System oczyszczania spalin silników benzynowych i wysokoprężnych – jak to działa?

Audi, by uzyskać niższą emisję szkodliwych substancji, stosuje złożone układy oczyszczania spalin. Najnowsze silniki benzynowe i wysokoprężne Audi spełniają surowe normy dzięki zastosowaniu złożonych rozwiązań technicznych wewnątrz silnika, ale przede wszystkim dzięki wydajnym i zaawansowanym systemom oczyszczania spalin. Katalityczną obróbkę spalin zarówno w silnikach TDI jak i TFSI, uzupełniają filtry cząstek stałych.

Jakie są obecnie wyzwania związane z oczyszczaniem gazów spalinowych?

Wymagane poziomy zilustrowane na przykładzie emisji tlenków azotu przez silniki wysokoprężne pokazują, jak bardzo zaostrzone stały się przepisy dotyczące emisji. Podczas gdy norma Euro 3 (od 2000 r.) dopuszczała emisję na poziomie 500 mg/km, począwszy od roku 2020, dla nowych homologacji, zgodnie z normą Euro 6d, dopuszczalne jest jedynie 80 mg/km. W ciągu dwóch dziesięcioleci limit ten został zredukowany do mniej niż jednej szóstej stanu wyjściowego. Samo przejście z normy Euro 5 na Euro 6, zaowocowało kolejnymi 56 procentami całkowitej redukcji. 1 stycznia 2020 r. norma Euro 6d zastąpiła dotychczas obowiązujące limity TEMP Euro 6d dla nowo homologowanych modeli. Począwszy od 1 stycznia 2021 r. wszystkie nowe pojazdy ubiegające się o pierwszą homologację będą musiały spełniać nowe normy, w tym surowe wymogi metody badawczej RDE (Real Driving Emissions), której celem jest ograniczenie emisji w codziennym użytkowaniu pojazdu. Tlenki azotu – skrót chemiczny NOx – powstają, gdy azot z powietrza reaguje z tlenem w procesie spalania. Udział tlenków azotu jest szczególnie wysoki w przypadku silników wysokoprężnych, ponieważ jednostki te zasysają duże dawki powietrza.

Jak wygląda układ oczyszczania spalin silnika V6 TDI wg. konstrukcji Audi?

W ramach Grupy Volkswagen to Audi jest odpowiedzialne za podstawową konstrukcję silników V6 TDI nowej generacji Evo 3. Ponieważ wymagania stawiane przez zaostrzone normy emisji spalin stale rosną, inżynierowie muszą ciągle usprawniać efektywność oczyszczania spalin. Wymaga to m.in. większych objętości konstrukcyjnych katalizatorów. W najnowszej wersji jednostki napędowej V6 TDI, Audi w bardzo kompaktowym układzie połączyło wszystkie rozwiązania techniczne w tym względzie. Rury wydechowe wychodzące po zewnętrznej stronie obu ścian silnika łączą się tuż za nim, ale jeszcze przed przegrodą. Tam zamontowana jest turbosprężarka. Bezpośrednio za nią znajduje się katalizator pojemnościowy NSC. Nazwa to skrót od angielskiego terminu NOx Storage Catalyst. Następny w układzie jest filtr cząstek stałych z powłoką SCR (SDPF). Skrót SCR oznacza Selective Catalytic Reduction (selektywna redukcja katalityczna). Drugi katalizator SCR znajduje się dalej w układzie wydechowym, pod podwoziem pojazdu.

Jak taki wielostopniowy układ oczyszczania spalin funkcjonuje w silnikach TDI?

Katalizator pojemnościowy NSC montowany w pobliżu silnika może tymczasowo przechowywać tlenki azotu, aż do etapu ich regeneracji. Katalizator ten jest skuteczny nawet przy niskich temperaturach pracy jednostki, np. po rozruchu zimnego silnika. Regeneracja odbywa się za pomocą krótkotrwałego wzbogacenia mieszanki, uruchamianego przez jednostkę sterującą silnika. W ten sposób, oprócz magazynowania, a następnie neutralizacji tlenków azotu, reaktor utlenia niespalone węglowodory i tlenek węgla do postaci dwutlenku węgla i pary wodnej, wykorzystując cząsteczki tlenu tymczasowo magazynowanego NOx.

