynnym

Sygnały wyjściowe z czujników podlegają umiejscowieniu i obróbce w polu

charakterystyk lub względem odpowiednich krzywych, których wzorce znajdują się
w pamięci operacyjnej regulatora.

Wielkościami wyjściowymi są sygnały sterujące dla następujących urządzeń

wykonawczych:
• nastawnika początku wtrysku,
• nastawnika wartości dawki,
• sterowanego impulsowo zaworu doładowania,
• układu sterowania świecą żarową.

Dopasowanie początku wtrysku do wymagań silnika stanowi podstawowy

warunek prawidłowego procesu tworzenia mieszanki w każdym etapie pracy silnika.
Określony w czasie punkt początku wtrysku ma istotny wpływ na toksyczność
spalin, zużycie paliwa, charakterystykę momentu obrotowego, własności
rozruchowe oraz hałas związany z procesem spalania.

Do regulacji dawki jednostkowej zastosowano nastawnik z ruchomym

magnesem w elektronicznie sterowanej pompie rozdzielaczowej.

W pamięci układu sterowania zapisano niezbędne dla pętli:
• regulacji dawki charakterystyk wtrysku w fazie rozruchu,
• biegu jałowego,
• pełnego obciążenia, a także
• charakterystykę wartości dawki w funkcji ruchu pedału przyśpieszenia,
• ograniczenia wynikające z zadymienia spalin oraz
• charakterystykę pompy wtryskowej.

Potencjometr w nastawniku generuje sygnał sprzężenia zwrotnego.

Silnik Audi 100 TDI bez instalowania dodatkowych układów spełnia warunki normy
europejskiej na toksyczność spalin No 88/436 - EWG. Po wyposażeniu go w
dodatkowe układy recyrkulacji spalin, dieslowski dopalacz katalityczny i czujnik
przepływu powietrza, spełnia on warunki najostrzejszych wymagań zawartych w
normach na toksyczność spalin.

W innych silnikach, w których nie udało się opanować powstawania nadmiernej ilości

cząstek stałych zaleca się stosować filtr do ich wychwytywania. Filtr
wysokotemperaturowy, nazywany również

pułapką na cząstki stałe albo filtr

cząstek stałych (DPF), skutecznie usuwa te cząstki ze spalin. Po zebraniu
odpowiedniej ilości osadów są one co jakiś czas utleniane.

Rozwiązanie to z pewnymi oporami jest wprowadzane do praktyki, ponieważ ma

następujące wady:

•

filtr przyczynia się do wzrostu ciśnienia w układzie wydechowym,

•

ciśnienie w układzie wydechowym syste-matycznie narasta w miarę przyrostu

ilości cząstek,

•

w normalnych warunkach pracy silnika filtr nie jest w stanie oczyścić się

samoczynnie,

•

w przypadku zapłonu cząstek proces ich spalania musi być kontrolowany w celu

uniknięcia zniszczenia filtru wskutek jego przepalenia.

Uruchomiono produkcję filtrów do silników napędzających samochody lekkie. W

przypadku silników dużej mocy, do samochodów ciężarowych, problem jest
bardziej złożony ze względu na znacznie większą emisję cząstek stałych i niższą
temperaturę spalin.

Filtry są wykonywane w różny sposób, a więc jako wkłady ceramiczne, jako pakiety

uformowane z siatki metalowej pokrytej tlenkiem glinowym, jako pakiety z pianki
ceramicznej, jako układy w kształcie porowatej rury pokrytej włókniną z włókna
szklanego itp.

Każde z tych rozwiązań charakteryzuje się innym spadkiem ciśnienia i inną

sprawnością wychwytywania cząstek.

Regeneracja filtru polega na spaleniu odfiltrowanej zawartości przez podwyższenie

temperatury do poziomu punktu zapłonu, zapewnieniu odpowiedniej ilości tlenu i
odprowadzeniu wywiązującego się ciepła.

Cząstki zatrzymane w filtrze zapalają się w temperaturze między 500 -- 600°C.

Ponieważ temperatura spalin opuszczających silnik jest niższa, więc w celu spalenia
cząstek należy albo podwyższyć temperaturę spalin (dodatkowo doprowadzić ciepło),
albo obniżyć temperaturę zapłonu przez wprowadzenie katalizatora.

Pokrycie ścianek filtra katalizatorem obniża temperaturę zapłonu o ok. 200°C.

Filtr ceramiczny z komorą dzieloną, zamontowany na wylocie doładowanego silnika
o zapłonie samoczynnym, przedstawiono na rys. 11.

Rys. 11. Filtr ceramiczny do zatrzymywania cząstek stałych zamontowany na wylocie z
doładowanego silnika o zapłonie samoczynnym