Evolucija dizel motora – sistemi tretmana izduvnih gasova

Nakon članka o evoluciji benzinskih motora, evo i priče o na našim prostorima voljenim dizelima

Prvi dizel motor je startovan pre 130 godina. Od tada do danas, ostvaren je kolosalan napredak. Kao i njihovi benzinski parnjaci, i motori s kompresionim paljenjem su evoluirali od grubih konstrukcija s kraja 19. veka, do pouzdanih i uglađenih agregata u kojima danas uživamo. Kao što znamo, trenutno su demonizovani i označeni kao „ekološki nepodobni“.

Najpre, dizel motori su započeli svoje postojanje u sličnoj formi kao industrijske parne mašine, ali su blagovremeno pronašli svoje mesto u putničkim automobilima. Od prvih trenutaka, oni su inženjere impresionirali efikasnošću koju su nudili.

U poređenju s parnim mašinama slične konfiguracije, jedinice s kompresionim paljenjem su pružale  izuzetan nivo termodinamičke efikasnosti – 18 odsto u odnosu na 32 do 35 odsto.

Motori s kompresionim paljenjem su efikasniji u odnosu na one sa svećicama, jer dizel isporučuje više energije po jedinici zapremine od benzina. Takođe, oni imaju viši kompresioni odnos, te na taj način redukuju potrošnju pri „leru“. Moderni dizel motori dostižu stopu efikasnosti u putničkim automobilima od 45 odsto, a naučnici očekuju da dostignu čitavih 55 odsto. Teoretski, dizel ciklus ima maksimalnu efikasnost od 75 odsto, ali to u praksi do sada nije ostvareno.

Ljubitelji dizel motora cene pre svega visok obrtni moment koji ove jedinice pružaju, kao i činjenicu da ga isporučuju ranije i u širokom rasponu obrtaja. Međutim, dizel agregati ne postižu isti nivo snage kao ekvivalentni benzinci, jer moraju da funkcionišu na nižim obrtajima.

Koje su to teškoće vezane za emisiju izduvnih gasova dizela?

Od samih početaka, dizel motori su proizvodili manje ugljen-dioksida u odnosu na benzinske pandane. Međutim, oni emituju više čađi, kao i druge polutante. Najopasnije su mikročestice, koje izazivaju zdravstvene probleme a neke od njih su na listi kancerogenih supstanci Svetske zdravstvene organizacije.

Iz tog razloga, dizel motori predstavljaju veću opasnost po ekologiju i zdravlje ljudi. Taj zdravstveni rizik je poznat  i priznat među kamiondžijama i radnicima na železnici, ali je i opšta populacija izložena opasnosti.

Zbog  toga, ekološki standardi vezani za dizel motore su postali stroži, a problem je što nisu svi proizvođači uspeli da se s njima usklade.

Problem

Mešavina goriva i vazduha u dizel motorima često vodi do nepotpunog sagorevanja, a čestice koje proizvode ovi agregati variraju u odnosu na primenu. Naravno, mi ćemo se fokusirati  na moderne, četvorocilindarske motore koje pronalazimo u putničkim vozilima. Oni mogu generisati male nanočestice, a upravo one su opasne po ljudsko zdravlje, jer mogu da uđu u pluća i prouzrokuju respiratorne bolesti.

Nepotpuno sagorevanje u dizel motorima takođe prouzrokuje i neke druge čestice i čađ. U zavisnosti od kvaliteta goriva, odnos čestica može da varira. Moderni motori s kompresionim paljenjem zahtevaju dizel niskog nivoa sumpora da bi funkcionisali kako treba.

Prva rešenja

Katalizatori su bili jedna od prvih solucija koje je lansirala automobilska industrija, da bi se redukovala emisija štetnih gasova. Prvobitno, ova tehnologija je koristila dvostepene katalizatore, koji su izazivali oksido-redukcionu reakciju. Oni su zatim evoluirali u trostepene katalizatore, koji su kadri da redukuju azotni oksid, gas koji je izuzetno štetan po ljudsko zdravlje, a koji je bio i predmet čuvenog „Dizelgejta“.

Katalizatori su kombinovali kiseonik i ugljen-monoksid s nesagorenim ugljovodonicima da bi generisali ugljen-dioksid i vodu. Ovo postižu uz pomoć retkih metala, kao što su rodijum, paladijum i platina, uz neke keramičke komponente. Mada dizel i benzinski motori zahtevaju različite katalizatore, oni funkcionišu po istim principima.

Dizel oksidacioni katalizatori

U međuvremenu, stroža ekološka regulativa je naterala proizvođače automobila da razviju specifične katalizatore za motore s kompresionim paljenjem. Ove jedinice koriste platinu, aluminijum-oksid i paladijum, funkcionišući kao katalizatori, odnosno izazivajući oksidacionu reakciju kod ugljovodonika i ugljen-monoksida, koji se stvaraju u procesu sagorevanja.

Ovaj proces zahteva kiseonik a formira ugljen-dioksid i vodu. Većina katalizatora završi sa 90-odstotnom operativnom efikasnošću, značajno redukujući čađ i karakterističan miris sagorelog dizela. Međutim, i dalje su postojale čestice koje su morale biti eliminisane.

Nažalost, katalizatori ne mogu da redukuju azotne okside (NOx), jer bi takav pokušaj izazvao reakciju s visokim sadržajem kiseonika u katalizatoru. Iz tog razloga, bilo je neophodno pronaći drugi metod, kada je reč o  smanjenju emisije azotnih oksida u dizel motorima.

Jedna od prvih solucija da se to postigne je sistem recirkulacije izduvnih gasova. Kao što smo ranije opisali, ovo funkcioniše i u slučaju benzinskih motora.

