Składniki spalin i ich powstawanie cz.III

Węglowodory (HC) w spalinach silnika ZI

Powstawanie.
„Węglowodorami” nazywamy grupę związków chemicznych, które składają się z węgla (C) i wodoru (H). Oznaczamy je symbolem (HC). W spalinach jest ok.180 rożnych związków typu węglowodór. Mają one rożne własności i są w rożnym stopniu toksyczne. Paliwa silnikowe składają się głownie z węglowodorów - benzyny silnikowe też z innych składników. Ich końcowymi produktami spalania (patrz równanie 2) są dwutlenek węgla (CO2) i para wodna (H2O). W komorze spalania nie ma warunków, by wszystkie węglowodory tak się spaliły. Są strefy, w których:

• proces spalania części węglowodorów rozpoczyna się, ale na którymś etapie, pomiędzy kolejnymi reakcjami, zostaje przerwany i nie kończy się (spalanie paliwa jest tzw. procesem łańcuchowym, składającym się z wielu następujących po sobie reakcji) w następstwie przerwania procesu spalania część węglowodorów zmienia tylko swój rodzaj, pozostając nadal węglowodorami
• proces spalania węglowodorów nie nastąpił.

Oba procesy, powodują, że w spalinach zawsze znajdują się węglowodory (HC). Im lepiej przebiega proces przygotowania i spalania mieszanki, tym jest ich mniej. Zawsze w komorze spalania są strefy, w których:

• proces spalania węglowodorów nie kończy się
• mieszanka paliwowo-powietrzna jest za bogata lub za uboga, aby proces spalania nastąpił.

W mieszance bogatej (λ<1), ilość tlenu (O2) jest za mała, aby wszystkie węglowodory spaliły się tak, by zostały po nich tylko para wodna (H2O) i dwutlenek węgla (CO2), dlatego im bogatsza jest mieszanka, tym emisja węglowodorów (HC) jest wyższa. W mieszance ubogiej (λ>1) ilość tlenu (O2) jest większa niż wymagana, aby wszystkie węglowodory spaliły się, dlatego przy spalaniu lekko zubożonych mieszanek - przykładowo λ od 1,05 do 1,1 (rys.5), emisja węglowodorów jest najmniejsza.

Jeśli są spalane mieszanki uboższe, w porównaniu z mieszanką, przy spalaniu której zawartość węglowodorów (HC) w spalinach jest najniższa, to w komorze spalania jest więcej stref, w których:

• mieszanka uboga spala się za wolno, aby proces spalania skończył się przed otwarciem zaworu wylotowego (jego otwarcie pogarsza warunki procesu spalania)
• mieszanka jest tak uboga, że nie spala się. Powoduje to wzrost emisji węglowodorów (HC).

Zawartość węglowodorów (HC) w spalinach lepiej informuje o jakości procesu spalania niż zawartość tlenku węgla (CO), szczególnie w zakresie mieszanek ubogich.

Własności.
Grupa węglowodorów (HC) obejmuje związki chemiczne o rożnych własnościach. Niektóre są bezwonne, a inne mają intensywny zapach. Większość z nich szkodliwie oddziałuje na drogi oddechowe i układ krwionośny. Mają również działanie rakotwórcze. Uczestniczą w tworzeniu smogu.

Tlenki azotów (NOX) w spalinach silnika ZI

Powstawanie.
Przy ciśnieniu i temperaturze panujących w naszym otoczeniu, azot (N2) nie reaguje z tlenem (O2) - oba są składnikami powietrza. Jednak w komorze spalania silnika, przy ciśnieniach i temperaturach towarzyszących procesowi spalania, przekraczających lokalnie ok. 1800°C, azot (N2) wchodzi w reakcje z tlenem (O2), tworząc tlenek azotu (NO). Przyjmuje się, że temperatura 1800°C jest graniczną, po przekroczeniu której ilość powstających tlenków azotu (NO) szybko rośnie.

Podkreślam - powstawanie tlenków azotu (NO) w komorze spalania silnika nie jest bezpośrednim wynikiem procesu spalania paliwa, ale wynikiem reakcji pomiędzy azotem (N2) i tlenem (O2), w korzystnych warunkach panujących w komorze spalania, stworzonych przez proces spalania.

W następstwie procesów zachodzących w komorze spalania i w układzie wylotowym silnika, przez końcówkę układu wylotowego są emitowane rożne związki chemiczne, będące połączeniem azotu (N2) i tlenu (O2). Podstawowe z nich to:

• tlenek azotu (NO)
• dwutlenek azotu (NO2)
• podtlenek azotu (N2 Rys.7. Zawartość tlenków azotu (NO O).

Wszystkie związki azotu (N2) i tlenu (O2) są ogólnie nazywane tlenkami azotu i oznaczane symbolem NOX.

Zawartość tlenków azotu (NOX) w spalinach jest najwyższa, gdy spalane są mieszanki trochę zubożone, charakteryzowane współczynnikiem lambda λ, o wartości z zakresu od 1,05 do 1,1 (rys.7.). Gdy spalane są mieszanki uboższe lub bogatsze, to emisja tlenków azotu (NOX) jest niższa od maksymalnej.

Zawartość tlenków azotu (NOX) w spalinach zależy silnie od ciśnień i temperatur panujących w komorze spalania, a więc od obciążenia silnika. W warunkach warsztatowych lub stacji kontroli pojazdów, analiza składu spalin silnika ZI jest wykonywana prawie wyłącznie dla silnika nieobciążonego - wówczas emisja tlenków azotu (NOX) jest bardzo niska. Dopiero obciążenie silnika powoduje wyraźny wzrost emisji tlenków azotu (NOX).

Przykładowo, zawartość tlenków azotu (NOX) w spalinach przed konwerterem katalitycznym wynosi:

• na biegu jałowym silnika 300ppm
• przy pełnym obciążeniu silnika 5000ppm.

Z powyższego powodu oraz ze względu na różnice konstrukcyjne między silnikami (np. wartość stopnia sprężania), trudno jest określić normę emisji tlenków azotu (NOX) dla silnika nieobciążonego, dlatego pomiar ich zawartości w spalinach silnika nieobciążonego, nie ma znaczenia praktycznego.

Własności.
Związki z grupy tlenków azotu (NOX), mają rożne własności:

• tlenek azotu (NO) - bezwonny, bezbarwny gaz, powodujący ciężkie zatrucie krwi i porażenie centralnego układu nerwowego
• dwutlenek azotu (NO2) - gaz o czerwono-brunatnym zabarwieniu, o drażniącym zapachu, podrażnia i powoduje choroby układu oddechowego
• podtlenek azotu (N2) - bezbarwny gaz, o działaniu odurzającym, stosowany też jako gaz rozweselający.

Tlenkom azotu (NOX) przypisuje się ok. dziesięciokrotnie silniejsze szkodliwe oddziaływanie na organizm człowieka niż tlenkowi węgla (CO). Ponadto tlenki azotu (NOX) reagując z węglowodorami (HC) w atmosferze, już po opuszczeniu układu wylotowego, powodują powstanie ozonu i kolejnych „odmian” trujących węglowodorów (zjawisko smogu). Przyczyniają się również do powstawania kwaśnych deszczy (opady kwasu azotowego) i obumierania roślinności.

Tekst pochodzi z Dodatku  technicznego do WIADOMOŚCI Inter Cars SA nr 47/grudzień 2012 „Trójfunkcyjne konwertery katalityczne Kompendium praktycznej wiedzy”