PORÓWNANIE SYSTEMÓW OCZYSZCZANIA SPALIN STOSOWANYCH W SILNIKACH NISKO I WYSOKOPRĘŻNYCH

Szymon Milewski TRIL gr. 1

SILNIKI NISKOPRĘŻNE

Aby sprostać obecnym obostrzeniom dotyczącym emisji substancji szkodliwych przez silniki niskoprężne producenci stosują układy oczyszczania spalin. W ciągu kilku ostatnich lat najszerzej stosowany był system z trójfunkcyjnym reaktorem katalitycznym TWC (Three Way Catalyst) połączony z sondą lambda (rysunek poniżej).

Reaktor tego typu neutralizuje podstawowe toksyczne składniki spalin czyli tlenek węgla, związki węglowodorowe i tlenki azotu.

Działanie reaktora trójfunkcyjnego polega na jednoczesnym redukowaniu NO_x oraz utlenianiu CO i HC przy wykorzystaniu precyzyjnego kontrolowania stosunku powietrza do paliwa. Potrzeba takiej kontroli wymusza stosowanie elektronicznego wtrysku paliwa oraz układu regulującego skład mieszanki za pomocą danych zbieranych przez sondę lambda. Sonda lambda odczytuje bezpośrednio przed reaktorem, metodą elektrochemiczną na podstawie ilości tlenu w spalinach, skład mieszanki paliwowej. Maksymalna (ponad 90%) skuteczność TWC jest osiągana w pobliżu stechiometrycznej wartości stosunku powietrze/paliwo przy stosunkowo niskiej sprawności pracy silnika.

W celu sprostania przyszłościowym normom emisji związków szkodliwych w silnikach niskoprężnych konieczne będzie stosowanie układów katalitycznych składających się z dwóch lub trzech reaktorów katalitycznych. Pierwszy reaktor takiego układu jest to najczęściej reaktor TWC o małej pojemności cieplnej, jego zadaniem jest zmniejszenie emisji przy rozruchu silnika zimnego, następnie spaliny przepływają przez układ katalityczny zbudowany z dwóch lub trzech nośników katalitycznych umieszczonych w tej samej obudowie, w których skład wchodzą część utleniająca oraz reaktor DeNOx. System taki został zastosowany między innymi w silnikach typu GDI (rysunek poniżej), na przykład w modelu Cee'd 1,6 GDI marki Kia.

Zmniejszenie emisji tlenków azotu można również uzyskać przez zmniejszenie temperatury spalania, czego dokonuje się stosując układ recyrkulacji spalin EGR. Wprowadzenie części spalin z powrotem do cylindra zmniejsza ilość tlenu w komorze spalania, a więc ogranicza również ilość paliwa jaka może zostać spalona. W wyniku tego w cylindrze wydziela się mniejsza ilość ciepła, a w konsekwencji obniżeniu ulega emisja tlenków azotu. Aby jeszcze bardziej obniżyć temperaturę wydzielaną w komorze spalania stosuje się chłodnice dostarczanych do cylindrów spalin. Taki system oczyszczania spalin zastosowano na przykład w samochodach FORD Focus Mk2. Schemat systemu EGR znajdziemy na rysunku poniżej.

Głównym problemem podczas obniżania wydzielania szkodliwych związków w silnikach niskoprężnych jest okres rozruchu i rozgrzewania się silnika. Zachodzi wówczas najwięcej niekorzystnych zjawisk powiązanych z niestabilnością procesu spalania (np. nieprawidłowe wytwarzanie mieszanki paliwowo-powietrznej, zjawisko wypadania zapłonów, chłodzący wpływ ścianek komory spalania itp.) oraz małą skutecznością lub zupełnym brakiem działania urządzeń oczyszczających spaliny. Rozwiązanie tego problemu wymusza zastosowanie nowocześniejszych technologii takich jak np. hermetyzacja i podgrzewanie komory silnika przed rozruchem, oddzielne układy chłodzenia głowicy i kadłuba silnika, rozruchowe reaktory katalityczne itp.

Zmniejszeniu emisji substancji toksycznych podczas rozruchu silnika sprzyja rozrusznik o dużej mocy zintegrowany z alternatorem – ISAD (Integrated Starter Alternator Dumper). Zapewnia on szybki i pewny rozruch silnika. Urządzenie to wspomaga również silnik spalinowy podczas wysokiego zapotrzebowania na moc (ruszanie z miejsca, pokonywanie wzniesień, przyspieszanie) umożliwiając zastosowanie w pojeździe silnika spalinowego mniejszej mocy.

