Turbosprężarka a nowoczesne systemy oczyszczania spalin
Turbosprężarka a nowoczesne systemy oczyszczania spalin
Rozwój motoryzacji nieustannie dąży do zwiększenia wydajności silników przy jednoczesnym ograniczeniu emisji szkodliwych substancji.
Stawia to przed producentami pojazdów nowe wyzwania, szczególnie jeśli przyjrzymy się coraz bardziej restrykcyjnym normom emisji w kolejnych generacjach silników. W tym kontekście turbosprężarka, która od dekad wspiera poprawę osiągów silników spalinowych, znalazła się w nowym środowisku pracy — współdziałającym z coraz bardziej zaawansowanymi systemami oczyszczania spalin. Jak wpływają one na jej funkcjonowanie i co się zmienia w projektowaniu współczesnych układów doładowania?
Turbosprężarka działa za sprawą energii spalin opuszczających komorę spalania, które ją napędzają do prędkości sięgających nawet ponad 300 tyś. obr./min. Efektem tego jest sprężenie powietrza dostarczanego do cylindra, co pozwala zwiększyć ilość mieszanki paliwowo-powietrznej i tym samym moc silnika bez zwiększania jego pojemności. Wzrost ciśnienia doładowania poprawia również sprawność jednostki napędowej, szczególnie w zakresie średnich i wysokich obciążeń.
W odpowiedzi na zaostrzające się normy emisji (w szczególności: Euro 6/7), producenci stosują szereg rozwiązań mających na celu redukcję emisji NOx, cząstek stałych i CO₂. Najpowszechniejsze z nich to::
1. Filtr cząstek stałych:
Stosowany zarówno w silnikach Diesla (DPF) jak i nowszych wersjach silników benzynowych (GPF). Jego zadaniem jest ograniczenie emisji sadzy, czyli tzw. cząstek stałych powstających podczas procesu spalania. Porowata powierzchnia kanalików wewnątrz filtra zatrzymuje cząstki sadzy, oczyszczając w ten sposób spaliny.
2. Układy selektywnej redukcji katalitycznej (SCR):
Redukują ze spalin szkodliwe tlenki azotu NOx za sprawą wtryskiwanego wodnego roztworu mocznika (AdBlue). Pod wpływem zachodzącej w nim reakcji, tlenki azotu przekształcane zostają w azot cząsteczkowy (składnik powietrza) oraz wodę. Dzięki temu spaliny opuszczające układ wydechowy zawierają znacznie mniej szkodliwych substancji.
3. Układy recyrkulacji spalin (EGR):
System, którego celem jest zmniejszenie emisji tlenków azotu, działający na zasadzie ponownego wprowadzenia części spalin do komory spalania silnika. Spaliny, jako gazy obojętne nie zawierają tlenu. Ich obecność w mieszance powoduje obniżenie temperatury spalania, redukując tlenki azotu (NOx) powstałyby właśnie w wysokich temperaturach.
4. Katalizatory trójdrożne i utleniające:
Ich zadanie polega na eliminowaniu CO, HC i NOx poprzez reakcje chemiczne w obecności metali szlachetnych. Gazy spalinowe przepływające przez strukturę katalizatora poddawane są reakcji chemicznej utleniającej szkodliwe tlenki węgla, węglowodory oraz tlenki azotu do postaci mniej szkodliwej.
Wprowadzenie nowoczesnych systemów oczyszczania spalin znacząco wpłynęło na warunki, w jakich funkcjonuje turbosprężarka. Stopień skomplikowania układu oczyszczania spalin powoduje potencjalne problemy w sytuacji, gdy któryś z komponentów tego układu nie działa prawidłowo.
1. Zwiększone opory przepływu
Obecność dodatkowych elementów w układzie wydechowym, takich jak filtr DPF czy katalizator SCR, powoduje wzrost oporów przepływu spalin. To może wpływać na zmniejszenie dostępnej energii kinetycznej spalin, a tym samym – na opóźnienie reakcji turbosprężarki i tzw. turbo dziurę.
2. Wysokie temperatury robocze
Dodatkowe procesy chemiczne i fizyczne (np. regeneracja DPF) mogą powodować bardzo wysokie temperatury, które stanowią wyzwanie dla materiałów konstrukcyjnych turbosprężarki. Wymusza to stosowanie bardziej zaawansowanych technologii chłodzenia i wytrzymałych materiałów.
3. Złożoność układu sterowania
Współpraca z systemami oczyszczania spalin wymaga precyzyjnego sterowania ciśnieniem doładowania. Układy sterujące muszą uwzględniać nie tylko parametry silnika, ale i aktualny stan filtrów, zawartość NOx, czy temperaturę spalin.
4. Ciśnienie zwrotne spalin
W przypadku zapchania filtra DPF lub katalizatora istnieje ryzyko powstania ciśnienia wstecznego spalin. Ma to bezpośredni wpływ na pracę turbosprężarki, gdyż energia powracających spalin zaburza pracę wirnika turbosprężarki i powoduje powstawanie luzu wzdłużnego w układzie wirującym
5. Zależność od układów EGR
Recyrkulacja spalin wpływa na skład mieszanki dolotowej. Obniżenie zawartości tlenu może wpłynąć na efektywność pracy turbosprężarki i zmusić układ do dynamicznej korekty parametrów pracy.
Mimo znacznego zwiększenia zaawansowania konstrukcji nowoczesnych silników spalinowych, to właśnie turbosprężarka nadal pozostaje kluczowym elementem ich funkcjonowania. Jednocześnie wraz z rozwojem jednostek napędowych, jej rola ewoluuje w kierunku bardziej złożonego i precyzyjnie kontrolowanego komponentu. Współpraca z systemami oczyszczania spalin wymusza zmiany w projektowaniu, materiałach oraz systemach sterowania. To dzięki tym innowacjom możliwe jest pogodzenie rosnących oczekiwań dotyczących osiągów, ekonomii oraz ekologii.
