Wartość lambda jest określana na podstawie odczytów sondy umieszczonej w układzie wydechowym samochodu przed katalizatorem. Sonda ta odczytuje ilość tlenu resztkowego w spalinach i na tej podstawie przekazuje informacje sterownikowi wtrysku, który decyduje o tym, czy mieszanka dostarczana do cylindra musi być wzbogacona czy zubożona. Jeśli odczytywana ilość tlenu jest zbyt duża, czyli λ>1, oznacza to, że mieszanka jest uboga, a więc spaliny zawierają znaczne ilości tlenków azotu, który tworzy się przy zwiększonej temperaturze spalania. Jeśli mieszanka jest zbyt bogata (λ<1) spaliny zawierają zbyt mało tlenu i przeważają w nich węglowodory, czyli niespalone resztki paliwa. Gdy odczytywana wartość λ jest równa 1 mamy do czynienia z optymalnym stosunkiem ilościowym tlenków azotu oraz węglowodorów w spalinach - ilość węglowodorów jest na tyle niska, że mieszanka jest już zubożona, ale nie do takiego stopnia, aby gwałtownie wzrosła temperatura spalania, wpływając na wzrost ilości tlenków azotu w spalinach.

Czym są spaliny

Spaliny powstają podczas spalania paliwa dostarczonego do cylindrów. W teoretycznie optymalnych warunkach każdy kilogram paliwa powinien być zmieszany z 14,7 kg powietrza (w przypadku silnika ZI). Oznacza to, że w całej mieszance paliwowo-powietrznej paliwo stanowi tylko 6,37%.

Spaliny silnika z zapłonem iskrowym składają się w większości z azotu (N), który jest dostarczany z powietrzem. Kolejnymi składnikami spalin są: dwutlenek węgla, woda, tlen i składniki szkodliwe. Warto zaznaczyć, że składników szkodliwych (NOX, HC, CO, związki siarki) w spalinach jest około 1%. Orientacyjny skład spalin przedstawiony jest na wykresie poniżej.

W silniku Diesla

Jak wspomniano wcześniej, silnik Diesla pracuje z nadmiarem powietrza. Na biegu jałowym współczynnik λ wynosi około 5-6, co oznacza, że powietrza jest o 400-500% więcej od teoretycznie potrzebnej ilości. Przy pełnym obciążeniu silnika zwiększa się wielkość dawki paliwa przy relatywnie małej zmianie masy tłoczonego do cylindrów powietrza, a wtedy współczynnik lambda spada do wartości 1,5-1,6, co oznacza, że mieszanka ciągle zawiera zbyt dużo powietrza (20-60% nadmiaru). Mimo tego podczas spalania oleju napędowego ciągle tworzą się substancje szkodliwe. Wynika to z nierównomiernego przebiegu procesu spalania paliwa podczas samej fazy wtrysku i tworzenia się mieszanki w cylindrze. Powstają wówczas obszary bogatsze lub bardziej zubożone. Na obrzeżach strumienia wtryskiwanego do cylindra paliwa, gdzie jest swobodniejszy dostęp tlenu, paliwo odparowuje całkowicie i dokładniej się spala, powodując niską emisję substancji szkodliwych. W centrum strumienia wtryskiwanego paliwa dostęp do tlenu jest ograniczony, ponieważ jest zużywany do spalania zewnętrznych warstw strumienia. W wyniku tego część paliwa odparowuje i nie ulega spaleniu. Jeśli podczas spalania do odparowanego paliwa nie dotrze odpowiednia ilość tlenu, paliwo to opuści komorę spalania w formie sadzy.

Jak zmniejszyć emisję substancji szkodliwych

W celu zmniejszenia emisji substancji szkodliwych w silnikach Diesla stosuje się kilka zabiegów mających na celu stworzenie możliwie najczystszych spalin. Jednym z nich jest zwiększanie ciśnienia wtrysku. Aktualnie nie jest nowością ciśnienie na poziomie 2200 barów. Takie ciśnienie pozwala po pierwsze na dokładniejsze rozpylenie paliwa w cylindrze oraz na podzielenie jednego cyklu pracy na kilka krótszych. Dzięki wysokiemu ciśnieniu możliwe stało się znaczne skrócenie czasu wtrysku, co w rezultacie pozwala doprowadzić paliwo do cylindra w kilku mniejszych „porcjach” spalających się dokładniej niż jedna duża.

