AutoExpert
Reklama
Reklama

Spalanie ubogiej mieszanki powoduje zwiększenie emisji związków azotu

Preview
Volvo
Maciej Blum
17.5.2021
Reklama
Reklama

Mniej spalanego paliwa to mniejsza emisja. Teza ta sprawdza się w przypadku emisji dwutlenku węgla. Tutaj chemii nie da się oszukać – ilość dwutlenku węgla w spalinach zależy wprost od ilości spalanych węglowodorów. Ale warunek jest jeden – spalanie musi być dokładne.

Istotnym parametrem, który bierze udział w procesie sterowania silnikiem, jest współczynnik nadmiaru powietrza (λ). Jego wartość wpływa bezpośrednio na skład mieszanki paliwowo-powietrznej i przebieg procesu spalania. Aby mieszanka zasilająca uległa całkowitemu spaleniu, udział jej składników musi odpowiadać składowi stechiometrycznemu. Teoretyczna ilość powietrza niezbędna do spalenia 1 kg paliwa wynosi:

  • dla benzyny – 14,9 kg,
  • dla oleju napędowego – 14,3 kg,
  • dla gazu LPG – 15,7 kg.
Reklama

Wartość stechiometryczna oznacza, że na 1 kg paliwa musi przypadać 14,9 kg powietrza (dla silników ZI).

Wyróżnia się 3 podstawowe stany wartości współczynnika λ:

  • mieszanka uboga: λ > 1,
  • mieszanka stechiometryczna:
  • λ = 1,
  • mieszanka bogata: λ < 1.

Zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej w silniku Diesla następuje w wyniku gwałtownego wzrostu temperatury mieszanki na skutek sprężania jej w cylindrze. Współczynnik nadmiaru powietrza (λ) jest ważnym parametrem, kóty decyduje o warunkach spalania.

W przypadku spalania mieszanki wzbogaconej, czyli o współczynniku λ < 1, część paliwa pozostaje niespalona i wydalana jest w postaci sadzy wraz z gazami spalinowymi. Gdy mieszanka jest zbyt uboga (λ > 1), mamy do czynienia ze wzrostem temperatury spalania, co prowadzi do wzrostu emisji związków azotu. Dzieje się tak, ponieważ azot zawarty w powietrzu łączy się w wysokiej temperaturze z nadmiarowym tlenem, tworząc związki azotu NOX.

Preview
Emisja substancji szkodliwych w zależności od parametru lambda mieszanki paliwowo-powietrznej. Źródło: autoEXPERT

Chęć obniżenia zużycia paliwa zmusza konstruktorów do stosowania w silnikach mieszanek ubogich, co z kolei wpływa na emisję NOX. Aby ją zmniejszyć, korzysta się z kilku rozwiązań, które skutecznie jej zapobiegają.

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 zmniejszenia ilości tlenków azotu w spalinach.

Reklama

W obecnie stosowanych systemach recyrkulacji spalin osiąga się współczynnik recyrkulacji na poziomie 60%. Nie jest on jednak 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 jeszcze korzystniej wpływa na obniżenie temperatury spalania. Uszkodzenie systemu recyrkulacji spalin może jednak spowodować problemy z uruchomieniem silnika, utratę mocy i 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 (selective catalytic reduction – SCR), która polega 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 roztworu wtryskiwanego do układu wydechowego reguluje sterownik na podstawie informacji o obciążeniu silnika i warunkach jego pracy.

Budowa i zasada działania SCR

Układ SCR (selektywnej redukcji katalitycznej) składa się ze zbiornika na środek AdBlue, układu wtryskowego oraz katalizatora SCR. Uzdatnianie spalin odbywa się przez wtrysk do katalizatora SCR specjalnego roztworu z mocznika i wody destylowanej, zwanego AdBlue.

Preview
Schemat działania układu SCR. Źródło: Adblue4you

Pod wpływem wysokiej temperatury, występującej w układzie wydechowym, mocznik zmienia się w amoniak i dwutlenek węgla. W katalizatorze następuje reakcja amoniaku z tlenkami azotu, w wyniku czego zostają one zmienione w lotny azot i parę wodną. Pozostałości amoniaku, które nie zareagowały z tlenkami azotu, również zostają zmienione na lotny azot i parę wodną w zintegrowanym katalizatorze Clean-Up.


System SCR podłączony jest do systemu diagnostyki pokładowej. Dzięki temu kierowca jest informowany o konieczności uzupełnienia środka AdBlue w zbiorniku oraz o przekroczeniu zawartości szkodliwych substancji w spalinach.

Czym jest AdBlue?

AdBlue jest nieszkodliwy i nietoksyczny. Jest to 32-proc. roztwór mocznika w wodzie destylowanej. Zużycie AdBlue ściśle zależy od zużycia paliwa. W samochodach ciężarowych zużycie AdBlue wynosi 1–2 l na przejechanych 100 km, natomiast w samochodach osobowych 1 l AdBlue wystarcza na przejechanie nawet 1000 km.

Ostrzeżenia dotyczące niskiego stanu roztworu w zbiorniku pojawiają się z dużym wyprzedzeniem. Jeśli jednak ostrzeżenie to zostanie zignorowane, silnik zostanie wprowadzony w tryb awaryjny lub całkowicie zablokowany przez sterownik

Problemy z AdBlue

Roztwór mocznika nie jest odporny na niskie temperatury – zamarza już przy –11,5°C.  Z tego powodu pojawiają się problemy eksploatacyjne: płyn zamarza w przewodach, mimo że w zbiorniku zamontowany jest ogrzewacz. Zamarznięcie płynu AdBlue w przewodach może wiązać się z ich uszkodzeniem. Nieszczelność układu jest łatwa do zidentyfikowania, ponieważ w jej okolicy pojawia się biały, krystaliczny osad, powstający z mocznika.

W związku z problemami eksploatacyjnymi na rynku dostępne są usługi „wyłączenia” systemu SCR lub emulowania jego działania. Korzystanie z tego typu udogodnień jest jednak obarczone ryzykiem mandatu oraz zatrzymania dowodu rejestracyjnego. W Polsce kara za emulator AdBlue to 500 zł mandatu i zakaz dalszej jazdy, natomiast za granicą – na przykład w Holandii – takie wykroczenie kosztuje ok. 500 euro dla kierowcy i ponad 7500 euro dla pracodawcy. 

Artykuł ukazał się w czasopiśmie
Reklama

O Autorze

Maciej Blum

Redaktor naczelny miesięcznika „autoEXPERT”

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę
Reklama