Układy oczyszczania spalin dla pojazdów użytkowych

Układy oczyszczania spalin dla pojazdów użytkowych Kaliński
30.3.2023

Problemy z układem wydechowym są częścią codziennej pracy serwisantów podczas napraw pojazdów użytkowych. Wraz ze wzrostem stopnia skomplikowania systemów sterowania silnikiem i układów oczyszczania spalin wzrosło prawdopodobieństwo wystąpienia błędów i usterek.

  • Efektywne oczyszczanie spalin możliwe jest tylko przy optymalnym spalaniu mieszanki paliw
  • Filtry DPF wymagają czyszczenia jeszcze przed osiągnięciem określonego przebiegu
  • Wyrywkowe kontrole poziomu zanieczyszczeń wykonuje się za pomocą przenośnych urządzeń
  • W razie awarii układu oczyszczania spalin czujnik NOX będzie głównym podejrzanym

Z każdą nową normą dotyczącą ograniczeń emisji spalin konstrukcje silników nowoczesnych samochodów ciężarowych i autobusów stawały się coraz bardziej skomplikowane. Wraz z wprowadzeniem normy Euro 6 ustawodawca obniżył wartości graniczne dla cząstek stałych o kolejne 67%, a dla tlenków azotu aż o 80% w stosunku do normy Euro 5 i zlikwidował istniejące luki prawne. 

W przeciwieństwie do przeprowadzonych serii badań samochodów osobowych spełniających normę Euro 6 (które ekolodzy nazywają „testami przy sprzyjającej pogodzie”) pomiary emisji spalin nowych pojazdów użytkowych wykonuje się losowo wybranych punktach na tzw. mapie silnika, aby pojazdy nie były optymalizowane. W Niemczech kontrolę poziomu zanieczyszczeń przeprowadza się nie tylko w momencie rejestracji nowego typu pojazdu, ale także za pomocą przenośnych urządzeń pomiarowych podczas codziennej praktyki. Wyrywkowe kontrole mogą być przeprowadzane przez okres 7 lat lub przebieg 700 000 km.

Aby spełnić rygorystyczne wymagania normy Euro 6, producenci pojazdów użytkowych zmuszeni byli sięgnąć do swoich „narzędzi projektowych”. To, co zaczęło się wraz z wprowadzeniem normy Euro 4 i prostej konstrukcji filtra cząstek stałych (diesel particulate filter – DPF), przekształciło się obecnie w niezwykle złożone układy oczyszczania spalin, które zmieniają szkodliwe cząstki spalin w nieszkodliwe – jak w małej fabryce chemicznej. 

Aby skutecznie oczyszczać spaliny, w większości samochodów ciężarowych i autobusów spełniających normę Euro 6 wykorzystuje się kombinację układu recyrkulacji spalin (exhaust gas recirculation – EGR) i katalizatora na bazie żywic mocznikowych (system SCR – selective catalytic reduction, czyli selektywna redukcja katalityczna).

Równie ważne jest przygotowanie mieszanki. Układy oczyszczania spalin będą mogły wykonywać swoje zadanie efektywnie tylko przy optymalnym spalaniu mieszanki paliw. Dlatego wszystkie systemy są skoordynowane i wzajemnie powiązane ze sobą tak, aby spaliny były czyste w prawie każdej sytuacji na drodze.

Oprócz zwykłej okresowej kontroli technicznej serwisanci pojazdów użytkowych w codziennej pracy często mają do czynienia z usterkami i naprawami tych bardzo zaawansowanych układów. Aby znaleźć przyczyny usterek i rozwiązać problem, potrzebna jest już nie tylko solidna wiedza o układzie, ale także umiejętność korzystania z zasobów internetu i „holistyczne” myślenie. Często zdarza się, że element zapisany w pamięci błędów jako wadliwy jest raczej skutkiem błędu niż jego przyczyną.

Niekorzystne warunki eksploatacji

Podobnie jak każdy inny system filtracji system kontroli emisji lub układ oczyszczania spalin wymaga wykonania okresowych czynności konserwacyjnych. Dotyczy to szczególnie filtra DPF, w którym zbiera się sadza i popiół. Z tego powodu musi być regularnie oczyszczany lub wymieniany.

Według opinii specjalistów, którzy zajmują się czyszczeniem filtrów, filtr cząstek stałych nie jest typową częścią zużywającą się, lecz klasycznym elementem wymagającym przeprowadzenia okresowego przeglądu. Wobec filtrów DPF obowiązują zalecenia producentów pojazdu, które dotyczą wykonywania przeglądów i terminów konserwacji. 