Kolejnym zabiegiem poprawiającym skład spalin jest zastosowanie ich recyrkulacji. W silniku benzynowym (ZI) recyrkulacja spalin wpływa na ich oczyszczenie nie przez ponowne „przepalenie” spalin cofniętych z wydechu, tylko obniżenie temperatury spalania, co w efekcie prowadzi do znacznej redukcji tlenków azotu, które tworzą się przy wysokich temperaturach w cylindrze. W takich ewarunkach tlen zaczyna łączyć się z azotem zamiast brać udział w spalaniu węgla zawartego w węglowodorach, co obniża skuteczność procesu spalania.

Ale samo oczyszczenie spalin może być realizowane nie tylko przez regulację pracy silnika lub układu jego zasilania, ale również przez zastosowanie odpowiedniego paliwa. Aktualnie w silnikach z zapłonem samoczynnym oraz iskrowym stosuje się paliwa bezsiarkowe, które sprawiają, że w spalinach nie pojawiają się związki siarki, a jeśli już, to w śladowych ilościach. Na powstawanie substancji szkodliwych podczas pracy silnika Diesla wpływają: początek wtrysku, czas trwania wtrysku, rozpylenie paliwa.

Początek wtrysku określany jest jako zależność początku wtrysku paliwa od kąta obrotu wału korbowego, czyli pozycji tłoka w cylindrze. Późny początek wtrysku wpływa na zmniejszenie ilości związków azotu (NOX) w spalinach, ale powoduje równomierny wzrost ilości węglowodorów (HC). Przyspieszanie początku wtrysku zmniejsza emisję węglowodorów, jednak wpływa na wzrost emisji związków azotu. Początek wtrysku powinien być tak określony, aby zachowany został bilans między małą emisją związków azotu a małą emisją węglowodorów.

W czasie wtrysku ważne jest natomiast wtryskiwanie takiej dawki paliwa, która ma szansę całkowicie odparować w celu dokładnego spalenia. Brak możliwości odparowania paliwa w komorze spalania powoduje emisję sadzy, czyli niespalonych węglowodorów.

Ważny tlen

W spalinach silnika wysokoprężnego znajdują się następujące substancje szkodliwe:

węglowodory (HC),
tlenek węgla (CO),
tlenki azotu (NO_X),
sadza (C).

Poza tymi związkami w spalinach często znajdują się też związki siarki (SO₄), pozostałe związki węgla i wodoru oraz tlenki metali. W katalizatorze utleniającym związki te są rozbijane i łączone ponownie w kolejne związki chemiczne. Zazwyczaj węglowodory (HC) i tlenek węgla (CO) są rozbijane i łączone w wodę (H₂O) oraz dwutlenek węgla (CO₂).

Katalizator utleniający składa się z rdzenia ceramicznego lub metalowego pokrytego mieszanką utleniającą na bazie tlenku glinu, tlenku cyrkonu lub ceramiki tlenkowej. Katalitycznie aktywny jest metal szlachetny (platyna). Mieszanka utleniająca powiększa powierzchnię czynną katalizatora ponad 7000 razy, co znacznie poprawia jego właściwości katalityczne. Katalizator utleniający redukuje około 70% emitowanych węglowodorów oraz 90% tlenku węgla.

Utlenianie w katalizatorze rozpoczyna się dopiero po osiągnięciu przez niego pewnej temperatury granicznej, która jest inna w zależności od składu spalin i szybkości ich przepływu przez katalizator. Można jednak przyjąć, że katalizator pracuje poprawnie już po przekroczeniu temperatury 170–200°C. Po zwiększeniu tej temperatury o około 20–30°C katalizator osiąga już 90% swojej sprawności. Przemiana tlenku węgla (CO) w dwutlenek węgla (CO₂) zachodzi przy nieznacznie wyższej temperaturze, bo przy 235°C. Przez wysoką zawartość tlenu w spalinach w katalizatorze utleniającym może dojść do redukcji nawet 50% zawartej w spalinach sadzy. Montaż katalizatora utleniającego w niedużej odległości od silnika pozwala na szybkie jego nagrzanie i utrzymywanie przez najdłuższy czas maksymalnej sprawności. Przy normalnej eksploatacji żywotność katalizatora nie powinna odbiegać od żywotności samochodu, w którym jest on zamontowany.

