Czysty oddech Diesla

Technika
Czysty oddech Diesla
Emisja spalin pochodzących z silników
EGR a SCR raz jeszcze
wysokoprężnych to ważne zagadnienie ekologiczne. Oce−
nia się, że odpowiadają one za ok. 30 proc. emisji tlen−
ków azotu NOx oraz ok. 25 proc. emisji cząstek stałych
PM wytwarzanych przez ludzkość.
O
d października 2009 r. zaczęła obo−
wiązywać jeszcze bardziej rygory−
styczna norma Euro 5 (patrz Ta−
bela 1), w miejsce normy Euro 4. Produ−
kowane obecnie silniki muszą spełniać wy−
magania Euro 5, a nawet EEV (Environ−
mentally Enhanced Vehicle – pojazd przy−
jazny środowisku). Spełnienie norm wią−
że się z zastosowaniem ściśle określonej
grupy rozwiązań technicznych w zakresie
technologii wtrysku paliwa, przebiegu
procesu spalania, ograniczania emisji w ob−
rębie samego silnika oraz końcowego
oczyszczania spalin. Ich dobór jest podyk−
towany przede wszystkim skutecznością,
możliwościami technologicznymi związa−
nymi z produkcją wielkoseryjną, wpływem
na zużycie paliwa przez silnik oraz – w dużej
mierze – kosztami wytworzenia i monta−
żu. Mamy zatem do czynienia z rozwiąza−
niami kompromisowymi, które z technicz−
nego punktu widzenia niekoniecznie są
optymalne.
Biorąc pod uwagę przebieg spalania
w silniku Diesla warto zwrócić uwagę na
charakterystyczny konflikt między pozio−
mem emisji tlenków azotu i cząstek stałych.
Chcąc obniżyć zawartość PM w „surowych”
spalinach opuszczających silnik należy liczyć
Konflikt między
zmniejszeniem
emisji NOx
i cząstek sta−
łych PM w sil−
niku Diesla
24
Tabela 1
Limity emisji dla silników Diesla w samochodach
ciężarowych
CO
1)
2)
Euro 4
4,0
NMHC1) CH42)
[g/kWh]
0,55
1,1
Euro 5
EEV
4,0
3,0
0,55
0,4
1,1
0,65
NOx
PM
3,5
0,03
2,0
2,0
0,03
0,2
NMHC – węglowodory bez udziału metanu
tylko dla silników zasilanych gazem
się z wyższą zawartością NOx i odwrot−
nie. Istnieje także ograniczenie związane
z jakością samego przebiegu spalania i do−
stępnymi technologiami – symbolizuje to
krzywa graniczna (G). Należy zatem przyjąć
pewien wyjściowy punkt kompromisowy
(S) i zastosować dodatkowe rozwiązania
zewnętrzne, oczyszczające spaliny w ob−
rębie układu wydechowego tak, aby osią−
gnięcie limitów wyznaczonych przez nor−
my było możliwe.
Wśród europejskich producentów sil−
ników panuje jednomyślność w zakresie
strategii niezbędnej do obniżenia poziomu
emitowanych cząstek stałych PM: jako sa−
tysfakcjonujące rozwiązanie przyjęto za−
stosowanie filtrów DPF/CRT. Dwa naj−
bardziej praktyczne i uzasadnione z eko−
nomicznego punktu widzenia rozwiązania
pozwalające na obniżenie emisji NOx to
oddziaływanie na przebieg samego procesu
spalania poprzez zastosowanie chłodzonej
recyrkulacji spalin (EGR/AGR: Exhaust Gas
Recirculation/Abgass Rückführung) lub
maksymalne ograniczenie emisji cząstek
stałych przez silnik i zastosowanie selek−
tywnej redukcji katalitycznej (SCR: Selective
Catalytic Reduction) opartej o wtrysk
wodnego roztworu mocznika AdBlue do
strumienia spalin, eliminującej ze spalin
tlenki azotu.
Recyrkulacja spalin. W systemie EGR część
spalin jest kierowana do kolektora dolo−
towego silnika i powtórnie wprowadzana
do komory spalania. Ponieważ spaliny nie
biorą udziału w spalaniu, a posiadają okre−
śloną pojemność cieplną, następuje obni−
żenie maksymalnej temperatury procesu.
Niższa temperatura ma pozytywny wpływ
na emisję tlenków azotu, natomiast powoduje
podwyższenie emisji cząstek stałych. Stąd
też w silnikach z EGR konieczne jest za−
stosowanie filtrów cząstek stałych w ukła−
dzie wydechowym. Filtr cząstek stałych
zintegrowany jest najczęściej z tłumikiem
wydechu, o rozmiarach nieróżniących się
Chłodzony
system EGR w sil−
niku Euro 4 firmy
Scania
zasadniczo od tłumików stosowanych
w pojazdach w wersji Euro 3.