Jednak praktyka warsztatowa pokazuje, że wizyta w warsztacie jest często konieczna jeszcze przed osiągnięciem określonego przebiegu. Zdarzają się przypadki zatkania filtra DPF spowodowanego pewnymi zanieczyszczeniami. Nieprawidłowe zużycie występuje jednak przede wszystkim przy niekorzystnych warunkach eksploatacji lub w wyniku błędów popełnionych przez kierowcę.

Specjaliści od czyszczenia filtrów są jednak zgodni co do jednego: regularne, prewencyjne serwisowanie filtrów może przedłużyć żywotność podzespołów wewnętrznych filtra i zapewnić ich sprawne działanie. Eksperci są również zgodni co do tego, co należy rozumieć przez niekorzystne warunki eksploatacji. Zaliczają do nich ekstremalny ruch na krótkich dystansach, częste zatrzymywanie się i ruszanie oraz długie okresy postoju na biegu jałowym, które można zauważyć w pojazdach do wywozu śmieci lub w autobusach miejskich. 

W powyższych warunkach eksploatacji powstaje stosunkowo duża ilość sadzy, która odkłada się w drobnych kanalikach rdzenia filtra. Ze względu na niskie temperatury spalin, które w takich warunkach osiągają często jedynie temperaturę 200–300°C, filtr DPF nie będzie mógł sam się zregenerować (brak możliwości przeprowadzenia regeneracji pasywnej). Konieczne jest przeprowadzenie aktywnej regeneracji filtra, która musi być zainicjowana przez elektroniczny moduł sterujący (electronic control unit – ECU).

W tym celu jednostka sterująca wtryskuje do komory spalania lub wprost do strumienia spalin określoną ilość dodatkowego paliwa, aby na pewien czas podnieść temperaturę w filtrze do co najmniej 500–600°C. Po osiągnięciu temperatury następuje wypalenie cząstek sadzy. Jednak w wyjątkowo niesprzyjających warunkach jazdy aktywna regeneracja filtra cząstek stałych może zostać kilkakrotnie przerwana. W przypadku niepowodzenia przeprowadzenia regeneracji filtra w pewnym momencie ECU aktywuje załączenie filtra DPF, a wraz z nim pomarańczowej kontrolki silnika. Jednostka sterująca zapamiętuje też odpowiedni kod błędu oraz – w celu uniknięcia niepotrzebnych i kosztownych uszkodzeń – przełącza pracę silnika na tryb awaryjny, redukując moment obrotowy. 

Czułe detektory: czujniki NOX

Aby efektywnie zarządzać spalinami, silniki spełniające normę Euro 6 mają kilka czujników, które dostarczają do ECU dane dotyczące spalin. Jednym z najważniejszych czujników (niejako sercem systemu selektywnej redukcji katalitycznej – SCR) jest czujnik tlenków azotu (NOX), który podczas wystąpienia awarii będzie głównym z podejrzanych. Jeśli jego uszkodzenie nastąpi w trakcie spalania mieszanki paliwa, nie będzie już możliwe utrzymanie granicznych wartości emisji spalin. Ponadto usterka spowoduje także zwiększenie zużycia oleju napędowego i płynu AdBlue. 

Czujnik NOX jest inteligentnym systemem pomiarowym, składającym się z ceramicznego sensora, kabla przyłączeniowego z wtyczką i własnej elektroniki sterującej, która komunikuje się z ECU poprzez magistralę CAN (controlled area network). Czujniki umieszcza się w strumieniu przepływających spalin przed i za katalizatorem SCR. W czasie rzeczywistym określają one zarówno stężenie tlenu, jak i NOX. Na podstawie otrzymanych danych ECU opracowuje optymalną mieszankę paliwowo-powietrzną oraz oblicza ilość podawanego amoniaku i stopień otwarcia zaworu recyrkulacji spalin (exhaused gas recirculation – EGR). W systemie SCR czujnik określa również, kiedy katalizator akumulacyjny NOX wymaga regeneracji.

Czujniki NOX podobnie jak filtry DPF nie należą do typowych, zużywających się elementów. Jak jednak pokazuje praktyka warsztatowa, ze względu na pracę w strumieniu gorących spalin ich trwałość użytkowa jest ograniczona. Głowice czujników zużywają się w mniejszym lub większym stopniu zależnie od warunków pracy podczas jazdy. Niekorzystne są też niskie temperatury spalin występujące podczas poruszania się na krótkich odcinkach i w ruchu miejskim (start-stop).

