Silniki spalinowe: pozasilnikowe rozwiązania w zakresie redukcji emisji spalin.

W ostatnich latach wraz z rozwojem napędzanej troską o środowisko i postępem technologicznym mobilności elektrycznej, spodziewano się szybkiego spadku popularności silników spalinowych. Jednak obecnie producenci w znacznym stopniu koncentrują się na rozwoju technologii silników spalinowych, a przyszłość tych jednostek zależy głównie od ich zdolności do spełniania rygorystycznych norm emisji.

Z tego artykułu dowiesz się:

• o znaczeniu silników spalinowych,
• jak tworzono normy emisji spalin,
• skrótowo, jakie są kluczowe technologie silników wewnętrznych w zakresie redukcji emisji,
• jakie są pozasilnikowe metody oczyszczania spalin,
• jak istotna jest synergia między rozwiązaniami podstawowymi a wtórnymi.

Wyzwania związane z emisją i rozwój regulacji

Rozwój silników spalinowych (ICE) w połowie XX wieku doprowadził do znacznego zanieczyszczenia środowiska, zwłaszcza w Stanach Zjednoczonych. W odpowiedzi, celem ograniczenia szkodliwych zanieczyszczeń, wprowadzono bardziej rygorystyczne normy emisji, takie jak CARB (1967) i EPA (1970). Te wczesne regulacje wpłynęły na globalne standardy, które obecnie dotyczą nie tylko spalin, ale także zanieczyszczeń pochodzących z opon i hamulców.

Pomimo rosnącej popularności pojazdów elektrycznych, silniki spalinowe nadal odgrywają kluczową rolę w branżach takich jak motoryzacja, lotnictwo i maszyny pozadrogowe. Bieżące wysiłki, mające na celu ograniczenie toksycznych emisji z silników spalinowych, koncentrują się na rozwijaniu technologii silników i wdrażaniu czystszych opcji paliwowych.

Pierwotne technologie silnikowe służące redukcji emisji

Redukcja emisji w nowoczesnych silnikach spalinowych rozpoczyna się już na etapie projektowania, koncentrując się na współdziałaniu różnych elementów silnika. Kluczowe technologie obejmują recyrkulację spalin (EGR) w celu obniżenia poziomu tlenków azotu (NOx) i węglowodorów, zaawansowane systemy wtrysku paliwa w celu optymalnego mieszania paliwa z powietrzem oraz zwiększoną wydajność turbosprężarki w celu lepszego spalania. Inne metody, takie jak zamknięta wentylacja skrzyni korbowej (CCV) i optymalizacja rozrządu zaworów, pomagają redukować emisję węglowodorów i niespalonego paliwa, podczas gdy ulepszenia układu chłodzenia silnika i wysokiej jakości paliwa przyczyniają się do ogólnej redukcji emisji.

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o wewnętrznych metodach oczyszczania spalin, przeczytaj ten artykuł: Silniki spalinowe: wewnętrzne rozwiązania dla bardziej ekologicznej przyszłości.

Integracja wtórnych metod oczyszczania

Nowoczesna konstrukcja silnika, pomimo wielu innowacyjnych rozwiązań oczyszczania pierwotnego opisanych w poprzednim artykule, nie jest obecnie wystarczająca do osiągnięcia wymaganego normami poziomu emisji toksycznych składników. Dalszy rozwój metod ograniczania zanieczyszczeń w spalinach na etapie silnika trwa, ale wymaga dużych nakładów finansowych i może prowadzić do zwiększenia złożoności całej konstrukcji, co negatywnie wpływa na jej niezawodność, trwałość i koszty. Z tego powodu podjęto starania, aby proces redukcji emisji spalin został przeniesiony na zewnątrz i stał się odrębnymi elementami zintegrowanymi w układzie wydechowym. Są to tzw. pozasilnikowe (wtórne) metody oczyszczania spalin. Zazwyczaj obejmują one następujące komponenty:

