Pochłaniacze par paliw

Fot. Delphi

Elementy instalacji paliwowych produkowane przez firmę Delphi

Wielu z nas pamięta charakterystyczny zapach benzyny, unoszący się we wszystkich garażach i warsztatach. Jego obecność oznaczała systematyczne i groźne zatruwanie atmosfery węglowodorami.

Źródłem tej specyficznej woni były opary ulatniające się z systemu zasilania, zawierające takie składniki benzyny, jak mieszaniny węglowodorów alifatycznych (łańcuchowych) i aromatycznych (pierścieniowych). Ich uwalnianie się oznacza nie tylko ewentualny dyskomfort osób przebywających w ich zasięgu, lecz przede wszystkim poważny problem zanieczyszczenia środowiska.

Węglowodory uczestniczą w formowania smogu fotochemicznego, o którego szkodliwym działaniu przekonali się mieszkańcy wielu aglomeracji miejskich na całym świecie, poczynając od pierwszego przypadku, jaki miał miejsce w Los Angeles w roku 1943. Produkty reakcji fotochemicznej mają również szkodliwy wpływ na rośliny. Przyczyną jest głównie ozon. Pojawienie się tego gazu w troposferze wywołuje zupełnie inne skutki, niż jego obecność w górnych warstwach stratosferycznych. Na dużej wysokości chroni on organizmy żywe przed zabójczym promieniowaniem kosmicznym, lecz w pobliżu powierzchni ziemi, na skutek skomplikowanych procesów chemicznych, ozon staje się bardzo szkodliwy, gdyż wywołuje choroby układu oddechowego i oczu. Z tego powodu rządy wielu państw wprowadziły zapisy prawne, mające na celu kontrolę i ograniczenie emisji substancji sprzyjających powstawaniu smogu fotochemicznego, a więc również węglowodorów.

Motoryzacja należy do głównych źródeł zanieczyszczenia powietrza węglowodorami. Emitowane są one na skutek niecałkowitego spalania paliwa w silnikach oraz uwalniania się oparów z systemów paliwowych. Ocenia się, że to ostatnie źródło stanowi około 5% całkowitej emisji do atmosfery węglowodorów pochodzenia antropogenicznego, czyli wywołanego działalnością człowieka. Ten wskaźnik procentowy to około 5 milionów ton paliwa przenikającego do atmosfery w ciągu roku.

Sam mechanizm emisji węglowodorów lotnych z systemów paliwowych można przeanalizować na konkretnym przykładzie samochodu osobowego. Gdy wyjeżdżamy nim do pracy wczesnym rankiem, system paliwowy jest zimny po nocnym parkowaniu. W miarę przejeżdżanych kilometrów temperatura paliwa w zbiorniku rośnie, między innymi z powodu wydzielania ciepła przez wbudowaną w zbiornik pompę, a także na skutek powrotu ciepłego paliwa przewodem nadmiarowym z instalacji wtryskowej. Wzrost temperatury powoduje zwiększenie prężności par benzyny, które muszą być odprowadzane na zewnątrz zbiornika, by nie spowodowały uszkodzenia układu.

^{Rys.: Przyczyny i skutki powstawania smogu fotochemicznego}

Po przyjeździe do pracy jeszcze przez godzinę od momentu zaparkowania w systemie tworzą się opary paliwa. Główną przyczyną tego zjawiska jest rozchodzenie się ciepła z układu wydechowego, umieszczonego zwykle w sąsiedztwie zbiornika. Silnik i inne części pojazdu powoli stygną, ale kiedy nadchodzi południe, temperatura powietrza wzrasta, powodując wydzielanie się nowych oparów. Jeśli w drodze powrotnej tankujemy, paliwo napełniające zbiornik wypiera z niego gazy, czyli pary benzyny.

Ten opis jednego dnia użytkowania samochodu dowodzi, że wielkość emisji węglowodorów zależy od wielu czynników: konstrukcji systemu paliwowego, rodzaju stosowanego paliwa, sposobu użytkowania pojazdu oraz warunków atmosferycznych, w jakich jest on eksploatowany. Istotne jest także przenikanie węglowodorów przez tworzywa, z których wykonany jest system paliwowy. Wszystkie te okoliczności uwzględniane są w procesie badań i certyfikacji pojazdów samochodowych wyposażonych w silniki spalinowe zasilane benzyną, a pochłaniacz par paliw musi być kluczowym elementem systemu redukcji emisji węglowodorów lotnych.