Ponieważ system SCR jest monitorowany przez system diagnostyki pokładowej (on-board diagnostics – OBD), w przypadku zakłóceń w pracy jednostka sterująca ostrzega kierowcę za pomocą lampki ostrzegawczej na desce rozdzielczej. Jeśli kierowca nie zareaguje na ostrzeżenie, jednostka sterująca zmniejszy moment obrotowy silnika zależnie od poziomu usterki. W skrajnych przypadkach kierowca będzie mógł dojechać do warsztatu tylko z prędkością poruszania się pieszego.

Układ selektywnej redukcji katalitycznej SCR w samochodzie, który spełnia normę Euro 6
Układ selektywnej redukcji katalitycznej SCR w samochodzie, który spełnia normę Euro 6: 1 – strumień spalin, 2 – czujnik NO

Możliwe jest wymontowanie sondy lambda, wyczyszczenie jej z sadzy i ponowne zamontowanie. Jest to jednak czasochłonne i zwykle skuteczne tylko przez ograniczony czas. Przed wymianą sondy mechanik warsztatowy powinien sprawdzić kable pod kątem uszkodzeń (pęknięcia izolacji, urwane przewody), zwrócić uwagę na ewentualne problemy z rezystancją styków na złączach (zardzewiałe styki) oraz upewnić się, że układ wydechowy jest szczelny. Istotna jest również pozycja zamontowania sondy znajdującej się przed katalizatorem („upstream”) i za nim („downstream”).

Układ oczyszczania spalin z podwójnym wtryskiem
Układ oczyszczania spalin z podwójnym wtryskiem:  1 – sterownik dozowania, 2 – jednostka sterująca dozownikiem, 3 – moduł zasilania,

Jeśli nowo zainstalowany czujnik nie działa (świeci się lampka ostrzegawcza lub jest wpis do pamięci błędów), to zazwyczaj zainstalowano nieprawidłowy czujnik (przed montażem należy zwrócić uwagę na nr katalogowy czujnika) lub występują problemy z oprogramowaniem (status danych) między czujnikiem (czujnikami) a modułem ECU. Typowe kody błędów w takim przypadku to: „Komunikacja z NOX 1/2 niemożliwa”, „Wartości zmierzone są nieprawdziwe” lub „Błąd sumy kontrolnej”. 

WARTO WIEDZIEĆ

Komisja Europejska: Emisja CO2 z samochodów ciężarowych i autobusów ma zostać zmniejszona o 90%

Komisja Europejska przedstawiła kolejną propozycję nowych norm emisji CO2, tym razem dla ciężkich pojazdów użytkowych. Zgodnie z planem nowe ciężarówki i autobusy w Unii Europejskiej mają emitować znacznie mniej szkodliwego dwutlenku węgla. Mówi się o 90-procentowej redukcji do 2040 roku w porównaniu z rokiem 2019.  – W 2050 roku prawie wszystkie pojazdy na naszych drogach muszą być bezemisyjne – powiedział komisarz ds. klimatu Frans Timmermans. Do tego roku UE chce stać się neutralna klimatycznie, czyli chce emitować tylko takie ilości dwutlenku węgla, które można ponownie przechwycić. Jako cele pośrednie Komisja proponuje, aby emisje CO2 z pojazdów ciężarowych zostały zmniejszone o 45% do 2030 r. i o 65% do 2035 r.  W 2019 r. UE po raz pierwszy uzgodniła, że obowiązkowe będzie określenie, ile CO2 mogą emitować ciężkie pojazdy użytkowe. Uzgodniono wówczas redukcję o 30% do 2030 r. Państwa Unii Europejskiej i Parlament Europejski muszą teraz przedyskutować propozycję i znaleźć kompromis. – Dzięki propozycjom norm emisji CO2 dla pojazdów ciężarowych silnik spalinowy ucieka przed ostatecznym pochówkiem – powiedział Ulrich Lange, zastępca przewodniczącego grupy parlamentarnej CDU/CSU w Bundestagu. Zaostrzenie limitów byłoby jednak trudne do zrealizowania pod względem technicznym. Krytycznie do planu odnosi się także Niemieckie Stowarzyszenie Przemysłu Motoryzacyjnego (VDA). Jego prezes Hildegard Müller krytycznie stwierdziła, że propozycja Komisji jest nazbyt ambitna wobec istniejącej infrastruktury ładowania i wodoru. Bez większego tempa w rozbudowie infrastruktury cel byłby praktycznie nie do osiągnięcia.

O Autorze

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę