Czy tlenki azotu to gwóźdź do trumny dla silników Diesla? Prawda czy fałsz?

Od kilku miesięcy trwa w Niemczech ożywiona dyskusja na temat zakazu wjazdu do centrów dużych miast pojazdów wyposażonych w starsze generacje silnika Diesla. Chodzi o normy emisji spalin Euro 5 i niżej. Co stanowi problem? Czy silniki Diesla są same w sobie złe, lub nie nadają się do ruchu miejskiego? Nie podzielam tej opinii, ale słyszałem takie wypowiedzi. Najprawdopodobniej są motywowane wnioskami z wybuchu afery dieslowej w 2015 roku.

Sama afera dieslowa nie jest tematem tego artykułu, ponieważ nie da się nakreślić całej sytuacji jednym artykułem (a nie wszystko w tym temacie jeszcze wiadomo), jednak jej wpływ nie pozostaje bez znaczenia w kontekście tlenków azotu.

Chciałbym przedstawić przyczynę obecnej niechęci władz niemieckich i europejskich (w końcu skądś te normy emisji spalin się biorą) do zapłonu samoczynnego w miastach. Problemem w tym wszystkim jest stężenie w powietrzu rzeczonych w tytule tlenków azotu, czyli NOx-ów. W dużych miastach jest więcej samochodów, więc i stężenie tlenków azotu w powietrzu jest większe.

Dlaczego tlenki azotu są szkodliwe?

Stwierdzono, że tlenki azotu, zwłaszcza w wysokim stężeniu, mają szkodliwy wpływ na organizmy żywe, Światowa Organizacja Zdrowia zaliczyła je do substancji rakotwórczych. Przyczyniają się też do powstawania kwaśnych deszczów, ponieważ są bezwodnikami kwasowymi, które łącząc się z wodą w atmosferze spadają pod postacią kwasów azotowych. Nie jestem ekspertem z dziedziny biologii, ale ufam innym ekspertom właśnie z tej dziedziny i uznaję, że słusznym jest ograniczanie emisji tych składników powietrza.

Czy tylko tlenki azotu w spalinach są szkodliwe?

Nie, ale są najbardziej „problematyczne” ze składników spalin w procesach ich oczyszczania. Dodam tylko, że spaliny z silnika benzynowego są łatwiejsze do kontroli NOx-ów, ale dokładniej wyjaśnię to w dalszej części artykułu.

Skąd się biorą tlenki azotu w spalinach?

Tlenki azotu powstają przez syntezę tlenu i azotu z powietrza pod wpływem wysokiej temperatury (1500 stopni Celsjusza i powyżej). Powstają zarówno przy spalaniu benzyny i oleju napędowego. Tlen i azot to główne składniki świeżego powietrza, występujące oddzielnie są nieszkodliwe, jednak w związku ze sobą stają się szkodliwe, o czym już wspomniałem.

W silniku benzynowym wyposażonym w układ pośredniego wtrysku (MPI i starsze) dąży się do utworzenia jednorodnej (homogenicznej) mieszanki paliwowo-powietrznej, gdzie opary paliwa tworzą z powietrzem jeden „gazowy monolit”. Ilość paliwa jest uzależniona od ilości powietrza w komorze spalania, a nad ilością powietrza ma się kontrolę najczęściej poprzez sterowanie zaworem zwanym przepustnicą. Ilość paliwa zaś dobierana jest przez układ sterowania silnikiem tak, by stosunek ilości powietrza do paliwa był odpowiedni do zapłonu mieszanki i tworzących się spalin, jest to tak zwana mieszanka o współczynniku lambda równym 1. Czyli idealną sytuacją by był stan, w którym cały tlen zostałby zużyty do spalenia paliwa, a nic by nie zostało do powstania tlenków azotu. Wiemy jednak, że nie żyjemy w świecie gazów idealnych, a reakcje zachodzą jednocześnie i trwają bardzo krótko. Wystarczy sobie to łatwo przeliczyć – w jednym cylindrze silnika czterosuwowego występuje jedno spalanie na dwa obroty silnika, czyli przy prędkości obrotowej 4000 obr/min w ciągu minuty występuje 2000 spalań (a w ciągu sekundy około 33).

W silnikach benzynowych wyposażonych we wtrysk bezpośredni ich główną zaletą jest celowe tworzenie mieszanki ubogiej przy niskich i średnich obciążeniach silnika. Jest możliwe, a wręcz pożądane, by paliwa w mieszance było mniej niż w przypadku poprzednio opisanych układów, ponieważ możliwe jest tu tworzenie mieszanki uwarstwionej, czyli niehomogenicznej. W całej objętości komory spalania nie ma już „monolitu”, a mieszanka różni się lokalnie w całej objętości pod względem wartości współczynnika lambda. Układ sterowania wtryskiem dobiera tak dawkę paliwa, by mieszanka o lokalnej lambdzie równej 1 wystąpiła w momencie i miejscu inicjacji zapłonu przez świecę. Zaletą układu jest mniejsze zużycie paliwa – dobiera się przecież mniej paliwa do objętości komory spalania niż przy mieszance homogenicznej. Główną wadą jest natomiast nadmiar tlenu, który w wysokiej temperaturze reaguje właśnie z azotem, tworząc NOx-y. Sposobem na to jest oczyszczenie spalin z tego szkodliwego związku, lub rozrzedzenie zawartości tlenu w mieszance paliwowo powietrznej, na przykład spalinami.