Kolejny etap redukcji tlenków azotu jest uruchamiany po wtrysku dodatku AdBlue. Ponieważ ten wodny roztwór mocznika jest wtryskiwany do układu wydechowego w dwóch punktach różniących się od siebie temperaturą, przy użyciu jednego modułu wtryskowego w każdym punkcie, cały układ jest określany jako podwójny wtrysk. Następnie w układzie wydechowym zachodzi proces chemicznej termolizy mocznika, który przekształca dodatek AdBlue w amoniak. Amoniak reaguje z filtrem cząstek stałych z powłoką SCR (SDPF) w pobliżu silnika, a na drugim katalizatorze SCR, umieszczonym w dalszej części układu wydechowego, z tlenkami azotu, które nie zostały jeszcze przetworzone. W wyniku tego powstaje woda i azot pierwiastkowy, który stanowi około czterech piątych naszej ziemskiej atmosfery.

Jakie są zalety podwójnego wtrysku?

Podwójny wtrysk wodnego roztworu mocznika AdBlue przynosi bardzo dobre efekty. W celu zwiększenia efektywności całego systemu wykorzystuje on różne warunki w różnych obszarach układu wydechowego, dostosowując się jednocześnie do nich. W ten sposób układ opracowany przez Audi jest w stanie przetworzyć ponad 90 procent tlenków azotu w szerokim zakresie temperatur i w różnych warunkach pracy. Podwójny wtrysk przyczynia się do osiągnięcia pożądanych limitów emisji tlenków azotu. Jeśli silnik pojazdu przez dłuższy okres czasu pracuje w warunkach dużego obciążenia, np. na drogach szybkiego ruchu lub podczas holowania przyczepy, temperatury spalin w SDPF w pobliżu silnika znacznie wzrastają, co powoduje spadek współczynników konwersji tlenków azotu. To otwiera pole dla działania drugiego punktu wtrysku AdBlue przed drugim aktywnym katalizatorem SCR, który umieszczony jest w dalszej części układu w podłodze pojazdu, przez co jego temperatura jest niższa. Umożliwia to całemu systemowi osiągnięcie wysokich współczynników konwersji w szerokim zakresie obciążeń, prędkości i temperatur.

Kiedy na rynku pojawi się ta wersja silnika V6 TDI i w jakich modelach będzie montowana?

Technika podwójnego wtrysku w V6 TDI będzie stosowana począwszy od generacji Evo 3. Będzie dostępna w silnikach wysokoprężnych o pojemności skokowej trzech litrów w trzech różnych klasach wydajności i wraz z nowym rokiem modelowym montowana będzie we wszystkich modelach z tą jednostką napędową.

Audi kładzie nacisk na zaawansowaną technikę redukcji emisji spalin również w przypadku silników z zapłonem iskrowym. W jaki sposób cztery pierścienie obniżają poziom zanieczyszczeń emitowanych przez jednostki benzynowe?

Podobnie jak w przypadku silników TDI, w jednostkach TFSI, czyli w turbodoładowanych silnikach benzynowych z bezpośrednim wtryskiem, oczyszczanie gazów spalinowych rozpoczyna się już wewnątrz silnika. Audi, w wielu swoich silnikach stosuje metodę spalania cyklu B, znaną również jako Cykl Millera. Daje ona znaczne oszczędności w zużyciu paliwa, szczególnie w przypadku spokojnego stylu jazdy. Przy niskim obciążeniu i niskiej prędkości obrotowej silnika, dwustopniowy system Audi Valvelift System (AVS) wcześniej zamyka zawory dolotowe. Powoduje to skrócenie stopnia sprężania, co w połączeniu z mniejszymi stratami na przepustnicy i długą fazą rozprężania, szczególnie w zakresie pracy przy częściowym obciążeniu, w którym silnik pracuje najczęściej, daje korzyści w zakresie emisji spalin i oszczędności paliwa. System „cylinder on demand” jest kolejną metodą redukcji zużycia paliwa. Przy niewielkim obciążeniu dezaktywuje on poszczególne cylindry. Alternatywną metodą jest wtrysk pośredni. Uzupełnia on wtrysk bezpośredni benzyny FSI, zmniejsza zużycie i zwiększa moc silnika. Wykorzystanie filtra cząstek stałych benzyny (GPF) w układzie wydechowym jest wspólne dla wszystkich układów.

