Slajd 1

Liczba oktanowa

jest to liczba określająca jakość paliwa silnikowego

do silników z zapłonem iskrowym. Parametr ten

określa odporność mieszanki paliwowo-powietrznej

na samozapłon

Nowoczesne silniki o dużym stopniu

sprężania wymagają paliwa o wysokiej liczbie
oktanowej. Podwyższenie liczby oktanowej w
paliwie można osiągać dwoma sposobami:

 przez

zastosowanie

odpowiedniego

procesu

obróbki

petrochemicznej

paliwa

jego

komponowanie

odpowiednich

frakcji

uzyskiwanych z destylacji ropy naftowej,

 przez

stosowanie

odpowiednich

dodatków

chemicznych do paliwa, z których najtańszym jest
cztero-etylek ołowiu

Związki ołowiu

• Oto wspaniałe pojazdy dla mas, które w latach minionych

zatruwały nam środowisko związkami ołowiu.

• W tamtych czasach celem podniesienia tzw. liczby oktanowej

benzyn w całej Europie (nie tylko w PRL) dodawano do benzyn

cztero-etylek ołowiu, a

spaliny emitowały ołów

(Pb).

• Taką benzynę nazywano w Polsce Etyliną.

• Całe szczęście produkcja i używanie tego rodzaju paliw jest

już zabronione!

• Z tego względu usuwaniem związków ołowiu ze spalin nie

musimy się już zajmować!

Podstawowy podział silników

samochodowych

• Silniki niskoprężne w tych silnikach stopień

sprężania mieszanki mieści się w granicach

6,5-11. Zapłon mieszanki jest inicjowany iskrą,

stąd też nazwa: silniki o zapłonie iskrowym ZI

(

Silniki benzynowe

• Silniki wysokoprężne stopień sprężania w

granicach 14-22. Zapłon mieszanki jest

samoczynny więc stosuje się też nazwę: silniki o

zapłonie samoczynnym ZS (

Silniki Diesla lub

Dieslowskie

• TEN PODZIAŁ JEST RÓWNIEŻ ISTOTNY POD

WZGLĘDEM STOSOWANYCH UKŁADÓW

OCZYSZCZANIA SPALIN!

Co mogą zawierać spaliny obu

typów silników?

Gazy spalinowe mogą zawierać:

 nie

spalone

paliwo

(węglowodory

alifatyczne i aromatyczne),

 produkty niepełnego spalania (głównie

tlenek węgla, ale także czasem aldehydy i

sadzę),

 produkty ubocznych reakcji (głównie

powstające w wysokich temperaturach

tlenki azotu, lecz również sadzę),

 produkty spalania szkodliwych składników

paliwa (dwutlenek siarki).

Emisja silników niskoprężnych

stosujących paliwa

bezołowiowe

Normy dla silników niskoprężnych

określają dopuszczalną zawartość

następujących związków w gazach

wydechowych:

 węglowodory  (HC od ang. hydrocarbons)
 tlenek węgla  (CO)
 tlenki azotu  (NO

)

Usuwanie tych związków ze spalin polega

na ich konwersji do związków mniej

groźnych (jak np. CO

) lub obojętnych (jak

lub H

O) dla środowiska. Niestety taka

konwersja intensywnie przebiegać może

tylko na katalizatorze.

USUWANIE PRODUKTÓW

NIEPEŁNEGO SPALANIA

Reakcje utleniania

+ (m + n/4) O

 mCO

+ n/2 H

O (1)

2 CO + O

 2 CO

(2)

powietrze powietrze

HC,CO

silnik

oczyszczone spaliny

spaliny

Schemat reaktora samochodowego z katalizatorem reakcji utleniania

(rozwiązania najstarsze)

•

Reaktor utleniający wymaga

dużego nadmiaru tlenu (z

powietrza)

USUWANIE TLENKÓW AZOTU

(termicznych)

Reakcje redukcji NO
• Reduktorami są: tlenek węgla (CO)
oraz węglowodory (H

) będące

produktami niepełnego spalenia w silniku.

Reakcje redukcji:

2 NO + 2 CO  N

+ 2 CO

2(m+n/4) NO+H

(m+n/4) N

+n/2 H

O+ m

Pojazdów z silnikiem niskoprężnym (ZI), w
których usuwa się (redukuje) NO

, natomiast

nie spala się CO i HC nie spotyka się w
praktycznych rozwiązaniach

UKŁAD 2 REAKTORÓW:

REDUKUJĄCY i UTLENIAJĄCY

• Reaktor redukujący NO

dobrze pracuje przy

niewielkim nadmiarze tlenu (lub w warunkach

beztlenowych),

natomiast reaktor utleniający

wymaga dużego nadmiaru tlenu!

powietrze powietrze

silnik

oczyszczone spaliny

spaliny

HC,CO

Schemat oczyszczania gazów wydechowych silnika spalinowego z

dwoma reaktorami.

Czy można by utleniać CO i HC

oraz redukować NO

we wspólnym

reaktorze?

• W

zasadzie do utleniania stosuje się inne

substancje aktywne katalizatora niż do

redukcji, ale sporządzenie katalizatora

nadającego

się

obu

operacji

jednostkowych w zasadzie nie stanowi

problemu!