Zasada działania pochłaniacza par paliw wykorzystuje cykliczne procesy adsorpcyjno-desorpcyjne, w trakcie których pary paliwa są najpierw gromadzone w pochłaniaczu, a następnie uwalniane i spalane w silniku. W sytuacji wzrostu ciśnienia par paliwa w zbiorniku, zamiast bezpośredniego uwolnienia do atmosfery, węglowodory adsorbowane są w pochłaniaczu, w odpowiednio dobranym materiale sorpcyjnym, bazującym na węglach aktywowanych. Mają o ne jednak ograniczoną pojemność i wymagają okresowej regeneracji. Odbywa się ona przy pracującym silniku, gdy zasysany do cylindrów strumień powietrza uwalnia węglowodory zaadsorbowane w pochłaniaczu. Szybkość desorpcji kontrolowana jest przez jednostkę sterującą silnika za pomocą odpowiedniego zaworu dozującego.

Samochodowa instalacja pochłaniania par paliwa. Z lewej: schemat ideowy, z prawej: regeneracja pochłaniacza

^{Rys.: Samochodowa instalacja pochłaniania par paliwa. Z lewej: schemat ideowy, z prawej: regeneracja pochłaniacza}

We współczesnych silnikach ilość węglowodorów dostarczanych z pochłaniacza do silnika może stanowić do 30% chwilowego zapotrzebowania na paliwo. Wynika stąd konieczność precyzyjnego sterowania dopływem węglowodorów z pochłaniacza z wykorzystaniem zaawansowanego algorytmu, którego celem jest wyeliminowanie potencjalnych zakłóceń pracy silnika i wzrostu stężenia substancji szkodliwych w gazach wydechowych.

Pochłaniacze par paliwa mogą mieć różne kształty i rozmiary. Różnice wynikają zarówno ze specyfiki konkretnego modelu samochodu, jak i z wymagań prawnych kraju, dla którego dany pojazd jest przeznaczony. Pochłaniacze w Europie są wyraźnie mniejsze od stosowanych w Stanach Zjednoczonych, gdyż ustawodawstwo EU nie wymaga, by pochłaniacz gromadził pary uwalniane podczas napełniania zbiornika. W Europie odpowiedzialne za to są stacje paliw i dlatego ich dystrybutory wyposażone są w dodatkowe rurki podciśnieniowe, umieszczone wewnątrz rury doprowadzającej paliwo do wlewu zbiornika.

Najsurowsze wymagania dotyczą pochłaniaczy do pojazdów sprzedawanych w amerykańskim stanie Kalifornia. Ilość węglowodorów odprowadzonych w ciągu doby przez pochłaniacz z systemu paliwowego do powietrza atmosferycznego nie może przekroczyć tam wielkości odpowiadającej mniej więcej 1/5 kropli paliwa. Oznacza to sprawność pochłaniania wynoszącą 99.95%. Bardzo ostre są też wymagania dotyczące systemu paliwowego (1 kropla na dobę) i całego samochodu (7 kropli). Te wyższe limity uwzględniają takie źródła emisji węglowodorów, jak przenikanie przez materiały (zwłaszcza tworzywa sztuczne) oraz mikroskopijne nieszczelności układów.

Pochłaniacze par nie są częściami serwisowanymi, co stawia ich konstruktorom szczególne zadania w zakresie stosowanych materiałów i rozwiązań technicznych. Zgodnie z wymogami prawnymi, konstrukcja pochłaniaczy musi zapewniać ich bezawaryjne działanie przez co najmniej 15 lat lub 150 tysięcy mil przebiegu pojazdu. Jest to weryfikowane metodą eksploatacyjnych badań samochodów. Zdarza się jednak, i to nierzadko, że pochłaniacze są umyślnie usuwane podczas napraw pojazdów. Wbrew oczekiwaniom nie przynosi to użytkownikowi auta żadnych korzyści. Usunięcie pochłaniacza nie zmienia bowiem osiągów i kultury pracy jednostki napędowej, a ma negatywny wpływ na zużycie paliwa, czyli na koszty eksploatacji pojazdu oraz emisję związków szkodliwych do atmosfery.

O istnieniu pochłaniaczy przeciętny kierowca nawet nie wie. Tymczasem dzięki ich stosowaniu i odpowiednim regulacjom prawnym emisja lotnych węglowodorów do atmosfery jest zmniejszana w globalnej skali o około 1 000 ton dziennie.

W krakowskim Centrum Technicznym Delphi grupa 25 specjalistów zajmuje się badaniami, projektowaniem, rozwojem i wdrażaniem systemów kontroli emisji węglowodorów lotnych w pojazdach samochodowych. W polskim ośrodku badawczo-rozwojowym opracowywane są rozwiązania przeznaczone na wszystkie rynki świata, w tym na najbardziej wymagający rynek kalifornijski. Inżynierowie Delphi przygotowują rozwiązania dla takich marek, jak: BMW, Ford (w tym Volvo i Land Rover), General Motors, Lotus i wiele innych. Prowadzone są również zaawansowane prace nad technologiami przyszłości. Swoje kompetencje polscy inżynierowie mieli okazję zaprezentować podczas światowych konferencji i sympozjów na temat systemów paliwowych.