Denoxtronic - co to jest?

Wykorzystanie połączonych mocy filtrów cząstek stałych DPF FAP, katalizatorów samochodowych, również SCR, pułapek katalitycznych oraz zaawansowanych czujników pozwoliło, aby powstał system Denoxtronic - najskuteczniejsze obecnie narzędzie redukcji emisji spalin.

Jeszcze do niedawna nie wróżono przyszłości silnikom diesla, które miały być pozostawioną za plecami przeszłością, którą zastąpić mają samochody elektryczne, niemniej jednak rzeczywistość, jak i ludzka pomysłowość weryfikują decyzje polityków i ekologów, a systemy, które zaprojektowali inżynierowie Boscha w kwestii regulacji i minimalizacji emisji gazów spalinowych i zanieczyszczeń do środowiska pod poważnym znakiem zapytania stawiają celowość prób zdyskredytowania jednego z najlepszych rozwiązań w kwestii napędów samochodów osobowych, jakie kiedykolwiek powstały, czyli nowoczesnych, oszczędnych i wydajnych silników Diesla, wyposażonych w systemy redukcji emisji spalin Denoxtronic. Jak działa innowatorski system Denoxtronic, jak wpływa na pracę silnika i wydajność filtrów cząstek stałych? Czy jest on chwilową fanaberią, czy rzeczywiście prawdziwym krokiem milowym w uzyskaniu doskonałych osiągów i czystych spalin? Czy Bosch stworzył coś zupełnie nowego, czy wykorzystane zostały już istniejące systemy, tylko udoskonalono je do maksymalnych możliwych osiągów? O tym i o innych zagadnieniach związanych z ekologiczną działalnością firmy Bosch i wprowadzanych przez nią rozwiązaniach przeczytacie Państwo poniżej, zachęcamy do lektury artykułu o Denoxtronic, katalizatorach SCR i filtrach cząstek stałych.

Co łączy DPF FAP, turbo i EGR?

Obecnie największą bolączką silników diesla są produkowane przez niego zanieczyszczenia, wśród których, po odsiarczeniu dostępnego w naszym kraju oleju napędowego, prym wiodą cząstki stałe i tlenki azotu. Te pierwsze to zbudowane na cząstkach węgla zanieczyszczenia, które zawierają w sobie zarówno metale ciężkie, jak i inne powstające w procesie spalania diesla produkty, z kolei NOx, czyli tlenki azotu, powstają w procesie spalania paliwa w nadmiarze tlenu, a są one główną przyczyną powstawania smogu w dużych miastach, kwaśnych deszczy i zachorowań układu górnych i dolnych dróg oddechowych u ludzi, którzy narażeni byli na długotrwały z nimi kontakt. Redukcja ich produkcji (czy raczej, gwoli ścisłości, ich emisji) stała się nadrzędną przyczyną wprowadzenia norm emisji spalin najpierw Euro 4, a potem kolejno Euro 5 i Euro 6. Uzyskania deklarowanych unijnymi dyrektywami pułapów było coraz trudniejsze i nie można oprzeć się wrażeniu, że miało na celu wyeliminowanie co mniej zamożnych "graczy" z rynku motoryzacyjnego, co spotkało polską fabrykę samochodów DZT Tymińscy, zajmującą się produkcją eksportowanych na wschód i południe znakomitych polskich Honkerów, które wykorzystywały układy napędowe Iveco, a którym spełnienie już normy emisji spalin Euro 5 nastręczyło pewnych trudności, natomiast Euro 6, definitywnie wyeliminowało Honkery z rynku. Wykorzystanym w konstrukcji Honkerów dla spełnienia normy Euro 5 był filtr cząstek stałych, którego budowa pozwala na zachowanie w konstrukcji filtra do 99% masowych produkcji silnika, w postaci emisji cząstek stałych. Produkowane są one zazwyczaj w przypadku kiedy ilość tlenu w komorze spalania jest stosunkowo mała, a tlen nie może wypełnić wszystkich wolnych wiązań w węglu, bo zwyczajnie jest go brak. Zajmuje się tym zawór recyrkulacji spalin EGR, który pozwala na przetransportowanie części produkowanych spalin do komory spalania. Ma to za zadanie zmniejszyć ilość produkowanych tlenków azotu i swoje zadanie spełnia, jednak zwiększa zadymienie, czy raczej produkcję cząstek stałych. Zjawisko to ma redukować z kolei turbosprężarka, która ilość tlenu w komorze spalania zwiększa, jednocześnie ułatwiając powstawanie trujących tlenków azotu NOx. Dlatego też pojawiło się pytanie, czy można w ogóle znaleźć złoty środek – zachować wydajność najbardziej efektywnego na świecie rozwiązania wśród silników tłokowych o spalaniu wewnętrznym, czyli silnika diesla, przy redukcji emisji zanieczyszczeń?

