Sistemi prečišćavanja izduvnih gasova kod motora SUS
Ekološki izazov Sve strožiji ekološki zahtevi koji se postavljaju pred automobile i motocikle zadaju glavobolje proizvođačima, ali ih i teraju na stalnu inovativnost. Dva su osnovna pravca intenzivnog razvoja čistih motora: 1.
Proces sagorevanja u motorima, pri svim režimima rada, mora biti potpun, što rezultuje minimalnom količinom štetnih materija i
2. Prečišćavanje izduvnih gasova nakon što izađu iz motora Za vreme dok čekamo zakonske regulative koje će nas obavezati da koristimo bezolovni benzin i katalizatore, imamo rešenja u masovnom korišćenju gasaprirodnog zemnog i propan-butana. Mi znamo da se samougradnjom katalističkog izduvnog lonca količina zagađivača smanjuje na pola, ali mi to ne možemo ugrađivati zbog masovne potrošnje olovnih benzina.
1
Sastav izduvnih gasova U izduvnom gasu benziskog motora ceo je niz gasova koji su posledica sagorevanja, a grubo se mogu podeliti na štetne i neštetne plinove.
Slika 1. Sadržaj izduvnih gasova SUS motora Dijagram sa slike 1 je pojednostavljeni prikaz sadržaja izduvnih gasova koji nisu katalitički pročišćavani. Naime, iz izduva motora izlazi više različitih gasova od prikazanih, ali se zbog potrebe pojednostavljenja prikaza uobičajeno govori samo o gasovima navedenim u dijagramu. Kao što se iz dijagrama vidi, samo mali deo gasova iz izduva je štetan za okolinu (~ 1%). Moderni analizatori izduvnih gasova ne mere sve gasove, već samo one pomoću čije se koncentracije može oceniti kvalitet sagorevanja u motoru, pa se na taj način daje ocena da li motor radi u optimalnom radnom području. Pri ispitivanju sastava izduvnog gasa analizatorima se meri sadržaj sledećih gasova: 1. [ CO2 ] - ugljen-dioksid 2. [ CO ] - ugljenmonoksid 3. [ HC ] - ugljovodonici 4. [ O2 ] – kiseonik 5. [ NOx ]- azotni oksidi
2
Analiza pet nabrojenih izduvnih gasova (merenje njihovog zapreminskog udela u ukupnoj zapremini izduvnog gasa), merenje nekih parametara rada motora (temperature ulja i brzine obrtanja motora- broja obrtaja motora) i proračun pojedinih karakteristika sagorevanja (proračun lambda faktora) dovoljni su za procenu optimalnosti sagorevanja. Zapreminski udeo gasova zavisi i od smeše gorivo-vazduh pa se može prikazati u zavisnosti od faktora vazduha λ (slika 2).
[ CO ] – ugljenmonoksid – vrlo otrovan gas bez boje i mirisa koji u većpj koncentraciji izaziva smrt. Nastaje kao product nepotpunog sagorevanja ugljenika iz goriva u uslovima nedostatka kiseonika. Javlja se pri bogatoj smesi. [ HC ] – ugljovodonici – iritiraju sluzokožu disajnih organa, učestvuju u formiranju smoga a neki mogu bit ii kancerogeni. HC su produkti nedovršenog sagorevanja koje je ili potpuno izostalo (kod nepovoljnih uslova) ili potiču iz zona u komori u kojima dolazi do gašenja plamena.
3
[ NOx ]- azotni oksidi – nastaju oksidacijom azota iz vazduha pri visokoj temperature. Takođe učestvuju u formiranju reaktivnog ozona i smoga i u reakciji sa vodom stvaraju kisele kiše.
Konstukcijski dodaci motoru za smanjenje sadržaja štetnih izduvnih gasova U cilju što manje emisije štetnih izduvnih gasova, kada se iscrpe konstrukcijske mogućnosti na motoru ( od kojih su neke navedene u tablici iz prethodnog poglavlja), motor se može opremiti dodatnim uređajima koji doprinose čistijem izduvu. Dužnost ispitivača na EKO testu je da utvrdi postojanje pojedinih uređaja na motoru i da vizuelno utvrdi njihovu ispravnu ugradnju i neoštećenost. Nabrojaćemo samo neke uređaje – najčešće i najvažnije: • • • • • • •
obrada izduvnih gasova pomoću katalizatora; opremanje motora sa λ zatvorenom povratnom spregom; snabdevanje motora boljim sastavima paljenja smeše; snabdevanje motora boljim sastavima za napajanje; ubacivanje sekundarnog vazduha u izduvnu granu; povratak izduvnih gasova u usisnu granu (EGR); sakupljanje para goriva i njihov povratak u usisnu granu.
4
Katalizatori Svi moderni benzinski motori su opremljeni katalizatorom. Katalizator je obično smešten u prvom izduvnom loncu do motora i zahvaljujući materijalu od koga je napravljen u njemu se odvija hemijska reakcija pri kojoj se štetni gasovi iz izduva ( CO, HC, i NOx) pretvaraju u neškodljive gasove ( CO2, H2O, N2). Naravno, takva reakcija ne pročišćava gasove u potpunosti, ali doprinosi smanjenju štetnih sastojaka. Do pojave tzv.regulisanih katalizatora postojali su različiti katalizatori (oksidacijski, redukcijski), međutim danas se isključivo koriste regulisani jednostruki ili višestruki katalizatori sa trostrukim delovanjem. To znači da se katalitički tretiraju sva tri štetna izduvna gasa ( CO, HC i NOx). Pojam regulisani katalizator označava da se ispred katalizatora nalazi senzor koji računaru govori u kom radnom području motor radi kako bi se smeša gorivo-vazduh na ulazu u motor što je moguće duže zadržala u stehiometrijskom radnom području. Pojam jednostrukog ili dvostrukog katalizatora označava u koliko je kućišta smešten katalizator. Ako se katalizator nalazi u jednom kućištu onda je reč o jednostrukom katalizatoru, a ako je katalizator podeljen u dva kućišta onda je reč o dvostrukom katalizatoru. Položaj katalizatora u izduvnom sastavu najviše zavisi od temperature izduvnog gasa na mestu na kojem je ugrađen. Pojam trostrukog delovanja označava katalizatore u kojima se vrši hemijsko pretvaranje sva tri štetna izduva gasa ( CO, HC i NOx ).