W silnikach Diesla nie kontroluje się ilości dostarczanego powietrza do komory spalania, jedynie się ją mierzy przepływomierzem. Dąży się naturalnie do tego, by ilość powietrza była jak największa, turbosprężarki zwiększając ciśnienie zwiększają masę dostarczanego powietrza, a chłodnice powietrza dolotowego (intercoolery) zmniejszając temperaturę powietrza zwiększają jego gęstość (czyli przy równej objętości – więcej masy). Moment obrotowy silnika kontroluje się jakością mieszanki paliwowo-powietrznej, czyli im więcej oleju napędowego się doprowadzi do silnika, tym więcej silnik dostarcza mocy. Jednak praktycznie niemożliwe jest doprowadzenie do sytuacji, że cały tlen z powietrza zostanie użyty do utlenienia paliwa. Wynika to nie tylko z faktu, że paliwa jest na ogół za mało, ale również z samego charakteru rozpylenia oleju napędowego i jego spalania. W silnikach Diesla również stosuje się układy recyrkulacji spalin, by rozrzedzić tlen, którego nadmiar łączy się z azotem tworząc NOx-y. Tlenu dostarczanego do silnika Diesla jest natomiast tyle, że wystarcza go na spalanie paliwa, tworzenie tlenków azotu i jeszcze zostaje jako składnik spalin.

Sposoby oczyszczania spalin

Trójdrożny reaktor katalityczny* radzi sobie z redukcją tlenków azotu, jednak ta technologia, choć bardzo dobrze znana i powszechnie stosowana, nie nadaje się do oczyszczania spalin w silnikach Diesla. Jest to spowodowane tym, że:

- z racji, iż w układzie dolotowym silników Diesla nie ma na ogół przepustnicy, nad przepływem powietrza ma się ograniczoną kontrolę. Dlatego względnie duży przepływ powietrza i spalin przez układ wylotowy (np. na jałowych obrotach lub przy hamowaniu silnikiem) intensywnie chłodzi reaktor katalityczny, którego temperatura pracy wynosi od 450 do nawet 1000 stopni Celsjusza,

- spaliny z silnika o zapłonie samoczynnym zawierają w sobie o wiele więcej tlenu niż z silnika o zapłonie iskrowym (jak wyżej wspomniałem). A tlen jest bardziej aktywny w reakcjach z jakimkolwiek reduktorem NOx-ów, więc ich zastosowanie nie przynosiłoby efektów w postaci neutralizacji tych związków do azotu, pary wodnej i dwutlenku węgla.

Stąd moje poprzednie stwierdzenie, że NOx-y w spalinach z silnika benzynowego są łatwiejsze do uporania się. A do oczyszczania spalin z silnika Diesla używa się obecnie dwóch innych technologii – LNT i SCR.

Pułapki tlenków azotu – Lean NOx Trap (LNT) – jest to element układu wylotowego zawierający w swojej konstrukcji płaszcz zeolitowy. Zeolity to grupa minerałów, które świetnie pochłaniają tlenki azotu, jak i inne substancje. Użycie LNT wiąże się z dwoma głównymi problemami:

- mają ograniczoną pojemność, dlatego by długo służyły muszą być poddawane okresowej regeneracji (zazwyczaj oznacza to podgrzanie do określonej temperatury), a po każdej z nich LNT ma obniżoną skuteczność,

- LNT łatwiej absorbuje tlenki siarki, dlatego ważnym jest tankowanie oleju napędowego dobrej jakości. Tlenków siarki ponadto trudniej się pozbyć z płaszcza zeolitowego.

Drugą z technologii jest selektywna redukcja katalityczna (Selective Catalyst Reduction – SCR). Polega na redukcji NOx-ów przy użyciu amoniaku. Amoniak w reaktorze powstaje wskutek rozkładu mocznika, którego roztwór jest doprowadzany do reaktora z dodatkowego zbiornika płynu szerzej znanego jako AdBlue®. AdBlue® to 32,5% wodny roztwór mocznika - (CO(NH2)2), czyli również związku azotu, który jest składnikiem chociażby naszej krwi. Problemem w tym układzie jest właśnie ten płyn, którego napełnianie może być problematyczne dla właścicieli aut z tym układem. Jest jednak bardzo skuteczny i prócz napełniania zbiornika nie wymaga regeneracji. Reaktor SCR, w którym zachodzi redukcja NOx-ów występuje w parze z reaktorem ASC (Ammonia Slip Catalyst) rozkładającym amoniak, który również jest substancją toksyczną.

Zużycie AdBlue® uzależnione jest od chwilowej emisji NOx-ów, a ta zależy od stylu jazdy. Najwięcej tlenków azotu wydziela się podczas jazdy na niskich obrotach przy dużym obciążeniu, czyli na zbyt wysokim biegu. Może się więc wydawać, że silnik Diesla traci tu jedną ze swoich najważniejszych zalet, czyli wysoki moment obrotowy przy niższej prędkości obrotowej. Producenci pojazdów kształtują więc krzywe momentu obrotowego tak, by znaleźć kompromis między zużyciem AdBlue® a osiągami pojazdu.

Innym sposobem na wyeliminowanie emisji tlenków azotu z transportu jest wyeliminowanie silników spalinowych z transportu. Ale to już zupełnie inna historia...

* Bardziej właściwym polskim terminem na trójdrożny reaktor katalityczny, który utarł się w polskiej literaturze fachowej, byłby „trójfunkcyjny”, ale w angielskim ten termin to „three-way catalytic converter, TWC”, a „way” to przecież „droga” lub „sposób”). Przymiotnik „trójdrożny” w nazwie bierze się stąd, że następuje w reaktorze neutralizacja trzech rodzajów związków – CO, NOx i HC.