Tlenki azotu

Powstawanie tlenków azotu NO_x i ich własności 

Powstawanie. Przy ciśnieniach i temperaturach panujących w otoczeniu, składnik powietrza (rys.1): tlen (0₂) i azot (N₂), nie reagują ze sobą. Jednak w komorze spalania silnika, przy ciśnieniach i temperaturach towarzyszących procesowi spalania (to jest proces składający się z następujących po sobie kolejno reakcji, tzw. łańcuchowy), przekraczających lokalnie ok. 1800°C, azot (N₂) wchodzi w reakcje z tlenem (0₂), tworząc tlenek azotu (NO). Tlenek azotu (NO) powstaje też w niższej temperaturze, ale przyjmuje się, że temperatura 1800°C jest graniczną po przekroczeniu której ilość powstających tlenków azotu (NO) szybko rośnie. Powstawanie tlenków azotu (NO_x) ) w komorze spalania silnika nie jest bezpośrednim wynikiem procesu spalania paliwa, ale wynikiem reakcji pomiędzy azotem (N₂) tlenem (0₂), 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 różne związki chemiczne, będące połączeniem azotu (N₂) i tlenu (0₂). Podstawowe z nich to: 

- tlenek azotu (NO); 

- dwutlenek azotu (N0₂); 

- podtlenek azotu (N₂O). 

Wszystkie związki azotu (N₂) i tlenu (0₂) są ogólnie nazywane tlenkami azotu oraz są oznaczane symbolem NO_x. 

Zawartość w spalinach silnika (rys. 2). Zawartość tlenków azotu (NO_x) w spalinach - przed konwerterem katalitycznym, jeśli jest zamontowany, jest najwyższa, gdy spalane są mieszanki trochę zubożone, charakteryzowane współczynnikiem lambda λ składu mieszanki, wynoszącym od 1,05 do 1,1 (rys. 2). Gdy spalane są mieszanki uboższe lub bogatsze, emisja tlenków azotu (NO_x) jest niższa od maksymalnej. 

Zawartość tlenków azotu (NO_x) w spalinach zależy silnie od ciśnień i temperatur panujących w komorze spalania, a więc od obciążenia silnika. Zawartość tlenków azotu (NO_x) w spalinach silnika nieobciążonego jest bardzo niska. Dopiero obciążenie silnika powoduje wyraźny wzrost emisji tlenków azotu (NO_x) .

Przykładowo, zawartość tlenków azotu (NO_x) w spalinach silnika ZI przed konwerterem katalitycznym wynosi: 

- na biegu jałowym silnika 300ppm; 

- przy pełnym obciążeniu silnika 5000ppm. 

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

Własności. Związki z grupy tlenków azotu (NO_x) , mają różne własności: 

- tlenek azotu (NO) bezwonny, bezbarwny gaz, powodujący ciężkie zatrucie krwi i porażenie centralnego układu nerwowego; 

- dwutlenek azotu (N0₂) - gaz o czerwono-brunatnym zabarwieniu, o drażniącym zapachu, podrażnia i powoduje choroby układu oddechowego; 

- podtlenek azotu (N₂O) - bezbarwny gaz, o działaniu odurzającym, stosowany też jako gaz rozweselający. 

Tlenkom azotu (NO_x) przypisuje się ok. dziesięciokrotnie silniejsze szkodliwe oddziaływanie na organizm człowieka niż tlenkom węgla (CO). Ponadto 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) obumierania roślinności. 

Europejskie, homologacyjne normy emisji tlenków azotu NO_x

Zmniejszanie emisji związków szkodliwych spalin, w tym tlenków azot (NO_x) jest wymuszane na producentach samochodów przez normy homologacyjne. W Europie obowiązują normy nazywane EURO, oznaczane kolejnymi numerami. Określają one dopuszczalne emisje związków szkodliwych spalin. 

Normy EURO 1 i 2, dla silników ZI i ZI WB, samochodów osobowych (rys. 3), ograniczają między innymi łączną emisję węglowodorów (HC) i tlenków azotu (NO_x) . Wynika to z tego, że przeważnie obniżenie emisji węglowodorów (HC) co oznacza lepsze wykorzystanie paliwa, zwiększa jednocześnie emisję tlenków azotu (NO_x) . Jest również odwrotna zależność. W normach EURO 3, 4, dla silników ZI samochodów osobowych, są określone oddzielne limity emisji dla węglowodorów (HC) i tlenków azotu (NO_x) . 

Granice emisji norm EURO 1 i 2, dla silników ZS samochodów osobowych (rys. 4): 

- są różne, dla silników z bezpośrednim wtryskiem paliwa (WB) i z pośrednim wtryskiem paliwa (WP), dla niektórych związków szkodliwych spalin, ; 

- ograniczają łączną emisje węglowodorów (HC) i tlenków azotu (NO_x) .

W normach EURO 3, 4: 

- granica łącznej emisji węglowodorów (HC) i tlenków azotu (NO_x) , została uzupełniona o granicę emisji tlenków azotu (NO_x) ; 

- granice emisji są takie same, niezależnie od sposobu wtrysku paliwa. 

W silnikach ZS, pomiędzy emisją cząstek stałych (PM) a emisją tlenków azotu (NO_x) jest podobna zależność jak pomiędzy emisją węglowodorów (HC) a emisją tlenków azotu (NO_x) . Obniżenie emisji cząstek stałych (PM) lub węglowodorów (HC) powoduje przeważnie zwiększenie emisji tlenków azotu (NO_x) - lub odwrotnie. 

Warto zauważyć jak w kolejnych normach, są obliczane granice emisji tlenków azotu (NO_x) lub łącznej emisji węglowodorów (HC) i tlenków azotu (NO_x) . 

Zdjęcia i tekst pochodzą z artykułu „Tlenki azotu (NOx) ” w dodatku technicznym do Wiadomości IC Recyrkulacja spalin w silnikach cz. 1 nr 35/Czerwiec 2010