5
Slika 3. Katalizator – presek U unutrašnjosti katalizatora se nalazi tzv. “monolit” izrađen od keramike ili tankog čeličnog lima u obliku saća, tako da izduvni gas prolazi kroz veliki broj cevčica malog prečnika (1- 2mm) na čijem zidu je nanesen tanak katalitički sloj od plemenitih metala (Pt, Rh) koji ubrzava hemijske reakcije. Na taj način se jako povećava dodirna površina gasa i katalizatora.
Princip rada katalizatora Većina modernih motora opremljeni su trosmernim (threeway) katalizatorima gde se pojam trosmerno odnosi na tri štetna plina. Katalitički konverter (katalizatora) ima dva stepena, redukcijski katalizator i oksidirajući katalizator. Obe vrste se sastoje od keramičke strukture presvučene sa metalnim katalizatorom, najčešće platinom (Pt), rodijumom (Rh) i paladijumom (Pd). Ideja je bila da se napravi što veća aktivna površina da bi se što veća količina izduvnih gasova doticala sa aktivnom površinom s obzirom da govorimo o vrlo skupim materijalima. Najčešći oblik katalizatora je sačasti oblik unutar cevi ili izduvnog lonca.
6
Slika 4. Katalizator Redukcijski katalizator Redukcijski katalizator je prvi stepen katalitičkog konvertera. Koristi platinu i rodijum za pomoć pri smanjenju emisija NOx. Kada se NO ili NO2 molekule dodirnu sa aktivnom površinom, aktivni element katalizatora uzima na sebe atom i drži ga, oslobađajući kiseonik u obliku O2. 2NO => N2 + O2 ili 2NO2 => N2 + 2O2 Oksidirajući katalizator Oksidirajući katalizator je drugi stepen katalitičkog konvertera. On nam smanjuje ne sagorele ugljovodonike i ugljenični monoksid oksidirajući ih preko aktivne površine platine i paladijuma. Ovaj deo katalizatora pomaže hemijsku reakciju ugljo - vodonika i ugljeničnog monoksida sa ostatkom kiseonika u izduvnim plinovima. Na primer: 7
2CO + O2 => 2CO2
Lambda kontrol sistem Koristi se kako na motorima sa karburatorom, tako i na motorima sa elektronskim ubrizgavanjem, na pojedinim modelima još od 1981. godine. Može se reći da je O2 senzor ključni u kontroli smeše vazduh/gorivo u "closed loop" sistemu. Nalazi se na izduvnoj grani motora, a od motora koji ispunjavaju Euro 3 normu ih mora biti 2, jedan ispred a drugi iza katalizatora. Sem toga, na mnogim V6 ili V8 motorima ranijih konstrukcija ih je takodje bilo 2, po jedan senzor za svaki "red" cilindara. Funkcioniše na principu "osetjivosti" na prisustvo količine kiseonika u atmosferi (otuda i naziv "O2 senzor").
8
Slika 5. Lambda sonda – šematski prikaz Uloga O2 ventila je da signalizira ECU količinu nesagorelog kiseonika u izduvnim gasovima, što radi putem voltažnog signala (koji varira od cca 0,1 v "siromašna" smeša, do 0,9 v - "bogata" smeša). Na osnovu ovog "feedback" signala, ECU vrši korekcije u sistemu ubrizgavanja goriva izmenom "on-time" vremena ubrizgavanja goriva u injektorima, kao i momentom otvaranja/zatvaranja istih. Tako se uvek teži optimalnoj smeši, što je ujedno i neophodno kako bi emisija štetnih gasova bila na propisanom nivou.Od regulacije u povratnoj sprezi odstupa se samo pri hladnom startu i radu motora za vreme punog opterećenja. Ovaj sistem je najsporiji na starijim karburatorskim motorima, bolje funkcioniše na motorima sa elektronskim ubrizgavanjem, a najbolje funkcioniše kod multiport, sekvencijalnog elektronskog ubrizgavanja. Ovo je, u principu, vezano za brzinu, odnosno učestalost prelaska sa siromašne na bogatu smešu. Tačnije rečeno, što je veći broj promene ciklusa u jedinici vremena (brži odziv sistema) utoliko ce konačni efekat biti bolji jer ce ECU više puta u jedinici vremena korigovati smešu. Ipak, osetljivost O2 senzora vremenom opada zbog direktne izloženosti veoma toplim izduvnim gasovima, zatim olovu, sumporu, kao i fosforu kojih ima u odredjenim količinama pri sagorevanju goriva. Kad senzor postane dovoljno "zaprljan" izgubi 9
senzibilitet pri očitavanju i počinje sporije da reaguje na promene u kvalitetu smeše, a ovo stvara kratak vremenski interval tokom kojeg ECU ostaje bez pravovremene informacije, a stoga i bez mogućnosti da pravilno kontroliše smešu vazduh/gorivo. U zavisnosti od proizvođača i modela, ali i od uslova eksploatacije, preporučeni interval zamene O2 senzora se obično kreće u rasponu od 100 do 200 hiljada kilometara.
Slika 6. Lambda sonda
10
