22 let na trhu autoopravárenství

Snižování emisí oxidů dusíku – 1

Pokračování článku najdete v časopisu AutoEXPERT 10/2017.

 

<Barva zelená>

 

Technologie

Emisní systémy

 

<prosim logo PSA>

 

Zpracoval: Luboš Švamberg

Foto: archiv koncernu PSA

 

Snižování emisí oxidů dusíku – 1

 

Vážení čtenáři, opět se vracíme k systémům úpravy výfukových plynů vznětových motorů. Volně tak navazujeme na seriál Filtry pevných částic koncernu PSA, který jsme otiskovali v loňském roce. Ve spolupráci s Ing. Daliborem Krejčíkem, technickým školitelem Peugeot/Citroën/DS, se pojďme podívat na to, jak funguje současný emisní (ve firemním názvosloví „antiemisní“) systém u vozidel koncernu PSA a také na základní principy vzniku NOx.

 

Oxidy dusíku jsou látky nejvíce znečišťující ovzduší, NO a NO2 ve vyšších koncentracích negativně působí na zdraví člověka a poškozují rostliny. Emise oxidů dusíku vznikají při každém procesu spalování, přičemž podíl NO je 95 % a zbytek tvoří NO2. V důsledku dalšího ochlazování spalin dochází k postupné oxidaci NO na NO2 (obr. 1).

 

Při spalování nafty v zážehovém motoru vzniká určité množství zbytkových znečišťujících a neznečišťujících látek (obr. 2). Tyto látky pocházejí ze složitých chemických reakcí, probíhajících při spalování, a závisejí především na následujících faktorech:

– použitém palivu,

– provozní teplotě motoru,

– koncepci spalovacího prostoru,

– systému vstřikování,

– provozních podmínkách.

 

V malém množství vzniká také řada dalších nežádoucích sloučenin:

– oxid uhelnatý (CO),

– oxidy dusíku (NO+NO2, obecně NOx),

– nespálené uhlovodíky (HC),

– pevné částice – saze (C),

– těkavé organické sloučeniny (COV),

– sloučeniny obsahující kyslík (alkoholy, aldehydy atd.).

 

<M> Vznik oxidů dusíku (NOx) v motoru

Obecně se oxid definuje jako chemická sloučenina tvořená kyslíkem a jiným chemickým prvkem s nižší elektronegativitou. Oxidy dusíku (NOx) pocházejí zejména ze spalování paliv ve spalovacích prostorech. Jejich vznik má tři příčiny:

Teplo: N2 (vzduch) + O2 → 2 NO, pokud teplota překročí 1 400 °C.

Palivo: R-NH2 (dusík jako součást paliva) + O2 → NO + …

Přírodní příčina: N2 + CH (uhlovodíky) → HCN (kyanid vodíku) + N, potom NO               po jednotlivých etapách, a to i při nižší teplotě.

 

Teploty spalování dosahované v motoru s vnitřním spalováním (přibližně 2 300 °C) mají za následek vznik oxidu dusičitého (NO2), který vzniká oxidací oxidu dusnatého (NO). Protože spalování probíhá pomalu, tento oxid vzniká i v průběhu výfukového cyklu.

mg/km Euro 1
(01/01/93)
Euro 2
(01/01/96)
Euro 3
(01/01/00)
Euro 4
(01/01/06)
Euro 5
(01/09/09)
Euro 6
(01/09/15)
Oxid uhelnatý CO 2 720 1 000 640 500 500 500
Oxidy dusíku NOx 500 250 180 80
HC + NOx 970 700 (900) 560 300 230 170
Pevné částice (hmotnostně) 140 80 (100) 50 25 5 4,5
Počet pevných částic (PN) (#/km) 6×1011 6×1011

Tabulka 1: Evropské emisní normy.

 

<M> Snižování emisí NOX

Vývojové změny emisních předpisů (tabulka 1), zejména z hlediska emisí oxidů dusíku, nařizují následné zpracování výfukových plynů ve výfukovém potrubí před jejich vypuštěním do ovzduší.

 

Pro jejich snížení ve výfukových plynech se používá několik řešení:

 

  1. Zlepšení spalování úpravou motoru

– Optimalizace sacích a výfukových kanálů

– Vysoké vstřikovací tlaky

– Optimalizace spalovacího prostoru: tvar dna pístu, snížení kompresního poměru.

 

  1. Úprava výfukových plynů (tabulka 2)

 

Nízkotlaký EGR LNT SCR
Výhody – Zamezení vzniku NOx osvědčeným postupem

– Žádná další úprava systému

– Relativně jednoduchý systém

– Cena

– Hmotnost / velikost

– Vysoký potenciál redukce NOX (při nízké spotřebě paliva = nízká hodnota CO2)
Nevýhody – Zanášení motoru (karbonizace,…)

– Časová odezva systému

– Omezená účinnost systému (nutná nízká produkce NOX z motoru à navýšení spotřeby)

–  Navýšení spotřeby paliva při regeneraci katalyzátoru

– Doplňování Adblue

– Hmotnost / velikost

– Složitost

Tabulka 2: Výhody a nevýhody různých systémů pro snižování emisí NOX vznětových motorů.