Układ SCR w służbie środowiska

Instalacja w układzie wydechowym systemu, który pozwoli na zminimalizowanie emisji tlenków azotu, wobec sytuacji, kiedy konstrukcja silnika wymusza zwiększenie ich produkcji i nie może zostać wyeliminowana (turbosprężarka), a zastosowane rozwiązania (EGR) nie mogą poradzić sobie z zadaną im czynnością, okazało się nieodzownym. Misja ta "trafiła w ręce" systemu katalitycznej redukcji spalin (SCR), który pozwala chemicznie przereagować powstające zanieczyszczenia i praktycznie wyeliminować je z gazów wydechowych. Odbywa się to na zasadzie wtryskiwania do strugi gorących spalin roztworu mocznika, którego specjalny zbiornik znajduje się w samochodzie. Rozwiązanie to znane jest już doskonale od pewnego czasu, ponieważ masowo wykorzystane jest w różnego rodzaju stacjonarnych systemach wykorzystujących silniki diesla, lub w elektrociepłowniach, jedyna różnica polega na tym, że zamiast stosunkowo drogiego, lecz nieinwazyjnego dla środowiska roztworu mocznika stosuje się amoniak w czystej postaci, który, mimo że znacznie tańszy nie mógł znaleźć zastosowania w samochodach poruszających się po drogach, bo w razie awarii lub wypadku ryzyko wycieku trującego i niebezpiecznego amoniaku było niepomijalne w statystykach. Jak poradził sobie z tym Bosch?

Denoxtronic – najlepszy z najlepszych.

