Ekologiczne układy wydechowe

Fot. Walker

Przekrój tłumika o konstrukcji absorbcyjno-komorowej

Gazowe i stałe produkty spalania wytwarzane w silnikach pojazdów drogowych są obecnie bardzo poważnym zagrożeniem dla naszego środowiska naturalnego, zarówno w lokalnej, jak i globalnej skali.

Składniki motoryzacyjnych spalin zwykło się tradycyjnie dzielić na nieszkodliwe i szkodliwe. Do pierwszych zaliczano: azot, dwutlenek węgla, parę wodną i tlen oraz śladowe domieszki gazów szlachetnych, a także tzw. cząstki stałe, czyli głównie węglową sadzę, do drugich zaś: tlenek węgla, lotne węglowodory - jako gazy toksyczne oraz tlenki azotu odpowiedzialne wraz z tlenkami siarki za powstawanie tzw. kwaśnych deszczów. Wyniki nowszych badań naukowych częściowo podważyły tę tradycyjną klasyfikację. Okazało się bowiem, iż węglowe cząstki stałe mają działanie rakotwórcze, a zwiększone stężenie dwutlenku węgla w ziemskiej atmosferze powoduje tzw. efekt szklarniowy, czyli ogólne ocieplenie globalnego klimatu. Warstwa CO2 rozpościera się bowiem równomiernie w górnych partiach atmosfery, tworząc przezroczystą, lecz równocześnie termoizolacyjną przegrodę. Promienie słoneczne przenikają przez nią swobodnie, nagrzewając powierzchnie lądów i wód, jednak ciepło z nagrzanego globu nie jest w dostatecznym stopniu wypromieniowywane w kosmos, gdyż cieplne promienie odbijają się od warstwy dwutlenku węgla i ponownie podgrzewają Ziemię.

Wzrost temperatury o 1^oC w pasie równikowym przesuwa granicę obszarów pustynnych o 400 km na północ i równocześnie powoduje podniesienie się temperatury na biegunach o 7 do 8 stopni. W efekcie więc globalne ocieplenie przyspiesza proces topnienia lodowców i mas lodu zalegających północny i południowy biegun Ziemi. Całkowite ich stopnienie podniosłoby poziom mórz o 14 metrów.

Świadomość wszystkich wymienionych zagrożeń zmobilizowała społeczność międzynarodową do wprowadzenia stosownych regulacji prawnych, ograniczających emisję niepożądanych składników motoryzacyjnych spalin. W Europie akty te nazywane są powszechnie normami EURO i wydawane były już w czterech stopniowo zaostrzanych edycjach. Piąta ma wejść w życie w następnym roku. Do spełniania wymogów tych norm zobowiązani są producenci pojazdów i ich elementów istotnych z punktu widzenia emisji spalin.

	Przebieg procesów spalania w cylindrach spalinowych silników zależy w znacznej mierze od regulacji przepływu gazów w integralnym ciągu sięgającym od filtra powietrza aż do końcówki rury wydechowej. Zespół urządzeń, zwanych ogólnie układem wydechowym, pełni w tej regulacji istotną rolę, ponieważ ma on określoną, dokładnie dobraną do konkretnego modelu silnika, charakterystykę aerodynamiczną i akustyczną. Jej najważniejszym parametrem jest tzw. ciśnienie zwrotne, występujące w przewodzie wylotowym cylindra w momencie otwierania się zaworu wydechowego. Od wartości ciśnienia zwrotnego zależy intensywność przepływu spalin z cylindra do układu wydechowego. Gdy ciśnienie to jest zbyt niskie, spaliny opuszczają cylinder za szybko, porywając ze sobą część świeżego powietrza lub mieszanki paliwowo-powietrznej, dopływających w tym czasie przez otwarty zawór dolotowy. W efekcie cylinder zostaje gorzej napełniony, więc spada moc silnika i rośnie jednostkowe zużycie paliwa, powodując z większoną emisję CO2. Do układu wydechowego przedostaje się tlen atmosferyczny i paliwo, w wyniku czego zwiększa się zawartość węglowodorów w spalinach, katalizator i tłumiki ulegają przyspieszonemu zużyciu, a w skrajnych wypadkach następuje nawet całkowite ich zniszczenie na skutek wybuchu nagromadzonej mieszaniny palnej.
^{Rys.: Katalizator Walker (u góry) przeznaczony do silników ZI ma pod powłoką platynową warstwę pośrednią typu Wash Coat}

^{Rys.: Filtr cząstek stałych tej samej marki do silników ZS}

Jeśli ciśnienie zwrotne jest zbyt wysokie, przepływ gazów przez cylinder ulega zahamowaniu. Powoduje to spadek mocy silnika, wzrost temperatury w komorach spalania (zwiększający emisję tlenków azotu) i przyspieszone zużycie (wypalanie) zaworów wydechowych.