• Problemem jest natomiast to, że

utlenianie

wymaga

dużego

nadmiaru

tlenu,

zaś

redukcja

potrzebuje warunków beztlenowych.

Jak wygląda stopień przemiany (konwersja)

reakcji utleniania i redukcji w funkcji

współczynnika nadmiaru tlenu w spalinach?

• Współczynnik  to

stosunek zawartości

tlenu w mieszaninie

paliwa z powietrzem

do tej ilości, która

potrzebna jest do

pełnego spalenia

paliwa (czyli ilości

stechiometrycznej w

stosunku do

wszystkich palnych

składników paliwa).

Mówiąc prościej,  =

1 wówczas, gdy w

mieszaninie

paliwowo

powietrznej jest

akurat tyle tlenu ile

potrzeba do pełnego
spalenia paliwa.

Dla wąskiego zakresu współczynnika 

wokół punktu, w którym =1 w reaktorze

istnieje
wysoka konwersja zarówno utleniania jak i
redukcji

Co więc należało zrobić?

• Należało zapewnić taki reżym pracy reaktora,

aby wlocie silnika stale utrzymywać, z dużą

dokładnością zasilanie mieszanką „paliwo –

powietrze” o współczynniku  = 1

• Z pomocą przyszła elektronika i nowoczesne

urządzenia pomiarowe instalowane w

pojazdach.

• Tzw. „

sonda lambda

” to właśnie miernik

współczynnika nadmiaru tlenu połączony z

elektronicznym systemem dozowania

powietrza i paliwa do silnika. Zapewnia on

spełnienie warunku  = 1 i prawidłową pracę

reaktora utleniająco - redukującego

Reaktor wielofunkcyjny

(utleniająco-redukujący)

• Odpowiednio precyzyjna regulacja ilości paliwa jest możliwa w

silnikach z wtryskiem paliwa. Z tego względu reaktory

wielofunkcyjne stosowane są w zasadzie tylko w takich silnikach.

x ,

HC,CO

powietrze powietrze

silnik

oczyszczone spaliny

spaliny

Schemat oczyszczania spalin samochodowych z reaktorem

wielofunkcyjnym.



„sonda lambda”

Wygląd samochodowych

monolitów metalowych i

ceramicznych

• Monolity ceramiczne

najczęściej wykonywane
są z korderierytu
(2MgO  Al

 5SiO

Materiały aktywne stosowane w

reaktorach samochodowych



Trudne

warunki

pracy

katalizatorów

samochodowych

powodują, że najlepsze rezultaty uzyskuje się stosując metale

szlachetne – przede wszystkim platynę (Pt) i pallad (Pd) do

utleniania.



Jako katalizator do redukcji NO

chętnie stosowany jest rod

(Rh).



Stop Pt/Rh będzie korzystny w reaktorach wielofunkcyjnych.



Katalizatory tlenkowe wykazują w tych warunkach zbyt małą

trwałość.



Platyna w cienkiej warstwie pokrywającej monolit jest bardzo

rozproszona, tym samym jej ilości są bardzo małe. Do jednego

wsadu katalizatora samochodowego stosuje się ok.

2 g czystej platyny.



Żywotność katalizatora starcza na ok. 80 000 km przebiegu.



Czynnikiem zatruwającym katalizator są nawet małe

zawartości SO

oraz ołowiu. Tak więc o zasilaniu silnika

paliwem zasiarczonym, czy etylizowanym nie może być mowy

w przypadku kiedy samochód jest wyposażony w katalizator.

Emisja silników niskoprężnych (benzynowych)

i wysokoprężnych (Diesla)

Cząstki

stałe

(DPM)

ppm vol

g/m

ppm vol

Nisko-

prężny

5000 -

8000

300-350

ślady 900-1500 ślady

Wysoko-

prężny

5-1500

(490)

20-400

(30)

0.1-0.25

do 2500

(1135)

10-150

(30)

(dla silnika wysokoprężnego w nawiasach podano wartości przeciętne)

W Dieslu jest

znacznie mniej

A także HC

Natmiast

pojawiają się

cząstki stałe

(sadza)

i więcej jest NO

A także
może
pojawić
się SO

Oczyszczanie spalin silników

wysokoprężnych

• Najstarsze w silnikach wysokoprężnych są układy do

usuwania cząstek stałych (sadzy).

• Dla ograniczenia emisji cząstek stałych (głównie

sadzy) w silnikach wysokoprężnych stosuje się filtry

ceramiczne i metalowe.

• W filtrach nieaktywnych (pasywnych) zatrzymywane

są tylko cząstki stałe, które gromadząc się w nich po

jakimś czasie doprowadziłyby do zaczopowania

filtra. Z tego względu trzeba je okresowo

regenerować (wypalać osady).

