Močovina, SCR s AdBlue, oxidy dusíka NOx, LNT katalyzátor

Príchodom emisnej normy Euro 6 nastali ťažké časy pre oxidy dusíka. Konkrétne maximálne množstvo, ktoré môže dieselový motor vyprodukovať, klesol z 0,18 gramu/km (Euro 5), na 0,08 g/km (Euro 6).

Na prvý pohľad nepatrná zmena, s ktorou sa ale dieselový motor resp. jeho „čistiace“ systémy poriadne zapotia. Lízne to samozrejme aj našu euro peňaženku. Veď ako inak, že.

Problematike znižovanie emisií pevných častíc sme sa venovali v tomto článku o DPF. V nasledujúcich riadkoch si však popíšeme ako sa znižujú emisie oxidu dusíku NOx.

Čo sú to tie oxidy dusíka?

Oxidy dusíka označujeme NOx a radíme medzi ne oxid dusnatý NO, oxid dusitý N2O3, oxid dusičitý NO2 a oxid dusičný N2O5. Oxidy dusíka vznikajú napr. pri výrobe kyseliny dusičnej alebo oxidáciou – horením/spaľovaním fosílnych palív, kedy sa dusík obsiahnutý vo vzduchu (poprípade v palive) mení na oxidy dusíka, pričom množstvo NOx závisí na teplote spaľovacieho procesu – čím je teplota vyššia, tým je vyššia tvorba NOx.

Vo všeobecnosti vznikajú NOx pri teplotách nad 1370 °C, pričom so stúpajúcou teplotou spaľovania výrazne rastie produkcia NOx. Viac ako 90% oxidov dusíka je emitovaných vo forme oxidu dusného NO-bez zápachu. Vo vzduchu sa však tento plyn rýchlo reaguje s kyslíkom a mení sa na oxid dusičitý-kyslastý štipľavý zápach. NO2 sa v spojení so vzdušnou vlhkosťou mení na kyselinu dusičitú, čo prispieva ku vzniku tzv. kyslých dažďov.

Emisie NOx majú negatívny vplyv aj na ozónovú vrstvu a tiež patria medzi tzv. skleníkové plyny s negatívnym vplyvom na klimatické zmeny. Oxidy dusíka už v menšom množstve dráždia dýchaciu sústavu a oslabujú imunitu. Pri dlhodobejšom pôsobení spôsobujú oxidy dusíka pľúcny edém resp. zápaly priedušiek alebo pľúc a ďalšie zdravotné komplikácie.

Po prečítaní týchto riadkov si zaiste poviete, NOx sú zlé a dobre že tá Euro 6 ich rieši, pričom vôbec nevadí, že nám to vyťahuje z kapsy nemalé peniaze. Ako sme si už od súdruhov z Bruselu zvykli, nie je všetko zlato čo sa blyští.

Po prečítaní ďalších riadkov zistíme, že to nie je dokonca ani striebro. Tak to už býva, keď sa mnohé veci schvaľujú od stola ľudmi, ktorí mnohokrát nemajú ani šajnu o čom rozhodujú. Neva, hlavne že sú lojálni, korektní a … no proste super.

Znižovanie emisií

V prípade spaľovacích motorov je možné znižovať emisie NOx v zásade dvoma spôsobmi. Prvou možnosťou je použitie tzv. záchytného NOx katalyzátora – LNT a druhou je redukovať množstvo plynu pomocou selektívnej katalytickej redukcie tzv. SCR s použitím redukčného činidla AdBlue.

Ešte pred zavedením Euro 6 sa výrobcovia snažili znižovať produkciu NOx znižovaním kompresného pomeru, zlepšovaním vstrekovacieho systému (vyššie tlaky-lepšie rozprášenie, zhorenie paliva), či účinnejšou recirkuláciou výfukových plynov späť do valcov motora.

Pod účinnejšou regeneráciou sa rozumie najmä použitie nízkotlakového EGR s chladičom výfukových plynov, ktorá ďalej znižuje teplotu horenia palivovej zmesi, a teda produkciu NOx. Keďže znižovať kompresiu nejde donekonečna, podobne ako zvyšovať tlak či podiel (teplotu) výfukových plynov (znižovanie účinnosti motora, spotreby a pod.), museli výrobcovia motorov pristúpiť k iným riešeniam.

LNT – Zásobníkový katalyzátor

Lean-NOx-Trap – LNT. Systém funguje na princípe zachytiť a redukovať oxidy dusíka. Tento systém je tzv. bezúdržbový, to znamená k svojej činnosti nepotrebuje žiadne činidlá typu AdBlue a podobne.