Mniej tlenków azotu

Ze względu na dużą ilość tlenu zasysanego przez silnik redukcja tlenków azotu (NO_X) w spalinach nie jest łatwa. Otrzymuje się ją przez optymalizację kształtu komory spalania oraz przebiegu samego procesu wtrysku paliwa. Komory wirowe z kanałami o małym przekroju, „miękkie” spalanie i niskie ciśnienie spalania zmniejszają ilość tworzących się tlenków azotu. Podobnie na tworzenie tlenków azotu wpływa odpowiednio dobrany czas początku wtrysku oraz recyrkulacja spalin powodująca zmniejszenie temperatury w komorze spalania.

Recyrkulacja gazów spalinowych (EGR)

Głównym zadaniem recyrkulacji gazów spalinowych jest zmniejszenie emisji związków azotu, które powstają przy dużej zawartości tlenu w tworzonej mieszance oraz przy wysokich temperaturach spalania.

W zakresie obciążeń częściowych tworzenie tlenków azotu rośnie wykładniczo wraz ze wzrostem temperatury spalania. Recyrkulacja spalin powoduje zastąpienie pewnej ilości tlenu w zasysanym powietrzu niepalnymi spalinami, co w efekcie powoduje obniżenie temperatury spalania oraz zmniejszenie ilości tlenków azotu w spalinach.

W aktualnie stosowanych systemach recyrkulacji spalin osiąga się jej współczynnik na poziomie 60%, jednak nie jest on stały w całym zakresie obrotów i obciążenia. Przy gwałtownym przyspieszaniu oraz podczas dużego obciążenia silnika komputer sterujący potrafi go nawet całkowicie wyłączyć.

Poprowadzenie gazów spalinowych przez chłodnicę dodatkowo zmniejsza ich temperaturę, co wpływa jeszcze korzystniej na obniżenie temperatury spalania. Uszkodzenie systemu recyrkulacji spalin może jednak spowodować problemy z uruchomieniem silnika, utratę mocy oraz duże zadymienie spalin.

Selektywna redukcja katalityczna (SCR)

W ciężkich pojazdach użytkowych zdarza się, że recyrkulacja spalin nie wystarcza do dostatecznej redukcji związków azotu ze spalin. Dlatego też wprowadzono system redukcji katalitycznej polegającej na hydrolizie. Dzięki mieszaniu spalin z 32-procentowym roztworem mocznika i doprowadzeniu tak powstałej mieszanki do katalizatora redukującego opartego na związkach tytanu, wolframu i wanadu możliwe jest przekształcenie jej w azot i wodę w postaci pary. Ilość wtryskiwanego do układu wydechowego roztworu jest regulowana przez sterownik na podstawie informacji o obciążeniu silnika i warunków pracy.

Katalizator zasobnikowy NO_X

Kolejnym sposobem na redukcję zawartości tlenków azotu w spalinach jest zastosowanie katalizatora zasobnikowego, który działa jak gąbka na związki azotu. Ze względu na jego ograniczoną pojemność konieczna jest jego regeneracja (podobnie jak w przypadku filtra cząstek stałych). Regeneracja katalizatora zasobnikowego NO_X przebiega dzięki wzbogaceniu mieszanki w celu uzyskania bogatych w węglowodory spalin (ubogich w związki azotu).

Praca katalizatora zasobnikowego przebiega w dwóch fazach:

1) faza gromadzenia – jest to proces przebiegający przy ubogiej mieszance i bogatych w związki azotu spalinach,
2) faza regeneracji – konwersja zgromadzonych związków azotu przy pomocy bogatych w węglowodory spalin („tłustych”).

Faza gromadzenia w zależności od warunków pracy trwa 30–300 sekund, natomiast faza regeneracji 2–10 sekund. Fazy te następują po sobie i są sterowane przez komputer. O konieczności regeneracji decyduje sygnał z szerokopasmowej sondy umieszczonej przed katalizatorem oraz czujnika NO_X umieszczonego za nim. Praca katalizatora zasobnikowego jest dla kierowcy niezauważalna. Jedyny warunek to zastosowanie paliwa bezsiarkowego (zawartość siarki na poziomie 0,0001%, czyli 10 ppm) ze względu na ochronę masy czynnej w katalizatorze. Paliwo takie jest w Europie w powszechnym użytku od 2007 r.

Opracowano na podstawie artykułu z czasopisma „autoFACHMANN”