Czy tlenki azotu to gwóźdź do trumny dla silników Diesla? Prawda czy fałsz?
Od kilku miesiÄ™cy 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 sÄ… same w sobie zÅ‚e, lub nie nadajÄ… siÄ™ do ruchu miejskiego? Nie podzielam tej opinii, ale sÅ‚yszaÅ‚em takie wypowiedzi. Najprawdopodobniej sÄ… motywowane wnioskami z wybuchu afery dieslowej w 2015 roku.
Sama afera dieslowa nie jest tematem tego artykuÅ‚u, ponieważ nie da siÄ™ nakreÅ›lić caÅ‚ej sytuacji jednym artykuÅ‚em (a nie wszystko w tym temacie jeszcze wiadomo), jednak jej wpÅ‚yw nie pozostaje bez znaczenia w kontekÅ›cie tlenków azotu.
ChciaÅ‚bym przedstawić przyczynÄ™ obecnej niechÄ™ci wÅ‚adz niemieckich i europejskich (w koÅ„cu skÄ…dÅ› te normy emisji spalin siÄ™ biorÄ…) do zapÅ‚onu samoczynnego w miastach. Problemem w tym wszystkim jest stężenie w powietrzu rzeczonych w tytule tlenków azotu, czyli NOx-ów. W dużych miastach jest wiÄ™cej samochodów, wiÄ™c i stężenie tlenków azotu w powietrzu jest wiÄ™ksze.
Dlaczego tlenki azotu sÄ… szkodliwe?
Stwierdzono, że tlenki azotu, zwÅ‚aszcza w wysokim stężeniu, majÄ… szkodliwy wpÅ‚yw na organizmy żywe, Åšwiatowa Organizacja Zdrowia zaliczyÅ‚a je do substancji rakotwórczych. PrzyczyniajÄ… siÄ™ też do powstawania kwaÅ›nych deszczów, ponieważ sÄ… bezwodnikami kwasowymi, które łączÄ…c siÄ™ z wodÄ… w atmosferze spadajÄ… pod postaciÄ… kwasów azotowych. Nie jestem ekspertem z dziedziny biologii, ale ufam innym ekspertom wÅ‚aÅ›nie z tej dziedziny i uznajÄ™, że sÅ‚usznym jest ograniczanie emisji tych skÅ‚adników powietrza.
Czy tylko tlenki azotu w spalinach sÄ… szkodliwe?
Nie, ale sÄ… najbardziej „problematyczne” ze skÅ‚adników spalin w procesach ich oczyszczania. Dodam tylko, że spaliny z silnika benzynowego sÄ… Å‚atwiejsze do kontroli NOx-ów, ale dokÅ‚adniej wyjaÅ›niÄ™ to w dalszej części artykuÅ‚u.
SkÄ…d siÄ™ biorÄ… tlenki azotu w spalinach?
Tlenki azotu powstajÄ… przez syntezÄ™ tlenu i azotu z powietrza pod wpÅ‚ywem wysokiej temperatury (1500 stopni Celsjusza i powyżej). PowstajÄ… zarówno przy spalaniu benzyny i oleju napÄ™dowego. Tlen i azot to gÅ‚ówne skÅ‚adniki Å›wieżego powietrza, wystÄ™pujÄ…ce oddzielnie sÄ… nieszkodliwe, jednak w zwiÄ…zku ze sobÄ… stajÄ… siÄ™ szkodliwe, o czym już wspomniaÅ‚em.
W silniku benzynowym wyposażonym w ukÅ‚ad poÅ›redniego wtrysku (MPI i starsze) dąży siÄ™ do utworzenia jednorodnej (homogenicznej) mieszanki paliwowo-powietrznej, gdzie opary paliwa tworzÄ… z powietrzem jeden „gazowy monolit”. Ilość paliwa jest uzależniona od iloÅ›ci powietrza w komorze spalania, a nad iloÅ›ciÄ… powietrza ma siÄ™ kontrolÄ™ najczęściej poprzez sterowanie zaworem zwanym przepustnicÄ…. Ilość paliwa zaÅ› dobierana jest przez ukÅ‚ad sterowania silnikiem tak, by stosunek iloÅ›ci powietrza do paliwa byÅ‚ odpowiedni do zapÅ‚onu mieszanki i tworzÄ…cych siÄ™ spalin, jest to tak zwana mieszanka o wspóÅ‚czynniku lambda równym 1. Czyli idealnÄ… sytuacjÄ… by byÅ‚ stan, w którym caÅ‚y tlen zostaÅ‚by zużyty do spalenia paliwa, a nic by nie zostaÅ‚o do powstania tlenków azotu. Wiemy jednak, że nie żyjemy w Å›wiecie gazów idealnych, a reakcje zachodzÄ… jednoczeÅ›nie i trwajÄ… bardzo krótko. Wystarczy sobie to Å‚atwo przeliczyć – w jednym cylindrze silnika czterosuwowego wystÄ™puje jedno spalanie na dwa obroty silnika, czyli przy prÄ™dkoÅ›ci obrotowej 4000 obr/min w ciÄ…gu minuty wystÄ™puje 2000 spalaÅ„ (a w ciÄ…gu sekundy okoÅ‚o 33).
