26.11.2017. Autor: Matko Jović

Ovo trebate znati o ispušnom sustavu

Kompleksna tehnologija za čisti ispuh: rad motora bazira se na pretvorbi kemijske energije goriva u mehanički rad, a nusprodukti su ispušni plinovi i toplina

Motori s unutarnjim izgaranjem za pogon koriste benzin ili dizelsko gorivo koje se miješa sa zrakom i izgara u cilindru. Gorivo je spoj ugljika (C) i vodika (H) odnosno ugljikovodik (HC), dok se zrak (u osnovi) sastoji od dva plina, kisika (O2) i dušika (N2). Izgaranjem goriva stvaraju se tri produkta: vodena para (H2O), ugljični dioksid (CO2) i dušik (N2). No ovo je samo neostvariv ideal jer su uz navedene u ispuhu pojavljuju i tri neželjena spoja: neizgoreni ugljikovodici (HC), ugljični monoksid (CO) i dušični oksidi (NOx). Također se u manjim količinama mogu pojaviti, aldehidi, karbonske kiseline, olovni oksidi kao i sumporni oksidi.

Nekad se u ispuhu nalazilo i olovo zbog dodavanja olovnog tetraetila i tetrametila benzinu jer ti spojevi sprječavaju detonaciju (nekontrolirano izgaranje) u cilindru. Olovni spojevi su otrovni i talože se u okolišu u područjima uz prometnice. Zadnjih dvadesetak godina propisi za zaštitu okoliša najprije su smanjivali dopuštenu količinu olova u benzinu, da bi ga gotovo potpuno izbacili (dopuštena količina je 0,013 g/l) uporabom bezolovnog benzina. 

Ugljični dioksid je neotrovan plin bez mirisa i boje čije prisustvo u ispuhu se ne može izbjeći jer on nastaje oksidacijom (izgaranje) ugljika koji je sastavni dio goriva. Problem s CO2 je u tome što njegovo nakupljanje u gornjim slojevima atmosfere uzrokuje tzv. efekt staklenika. Ugljični monoksid (CO) je također bez boje i mirisa, ali je vrlo otrovan i veže se s hemoglobinom u krvi čime smanjuje mogućnost prenošenja kisika. Ugljikovodici (CH) nepovoljno djeluju na živčani sustav, a pogotovo se ističu aromatski ugljikovodici poput benzena koji imaju i kancerogeno djelovanje.  

Budući da se u zraku kojeg motor usisava uz kisik nalazi i veći dio dušika koji također reagira s kisikom tvoreći dušične okside (NOx), iznad 650°C dušični monoksid, a na nižim temperaturama dušični dioksid. Uz navedeno u ispuhu se nalaze i čvrste čestice poput pepela i ugljika. Najveći dio čvrstih čestica dolazi iz ispuha diesel motora. Na sastav ispušnih plinova moguće je utjecati na dva načina: poboljšavanjem procesa izgaranja i tretiranjem ispušnih plinova nakon izlaska iz cilindra. 

Proces izgaranja najviše utječe na sastav ispušnih plinova, a izgaranje je ovisno o konstrukciji komore izgaranja, kvaliteti goriva i sl. Kod otto motora vrlo je važno i točno održavanje omjera goriva i zraka, odnosno faktora pretička zraka lambda. Ponekad se koristi i djelomična recirkulacija ispušnih plinova kako bi se smanjila temperatura u cilindru što smanjuje količinu dušičnih oksida u ispuhu.

Ispušnim plinovima se nakon izlaska iz cilindra može dodavati određena količina zraka kako bi izgorjeli neizgoreni ugljikovodici. Budući da je oksidacija tih spojeva moguća samo pri visokim temperaturama zrak se dovodi neposredno iza ventila. No pretvorba otrovnih sastojaka je bitno bolja uporabom katalizatora.  

Katalizator je uređaj koji je izrađen od posebnih materijala preko kojih struji ispušni plin, a u ovisno o načinu djelovanja može biti oksidacijski katalizator, koji oksidira neizgorene ugljikovodike i katalizator redukcije koji se bavi dušičnim oksidima. Prve ugradnje katalizatora bile su 1975. u SAD-u.

Katalizator se sastoji od više slojeva, aktivnog (katalitičkog) sloja i nosača aktivnog sloja. Katalitički sloj je od plemenitih metala, platine, rodija ili paladija i nanosi se vrlo malim količinama, dok se nosač aktivnog sloja najčešće izrađuje od keramike. Katalizator je saćastog oblika, odnosno ima veliki broj kanala (više od 100 po cm2) kroz koje struji plin. Budući da je za dodatnu oksidaciju potreban kisik motor mora raditi s pretičkom zraka ili se zrak naknadno dovodi ispred katalizatora. 

