Emisja zanieczyszczeń pozostaje gorącym tematem a przemysł wciąż czyni starania, aby zmniejszać szkodliwość spalin dla środowiska. Proces ten trwa od dawna, ponieważ mimo że spalanie benzyny i oleju napędowego podczas transportu drogowego spada, programiści nadal pracują nad różnymi rozwiązaniami katalitycznymi.

Jednym z takich zaawansowanych osiągnięć w tej dziedzinie jest katalizator SCR, który okazał się tak przełomowy, że na stałe zagościł w branży.

Rys historyczny

W 2000 r. potrzebne były nowe pomysły, aby sprawić, żeby produkty spalania silników spalinowych stały się przyjazniejsze dla środowiska. Powodem był fakt, że na całym świecie wprowadzano coraz bardziej rygorystyczne normy emisji spalin, a tym samym obawiano się, że istniejące pojazdy mogą nie stanąć na wysokości zadania.

Chociaż japoński przemysł motoryzacyjny jest często krytykowany za doskonalenie cudzych pomysłów niż opracowywanie prawdziwych innowacji, to katalizator SCR (Selective Catalytic Reduction – selektywna redukcja katalityczna) został po raz pierwszy zastosowany w ciężarówkach właśnie przez japoński koncern Nissan Diesel Corporation. Pierwszy taki pojazd został wprowadzony na rynek w 2004 r. pod nazwą Nissan Diesel Quon.

Trzeba dodać, że sam pomysł sięga znacznie dalej wstecz. Pierwszy patent z tym związany przypisuje się amerykańskiej firmie Engelhard Corporation z 1957 r., która jednak stosunkowo szybko zaprzestała badań z uwagi na brak możliwości ich praktycznego wykorzystania; z drugiej strony Japończycy kontynuowali prace i musiało minąć jeszcze pół wieku, by urządzenie znalazło zastosowanie w komercyjnie dostępnym pojeździe.

Obok norm europejskich (Euro6) amerykańska Agencja Ochrony Środowiska (EPA) wprowadziła swoje, równie restrykcyjne, co stworzyło praktycznie globalne zapotrzebowanie na katalizator SCR.

Przeznaczenie urządzenia

W spalinach najbardziej szkodliwym produktem spalania dla organizmów żywych są bez wątpienia tlenki azotu. Niektóre z nich są szczególnie silnymi truciznami, dlatego kluczowe znaczenie ma ich neutralizacja, zanim wydostaną się z samochodu do środowiska.

Silniki wysokoprężne cieszą się szczególną uwagą w tym temacie, ponieważ zawsze działają z nadmiarem powietrza, dlatego obowiązuje je nader restrykcyjna kontrola jakości.

Wynika to z faktu, że w każdym cyklu roboczym do przestrzeni cylindra trafia więcej powietrza i azotu, niż miałoby to miejsce w przypadku idealnego spalania, a olej napędowy jest zasadniczo gorszej jakości materiałem pędnym. Na samym końcu procesu, w porównaniu z silnikami Otta, w silnikach wysokoprężnych generowana jest znacznie większa ilość tlenku azotu, który jest neutralizowany w niewystarczającej ilości przez klasyczne katalizatory.

Podstawowym zadaniem urządzenia jest redukcja tych związków.

Konstrukcja, zasada działania

Katalizator SCR do procesu redukcji wykorzystuje zewnętrzną pomoc. W pojazdach wyposażonych w to urządzenie oprócz zbiornika paliwa znajduje się jeszcze jeden zbiornik, w którym przechowywany jest płyn AdBlue. Jest to nic innego jak 32,5% wodny roztwór mocznika (H N-CO-NH₂₂). Zbiornik jest również wyposażony w czujnik poziomu, podkładkę grzewczą i czujnik temperatury.

Sterowana elektrycznie jednostka dozująca dostarcza substancję ze zbiornika do wtryskiwacza poprzez spiralę grzewczą i filtry, które następnie rozpylają odpowiednią ilość do katalizatora.

Wtryskiwacz posiada zawór elektromagnetyczny, otwierany i zamykany przez DCU (Dosing Control Unit – jednostka sterująca dozowaniem) za pomocą sygnału elektrycznego o odpowiedniej szerokości impulsu.

Jednostka jest otoczona metalową obudową i chłodzona przez krążący płyn AdBlue.

System monitoruje temperaturę w wielu miejscach: mocznik zaczyna się rozkładać, gdy jest utrzymywany w odpowiedniej temperaturze, przez co powstaje amoniak (NH₃). Wstrzyknięcie go do katalizatora powoduje redukcję tlenków azotu:

Oprócz głównych reakcji, zachodzi również szereg reakcji wtórnych, z których niektóre wyróżniamy poniżej:

Skuteczność redukcji jest zadziwiająco wysoka: może wynosić ponad 85%, więc znaczna część tlenków azotu w ogóle nie trafia do rury wydechowej.

Jednocześnie faktem jest, że płyn AdBlue wymaga oddzielnego systemu dozowania i oddzielnej elektroniki sterującej, nie wspominając o tym, że płyn ten nie może być poddawany recyklingowi: musi być uzupełniany w taki sam sposób jak olej napędowy, tylko w znacznie mniejszym stopniu. Ogólnie rzecz biorąc, katalizator SCR zużywa 4-6% ilości zużywanego oleju napędowego, ale należy zauważyć, że dzięki niemu zużycie paliwa spada również średnio o około 5%.

SCR posiada oddzielny katalizator utleniający (DOC), którego działanie jest bardzo podobne do klasycznego katalizatora utleniającego (głównie przekształca niespalone węglowodory i tlenek węgla w dwutlenek węgla i wodę), z tym wyjątkiem, że cały system, w tym ta podjednostka, posiada również filtr cząstek stałych o znacznej pojemności. Częstym problemem w silnikach wysokoprężnych jest powstawanie sadzy z powodu wspomnianego już niedoskonałego spalania – oprócz katalizatora SCR, w procesie tym pomaga również oddzielny filtr cząstek stałych (DPF), w którym system zapobiega wydostawaniu się krytycznych cząstek sadzy.

Dystrybucja, zastosowania

Chociaż oddzielny zbiornik na AdBlue wzbudzał poważne wątpliwości co do funkcjonalności systemu, ostatecznie, ze względu na bardziej rygorystyczne normy i brak lepszych pomysłów, katalizator SCR zyskał ogromny rynek. Chociaż nie jest on obowiązkowym wyposażeniem pojazdów, większość silników wysokoprężnych nie jest dziś w stanie spełnić norm emisji bez niego.

Oprócz segmentu samochodów osobowych, zaostrzono również przepisy dotyczące pojazdów użytkowych, dzięki czemu technologia odniosła co najmniej taki sam sukces w przypadku pojazdów w transporcie drogowym, rolnictwie i prawie wszystkich innych obszarach, jak w przypadku samochodów.

Choć minęło już dwadzieścia lat i pojawiło się wiele nowych pomysłów, katalizator SCR nadal jest liderem na rynku silników wysokoprężnych i nie wydaje się, by w najbliższej przyszłości cokolwiek mogło go zastąpić.