Układ oczyszczania spalin: Budowa, funkcja i diagnostyka

Tutaj znajdziesz cenne i przydatne wskazówki dla warsztatów na temat budowy, funkcji i diagnostyki układu oczyszczania spalin.

Wskazówka dotycząca bezpieczeństwa
Poniższe informacje i porady praktyczne zostały przygotowane przez firmę HELLA w celu zapewnienia profesjonalnego wsparcia dla warsztatów samochodowych. Informacje udostępnione na tej stronie internetowej powinny być wykorzystywane tylko przez odpowiednio wykwalifikowany personel.

 

Budowa i funkcja układu oczyszczania spalin: Podstawowe informacje

Oczyszczanie spalin odnosi się do procesów, które oczyszczają spaliny mechanicznie, katalitycznie lub chemicznie po opuszczeniu przez nie komory spalania.

 

Oczyszczanie ma na celu przekształcenie zanieczyszczeń powstałych podczas spalania w nieszkodliwe spaliny. Do elementów układu oczyszczania spalin należą między innymi katalizatory i filtry cząstek stałych. Obecnie oba komponenty mogą być montowane zarówno w silniku benzynowym z wtryskiem bezpośrednim, jak i w silniku wysokoprężnym.

 

W układzie wydechowym mogą być zainstalowane np. następujące systemy do redukcji zanieczyszczeń:

 

 

Silnik benzynowy

  • Katalizator trójfunkcyjny
  • Katalizator magazynujący NOx (silniki o ubogim spalaniu)
  • Filtr cząstek stałych (silniki z bezpośrednim wtryskiem)

 

Silnik Diesla

  • Katalizator utleniający
  • Filtr cząstek stałych
  • Katalizator magazynujący NOx
  • Katalizator SCR

Katalizator

Katalizatorem najczęściej stosowanym obecnie w konwencjonalnych silnikach benzynowych jest regulowany katalizator trójfunkcyjny. Zadaniem katalizatora jest przekształcenie na drodze reakcji chemicznej zanieczyszczeń pochodzących z procesu spalania paliwa w nietoksyczne spaliny. W połączeniu ze sterownikiem silnika i sondą lambda następuje precyzyjna regulacja mieszanki paliwowo-powietrznej, aby katalizator był w stanie zredukować emisję szkodliwych związków. Optymalny zakres temperatur pracy katalizatorów wynosi 400-800°C.

Budowa

Katalizator składa się z ceramicznego lub metalowego korpusu o strukturze plastra miodu z kilkoma tysiącami kanalików. Na kanaliki nakładana jest porowata warstwa pośrednia (tzw. washcoat), zawierająca tlenek aluminium, która powiększa powierzchnię około 7000 razy. Dodatkowo na warstwie pośredniej znajduje się warstwa katalityczna z metalami szlachetnymi: rodem, palladem i platyną. W obudowie ze stali nierdzewnej katalizator jest zamocowany za pomocą maty izolacyjnej, która jednocześnie kompensuje rozszerzalność cieplną.

Zasada działania

Szkodliwe spaliny z silnika są doprowadzane do katalizatora przez kolektor wydechowy i przepływają przez kanaliki w nośniku ceramicznym lub metalowym. Kontakt spalin z warstwą katalityczną wywołuje reakcję chemiczną.

 

Na metalach szlachetnych platynie i palladzie tlenek węgla i węglowodory są utleniane do dwutlenku węgla, a na rodzie tlenki azotu są redukowane do azotu (N2). Określenie katalizator trójfunkcyjny oznacza, że po osiągnięciu temperatury roboczej zachodzą jednocześnie obok siebie trzy przemiany chemiczne. W ten sposób tlenek węgla (CO), węglowodory (HC) i tlenki azotu (NOx) są przekształcane w azot (N2), dwutlenek węgla (CO2) i wodę (H2O).

 

Działanie katalizatora jest monitorowane przez drugą sondę lambda, nazwaną również sondą monitorującą, znajdującą się za katalizatorem. Sonda monitorująca mierzy zawartość tlenu w spalinach i przesyła zmierzoną wartość do sterownika. Sterownik porównuje sygnały z sond umieszczonych przed oraz za katalizatorem i w ten sposób może ocenić działanie katalizatora. Jeżeli obie wartości są prawie identycznie wysokie, można wnioskować o niskiej zdolności magazynowania tlenu przez katalizator, co jest spowodowane jego uszkodzeniem.

Filmy związane z tematem

Katalizator

W naszym wideo przedstawiamy Państwu kompleksowe informacje dotyczące katalizatorów.

