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 (nawet w 7 dawkach w silniku M9R stosowanym w Renault i Nissanie).

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, lecz przez obniżenie temperatury spalania, co w efekcie prowadzi do znacznej redukcji tlenków azotu, które tworzą się przy wysokich temperaturach w cylindrze. W takich warunkach 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, lecz także 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 rozpoczęcia wtrysku paliwa od kąta obrotu wału korbowego, czyli pozycji tłoka w cylindrze. Późny początek wtrysku wpływa na zmniejszenie ilości związków azotu (NO_X) 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 zachowana została równowaga 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.

Ilustracja 1. Część spalin jest dostarczana z powrotem do układu dolotowego, aby obniżyć temperaturę spalania i jednocześnie zmniejszyć emisję związków azotu NO

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 występują też związki siarki (SO₄), pozostałe związki węgla i wodoru oraz tlenki metali. W katalizatorze utleniającym substancje te są rozbijane i łączone ponownie w kolejne związki chemiczne. Zazwyczaj węglowodory (HC) i tlenek węgla (CO) są rozbijane i konsolidowane ponownie 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 temperatury granicznej, która jest różna w zależności od składu spalin i szybkości ich przepływu przez katalizator. Można jednak przyjąć, że pracuje on poprawnie już powyżej temperatury 170–200°C. Po przekroczeniu tej wartości 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 nich sadzy. Montaż katalizatora 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.

Ilustracja 2. Aby zredukować ilość tlenków azotu w spalinach silników pojazdów użytkowych, stosuje się układy selektywnej redukcji katalitycznej SCR, w których roztwór mocznika jest wtryskiwany do wydechu. Po dotarciu wraz ze spalinami do katalizatora redukującego tlenki azotu i mocznik zamieniane są w azot i parę wodną. Źródło: Bosch

Mniej tlenków azotu

Ze względu na dużą ilość tlenu zasysanego przez silnik redukcja tlenków azotu (NO_X) w spalinach nie jest łatwa. Można ją uzyskać 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. Podobny wpływ wywiera odpowiednio dobrany czas początku wtrysku oraz recyrkulacja spalin powodująca zmniejszenie temperatury w komorze spalania.

Ilustracja 3. Schemat układu zasilania z zaworem recyrkulacji spalin sterowanym elektronicznie i aktywowanym dzięki układowi podciśnieniowemu. Źródło: Bosch

Recyrkulacja gazów spalinowych (EGR)

Głównym zadaniem recyrkulacji gazów spalinowych jest zmniejszenie emisji związków azotu (tlenków azotu NOX), które powstają przy dużej zawartości tlenu w tworzonej mieszance oraz przy wysokich temperaturach spalania. Przy obciążeniach 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 prowadzi do obniżenia temperatury spalania oraz zmniejszenie ilości tlenków azotu w spalinach.

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

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 ilości związków azotu zawartych w spalinach. Dlatego też wprowadzono system redukcji katalitycznej polegającej na hydrolizie. Dzięki mieszaniu spalin z 32-proc. 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 warunkach jego pracy.

Ilustracja 4. Schemat rozmieszczenia elementów układu SCR w samochodzie. Źródło: Mazda

Katalizator zasobnikowy NO_X

Kolejnym sposobem na redukcję zawartości tlenków azotu w spalinach jest zastosowanie katalizatora zasobnikowego, który działa jak gąbka wychwytująca związki azotu. Ze względu na ograniczoną pojemność konieczna jest jego regularna regeneracja (podobnie jak w przypadku filtra cząstek stałych). Przeprowadza się ją, wzbogacając mieszankę w celu uzyskania bogatych w węglowodory spalin (ubogich w związki azotu).

Praca katalizatora zasobnikowego przebiega w dwóch fazach:

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

Ilustracja 5. Pułapka NO

Faza gromadzenia w zależności od warunków pracy trwa 30–300 sekund, natomiast faza regeneracji 2 do 10 sekund. Następują one po sobie i są całkowicie sterowane przez komputer. O konieczności regeneracji informują sygnały z szerokopasmowej sondy umieszczonej przed katalizatorem oraz czujnika NO_X zlokalizowanego za nim. Praca katalizatora zasobnikowego, czyli sterowanie wzbogacaniem i ubożeniem mieszanki w czasie jazdy, jest dla kierowcy niezauważalna. Jedynym obowiązkiem, którego musi on dopełnić, jest zastosowanie paliwa bezsiarkowego (o zawartości siarki na poziomie 0,0001%, czyli 10 ppm), które zapewnia ochronę masy czynnej w katalizatorze. Paliwo takie jest w Europie w powszechnym użytku od 2007 r.