Aby zmniejszać wspomnianą produkcję, stosowano układy takie jak EGR, SCR, DPF FAP oraz tak zwany NOx Trap, czyli pułapkę na tlenki azotu, wykorzystujący adsorpcyjne właściwości zeolitów, czyli glinokrzemianów. Minerały te pod wpływem wysokiej temperatury, pokrywają swoją powierzchnię wrzącą wodą. Skąd woda w kamieniu można spytać, a stąd, że struktura tych glinokrzemianów jest zazwyczaj uwodniona struktura tlenków reaktywnych metali w glinokrzemionkach. Wspomniana wrząca woda cechuje się właściwościami chemicznymi pozwalającymi na wychwyt NOx z przetłaczanych przez zbudowaną z nich strukturę "filtra-pułapki", jednak systemy te cechują się albo niewystarczającą wydajnością, albo wymagają bezustannej obsługi ze strony użytkownika. Dlatego też przy nieocenionym udziale swoich inżynierów Bosch miał możliwość stworzyć, a Volkmar Denner zaprezentować system Denoxtronic. System Denoxtronic ma za zadanie usprawnić redukcję emisji spalin w momentach, w których na emisję taką silnik narażony jest najbardziej, czyli podczas nagłego zwiększenia prędkości obrotowej silnika oraz w przypadku kiedy silnik naszego samochodu jeszcze nie uzyskał optymalnej temperatury 90-95 stopni Celsjusza. Uzyskanie takich efektów możliwe jest dzięki sprzęgnięciu ze sobą działania dwóch systemów, których praca generowała swoje wzajemne problemy – systemu EGR (recyrkulacji spalin – exhaust gas recirculation) i układu doładowania (turbosprężarki VNT, VGT – o zmiennej geometrii – variable nozzle turbine). Elektronicznie sterowany EGR jest rzadkością, natomiast dotychczasowe turbosprężarki pozbawione były czujnika prędkości obrotowej, więc system Denoxtronic ma na celu połączenie tych urządzeń w jednocześnie sygnalizujący zachowanie obydwu elementów układ, komunikujący się ze sterownikiem silnika. Zawór EGR to nie jest pojedyncze wykorzystywane we wszystkich silnikach takie samo rozwiązanie a jedynie koncept, którego realizacja przybiera różne formy, albo zupełnie znika z nowoczesnych diesli, ale o tym zaraz dopiero powiemy. Wprowadzenie zanieczyszczonych spalin do komory spalania w silniku obniża maksymalną temperaturę spalania oleju napędowego, przez co zmniejsza ilość powstających tlenków azotu, które produkuje się na drodze łączenia się tlenu z azotem w specyficznych warunkach środowiska komory spalania w samochodzie, czyli w warunkach wysokiej temperatury, ciśnienia i wysokiej zawartości tlenu. Rzecz taka, takie warunki, mają miejsce w przypadku wspomnianych gwałtownych zmian zachowania się silnika, na przykład podczas przyspieszania pod górę. Niemniej jednak jednocześnie sprawiają, iż z powodu zmniejszonej ilości tlenu w komorze spalania zwiększa się ilość produkowanych cząstek stałych. Wobec tego sterownik silnika powinien wiedzieć, w jakiej sytuacji znajduje się auto (co już wie) i jak powinny zachować się w takiej sytuacji podzespoły takie jak EGR i turbosprężarka (co będzie wiedzieć po wprowadzeniu systemu Denoxtronic). Założeniem systemu jest sprawienie, żeby sterownik silnika wiedział, kiedy prędkość turbosprężarki jest duża (informować go będą o tym indukcyjne czujniki prędkości na turbosprężarce) oraz czy należy otworzyć zawór EGR, czy wręcz przeciwnie powinien pozostać zamknięty (o tym z kolei informować będzie instalowany przepływomierz powietrza – a w tym wypadku spalin). Uzupełnieniem działania EGR, który znika powoli z silników samochodów ciężarowych zastępowany przez podwójny system redukcji katalitycznej, mają być regulowane układy międzystopniowego schładzania tłoczonych spalin oraz mieszanego układu kontroli ilości wtłaczanych do silnika spalin, a to za sprawą wysoko i nisko ciśnieniowych zaworów w zaworach EGR. Dodatkowym elementem systemu Denoxtronic ma być zarządzanie temperaturą silnika. Obecnie za wpływ sterownika silnika na jego pracę odpowiadają zazwyczaj termostaty, natomiast system Denoxtronic ma w planach wykorzystać specjalistyczny system kontroli wydatku i regulacji przepływu cieczy chłodzącej, a więc de facto również z regulacją stopnia chłodzenia oleju silnikowego, co ma za zadanie umożliwienie szybszego rozgrzewania się silnika i minimalizację wpływu niskiej temperatury na produkcję zanieczyszczeń. Warto tu również zdementować plotki, które mówiły o tym, że wprowadzona przez Boscha nowa technologia miała opierać się na instalacji grzałek dogrzewających spaliny w układzie wydechowym, także smutna wiadomość dla wszystkich miłośników grzałek – nie będzie ich w systemie Denoxtronic. Będzie natomiast pułapka na tlenki azotu znana jako LNT, NSC, NoxTrap albo po prostu katalizator zasobnikowy, o którym wspomnieliśmy we wcześniejszych akapitach – jego zadaniem będzie wychwyt tlenków azotu, zanim silnik uzyska odpowiednią temperaturę, zatem pracować będzie wyłącznie na zimnym silniku, a opróżniany będzie w czasie gdy temperatura pracy silnika osiągnie deklarowaną, odpowiednią wartość i układ SCR będzie działał z pełną wydajnością – wtedy też obecne w nim związki tlenków azotu zostaną zneutralizowane amoniakiem z mocznika, z płynu AdBlue.