Základ systému tvorí oxidačný (dvojcestný) katalyzátor, ktorý pomocou oxidácie (spaľovania) premieňa oxid uhoľnatý (CO) a uhľovodíky (HC) na vodnú paru (H2O) a oxid uhličitý (CO2). Obsah oxidov dusíka (NOx) sa ale prakticky neznižuje a preto je katalyzátor doplnený o ďalšiu poréznu časť, ktorá okrem platiny, ródia resp. irídia obsahuje aj bárium. Platina spolu s iridiom alebo ródiom transformuje oxid dusnatý (NO) na oxid dusičitý (NO2). Bárium, ktoré oxiduje na oxid bárnatý (BO), zachytáva a uchováva NO2 ako súčasť vodného roztoku Ba (NO3).

Akonáhle je absorpčný materiál nasýtený prichádzajúcimi NOx, dochádza k regenerácii. Vtedy riadiaca jednotka zvýši vstrekované množstvo paliva a zároveň obmedzí prietok vzduchu zo sacieho potrubia. Následkom týchto zmien dôjde k nedokonalému spáleniu zmesi s väčším podielom oxidu uhoľnatého CO a nespálených uhľovodíkov HC. Cez výfukové potrubie sa táto CO a HC molekulami obohatená zmes dostáva do LNT katalyzátora, kde následne CO a HC za prítomnosti kyslíka zhorí.

Pri horení CO a HC so zachytenými NOx vzniká neškodný dusík N2, oxid uhličitý CO2 a H2O. Po tejto regenerácii je LNT katalyzátor schopný znovu prijímať a zachycovať NOx. Pre správne fungovanie zásobníkového katalyzátora je potrebná súčinnosť snímačov teploty a lambda sondy umiestnenými na vstupe a na výstupe z filtra.

Na základe týchto informácií určuje riadiaca jednotka kedy má regenerácia prebiehať a aké má byť optimálne množstvo vstrekovanej palivovej zmesi (vzduchu) do valcov pri regenerácii. Samotná regenerácia trvá len niekoľko sekúnd a samozrejme má negatívny vplyv na výslednú spotrebu paliva.

Oficiálne údaje výrobcov síce hovoria o náraste spotreby rádovo v jednotkách percent, realita je však nárast spotreby v rozsahu 0,5-1 liter na 100 km. Zaplnenie LNT katalyzátora trvá pri súčasných vozidlách cca 1-3 minúty a je závislé od jazdného štýlu. Pri úspornom jazdení, kde sa spaľuje veľmi chudobná zmes je LNT katalyzátor plný NOx už za 1 minútu. V praxi to teda znamená, že rozdiel v spotrebe medzi svižnejšou a úspornou jazdou je menší ako u starších vozidiel bez LNT katalyzátora alebo ešte výraznejšie v porovnaní s vozidlami vybavených SCR s AdBlue.

Výhody LNT

• Odpadá povinnosť dolievať AdBlue.
• Jednoduchší a výrobne lacnejší systém.
• Menšie nároky na zastavaný priestor a nižšia celková hmotnosť systému.

Nevýhody LNT

• Vyššia spotreba paliva – potrebné na regeneráciu.
• Potreba recirkulácie veľkého množstva výfukových plynov (nižšia teplota spaľovania a teda nižšia prvopočiatočná tvorba NOx, aby nemuselo dochádzať tak často k regeneráciám), čo má negatívny vplyv na účinnosť motora a rýchlejšie opotrebovanie (kontamináciu) motorového oleja.

SCR – Selective catalytic reduction

Pri tomto systéme je zvýšený obsah NOx redukovaný pomocou tzv. selektívnej katalytickej redukcie. 
Zníženie obsahu NOx sa dosahuje vstrekovaním kvapaliny s obchodným názvom AdBlue, čo je vodný roztok syntetickej močoviny, do výfukového potrubia.

Teplom sa AdBlue rozloží na amoniak (čpavok) NH3 a oxid uhličitý CO2. Ten je zachytený v telese katalyzátora SCR, ktorý je väčšinou vcelku s filtrom DPF. Tam reaguje s NOx a transformuje ho na neškodný dusík N2 a vodnú paru H2O. Takáto redukcia je omnoho účinnejšia v porovnaní so zásobníkovým katalyzátorom LNT, z čoho pramenia nasledovné možnosti.

Motor nemusí recirkulovať tak veľké množstvo výfukových plynov na zníženie teploty spaľovania, a teda NOx môže mať vyššiu kompresiu, väčší výkon a teda lepšiu celkovú účinnosť. SCR s AdBlue je teda z pohľadu prevádzkových vlastností motora lepší systém, vyžaduje však nádrž a dávkovací mechanizmus.

Keďže AdBlue pod -11°C mrzne, je nutné mať nádrž aj trubkové vedenie el. vyhrievané. Keďže spotreba AdBlue sa podľa typu motora a spôsobu jazdy pohybuje okolo 1-1,5 litra na 1000 km, je nutné kvapalinu dolievať. Objem nádržky sa pohybuje podľa typu vozidla od cca 8 litrov až po cca 30 litrov.

Výhody SCR s AdBlue

• Nižšia spotreba v porovnaní s LNT.
• Účinnejšia redukcia NOx, motor tak môže pracovať s menšími obmedzeniami a vyššou účinnosťou.
• Menšie množstvo recirkulovaných spalín (odpadá nutnosť nízkotlakového EGR), čo znamená nižšia kontaminácia oleja a celkovo menšie opotrebovanie motora.

