Od momentu wprowadzenia norm ograniczających ilość toksycznych składników w spalinach silników spalinowych konstruktorzy i wytwórcy pojazdów rozpoczęli prace nad rozwiązaniami mającymi na celu ich spełnienie. Aby osiągnąć zamierzony cel można było podążać różnymi drogami: doprowadzić do polepszenia warunków spalania lub oczyścić wytworzone spaliny. Najlepszym rozwiązaniem było zastosowanie obu metod naraz.
Od początku istnienia benzynowe silniki spalinowe zasilane były za pomocą gaźników. Urządzenia te tworzą mieszankę zasysaną do cylindrów i zapalaną za pomocą iskry wytworzonej na świecy zapłonowej. Aby mieszanka zapalała się i wytwarzała odpowiednią pracę jej skład musi się zmieniać w zależności od prędkości obrotowej silnika, jego temperatury i obciążenia. Z tego powodu konstrukcja gaźników od stosunkowo prostej z biegiem lat stała się coraz bardziej skomplikowana. Konstrukcja gaźników umożliwia zmiany składu mieszanki tak, aby była ona najlepiej palna i aby silnik miał jak największą moc przy niskim zużyciu paliwa. Przez długi czas gaźniki były urządzeniami czysto mechanicznymi i z powodzeniem spełniały swoją funkcję. Jednakże skład mieszanki nie był idealny i silniki tak zasilane przeważnie pracowały z nadmiarem paliwa. Powodowało to niepełne spalenie mieszanki i zwiększenie toksycznych składników w spalinach. Z biegiem lat zaczęto wyposażać gaźniki w precyzyjnie, elektrycznie sterowane dysze i zaworki. Polepszyło to znacznie skład mieszanki, jednakże nadal nie wyeliminowało dużej dowolności w zasilaniu cylindrów. Dopiero wprowadzenie wtrysku paliwa spowodowało, że do cylindrów w zależności od potrzeby zasysana była ściśle określona ilość paliwa tworząc z powietrzem optymalną mieszankę.
Pierwsze układy wtryskowe działały na drodze czysto mechanicznej, jednakże rozwój elektroniki spowodował, że zastąpiły je układy elektroniczne. Dzięki zastosowaniu wielu różnych czujników mierzących parametry zarówno silnika, jak i zasysanego powietrza można tak zoptymalizować moment i ilość wtryśniętego powietrza, że mieszanka ulega całkowitemu spaleniu wytwarzając minimalną ilość toksycznych związków. Należy przy tym pamiętać, iż oprócz składu mieszanki za właściwe spalenie odpowiada również moment zapłonu, który dzięki elektronice może być indywidualnie dobrany dla każdego cylindra.
Tak więc mając właściwie dobrane oba parametry: skład mieszanki i moment zapłonu, należałoby oczekiwać, że można tak spalić zawarte w powietrzu kropelki paliwa, aby gazy wylotowe były jak najczystsze. Gdyby silnik w pojeździe pracował w stanach ustalonych, tak w istocie mogłoby być. Niestety, taki stan w czasie normalnej eksploatacji występuje bardzo rzadko. Większość czasu silniki pracują w stanach nieustalonych: a to rozpędzając pojazd, a to jadąc pod górę, hamując bądź pracując na biegu jałowym. Pamiętajmy, że pojazd musi mieć zapewnioną sporą mobilność i w czasie przyspieszania jego silnik musi dostawać więcej paliwa, aby sprawnie napędzić pojazd.
Na proces spalania w nowoczesnym silniku wpływają nie tylko dwa omówione wcześniej parametry. Oprócz nich jest to wiele elementów silnika. Do najważniejszych z nich należą: kształt i wielkość komory spalania, długość, pojemność i tworzenie odpowiedniego zawirowania powietrza przez kolektory ssące, odpowiednio dobrane elementy rozrządu (zawory, wałek) i wiele innych. Oprócz optymalizacji konstrukcji wprowadzane są dodatkowe systemy ograniczające wytwarzanie substancji szkodliwych, np. pompy powietrzne. W tym celu doprowadzono również do zastosowania paliw zwanych w uproszczeniu paliwami ekologicznymi rezygnując z wytwarzających bardzo toksyczne związki ołowiu etylin. Występujący w nich czteroetylek ołowiu, składnik podnoszący właściwości przeciwstukowe paliwa, został zastąpiony przez inne, mniej toksyczne substancje.
Wszystkie te działania są mocno ograniczone z racji podstawowego zadania silnika spalinowego, jakim jest efektywne i wysoko sprawne przetwarzanie energii. Druga grupa metod to metody pośrednie, których celem jest usuwanie substancji szkodliwych z już powstałych gazów spalinowych silnika. Jednym z podstawowych sposobów zmniejszania poziomu emisji związków trujących zawartych w spalinach emitowanych przez silniki jest zastosowanie reaktorów katalitycznych, zwanych popularnie katalizatorami, których zasadniczym elementem są metale szlachetne, takie jak platyna, pallad czy rod.