• Katalizatory (TWC / DOC) – katalizatory służą przede wszystkim do redukcji emisji tlenków azotu (NOx), tlenku węgla (CO) i węglowodorów (HC). Najpopularniejsze są katalizatory trójdrożne (TWC), stosowane w silnikach benzynowych, które jednocześnie redukują NOx, CO i HC. W silnikach diesla stosowane są dwukierunkowe katalizatory utleniające (DOC), które redukują CO i HC. Obecnie stosowane reaktory katalityczne muszą charakteryzować się bardzo wysoką wydajnością osiąganą w jak najkrótszym czasie. Ich konstrukcja wymaga dużej powierzchni kontaktu materiału katalitycznego z fazą spalin, szybkiego osiągnięcia optymalnej temperatury pracy, niskiego oporu przepływu oraz wysokiej wydajności mechanicznej i termicznej.
• Filtry cząstek stałych (DPF / GPF) – filtr wychwytuje cząstki stałe (PM), które następnie są spalane podczas procesu regeneracji filtra. Cząstki stałe powstające w procesie niepełnego spalania składają się głównie z cząstek sadzy węglowej z zaadsorbowaną warstwą węglowodorów. W praktyce istnieją dwa rodzaje filtrów cząstek stałych – otwarte i zamknięte. Filtry otwarte umożliwiają swobodny przepływ i mają strukturę podobną do katalizatora utleniającego. Kontakt cząstek stałych z materiałem katalitycznym powoduje ich utlenianie. Ograniczają one jedynie wartość PM (wielkość cząstek), podczas gdy PN (ilość cząstek) pozostaje niezmieniona. Zamknięte filtry cząstek stałych są bardziej popularne. Składają się z dużej liczby kanałów filtracyjnych, do których wpływają spaliny. Kanały są jednak zamknięte na końcach, co pozwala na gromadzenie się w nich cząstek stałych. Poziome ściany kanałów są wysoce porowate, co umożliwia przepływ spalin oczyszczonych z cząstek stałych do dalszej części układu wydechowego. Filtr może być wykonany z metalu lub ceramiki z powłoką katalityczną poprawiającą proces utleniania. Zamknięte filtry mogą redukować emisję PM i PN o ponad 95%. Zebrane cząstki stałe mogą ulec samozapłonowi, jeśli temperatura w układzie wydechowym jest na poziomie 500-550°C. Proces samooczyszczania filtra nazywany jest regeneracją i dotyczy filtrów wielokrotnego użytku. W niektórych przypadkach, zwłaszcza tych mniej obciążonych, gdzie nie osiąga się wysokiej temperatury układu wydechowego, stosuje się filtry jednorazowe. W niższych temperaturach proces regeneracji zachodzi ze znacznie mniejszą intensywnością, a proces gromadzenia cząstek stałych postępuje szybciej niż ich samooczyszczanie. Możliwe jest również obniżenie temperatury samozapłonu cząstek stałych za pomocą dodatków katalitycznych do paliw – mokre filtr DPF. Regeneracja filtra cząstek stałych dzieli się na proces pasywny i aktywny. W procesie pasywnym oczyszczanie cząstek stałych następuje automatycznie w wyniku wysokiej temperatury, którą układ wydechowy może osiągnąć w sposób naturalny. W temperaturze 300-500°C cząstki stałe są utleniane za pomocą dwutlenku azotu powstającego na warstwie katalitycznej filtra cząstek stałych. Powyżej tej temperatury cząstki stałe są spalane. Aktywny proces wymaga sztucznego zwiększenia temperatury filtra cząstek stałych do około 550°C. Można to osiągnąć na kilka sposobów – zmieniając charakterystykę wtrysku paliwa do cylindra, wtrysku paliwa do układu wydechowego lub stosując grzałkę elektryczną. Strategia kontrolowania procesów regeneracji filtra cząstek stałych jest niezwykle istotna.
• Lean Nox Trap (LNT) – znany również jako katalizator magazynujący i redukujący NOx, stosowany szczególnie w silnikach z ubogim spalaniem, takich jak silniki wysokoprężne. Jego podstawową funkcją jest redukcja emisji tlenków azotu (NOx). Podczas normalnej pracy LNT magazynuje NOx na powierzchni katalizatora. Aby przekształcić zgromadzone NOx w azot i wodę, silnik przełącza się w tryb spalania bogatej mieszanki, umożliwiając uwolnienie i redukcję zgromadzonych NOx.
• Selektywna redukcja katalityczna (SCR) – systemy SCR są wykorzystywane do redukcji emisji NOx – głównie w silnikach wysokoprężnych. Proces ten polega na wtryskiwaniu roztworu mocznika (AdBlue) do strumienia spalin, który przekształca NOx w azot i wodę. Płyn AdBlue jest bezbarwny i bezwonny i składa się z 32,5% roztworu mocznika w wodzie. W wyniku reakcji termolizy i hydrolizy, amoniak jest wytwarzany z mocznika podczas wtrysku do układu wydechowego przed reaktorem katalitycznym SCR. Warstwa katalizatorów pokrywająca rdzeń reaktora powoduje adsorpcję amoniaku powstałego z AdBlue na powierzchni reaktora. Spaliny przepływające przez reaktor katalityczny SCR wchodzą w reakcję chemiczną z amoniakiem, w wyniku której powstaje azot i woda, redukując toksyczną ogólną ilość NOx. Obecność amoniaku w spalinach jest niezbędna dla skuteczności działania systemu SCR, jednak wysokie stężenie nieprzereagowanego amoniaku opuszczającego układ wydechowy jest niedopuszczalne – poślizg amoniaku. Nadmiar amoniaku może spowodować awarię układu, np. wycieki AdBlue z wtryskiwacza, zbyt niską temperaturę lub proces czyszczenia układu po zatrzymaniu silnika. Aby ograniczyć uwalnianie amoniaku, można zastosować katalizator ASC (Ammonia Slip Catalyst), który utlenia amoniak do azotu i wody.