Układy EGR wykorzystywane w sil−
nikach Euro 4 wyposażone są w układ chło−
dzenia obniżający temperaturę gazów po−
wtórnie kierowanych do cylindra – pod−
nosi to skuteczność recyrkulacji. Spaliny
po przejściu przez chłodnicę mają tempe−
raturę poniżej 200° C. Sterowanie ilością
zawracanych spalin realizowane jest przez
kontroler silnika za pośrednictwem bezstop−
niowego zaworu recyrkulacji. Poziom re−
cyrkulacji ściśle zależy od warunków pracy
silnika – w silnikach Euro 4 nie przekra−
cza on zazwyczaj 20 proc.
Spadek mocy wynikający z obecności
spalin w ładunku najłatwiej rekompenso−
wać można zwiększeniem dawki paliwa.
Stosuje się także zaawansowane strategie
wielofazowego wtrysku paliwa (dawka
pilotująca, wtrysk zasadniczy, dawka do−
palająca). Odpowiednie sterowanie podziałem
dawek oraz kątem wyprzedzenia wtrysku
w większości rozwiązań pozwala na utrzy−
manie zużycia paliwa na dotychczasowym
lub niewiele większym poziomie. Podwyż−
szenie mocy zapewniają doskonalsze układy
doładowania – np. turbosprężarki ze ste−
rowanym elektronicznie zaworem upu−
stu spalin (wastegate) lub turbosprężarki
o zmiennej geometrii (VGT). W silnikach
o większej mocy coraz częściej spotyka
się doładowanie dwustopniowe z między−
stopniowym chłodzeniem powietrza.
Szczególnie to ostatnie rozwiązanie po−
zwala na uzyskanie niskiego zużycia pa−
liwa oraz doskonałej dynamiki, bez ry−
zyka przeciążenia turbosprężarki i skró−
cenia jej trwałości.
Filtry cząstek stałych. Filtry działające
na zasadzie pułapki należą do najbardziej
skutecznych rozwiązań ograniczających emi−
sję cząstek stałych z układu wydechowe−
go. Mają one skuteczność rzędu 99 proc.
w zakresie eliminacji tzw. nanocząstek
PM10 (średnica poniżej 100 nm), stano−
25
Technika
Schemat działania filtra MAN PM−
KAT®
Katalizator utleniający
z filtrem cząstek stałych
PM−KAT® firmy MAN
Selektywna redukcja katalityczna. Ra−
dykalne obniżenie emisji cząstek stałych
z komory spalania silnika samochodowe−
go możliwe jest poprzez podniesienie tem−
peratury spalania. Efekt uboczny to wy−
soka emisja tlenków azotu, stąd niezbęd−
ne jest zastosowanie zewnętrznego syste−
mu redukcji NOx – selektywnej redukcji
katalitycznej SCR. Przemysł samochodo−
wy jako środek redukcyjny stosuje 32,5
proc. wodny roztwór mocznika – AdBlue,
wtryskiwany do gorącego strumienia spalin.
Dla uzyskania standardu Euro 4 potrzeb−
ny jest 4−5 proc. dodatek AdBlue, a dla
sprostania wymaganiom Euro 5: 6−7 proc.
W stosowanych obecnie systemach wtrysk
wiących największe zagrożenie dla ukła−
du oddechowego człowieka. Powszechne
zastosowanie filtrów jest obecnie możli−
we z technicznego, ekonomicznego oraz eks−
ploatacyjnego punktu widzenia.
Większość filtrów cząstek stałych sto−
sowanych w systemach oczyszczania spalin
opartych o EGR to tzw. filtry o regenera−
cji ciągłej CRT (Continously Regenerating
Trap). Działanie filtra CRT polega na okre−
sowym gromadzeniu cząstek z krótkimi fa−
zami ich wypalania. Inną grupę rozwiązań
stosowanych w silnikach Euro 4 stanowią
katalizatory utleniające połączone z układem
wychwytującym ze spalin cząstki stałe (np.
PM−KAT® stosowany przez firmę MAN).
Układ oczyszczania spalin stosowany
w silnikach Euro 5 przez MAN.
Oznaczenia: a – wlot spalin;
b – wlot powietrza;
c – oczyszczone gazy wydechowe
1 – zbiornik AdBlue; 2 – czujnik temp.;
3 – czujnik poziomu napełnienia zbiorni−
ka; 4 – moduł zasilający; 5 – zbiornik
powietrza; 6 – sprężarka powietrza; 7 –
czujnik NOx; 8 – czujnik temp. spalin; 9
– moduł dawkujący; 10 – sterownik
AdBlue jest sterowany elektronicznie – ilość
mocznika podana do strumienia spalin zależy
od warunków pracy silnika. Uzupełnienie sta−
nowią funkcje diagnostyczne monitorujące np.
obecność AdBlue w zbiorniku. Wtryśnięty do
spalin mocznik ulega procesowi hydrolizy,
w wyniku którego uwalniany jest amoniak.
Substancja ta pełni następnie rolę reduktora tlenków
azotu. Na wyjściu uzyskiwana jest para wod−
na i azot cząsteczkowy.
OPR. M. MAZUR
26