Katalizatory zostały wprowadzone do pojazdów w 1974 roku i obecnie prawie wszystkie nowo wyprodukowane samochody są w nie wyposażone. Dzięki ich wprowadzeniu możliwe stało się dokładniejsze oczyszczenie spalin z toksycznych środków. Pierwszymi katalizatorami były katalizatory utleniające. Służyły one do ograniczenia emisji HC oraz CO. Dopiero w latach 80. ubiegłego wieku zostały one wyparte przez trójfunkcyjne reaktory katalityczne. Było to spowodowane koniecznością skutecznego usuwania NOx. Katalizatory utleniające pojawiły się ponownie w latach 90. w silnikach o zapłonie samoczynnym i służą do redukcji HC i CO w pojazdach napędzanych takimi silnikami. Zastosowanie katalizatorów w silnikach z zapłonem samoczynnym stało się konieczne w chwili, kiedy w układach wydechowych silników o zapłonie iskrowym zaczęto stosować katalizatory trójdrożne i poziomy emisji HC i CO dla tych silników okazały się być znacznie niższe niż dla silników o zapłonie samoczynnym, nieposiadających katalizatorów utleniających. Pojawiła się wtedy potrzeba obniżenia emisji cząstek stałych. Katalizatory utleniające znalazły w tym przypadku zastosowanie, ponieważ są w stanie usuwać część organicznej frakcji rozpuszczalnej będącej składnikiem cząstek stałych. Ten typ katalizatorów nie jest jednak w stanie utleniać węgla będącego również składnikiem cząstek stałych. Spowodowane jest to zbyt niską temperaturą w układach wydechowych silników o zapłonie samoczynnym.
Obecnie w silnikach o zapłonie iskrowym powszechnie stosowana jest druga grupa katalizatorów: katalizatory trójfunkcyjne (utleniająco-redukujące). Typ ten znalazł powszechne zastosowanie, gdyż może jednocześnie w sposób ciągły utleniać CO i HC oraz redukować NOx ze spalin powstałych w procesie spalania. Przy zastosowaniu tego rozwiązania niezbędne jest jednak ciągłe kontrolowanie i utrzymywanie stałego stosunku powietrza do paliwa o wartości stechiometrycznej. Spełnienie tego warunku stało się możliwe dzięki umieszczeniu w układzie wydechowym, tuż przed katalizatorem, czujnika stężenia tlenu (sonda lambda) kontrolującego w pętli sprzężenia zwrotnego skład mieszanki palnej. Obecnie istnieje kilka głównych odmian tego typu katalizatorów:
– katalizatory rozruchowe montowane bardzo blisko silnika w celu szybkiego uzyskania temperatury niezbędnej do dopalania węglowodorów (około 10 s),
– główne reaktory katalityczne umieszczone zwykle pod podłogą pojazdu, pełnią zasadniczą rolę w ograniczaniu emisji CO, HC i NOX.
Typowy katalizator trójfunkcyjny składa się z następujących elementów:
– konstrukcji monolitycznej (ceramicznej lub metalowej),
– warstwy nośnika (podkładu),
– właściwej substancji katalitycznej,
– obudowy.
Konstrukcja monolityczna wykonana jest materiałów ceramicznych (kordieryt) lub metalu (zwinięta, odpowiednio ukształtowana folia o grubości około 0,04 mm wykonana ze stali żaroodpornej). Składa się ona z licznych drobnych kanałów, oddzielonych od siebie cienkimi ściankami, biegnącymi zgodnie z kierunkiem przepływu spalin. Jej zadaniem jest zapewnienie swobodnego przepływu spalin oraz dobrej wymiany ciepła. Monolit zamknięty jest w obudowie ze stali odpornej na korozję i wysoką temperaturę. Nośnikiem nakładanym na podłoże ceramiczne lub metalowe jest warstwa tlenku aluminium o grubości 30–80 μm. Charakteryzuje się ona znaczną powierzchnią i dużą porowatością. Do nośnika jako dodatki wprowadza się tlenki cezu, ceru, tytanu, cyrkonu i inne. Mają one zdolność przejściowego wiązania tlenu, co ułatwia katalityczne utlenianie w okresach gwałtownych zmian składu spalin. Warstwa katalityczna składa się z mieszaniny metali szlachetnych: platyny, rodu, palladu, rutenu i irydu. Najczęściej stosuje się mieszaniny platyny i rodu w stosunku od 5:1 do 7:1.
Dla prawidłowej pracy katalizatorów konieczne było zastosowanie sond lambda. Są to elementy mierzące ilość tlenu znajdującą się w spalinach. Najważniejszym zadaniem sondy lambda jest takie przygotowanie mieszanki, aby powstające spaliny miały skład zapewniający optymalne działanie katalizatora. Obecnie używane przez producentów samochodów sondy lambda mogą mieć różną budowę i zasady działania. Około 90% z nich to sondy cyrkonowe.