W silnikach benzynowych wyposażonych we wtrysk bezpoÅ›redni ich gÅ‚ównÄ… zaletÄ… jest celowe tworzenie mieszanki ubogiej przy niskich i Å›rednich obciążeniach silnika. Jest możliwe, a wrÄ™cz pożądane, by paliwa w mieszance byÅ‚o mniej niż w przypadku poprzednio opisanych ukÅ‚adów, ponieważ możliwe jest tu tworzenie mieszanki uwarstwionej, czyli niehomogenicznej. W caÅ‚ej objÄ™toÅ›ci komory spalania nie ma już „monolitu”, a mieszanka różni siÄ™ lokalnie w caÅ‚ej objÄ™toÅ›ci pod wzglÄ™dem wartoÅ›ci wspóÅ‚czynnika lambda. UkÅ‚ad sterowania wtryskiem dobiera tak dawkÄ™ paliwa, by mieszanka o lokalnej lambdzie równej 1 wystÄ…piÅ‚a w momencie i miejscu inicjacji zapÅ‚onu przez Å›wiecÄ™. ZaletÄ… ukÅ‚adu jest mniejsze zużycie paliwa – dobiera siÄ™ przecież mniej paliwa do objÄ™toÅ›ci komory spalania niż przy mieszance homogenicznej. GÅ‚ównÄ… wadÄ… jest natomiast nadmiar tlenu, który w wysokiej temperaturze reaguje wÅ‚aÅ›nie z azotem, tworzÄ…c NOx-y. Sposobem na to jest oczyszczenie spalin z tego szkodliwego zwiÄ…zku, lub rozrzedzenie zawartoÅ›ci tlenu w mieszance paliwowo powietrznej, na przykÅ‚ad spalinami.
W silnikach Diesla nie kontroluje siÄ™ iloÅ›ci dostarczanego powietrza do komory spalania, jedynie siÄ™ jÄ… mierzy przepÅ‚ywomierzem. Dąży siÄ™ naturalnie do tego, by ilość powietrza byÅ‚a jak najwiÄ™ksza, turbosprężarki zwiÄ™kszajÄ…c ciÅ›nienie zwiÄ™kszajÄ… masÄ™ dostarczanego powietrza, a chÅ‚odnice powietrza dolotowego (intercoolery) zmniejszajÄ…c temperaturÄ™ powietrza zwiÄ™kszajÄ… jego gÄ™stość (czyli przy równej objÄ™toÅ›ci – wiÄ™cej masy). Moment obrotowy silnika kontroluje siÄ™ jakoÅ›ciÄ… mieszanki paliwowo-powietrznej, czyli im wiÄ™cej oleju napÄ™dowego siÄ™ doprowadzi do silnika, tym wiÄ™cej silnik dostarcza mocy. Jednak praktycznie niemożliwe jest doprowadzenie do sytuacji, że caÅ‚y tlen z powietrza zostanie użyty do utlenienia paliwa. Wynika to nie tylko z faktu, że paliwa jest na ogóÅ‚ za maÅ‚o, ale również z samego charakteru rozpylenia oleju napÄ™dowego i jego spalania. W silnikach Diesla również stosuje siÄ™ ukÅ‚ady recyrkulacji spalin, by rozrzedzić tlen, którego nadmiar łączy siÄ™ z azotem tworzÄ…c NOx-y. Tlenu dostarczanego do silnika Diesla jest natomiast tyle, że wystarcza go na spalanie paliwa, tworzenie tlenków azotu i jeszcze zostaje jako skÅ‚adnik spalin.