Recirkulacija izduvnih gasova

Tehnika redukcije emisije uz pomoć recirkulacije izduvnih gasova koristi specijalan ventil pod imenom EGR, koji ponovo dovodi izduvne gasove u cilindre motora kroz usisni kanal. Ideja na kojoj je ovo zasnovano je da se obezbede gasovi koji su inertni na sagorevanje i koji apsorbuju toplotu, koju generiše proces paljenja.

Smanjivanje temperature u komorama za sagorevanje takođe redukuje količinu azotnih oksida i unapređuje pouzdanost kroz obezbeđivanje manjeg opterećenja na komponente motora. Smanjenje emisije azotnih oksida uz pomoć ovog metoda se postiže iz razloga što se ovaj gas proizvodi isključivo pri visokim pritiscima i temperaturama.

Izduvni gasovi ne recirkulišu permanentno u modernim motorima, jer to nije efikasno u svim uslovima eksploatacije. U dizel motorima, EGR postiže stopu efikasnosti do 50 odsto i ima pozitivan uticaj na smanjenje emisije azotnih oksida. Sama primena varira od kompanije do kompanije, ali one obično koriste razmenjivače toplote da bi smanjile temperaturu izduvnih gasova u recirkulaciji, pre nego što ovi uđu u usisni kanal. Moderni sistemi funkcionišu elektronski, koristeći brojne senzore da bi se obezbedila maksimalna efikasnost.

Mazda je jedini proizvođač automobila koji je postigao Evro 6 standard sa EGR tehnologijom kontrole azotnih oksida. Japancima je to uspelo jer SkyActiv dizel odlikuje najniži kompresioni odnos među motorima s kompresionim paljenjem.

DPF filter (Diesel Particulate Filter)

S obzirom na to da katalizatori ne mogu da se izbore s česticama ugljenika, u igru je uveden filter čađi. On takođe koristi nekoliko retkih metala, kanališući izduvne gasove ka njihovim zidovima, presvučenih kordijeritom ili silicijum-karbidom gde se „hvataju“ čestice čađi. ECU motora vrši monitoring nivoa čestica u filteru i s vremena na vreme pokreće regeneraciju.

Regenerativni ciklus privremeno koristi više goriva da bi mogao da generiše višu temperaturu, koja je neophodna da bi se PDF filter očistio. Automobilima pogonjenim dizel motorima, koji se uglavnom voze u urbanim uslovima, ovo je češće potrebno.

Ukoliko vozač ne zna da filter čađi instaliran u vozilo prolazi kroz fazu regeneracije i isključi agregat, filter može da se zaguši. Ukoliko se ništa ne preduzme, DPF može biti oštećen do te mere da je potrebna zamena.

Dizel motor s neispravnim uređajem za kontrolu izduvnih gasova neće funkcionisati kako treba i biće mu potrebna skupa popravka. Takođe, automobil neće proći test na emisiju izduvnih gasova ukoliko je filter čađi neispravan.

Kada ni filter čađi nije dovoljan

U slučaju većine dizel motora, DPF se pokazao nedovoljnim da zadovolji novu ekološku regulativu. Iz tog razloga su proizvođači izašli s još par solucija, SCR-om (selektivna katalitička redukcija) i adsorpcijom azotnih oksida.

Većina proizvođača automobila koristi selektivnu katalitičku redukciju, tehničku soluciju koja uključuje reagens, koji azotne okside pretvara u vodu i azot. Ovo funkcioniše uz pomoć aditiva, poznatog kao AdBlue tečnost.

Adsorpcija azotnih oksida (LNT)

Ovaj sistem funkcioniše uz podršku katalizatora presvučenog specijalnim slojem. On koristi zeolite ili alkalne okside u cilju apsorbovanja čestica, na taj način redukujući emisiju azotnih oksida. Poput DPF-a, ovaj sistem takođe zahteva periodičnu regeneraciju uz pomoć visoke temperature koja se takođe postiže uz dodatnu potrošnju goriva.

Nažalost, ovaj proces smanjuje radni vek apsorbera, tako da ovi sistemi moraju biti dizajnirani na način da obezbede dugoročnu pouzdanost. Ova tehnologija je široko rasprostranjena u Evropi, ali je ne koriste svi proizvođači.

Dizel skandal je pre svega pogodio Volkswagen, koji je upravo koristio sistem adsorpcije azotnih oksida. Međutim, sistem nije radio onako kako ga je proizvođač reklamirao. Naravno, sve se vrti oko novca, pa je tako nemački gigant uštedeo ogromna sredstva na taj način što nije uveo SCR sistem u sva svoja vozila, već se bavio „poništavajućim uređajem“.

Ultimativno rešenje

Neki dizel motori koriste i sistem adsorpcije i SCR. Ovo jeste skuplje nego da obe solucije funkcionišu zasebno, ali obezbeđuje usklađivanje sa strogim normama, kao što su recimo američke Tier 2 i buduća evropska Evro 6c.

Pored toga, proizvođači automobila će biti u prilici da usklade laboratorijske rezultate s budućim ciklusima iz realnog saobraćaja, zahvaljujući zajedničkim snagama ova dva sistema u dizel motorima.

Studija koju je napravio Međunarodni savet čistog transporta, obelodanila je da vozila opremljena EGR-om imaju stabilno ponašanje kada je u pitanju emisija azotnih oksida, što znači da stil vožnje ima manji uticaj na krajnji rezultat. SCR automobili su se pokazali boljim od ostalih tokom vožnje s visokim opterećenjima i brzinama (preko 120 km/h), pokazao je test u okviru WLTP procedure. U međuvremenu, AdBlue tehnologija se pokazala kao najbolja u NEDC testiranju, ali je imala najgore rezultate po WLTC-u.

Pavle Barta