Wartość ciśnienia zwrotnego zależy od długości układu wydechowego i rodzaju zastosowanych tłumików. Długość musi być tak dobrana, by powracająca w stronę silnika fala akustyczna odbita od końcówki rury wydechowej osiągała założone przez konstruktora ciśnienie w pobliżu zaworu wydechowego (fala ta odznacza się regularną oscylacją ciśnienia od minimum do maksimum).

Tłumiki wpływają na wartość ciśnienia zwrotnego na skutek hamowania przepływu spalin. Dwie główne odmiany konstrukcyjne tłumików wydechowych dają podobne efekty pod względem redukcji emisji hałasu, lecz różnią się zasadniczo charakterystycznymi dla nich oporami przepływu. W odmianie absorpcyjnej spaliny przepuszczane są perforowanym przewodem przez komorę wypełnioną wełną mineralną tłumiącą dźwięki, zwłaszcza te o wysokich częstotliwościach. Opory przepływu, a zatem i ciśnienie zwrotne, są bardzo niskie. Odmiana komorowa wymusza przepływ spalin przez labiryntowy układ perforowanych przewodów i komór rezonansowych, dzięki czemu tłumi fale akustyczne (szczególnie te o niskich częstotliwościach) metodą interferencyjną. Odznacza się stosunkowo dużymi oporami aerodynamicznymi, czyli wysokim ciśnieniem zwrotnym.

Optymalne tłumienie uzyskuje się przeważnie przez połączenie systemu absorpcyjnego z komorowym w jednym zintegrowanym tłumiku. Tak konstruuje się obecnie aż 80% modeli tłumików samochodowych. W najnowszej generacji tych urządzeń stosowane są także samoczynne zawory, modyfikujące parametry akustyczne tłumika stosownie do aktualnych warunków jego pracy.

Z powyższych względów jako części zamiennych do układów wydechowych należy używać wyłącznie produktów homologowanych dla danego modelu pojazdu, czyli spełniających oryginalne wymagania pod względem emisji hałasu i ciśnienia zwrotnego.

Do neutralizacji szkodliwych składników spalin silników z zapłonem iskrowym używane są dziś powszechnie urządzenia zwane potocznie trójfunkcyjnymi katalizatorami wydechowymi, współpracujące z czujnikami składu mieszanki paliwowo-powietrznej lambda. W obecności katalizatora platynowego zachodzi w niech redukcja tlenków azotu na azot i tlen, wykorzystywany następnie do utleniania węglowodorów i tlenku węgla. Produktami tych ostatnich reakcji są para wodna i dwutlenek węgla. Układ działa poprawnie, gdy proporcje gazów uczestniczących w reakcjach redukcji i utleniania są odpowiednio zbilansowane, co wymaga utrzymywania stechiometrycznego składu mieszanki zużywanej przez silnik. Z katalityczną obróbką spalin wiąże się jednak problem trwałości i kosztów urządzenia opartego na wykorzystaniu czystej platyny. Istotny postęp w tej dziedzinie zapewnia rozwiązanie oferowane przez firmę Walker pod nazwą Wash Coat. Jest to warstwa pośrednia, zapewniająca doskonałą przyczepność powłoki platynowej do nośnego podłoża. Dzięki temu grubość warstwy platyny może być zredukowana do absolutnego minimum, przy zachowaniu jej bardzo dużej powierzchni aktywnej.

Normatywne ograniczenie dopuszczalnej emisji cząstek stałych wymusza stosowanie w układach wydechowych silników wysokoprężnych filtrów typu DPF. Po zatrzymaniu pewnej ilości sadzy filtr DPF wymaga zregenerowania, które polega na wypaleniu sadzy za pomocą tlenu i energii cieplnej uzyskanej dzięki dodatkowemu wtryskowi paliwa. W reakcji tej uczestniczy dodatek (Eolys), zmniejszający zapotrzebowanie na energię zewnętrzną. Preparat ten jest mieszany z paliwem przez samoczynny dozownik.

Wadą tego rozwiązania jest odkładanie się stałych produktów reakcji w filtrze, co prowadzi to do niepożądanego wzrostu ciśnienia zwrotnego gazów wydechowych. Z tego powodu filtr trzeba okresowo czyścić, zwykle co 80 000 km przebiegu pojazdu.