SILNIKI WYSOKOPRĘŻNE

Wymagania odnośnie zużycia paliwa i emisji dwutlenku węgla wymusiły stosowanie silnika wysokoprężnego o wtrysku bezpośrednim, jako najbardziej sprawnego źródła napędu. Dotyczy to nie tylko maszyn użytkowych, ale również samochodów osobowych, gdzie silniki wysokoprężne o wtrysku pośrednim były do niedawna powszechnie spotykane.

Mając na celu obniżenia emisji tlenków azotu producenci silników dążą do opóźnienia momentu wtrysku paliwa. Uzyskuje się wówczas do zmniejszenie maksymalnego ciśnienia i temperatury w komorze spalania, a dzięki temu zmniejszenie emisji tlenków azotu. Wadą takiego rozwiązania jest jednak skrócony czas spalania, co podwyższa emisję węglowodorów i cząstek stałych, co powoduje konieczność polepszenia mieszania paliwa z powietrzem oraz zmniejszenia czasu opóźnienia samozapłonu i czasu spalania. Dokonuje sie tego poprzez odpowiednie ukształtowanie komory spalania lub podwyższenie ciśnienia wtryskiwanego paliwa. Badania silników wysokoprężnych ciężkich pojazdów wykazały, że wykorzystując zawirowania powietrza w cylindrze (komory wirowe), udaje się obniżyć stopień emisji cząstek stałych przy mniejszych ciśnieniach wtrysku, ale wzrasta wówczas emisja tlenków azotu. Ten sam poziom emisji cząstek stałych można uzyskać podnosząc ciśnienie wtrysku przy równoczesnym zmniejszeniu zawirowań, co nie powoduje wzrostu emisji tlenków azotu.

W silnikach wysokoprężnych istnieją dwa systemy oczyszczania spalin stosowane przez różnych producentów. Jest to opisany wcześniej system EGR (John Deere), oraz SCR (Selective Catalytic Reduction - selektywna redukcja katalityczna) - który to system stosuje w swych ciągnikach marka Fendt, oraz wiele innych.

EGR w jednostkach napędowych z zapłonem samoczynnym zasadniczo nie różni sie od jego odpowiedników na rynku samochodów osobowych - jego zasada działania pozostaje taka sama, natomiast system SCR, jest systemem bardziej skomplikowanym, wymagającym dodatkowych czynności obsługowych.

Selektywna redukcja katalityczna polega na redukcji szkodliwych tlenków azotu i przemianie na azot oraz parę wodną przy udziale czynnika AdBlue (roztwór mocznika) jako katalizatora. Elektroniczny system zarządzania silnikiem dozuje AdBlue do układu wydechowego. Tutaj mocznik zmienia się w amoniak i dwutlenek węgla, po czym w katalizatorze następuje reakcja amoniaku z tlenkiem azotu zawartym w spalinach. Zanim jednak spaliny zostaną wymieszane z mocznikiem przechodzą przez katalizator utleniający. Powstaje azot i para wodna. Schemat tego układu znajduje się poniżej

Istnieje wiele systemów oczyszczania spalin, zarówno w silnikach niskoprężnych, jak i wysokoprężnych. Wszystkie nowoczesne rozwiązania posiadają rozbudowane systemy elektroniczne zaangażowane w sterowanie i kontrolę pracy tych układów (czujniki, sterowniki itp.). Jednak moim zdaniem najbardziej rozbudowanym pod tym względem jest system SCR. Uogólniając systemy oczyszczania spalin w silnikach wysokoprężnych maszyn roboczych, takich jak ciągniki rolnicze jest bardzo często bardziej rozbudowany (SCR), ze względu na potrzebę zachowania niskiej emisji cząstek szkodliwych, przy jednoczesnym zachowaniu dużej sprawności silnika, co wymusza stosowanie coraz bardziej zaawansowanych technicznie rozwiązań systemów oczyszczania spalin.

Źródła:

http://www.samochodowka.koszalin.pl/warsztaty/dzialy/bielicki/obd/kierunki%20rozwoju.htm

http://warsztaty.samochodowka.internetdsl.pl/serwishdd/wykaz/katalizator/katalizator.htm

http://www.kia-motors.pl/modele/ceed/73-kiaceedpierwszajazda695

http://www.e-autonaprawa.pl/artykuly/1173/recyrkulacja-spalin.html

http://www.truck.pl/pl/article/670/czysto%C5%9B%C4%87-ci%C4%99%C5%BCar%C3%B3wek-na-dwa-sposoby,wf_2988

http://www.diaaut.home.pl/r48121c3_pliki/image002.jpg