Dlaczego silniki z zapłonem iskrowym potrzebują filtra cząstek stałych?

Większość modeli Audi z silnikami benzynowymi wykorzystuje wydajną technikę TFSI, innymi słowy bezpośredni wtrysk benzyny. TFSI uzupełnione jest również o turbosprężarkę. Celem jest tu skuteczne oczyszczanie spalin nawet w niekorzystnych zakresach pracy. Filtr cząstek stałych benzyny redukuje emisję cząstek węgla, szczególnie w przypadku uruchamiania zimnego silnika, co stanowi ok. 90 procent takich operacji. Od 2018 r. wszystkie serie modelowe Audi homologowane zgodnie z normą emisji Euro 6d TEMP, wyposażone są w filtry cząstek stałych benzyny, z dwoma wyjątkami: dwulitrowego silnika TFSI z gamy EA888 przystosowanego do spalania gazu ziemnego (montowany w Audi A4 Avant g-tron i Audi A5 Sportback g-tron) oraz jednostki 1,5 TFSI w Audi A3 Sportback 30 g-tron. Silniki te nie wymagają takiego filtra, ponieważ metan, nazywany również CNG (sprężony gaz ziemny), spala się bez emisji cząstek stałych.

Jak wygląda funkcjonowanie filtra cząstek stałych w silniku benzynowym?

Spaliny muszą przepływać przez kordierytowy korpus ceramiczny z drobnymi porami za katalizatorem. Zasada działania filtra cząstek stałych benzyny jest podobna do techniki oczyszczania spalin w silniku wysokoprężnym: spaliny przepływają przez porowate ceramiczne ściany komór, które tworzą małe, zamknięte kanały odpowiednio po stronie wlotu i wylotu. Cząstki stałe przylegają do chropowatej powierzchni ceramicznej. W zależności od indywidualnego stylu jazdy, regeneracja filtra odbywa się w procesie, który jest prostszy niż w przypadku silnika wysokoprężnego, ponieważ silnik benzynowy nie w każdych warunkach pracy wytwarza cząstki stałe. Podobnie, ze względu na swoją zasadę konstrukcyjną, temperatury spalin w silnikach z zapłonem iskrowym są wyższe niż w silnikach z zapłonem samoczynnym. Ze względu na regulowane doprowadzanie tlenu za pomocą jednostki sterującej silnika i następujący po tym dodatkowy krótkotrwały wzrost temperatury w układzie wydechowym, ilość ładunku, która jest wyraźnie mniejsza niż w przypadku jednostki z silnikiem wysokoprężnym, łatwo ulega utlenieniu i neutralizacji.

Co na tle konkurencji wyróżnia układ opracowany przez Audi?

Audi stosuje wyjątkowo pojemne filtry cząstek stałych benzyny. W przypadku dwulitrowego, czterocylindrowego silnika EA888, taki filtr ma pojemność 3,2 litra. Jego konstrukcja z optymalizacją ciśnienia wstecznego umożliwia uzyskanie korzystnych krzywych mocy i momentu obrotowego. We wszystkich modelach praca GPF jest monitorowana przez czujniki. Dzięki procesowi monitorowania, częstotliwość i czas trwania regeneracji są zorientowane na stan filtra, wynikający z rzeczywistych, indywidualnych, codziennych profili jazdy każdego klienta. Dzięki temu zmniejsza się emisja zanieczyszczeń, obciążenie środowiska oraz wydłuża się żywotność filtra.