OCHRONA ATMOSFERY

Wykład 12

Dr hab. inż. Krzysztof GOSIEWSKI

Profesor AJD

Oczyszczanie spalin

samochodowych

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

i

jego

komponowanie

z

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

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

x

)

Usuwanie tych związków ze spalin polega

na ich konwersji do związków mniej

groźnych (jak np. CO

2

) lub obojętnych (jak

N

2

lub H

2

O) dla środowiska. Niestety taka

konwersja intensywnie przebiegać może

tylko na katalizatorze.

USUWANIE PRODUKTÓW

NIEPEŁNEGO SPALANIA

Reakcje utleniania

H

n

C

m

+ (m + n/4) O

2

 mCO

2

+ n/2 H

2

O (1)

2 CO + O

2

 2 CO

2

(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

NO

x

(termicznych)

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

m

C

n

) będące

produktami niepełnego spalenia w silniku.

Reakcje redukcji:

2 NO + 2 CO  N

2

+ 2 CO

2

2(m+n/4) NO+H

m

C

n

(m+n/4) N

2

+n/2 H

2

O+ m

CO

2

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

x

, natomiast

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

UKŁAD 2 REAKTORÓW:

REDUKUJĄCY i UTLENIAJĄCY

• Reaktor redukujący NO

x

dobrze pracuje przy

niewielkim nadmiarze tlenu (lub w warunkach

beztlenowych),

natomiast reaktor utleniający

wymaga dużego nadmiaru tlenu!

powietrze powietrze

silnik

oczyszczone spaliny

spaliny

NO

x

HC,CO

Schemat oczyszczania gazów wydechowych silnika spalinowego z

dwoma reaktorami.

Czy można by utleniać CO i HC

oraz redukować NO

x

we wspólnym

reaktorze?

• W

zasadzie do utleniania stosuje się inne

substancje aktywne katalizatora niż do

redukcji, ale sporządzenie katalizatora

nadającego

się

do

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.

NO

x

HC

CO

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.

NO

x ,

HC,CO

powietrze powietrze

silnik

oczyszczone spaliny

spaliny

Schemat oczyszczania spalin samochodowych z reaktorem

wielofunkcyjnym.



„sonda lambda”

Fizyczne własności typowych ceramicznych i

metalowych monolitów używanych w

pojazdach samochodowych

•

W reaktorach silników samochodowych obecnie stosuje się

wyłącznie katalizatory na strukturalnym wkładzie monolitycznym

Wygląd samochodowych

monolitów metalowych i

ceramicznych

• Monolity ceramiczne

najczęściej wykonywane
są z korderierytu
(2MgO  Al

2

O

3

 5SiO

2

).

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

x

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

2

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)

CO

HC

Cząstki

stałe

(DPM)

NO

x

SO

2

R

od

za

j

si

ln

ik

a

ppm vol

ppm vol

g/m

3

ppm vol

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

CO

A także HC

Natmiast

pojawiają się

cząstki stałe

(sadza)

i więcej jest NO

x

A także
może
pojawić
się SO

2

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

o

C.

• 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

o

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

o

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

o

C.

• 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

CO

HC

Cząstki

stałe

(DPM)

NO

x

SO

2

R

od

za

j

si

ln

ik

a

ppm vol

ppm vol

g/m

3

ppm vol

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

x

w silnikach

wysokoprężnych

Problem NO

x

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

do

zmian

w

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

x

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)

 Zasilanie w systemie wspólnej szyny (common

rail), pozwalające na stosowanie ciśnień na

wylocie wtryskiwaczy dochodzących do 180

MPa (czyli ok. 1800 atm)

Zmiany w konstrukcji silnika

wysokoprężnego i jego zasilania

uzyskuje się przez:

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

x

.

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

x

zgodną z normami. Wówczas

szeregowo po reaktorze utleniającym stosuje się w

silnikach wysokoprężnych reaktor SCR do redukcji

tlenków azotu.