Nevýhody SCR s AdBlue

• Nutnosť inštalácie zásobníka (nádrže) a dávkovacieho mechanizmu.
• Vyššie výrobné náklady a väčší zastavaný priestor.
• Nutnosť dolievať AdBlue.

Rady pri používaní vozidla s AdBlue

Nenechávajte si dolievanie AdBlue na poslednú chvíľu. Výrobcovia sa síce snažia vyladiť systém tak, aby doliatie vydržalo celý servisný interval, často krát sa ale stane, že je nutné dolievať aj medzi servisnými intervalmi. Vtedy treba mať na pamäti fakt, že automobily sú nastavené podľa smernice EHK, ktorá určuje, že bez redukčného činidla (ADBlue) nie je možné vozidlo prevádzkovať, čo v praxi znamená, že motor sa nenaštartuje. Väčšinou systém pomocou informačného displeja informuje vodiča o potrebe doliať AdBlue cca 2000-2500 km pred vyčerpaním činidla. Toto upozornenie je následne trvalo zobrazované, pričom postupne sa elektronika obmedzuje max. výkon a max. otáčky motora.

Pri doplňovaní AdBlue je väčšinou potrebné doliať min. 4 litre resp. 40-50% objemu nádržky, inak sa systém nereštartuje a vyhodnotí objem činidla v nádržke ako nedostatočný. Tu sa odporúča nešetriť a doliať AdBlue pokiaľ možno doplna.

V prípade ak ste nereagovali na doplnenie AdBlue a pokračovali v jazde až do úplne vyčerpania, nevypínajte motor a dopravte sa až po najbližšiu čerpačku kde AdBlue doplníte. V opačnom prípade ak motor vypnete, už nie je možné bez servisného zásahu (diagnostiky) a doliatia AdBlue motor opäť naštartovať.

Pokiaľ nie je možnosť doliať AdBlue, je možno núdzovo podľa výrobcu cca 1000-1500 km jazdiť aj na destilovanú vodu. Opäť sa však jedná len o jednorazovú záležitosť, keďže systém rozpozná, že sa nejedná o AdBlue (neprebieha redukcia NOx) a po vypnutí motora znemožní jeho opätovné naštartovanie. Následne je nutný servisný zásah (diagnostika), vypustenie destilovanej vody a doliatie AdBlue.

Životnosť AdBlue sa pohybuje cca 4 roky, pričom je nutné zabezpečiť skladovanie v teplotách od -10 až +25 stupňov Celzia a tiež chrániť činidlo pred priamym slnečným žiarením.

AdBlue je zmes 32,5% syntetickej močoviny a destilovanej vody.

Čo dodať na záver

Redukcia emisií a ochrana životného prostredia je síce pekná vec, ale musí fungovať. Nemyslím tým spôsob, že na zaplátanie jednej diery použijem záplatu z inej, možno ešte väčšej diery.

Z popísaných skutočností nám vyplýva, že síce dochádza k znižovaniu NOx, ale za akú cenu. Za cenu zvyšovania spotreby a teda CO2 alebo použitia AdBlue, pri ktorého výrobe sa tiež vyprodukovalo CO2 a ďalšie škodliviny, taktiež sa používajú drahé kovy, pri ktorých ťažbe tiež vzniká množstvo emisií a neraz aj zásadné poškodzovanie životného prostredia.

Taktiež treba spomenúť narastajúcu zložitosť systémov, kde logicky dochádza k vyššej poruchovosti, a teda potrebe produkovať nové a nové komponenty, čím sa zase produkuje CO2 a ostatné škodliviny.

Na to všetko je tu ešte jeden zaujímavý fakt. Merania v praxi potvrdili, že neraz majú vozidlá s Euro 6 horšie emisie NOx v porovnaní s vozidlami s Euro 3. A dôvod? Pretože ak vtedy malo vozidlo písanú priemernú spotrebu okolo 5 l, väčšinou aj jazdilo okolo 5 l resp. neraz aj za menej.

Stačí si spomenúť na legendárne 1,9 TDi používané naprieč celým koncernom VW. A to aj napriek tomu, že od roku 1996 je používaná metodika merania spotreby NEDC. Problémom je ale ohýbanie tejto metodiky podľa aktuálnych potrieb výrobcov vozidiel. V súčasnosti je rozdiel medzi papierovou a reálnou spotrebou niekedy aj desiatky percent, s čím idú ruka v ruke aj emisie škodlivých plynov.

Na papieri tak vozidlo spotrebuje krásne 4 litre a vyprodukuje iba xy emisií, bohužiaľ, v reálnej prevádzke je toto krásne číslo neraz aj o 40% väčšie. Všetko je ale v úplnom poriadku, EÚ súdruhovia sú spokojní a o to predsa ide až v prvom rade.