Naknadna oksidacija uzrokuje oslobađanje topline i povećanje temperature u katalizatoru što je osobito izraženo kad je smjesa bogata, pa se katalizatori moraju dobro toplinski izolirati. Današnji katalizatori su redovito trostazni, što znači da eliminiraju sve tri glavne negativne komponente u ispuhu, CO, CH i NOx. Katalizatori su vrlo osjetljivi na nečistoću, a posebno na olovo u benzinu koje se taloži na aktivnom sloju i čini katalizator neupotrebljivim, pa motori koji imaju katalizator moraju koristiti bezolovni benzin. 

Katalizatori trostrukog djelovanja, jer se u njima paralelno odvijaju dvije redukcije i jedna oksidacija (pogrešno je engl. 3-way, odnosno njem 3-Wege prevoditi kao trostazni!) osjetljivi su i na odnos goriva i zraka i zahtijevaju rad motora s približno stehiometrijskim omjerom (lambda = 1), da bi istodobno mogli raditi i redukciju NOx i oksidaciju CO.

EGR je kratica od 'exhaust gas recirculation', odnosno postupka povrata dijela ispušnih plinova u cilindar dizel motora. Razlog za povrat plinova leži u činjenici da dizel motori moraju raditi s tzv. pretičkom zraka, odnosno moraju imati dvostruku količinu zraka od one koja je nužna da bi izgorjelo sve gorivo. Ovo dovodi do situacije u kojoj u cilindru postoje slobodne molekule kisika i dušika iz zraka koje

se u uvjetima visoke temperature i tlaka spajaju čime nastaju vrlo nepoželjni dušični oksidi. 

Povratom izgorenih plinova u cilindru se dio zraka zamjenjuje s inertnim plinom čime se smanjuje mogućnost nastanka NOx jer je manje slobodnog kisika i dušika. Povratni plinovi mogu činiti i do 30 posto volumena prilikom usisa. No povećanjem količine povratnih plinova smanjuje se NOx, ali i dovodi do nekvalitetnijeg izgaranje što rezultira povećanjem količine krutih čestica.

Euro 6 norma određuje vrlo niske dopuštene količine NOx u ispuhu koje nije moguće postići bez SCR katalizatora. Radi se o dijelu ispušnog sustava u koji se ubrizgava AdBlue dodatak (otopina uree u vodi) pri čemu nastaje amonijak koji se veže s NOx pri čemu nastaje neopasni dušik i vodena para. No ovakvo rješenje, osim ugradnje posebnog SCR katalizatora zahtjeva ugradnju dodatnog spremnika za AdBlue kojeg se mora također dopunjavati. Potrošnja AdBlue dodatka je oko 5% potrošnje goriva.

Konstrukcija ispušnog sustava nije bitna samo zbog smanjenja buke ili količine štetnih ispušnih plinova već o njemu dijelom ovisi i snaga motora. Najvažniji razlog je utjecaj ispuha na stupanj punjenja motora. Stupanj punjenja je ovisan je o brzini vrtnje motora i ima dva područja kad je izrazito povoljan, to je rezonancija ispuha i rezonancija usisa. 

Rezonancija je podudaranje vlastitih frekvencija plina i pobude (vrtnje motora), a različitim konstrukcijama ispušnog sustava može se utjecati položaj rezonantnog područja. Ispušni sustav također stvara određeni protutlak, odnosno prigušenje čijim povećanjem se smanjuje ispiranje cilindra i punjenje što smanjuje snagu motora. Smanjenje prigušenja poboljšava ispiranje cilindara i povećava snagu, no razmjerno povećanju snage raste i buka. Kod višecilindarskih motora važan je i način spajanja ispušnog kolektora (4 u 2, 2 u 1 ili 4 u 1).  


Glavni sastojci ispuha

UGLJIČNI DIOKSID (CO2) - neškodljiv, ali izaziva 'efekt staklenika' odnosno globalno zagrijavanje. Ne može se izbjeći.


UGLJIČNI MONOKSID (CO) - otrovan, ali se eliminira u katalizatoru.

NEIZGORENI UGLJIKOVODICI (HC) - otrovni i kancerogeni, eliminiraju se u katalizatoru.

DUŠIČNI OKSIDI (NOx) - vrlo otrovni i kancerogeni, uklanjaju se u posebnim filtrima ili SCR katalizatorima.

KRUTE ČESTICE (PM) - kancerogene. Skupljaju se i spaljuju u posebnim filterima.

VODENA PARA (H2O) - neizbježna i neškodljiva. Ne tretira se nikakvim postupcima.




CHR





Vulkal gume