Efekty pracy systemu Denoxtronic.

Znowu czujniki, mógłby rzec ktoś, kto w kwestii silników diesla i nowoczesnych rozwiązań w kwestii redukcji emisji spalin jest laikiem, jednak dla wszystkich, którym zagadnienia ekologii diesla są codziennością, jasnym jest, że czujników nowych dojdzie niewiele, a te, które są nowością, jak indukcyjny czujnik prędkości obrotowej na turbosprężarce, są rozwiązaniem istniejącym od lat, sprawdzonym i skutecznym. Sam Volkmar Denner zaznacza, że zastosowanie systemu Denoxtronic nie zmieni znacząco ceny produkowanych samochodów, za to znacząco zmieni poziom emisji spalin, ponieważ Bosch deklaruje zmniejszenie emisji tlenków azotu (na co położony jest obecnie największy nacisk) do emisji około 13 mg na kilometr oraz 40 mg na kilometr w przypadku ekstremalnie wymagających dla układu warunków na przykład w czasie jazdy miejskiej na zimnym silniku, gdzie czynniki wywołujące produkcję tlenków azotu łączą się w jedno – zarówno wysokie ciśnienie, jak i niska temperatura silnika, a wysoka spalin. Biorąc pod uwagę, jaką emisją ograniczone są obecnie samochody w normie emisji spalin Euro, czyli 168 mg/km oraz 120 mg/kilometr od 2020 roku, będzie należało rozważyć ponowne wpuszczenie diesli do centrów metropolii w Europie, ponieważ okaże się, że zanieczyszczają środowisko mniej niż samochody benzynowe. Można więc powiedzieć, że właśnie dzięki systemowi Denoxtronic samochody z silnikiem diesla staną się bardziej ekologiczne od samochodów elektrycznych.

Diesel w samochodach, statkach i samochody elektryczne – ślad węglowy

Pytanie tylko, kiedy samochody elektryczne były bardziej ekologiczne od samochodów z silnikiem diesla? Pytanie o celowość dyskredytowania silników diesla w samochodach osobowych pojawia się również w przypadku porównania produkcji zanieczyszczeń przez silniki diesla w samochodach osobowych i w silnikach kontenerowców. Jeden transportowiec, którego ładowność sięga, powiedzmy, 18 000 kontenerów (ładowność porównywalna z 18 tysiącami samochodów ciężarowych) w ciągu roku produkuje ilość zanieczyszczeń porównywalną z 50 000 000 (słownie pięćdziesiąt milionów) samochodów osobowych w ciągu roku swojej pracy. A pozwolę sobie nadmienić, że to ani największy, ani jedyny z takich statków. W skrócie 100 takich statków produkuje tyle zanieczyszczeń, ile produkowałoby w czasie swojej pracy tyle samochodów ile ludzi... na świecie. Co więcej, nie są to tylko badania firm opierających swoją pracę na silnikach samozapłonowych – o sytuacji takiej donoszą światowe media, jednocześnie coraz mniej wspominając o samochodach elektrycznych. O hybrydach wciąż mówi się wiele, a o samochodach elektrycznych coraz mniej, dlaczego? Otóż podczas badań prowadzonych przez naukowców (o czym również można znaleźć wzmiankę w wypowiedziach prezesa Boscha) emisję CO2 należy badać całościowo – to znaczy od rozpoczęcia procesu produkcji samochodu, pozyskania niezbędnych do tego materiałów, przez eksploatację, aż po złomowanie pojazdu. A porównując eksploatację przez 5 do 7 lat (tyle wynosi średnia żywotność samochodów z silnikiem elektrycznym) 3 samochodów z silnikiem elektrycznym ślad węglowy jest większy, niż w przypadku eksploatowania starego diesla, bez systemów redukcji spalin... przez 40 lat... bez przerwy. Analizę zagadnienia pozostawiam otwartą, wszystkim w swoim własnym indywidualnym zakresie.