Sonda taka działa jak źródło prądu. Rozgrzanie ceramicznego elementu pomiarowego do temperatury ok. 400°C umożliwia przepływ jonów tlenu z powietrza do rury wydechowej. Ilość jonów, która przepłynie do rury wydechowej, zależy od różnicy stężeń jonów tlenu w powietrzu i rurze wydechowej. Jeśli spalana mieszanka jest bogata, to w spalinach jest mało tlenu, występuje duża różnica stężeń i przepływ jonów do rury wydechowej jest duży, w wyniku czego otrzymujemy wysokie napięcie ok. 0,9V. Jeśli spalana mieszanka jest uboga, to w spalinach jest dużo jonów tlenu. Występuje wtedy mała różnica stężeń i przepływ jonów do rury wydechowej jest mały, w wyniku czego otrzymujemy niskie napięcie, ok. 0,1V. Moment przejścia z jednego napięcia do drugiego wyznacza nam właściwy skład mieszanki. Starsze sondy lambda były sondami, które temperaturę pracy uzyskiwały po rozgrzaniu się od przepływających spalin. Chcąc zmniejszyć czas podgrzewania i ustabilizować pracę producenci wyposażyli sondy w grzałki skracające czas rozgrzania i utrzymujące temperaturę sondy na właściwym poziomie. Pierwsze sondy miały tylko po jednym przewodzie (sygnałowym), potem w celu poprawienia jakości sygnału zaczęto stosować masę, a potem podgrzewanie. Obecnie mamy sondy 4, 5 lub 6-przewodowe.
Oprócz sond cyrkonowych mamy sondy tytanowe, w których nie następuje generowanie napięcia, lecz zmiana oporności. Sondy te jako dokładniejsze i lepsze do sterowania i kontroli są coraz częściej stosowane w nowych rozwiązaniach. Najnowsze sondy są to 6 przewodowe sondy cyrkonowo-irydowe, które zapewniają bardzo dokładny i stabilny pomiar tlenu w spalinach.
Trzecią grupą katalizatorów są stosowane obecnie w silnikach z zapłonem samoczynnym katalizatory redukujące. Do tej grupy zaliczane są katalizatory selektywnie redukujące tlenki azotu NOx. Wyróżniamy dwa typy katalizatorów redukujących, wykorzystujących do redukcji NOX dwa różne typy reduktorów.
W pierwszym z nich czynnikiem redukującym tlenki azotu, wprowadzanym do gazów spalinowych przed reaktorem, jest amoniak. Najpowszechniejsze tego typu reaktory wykorzystują mieszaninę tlenków tytanu. Główną zaletą tych katalizatorów jest ich wysoka odporność na zatrucie przez tlenki siarki często występującej w nadmiarze w gorszej jakości oleju napędowym. Wymagane ograniczenia emisji tlenków azotu powodują konieczność precyzyjnego wprowadzania odpowiedniej ilości amoniaku. Zbyt duża ilość dodanego amoniaku może bowiem powodować dodatkowe zanieczyszczenie atmosfery poprzez nadmiar reduktora. Do redukcji NOx w silnikach (ze względu na właściwości fizykochemiczne amoniaku) stosowany jest jako źródło amoniaku wodny roztwór mocznika dostępny w Europie pod postacią płynu o nazwie Adblue. Rozwiązanie to stosowane jest coraz częściej w silnika samochodów ciężarowych i powoli wkracza również do pojazdów osobowych.
Drugi wymieniony typ katalizatorów wykorzystuje węglowodory jako czynnik redukujący tlenki azotu. Reduktorami mogą być węglowodory począwszy od etanu aż do cetanu oraz inne składniki oleju napędowego. Wśród tych węglowodorów są najczęściej stosowane parafiny i olefiny. Stosuje się także związki organiczne zawierające tlen, np. alkohole (metanol, etanol) oraz ketony. Możliwe jest także wykorzystaniu do tego celu benzyn i lekkich olejów oraz glikoli, np. glikolu etylenowego i propylenowego, kwasów karboksylowych i ich soli, np. kwas propionowy i szczawiowy oraz eterów czy tlenku etylenu lub propylenu. Najczęściej jednak jako reduktory stosowane są propen i propan. Katalizatory te są obecnie w fazie prób.
Ostatnimi ze sposobów ograniczania toksyczności spalin jest wprowadzanie napędu hybrydowego oraz stosowanie paliw alternatywnych. W obecnej sytuacji ekonomicznej i pędu do ochrony środowiska te dwie metody są najbardziej promowane i konstruktorzy ciężko pracują nad tymi rozwiązaniami. Za klika lat po wprowadzeniu nowych norm ograniczających ilość toksycznych składników spalin do zera pojazdy napędzane takimi metodami staną się popularne na naszych drogach. Póki co jednak starajmy się dbać o układy zasilania i silniki naszych pojazdów, aby wytwarzane przez nich spaliny jak najmniej zatruwały nasze środowisko.