Filtry gazów wydechowych

stosowane w silnikach

wysokoprężnych

• osady w takim filtrze to przede wszystkim sadza i węglowodory,

które mogą być spalane na bieżąco. Stosuje się więc filtry z

katalitycznym wypalaniem sadzy i węglowodorów. Katalizator

obniża temperaturę wypalania sadzy z 600 do 350

• Katalizator jest okresowo wtryskiwany do filtra, bądź stanowi on

dodatek do paliwa.

a) ceramiczny b) stalowy

Regeneracja filtrów pasywnych

następuje automatycznie co ok. 20 min.

w czasie jazdy.

• Polega ona zwykle na podgrzaniu spalin przed filtrem do

temp. ok. 700

C celem wypalenia osadów. Zapewnia się to

przez zapalenie specjalnego palnika przed filtrem. Trzeba

zaznaczyć, że układ taki musi posiadać specjalne układy

sterowania włączaniem i wyłączaniem palnika.

Regeneracja filtrów

katalitycznych do usuwania

sadzy

• W filtrach z katalitycznym wypalaniem osadu

często stosuje się również regenerację okresową.

• Porowata powierzchnia ceramiki filtru pokryta

jest cienką warstwą tlenku miedzi. Przy

najbliższym zatrzymaniu silnika w temperaturze

150 – 160

C jest na nią wtryskiwana substancja

uaktywniająca (aktywator).

• Po ponownym uruchomieniu silnika następuje

regeneracja filtra w ciągu 1 minuty od

osiągnięcia przez spaliny temperatury 250

• Regeneracja może również następować w czasie

pracy silnika, ale jej efekty są nieco gorsze.

Problem HC i CO w silnikach

wysokoprężnych

• Udział węglowodorów i tlenku węgla, przy stosowaniu

tzw. „ubogiego paliwa” (o dużym nadmiarze powietrza)

może spełniać normy ekologiczne bez jakiegokolwiek

katalitycznego oczyszczania, jeśli utrzymana będzie w

ten sposób emisja w pobliżu dolnych wartości z Tabeli

Cząstki

stałe

(DPM)

ppm vol

g/m

ppm vol

Nisko-

prężny

5000 -

8000

300-350

ślady 900-1500 ślady

Wysoko-

prężny

5-1500

(490)

20-400

(30)

0.1-0.25

do 2500

(1135)

10-150

(30)

Reaktor utleniający nie jest więc konieczny!

Usuwanie NO

w silnikach

wysokoprężnych

Problem NO

jest w silnikach wysokoprężnych

problemem szczególnym

problemem szczególnym. Ograniczać go
można stosując bogatsze paliwo (o mniejszym
nadmiarze

powietrza),

lecz

wówczas

natychmiast rośnie emisja węglowodorów i
CO.

Wówczas

trzeba

stosować

reaktor

utleniający, który nie był potrzebny przy
mieszance ubogiej (bogatej w tlen)!

• W silnikach Diesla oczyszczanie spalin

tylko

przez

stosowanie

reaktorów

katalitycznych okazało się niemożliwe,

sięgnięto

zmian

konstrukcji

samego silnika spalinowego

• Obecnie ograniczenie emisji tlenków

azotu, a także cząstek stałych osiąga się

przez zmiany konstrukcyjne samego

silnika i jego układów zasilania.

• Te zmiany zakończyły się sukcesem.

Silnik wysokoprężny uważany przez lata

za nie ekologicznego „smierdziucha”

stał się wzorem czystości spalin.

Ilość NO

można ograniczać stosując bogatszą mieszankę

(o mniejszym nadmiarze powietrza) ale wówczas silnie rośnie emisja

HC i CO !!!

Zmiany w konstrukcji silnika

wysokoprężnego i jego zasilania

uzyskuje się przez:



Wywoływanie

ciągłych,

kontrolowanych

zawirowań

mieszanki paliwowo powietrznej w komorze spalania

poprzez odpowiedni kształt tłoka (np. przez wgłębienie w

górnej części tłoka, co umożliwia pełne spalanie mieszanki)

Zmiany w konstrukcji silnika

wysokoprężnego i jego zasilania

uzyskuje się przez:

 Zastosowanie

turbosprężarek

powodujących

nawrót części spalin (recyrkulację spalin poprzez

chłodnicę zwaną: EGR od ang. Exhaust Gas

Recirculation), co pozwala obniżyć temperatury w

silniku i w konsekwencji ograniczyć emisję NO

Układy oczyszczania spalin w

silnikach wysokoprężnych są nadal w

stałym rozwoju.

•

Stosowanie

bogatszych

mieszanek

paliwowych

powoduje w krajach o wyśrubowanych normach ochrony

środowiska

powoduje

konieczność

stosowania

katalitycznego utleniania HC i CO również w silnikach

wysokoprężnych.

•

Układ taki stanowi wówczas szeregowe połączenie filtra

pasywnego i katalitycznego reaktora do dopalania HC i

CO. Filtr pasywny może posiadać okresowy wtrysk

paliwa do podniesienia jego temperatury, celem

wypalania osadów sadzy.

•

Stosowanie układów EGR nie zawsze wystarcza, aby

dziś, przy wyśrubowanych normach ekologicznych

uzyskać emisję NO

zgodną z normami. Wówczas

szeregowo po reaktorze utleniającym stosuje się w

silnikach wysokoprężnych reaktor SCR do redukcji

tlenków azotu.

Document Outline