Składniki spalin i ich powstawanie cz.III | Poradniki

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”