Sposoby oczyszczania spalin
Trójdrożny reaktor katalityczny* radzi sobie z redukcjÄ… tlenków azotu, jednak ta technologia, choć bardzo dobrze znana i powszechnie stosowana, nie nadaje siÄ™ do oczyszczania spalin w silnikach Diesla. Jest to spowodowane tym, że:
- z racji, iż w ukÅ‚adzie dolotowym silników Diesla nie ma na ogóÅ‚ przepustnicy, nad przepÅ‚ywem powietrza ma siÄ™ ograniczonÄ… kontrolÄ™. Dlatego wzglÄ™dnie duży przepÅ‚yw powietrza i spalin przez ukÅ‚ad wylotowy (np. na jaÅ‚owych obrotach lub przy hamowaniu silnikiem) intensywnie chÅ‚odzi reaktor katalityczny, którego temperatura pracy wynosi od 450 do nawet 1000 stopni Celsjusza,
- spaliny z silnika o zapÅ‚onie samoczynnym zawierajÄ… w sobie o wiele wiÄ™cej tlenu niż z silnika o zapÅ‚onie iskrowym (jak wyżej wspomniaÅ‚em). A tlen jest bardziej aktywny w reakcjach z jakimkolwiek reduktorem NOx-ów, wiÄ™c ich zastosowanie nie przynosiÅ‚oby efektów w postaci neutralizacji tych zwiÄ…zków do azotu, pary wodnej i dwutlenku wÄ™gla.
StÄ…d moje poprzednie stwierdzenie, że NOx-y w spalinach z silnika benzynowego sÄ… Å‚atwiejsze do uporania siÄ™. A do oczyszczania spalin z silnika Diesla używa siÄ™ obecnie dwóch innych technologii – LNT i SCR.
PuÅ‚apki tlenków azotu – Lean NOx Trap (LNT) – jest to element ukÅ‚adu wylotowego zawierajÄ…cy w swojej konstrukcji pÅ‚aszcz zeolitowy. Zeolity to grupa mineraÅ‚ów, które Å›wietnie pochÅ‚aniajÄ… tlenki azotu, jak i inne substancje. Użycie LNT wiąże siÄ™ z dwoma gÅ‚ównymi 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 Å‚atwiej absorbuje tlenki siarki, dlatego ważnym jest tankowanie oleju napÄ™dowego dobrej jakoÅ›ci. Tlenków siarki ponadto trudniej siÄ™ pozbyć z pÅ‚aszcza zeolitowego.
DrugÄ… z technologii jest selektywna redukcja katalityczna (Selective Catalyst Reduction – SCR). Polega na redukcji NOx-ów przy użyciu amoniaku. Amoniak w reaktorze powstaje wskutek rozkÅ‚adu mocznika, którego roztwór jest doprowadzany do reaktora z dodatkowego zbiornika pÅ‚ynu szerzej znanego jako AdBlue®. AdBlue® to 32,5% wodny roztwór mocznika - (CO(NH2)2), czyli również zwiÄ…zku azotu, który jest skÅ‚adnikiem chociażby naszej krwi. Problemem w tym ukÅ‚adzie jest wÅ‚aÅ›nie ten pÅ‚yn, którego napeÅ‚nianie może być problematyczne dla wÅ‚aÅ›cicieli aut z tym ukÅ‚adem. Jest jednak bardzo skuteczny i prócz napeÅ‚niania zbiornika nie wymaga regeneracji. Reaktor SCR, w którym zachodzi redukcja NOx-ów wystÄ™puje w parze z reaktorem ASC (Ammonia Slip Catalyst) rozkÅ‚adajÄ…cym amoniak, który również jest substancjÄ… toksycznÄ….
Zużycie AdBlue® uzależnione jest od chwilowej emisji NOx-ów, a ta zależy od stylu jazdy. NajwiÄ™cej tlenków azotu wydziela siÄ™ podczas jazdy na niskich obrotach przy dużym obciążeniu, czyli na zbyt wysokim biegu. Może siÄ™ wiÄ™c wydawać, że silnik Diesla traci tu jednÄ… ze swoich najważniejszych zalet, czyli wysoki moment obrotowy przy niższej prÄ™dkoÅ›ci obrotowej. Producenci pojazdów ksztaÅ‚tujÄ… wiÄ™c krzywe momentu obrotowego tak, by znaleźć kompromis miÄ™dzy zużyciem AdBlue® a osiÄ…gami pojazdu.
Innym sposobem na wyeliminowanie emisji tlenków azotu z transportu jest wyeliminowanie silników spalinowych z transportu. Ale to już zupeÅ‚nie inna historia...
* Bardziej wÅ‚aÅ›ciwym polskim terminem na trójdrożny reaktor katalityczny, który utarÅ‚ siÄ™ w polskiej literaturze fachowej, byÅ‚by „trójfunkcyjny”, ale w angielskim ten termin to „three-way catalytic converter, TWC”, a „way” to przecież „droga” lub „sposób”). Przymiotnik „trójdrożny” w nazwie bierze siÄ™ stÄ…d, że nastÄ™puje w reaktorze neutralizacja trzech rodzajów zwiÄ…zków – CO, NOx i HC.
Maciej Sidorowicz