mgr inż. Daniel Węgrzynek
Fot. DaimlerChrysler

W 1990 r. Unia Europejska wprowadziła normy Euro, które dotyczyły ograniczenia emisji spalin przez pojazdy. W październiku 2006 r. zacznie obowiązywać norma Euro 4, natomiast trzy lata później - w 2009 r. - Euro 5. Głównym celem wprowadzenia w życie tych norm jest znaczne obniżenie składników spalin, takich jak tlenek azotu i cząstki stałe. Z myślą o przyszłości firmy samochodowe poszukują rozwiązań gwarantujących zachowanie zgodności z normami.

   Spełnienie norm Euro 4 nie będzie już możliwe przez dalszą optymalizację procesu spalania w silniku, a koniecznym procesem stanie się dodatkowe oczyszczenie spalin. Firma Mercedes-Benz opowiedziała się za wprowadzeniem nowej technologii - selektywnej redukcji katalitycznej SCR (ang. Selective Catalytic Reduktion), odpowiedzialnej za końcową obróbkę gazów spalinowych. Dla konstruktorów największym problemem stało się jednoczesne ograniczenie emisji tlenków azotu (NO_x) i cząstek stałych (PM) w silnikach wysokoprężnych. Dotychczas redukcja zawartości NO_x odbywała się przy jednoczesnym pogorszeniu parametrów zużycia paliwa i emisji cząstek stałych. Technologia SCR rozwiązuje ten problem.
   Proces selektywnej redukcji katalitycznej polega na redukcji tlenków azotu przez dodanie reduktora chemicznego do spalin z silnika. W przypadku pojazdów użytkowych reduktorem jest płynny roztwór mocznika. Ponieważ amoniak jest niebezpieczną substancją, a co za tym idzie zakres jego zastosowania w transporcie drogowym jest ograniczony, w pojazdach użytkowych stosuje się nietoksyczny, bezwonny, wodny roztwór mocznika. Roztwór ten, stosowany w technologii SCR, nosi nazwę AdBlue. Stężenie mocznika w roztworze wynosi 32,5%. AdBlue spełnia normę DIN 70070. Nie jest to substancja niebezpieczna, ale może uszkadzać miedź i stopy miedzi, magnez i jego stopy, stal zwykłą i ocynkowaną oraz stopy zawierające cynk. Stwarza to specjalne wymagania materiałowe dla samochodów i zbiorników. Ponadto konieczne będzie ogrzewanie AdBlue na stacjach paliw i w samochodach, ponieważ temperatura krystalizacji tego produktu wynosi -11^oC.
   Do najważniejszych podzespołów systemu SCR zaliczamy: tłumik ze stali nierdzewnej z katalizatorem SCR, dyszę wtrysku AdBlue, niezależny zbiornik AdBlue oraz elektroniczną jednostkę dozującą środek redukujący, pompę, wskaźniki systemu BlueTec (wskazanie zbiornika paliwa, informacja o poziomie i rezerwie AdBlue oraz Malfunction-Indikator, zapalający się przy usterce systemu). Sercem systemu BlueTec są silniki nowej generacji. Jedną z wielu zmian było zwiększenie stopnia sprężania z 17,75:1 do 18.50:1, co spowodowało zmianę maksymalnego ciśnienia w cylindrach z 170 do 180 barów. Ponadto kadłub silników o pojemności skokowej 12 l V6 i mocy od 235 kW do 350 kW oraz o pojemności skokowej 16 l V8 i mocy od 375 kW do 440kW wykonano ze specjalnego rodzaju żeliwa szarego.
   Głównym zadaniem technologii SCR jest eliminacja szkodliwych składników spalin, takich jak tlenki azotu. Jak już wspomniano, do ich redukcji używa się reduktora chemicznego, który zostaje wtryśnięty do gazów układu wydechowego. Dawka AdBlue jest wyliczana na podstawie danych o ilości paliwa wtryskiwanego do cylindrów, temperaturze spalin, przepływie powietrza w układzie dolotowym oraz warunkach otoczenia. Dochodzi wtedy do procesu hydrolizy i formuje się amoniak (NH3) zgodnie z poniższym równaniem chemicznym:

reakcja hydrolizy
(NH₂)₂CO + H₂O   ->   2NH₃+ CO₂

   W katalizatorze SCR dochodzi do następnej fazy reakcji, czyli zamiany tlenków azotu (NOx) z amoniakiem na bazie reakcji hydrolizy w nieszkodliwe, występujące w środowisku substancje, takie jak azot i wodę:

reakcja SCR
4 NH₃ + 4 NO + O₂   ->   4 N₂ + 6 H₂O

   Funkcjonowanie całego sytemu jest sprawdzane przez czujniki temperatury przed i za katalizatorem.
   Jak każda, tak i ta technologia ma swoje minusy. Stosowanie wodnego roztworu mocznika ma pewne ograniczenia związane z działaniem katalizatora dopiero powyżej 200^oC (wcześniej mocznik nie jest wtryskiwany). Jeżeli chodzi o pojazdy ciężarowe, nie jest to dużym problemem, natomiast w autobusach osiągnięcie tej temperatury jest problemem. Kolejnym kłopotem jest również zbiornik AdBlue, który musi być zamocowany na ramie kosztem mniejszego zbiornika paliwa. Zastosowanie SCR powoduje także wzrost masy własnej pojazdu o ok. 150-300 kg. W przyszłości zbiorniki na AdBlue mają być produkowane z tworzywa sztucznego.
   Technologia ta, w porównaniu z pojazdami spełniającymi obecną normę Euro 3, zmniejsza poziom emisji tlenków azotu o 30%, a emisję cząstek stałych aż o 80%. Bardzo ważnym czynnikiem jest obniżenie zużycia paliwa nawet do 6%. Do zalet systemu SCR należą także: większa niezawodność, łatwiejsza obsługa w porównaniu z rozwiązaniem opartym na technologii AGR i zastosowaniu filtra cząstek stałych, która jest techniczną alternatywą dla normy Euro 4. Główną wadą tego ostatniego rozwiązania jest zintensyfikowany proces tworzenia się cząstek stałych, wymagających specjalnego filtra. Mimo porównywalnych kosztów, technologię tę wyróżnia wyższe o ponad 5% zużycie paliwa. Dużym problemem jest także regeneracja filtra cząstek stałych, którą należy zapewnić w każdych warunkach eksploatacji oraz stopniowe zapychanie się produktami spalania w silniku. Poza tym koniecznością jest stosowanie oleju napędowego o niskiej zawartości siarki, co w technologii SCR nie sprawia żadnego problemu.
   Dla zachowania standardów normy Euro 4 zużycie płynu AdBlue musi wynosić 4%, a dla sprostania wymogom Euro 5 - od 5 do 6% w stosunku do zużycia paliwa. Płyn AdBlue jest bardzo wydajny. Około jednego litra tej substancji wystarczy do przetworzenia 25 litrów oleju napędowego. W pojazdach Mercedes-Benz standardowy, przeznaczony do transportu dalekobieżnego zbiornik ma pojemność 90 l, a zasięg wynosi blisko 6500 km. Dostępny jest także w opcji zbiornik 145 litrowy, który pozwoli na przejechanie 10 000 km. Koszt jednego litra płynu AdBlue wynosi ok. 60 eurocentów/litr. Przypuszcza się, że wraz z rozwijaniem się technologii cena ta będzie maleć. Obecnie na terenie całej Europy jest kilku dużych producentów AdBlue. Dystrybucję tego płynu wzięły na siebie koncerny paliwowe oraz producenci środka.

 _________________________powrót___________________________