 

  1. a) EGR

Jde o tzv. recirkulaci – přivádění – výfukových plynů do sání (EGR) vedlejším okruhem, ovládaným řídicí jednotkou motoru. Je to již mnoho let nejrozšířenější řešení, které umožňuje zpomalit hoření přivedením plynu s malým množstvím kyslíku místo vzduchu, což způsobí pokles teploty a tím také snížení NOx.

 

  1. b) LNT

Tato zkratka znamená Lean NOx Trap, někdy se systém označuje jako De-NOx. Jde o kombinaci běžného oxidačně-redukčního katalyzátoru a systému na zachytávání sloučenin NOx, který je předřazen před filtrem pevných částic, s nímž tvoří společnou jednotku.

 

  1. c) SCR

Systém je založen na principu redukce oxidů dusíku obsažených ve výfukových plynech.

Chemická reakce probíhající ve výfukovém potrubí se nazývá „Selektivní katalytická redukce“ (Selective Catalytic Reduction – SCR). Selektivní proto, protože se netýká všech chemických sloučenin obsažených ve výfukových plynech, ale je zaměřena pouze na oxidy dusíku (NOx). Její princip spočívá ve vstřikování redukční kapaliny (AdBlue® – roztok vody a močoviny) do výfukového potrubí, což umožní přeměnu oxidů dusíku na dusík a vodu při chemické reakci probíhající ve specifickém katalyzátoru.

 

<M> Systém snižování emisí SCR

My se zaměřím na poslední uvedený (a vlastně u osobních vozidel nejnovější) systém SCR, který osazují u svých vozů automobilky Peugeot a Citroën. Pro úpravu emisí se používá redukční kapalina, která se vstřikuje do výfukového potrubí před katalyzátor SCR (obr. 4) specifickým vstřikovačem (obr. 5). Syntetická redukční kapalina je roztok obsahující 32,5 % močoviny a zbytek je čistá demineralizovaná voda (norma ISO 22241, DIN 70700). Umožňuje přeměnit 85 až 100 % oxidů dusíku, obsažených ve výfukových plynech, na dusík a vodní páru. Působením vysoké teploty se močovina rozkládá na čpavek a oxid uhličitý. Čpavek reaguje s oxidy dusíku a redukční reakcí vzniká dusík a voda (obr. 6).

 

<M1> Redukční kapalina

Čistota AdBlue® (obr. 7) musí být zachována v celém průběhu jeho skladování a distribuce až ke konečnému použití v nádrži vozidla a jeho vstřikovacím systému. Bez zajištění dokonalé čistoty nebude systém SCR správně fungovat. Je třeba mít na paměti, že redukční roztok má omezenou dobu použitelnosti. V praxi to znamená, že při dlouhodobém stání vozidla, třeba v autobazaru, se redukční roztok rozkládá a vlastně přestane být funkční. Systémy vozidla sice vyhodnotí dostatek redukční kapaliny v nádrži, ale v podstatě jde již jen o neutrální kapalinu. S vozidlem sice bude možné nějaký čas jezdit, ale můžou nastat technické problémy (vstřikovač redukční kapaliny může třeba zůstat v otevřeném stavu…).

 

Příště představíme reálné technické provedení ve vozidle a seznáme vás se zkušenostmi z praxe.

 

Při zpracování bylo použito materiálů koncernu PSA.

 

 

<Popisky obr:>

Obr 1: Oxidy dusíku (NOX) a znečištění ovzduší.

Obr 2: Emise znečišťujících látek ze vznětového motoru.

Obr 3: Princip oxidace a redukce. Prvek, který při oxidačně-redukční reakci ztrácí elektron nebo elektrony, se nazývá „redukční činidlo“ (oxidační reakce). Prvek, který elektron nebo elektrony získává, se nazývá „oxidační činidlo“ (redukční reakce).

Obr 4: Skupina PSA využívá uspořádání SCR → FAP.

Obr 5: Schéma systému SCR ve vozidlech PSA.

„A“ – Výfukové plyny na výstupu z válců

„B“ – Výfukové plyny po oxidaci

„C“ – Redukční kapalina

„D“ – Vstřikování redukční kapaliny do výfukových plynů

„E“ – Selektivní katalytická redukce

„F“ – Výfukové plyny po filtraci pevných částic a redukci oxidů dusíku

„G“ – Elektrické vazby

„H“ – Síť „CAN emise“

Obr 6: Základní chemické reakce v systému SCR.

Obr 7: Redukční roztok vody a močoviny – například je to kapalina AdBlue®.