Synergia rozwiązań wewnętrznych i pozasilnikowych dla czystszych emisji

Osiągnięcie czystszej emisji spalin z silników spalinowych (ICE) wymaga wieloaspektowego podejścia, obejmującego zarówno pierwotne, jak i wtórne metody redukcji szkodliwych zanieczyszczeń. Technologie stosowane w samym silniku, takie jak recyrkulacja spalin (EGR) i zaawansowane układy wtrysku paliwa, znacząco przyczyniają się do redukcji emisji bezpośrednio na poziomie jednostki napędowej. Jednak równie istotne są rozwiązania pozasilnikowe zintegrowane w układzie wydechowym. Technologie takie jak katalizatory, filtry cząstek stałych, Lean Nox Traps (LNT) i systemy selektywnej redukcji katalitycznej (SCR) odgrywają kluczową rolę w redukcji tlenków azotu (NOx), tlenku węgla (CO), cząstek stałych (PM) i innych szkodliwych zanieczyszczeń. Innowacje te pomagają zapewnić, że silniki spełniają coraz bardziej rygorystyczne normy emisji.

Jednak w miarę zaostrzania się regulacji emisyjnych, integracja tych systemów staje się niezbędna do spełnienia wymaganych norm, zwłaszcza w silnikach wysokoprężnych. Pomimo złożoności i wzrostu kosztów, jakie niesie wdrażanie tych rozwiązań, ich potencjalna skuteczność w oczyszczaniu spalin z powietrza wchodzącego do silnika podkreśla potencjał silników spalinowych w zakresie przyszłych wysiłków na rzecz redukcji zanieczyszczeń, szczególnie w obszarach silnie zurbanizowanych. Ciągły rozwój tych technologii daje ogromne nadzieje na poprawę jakości powietrza i postęp w kierunku bardziej zrównoważonej przyszłości motoryzacji.

Jakub Szylar

Project Leader, Układy napędowe

Od zawsze pasjonowałem się motoryzacją. Niektórzy twierdzą, że musiałem urodzić się w garażu, ale to mój ojciec, mechanik samochodowy, wprowadził mnie w świat motoryzacji. Jako Project Leader w Endego czuję się kreatywny i odpowiedzialny za wyniki pracy, które przynoszą satysfakcję naszym klientom. Wykonując zarówno czynności projektowe, jak i zarządcze, mogę być częścią każdego zespołu na drodze do sukcesu.