Filtr cząstek stałych

Filtr cząstek stałych jest montowany w układzie wydechowym silnika Diesla w celu zmniejszenia emisji sadzy. Filtr cząstek stałych (DPF) przechowuje cząstki stałe, które nie mogą być całkowicie spalone w silniku. Te nanocząsteczki są bardzo szkodliwe dla ludzi i środowiska. Wnętrze filtra cząstek stałych składa się z ceramicznego filtra z wieloma kanalikami. Kanaliki mają porowate ścianki i są zamknięte na przemian. Dzielą się one na kanaliki wlotowe i wylotowe. Podczas przepływu spalin przez ścianki filtra cząstki sadzy osadzają się na ściankach. Porowate ścianki zapewniają dobry efekt filtracji i wysoki stopień separacji. Rosnąca liczba osadzonych cząstek sadzy zwiększa ciśnienie w układzie spalinowym. Stopień obciążenia lub opory przepływu filtra cząstek stałych są monitorowane przez sterownik silnika. Czujnik różnicy ciśnienia rejestruje dane przed i za filtrem cząstek stałych i przesyła je do sterownika silnika. Jeśli różnica ciśnienia przekracza określoną wartość, sterownik inicjuje regenerację w celu spalenia cząstek.

 

Aby cząstki sadzy zostały spalone, temperatura spalin w filtrze cząstek stałych musi zostać podniesiona do 600 – 650°C. W tym celu sterownik silnika aktywuje dodatkowy wtrysk paliwa lub wtrysk wtórny podczas aktywnej regeneracji, co prowadzi do wzrostu temperatury spalin.

 

W zależności od pojazdu i systemu regeneracja może być przeprowadzana co 400-700 km.

 

Aby uniknąć temperatur powyżej 700°C, temperatura jest monitorowana przez czujnik temperatury spalin tuż przed filtrem cząstek stałych.

 

Popiół powstający podczas regeneracji nie jest całkowicie usuwany przez strumień spalin i dlatego gromadzi się w filtrze. Może to doprowadzić do zatkania filtra i konieczności jego wyczyszczenia lub wymiany. Dlatego filtr wymiana regularnej wymiany, np. co 120 000 km.

Wskazówka

Do obliczenia obciążenia filtra cząstek stałych sterownik silnika wykorzystuje sygnały z czujnika różnicy ciśnienia, czujników temperatury przed i za filtrem cząstek stałych oraz przepływomierza powietrza. Dlatego sygnały te traktowane są jako jedna jednostka.

Filmy związane z tematem

Filtr cząstek stałych do silników wysokoprężnych

W filmie przypomnimy ci kilka faktów oraz zapoznamy cię z funkcjami, jak również odpowiednimi procedurami testowymi. Nasz wspólny cel: redukcja emisji szkodliwych substacji w spalinach!

Regeneracja

W zależności od producenta pojazdu i systemu istnieją różne metody regeneracji filtra cząstek stałych.

 

Regeneracja pasywna
Regeneracja pasywna następuje, gdy temperatura spalin w filtrze cząstek stałych osiągnie poziom 350 – 500°C podczas jazdy autostradą ze zwiększoną prędkością.

 

Regeneracja aktywna
Regeneracja aktywna jest realizowana przez system zarządzania silnikiem. Po osiągnięciu granicy obciążenia filtra cząstek stałych, temperatura spalin zostaje specjalnie podniesiona do 600-650°C przez sterownik silnika, aby spalić cząstki sadzy.

 

Regeneracja wymuszona
Ten rodzaj regeneracji może być przeprowadzony przez warsztat przy użyciu diagnostycznego zgodnie z określonymi instrukcjami.

Kombinowany filtr cząstek stałych

Filtr cząstek stałych i katalizator utleniający mogą być zamontowane w jednej obudowie jako filtr cząstek stałych z powłoką katalityczną. W tej kombinacji katalizator montowany jest przed filtrem cząstek stałych. Jeden komponent łączy funkcję katalizatora utleniającego i filtra cząstek stałych. W ten sposób węglowodory (HC) i tlenek węgla (CO) mogą zostać przekształcone w wodę (H2O) i dwutlenek węgla (CO2), a cząsteczki sadzy mogą zostać odfiltrowane ze spalin. Kolejnym zadaniem katalizatora utleniającego jest zmiana stosunku azotu (NO) do dwutlenku azotu (NO2) w celu umożliwienia pasywnej regeneracji filtra DPF i zwiększenia wydajności katalizatora SCR. Podczas przepływu spalin przez katalizator procesy chemiczne powodują wzrost ich temperatury. Przepływ spalin przekazuje ciepło do filtra cząstek stałych. Oznacza to, że katalizator wspomaga podgrzewanie filtra cząstek stałych.

Katalizator magazynujący NOx

Katalizator magazynujący NOx stosowany jest w silnikach Diesla i silnikach benzynowych z bezpośrednim wtryskiem. Katalizator posiada warstwę katalityczną z substancji takich jak tlenek potasu czy tlenek baru, które wiążą cząsteczki tlenku azotu. Gdy tylko katalizator magazynujący osiągnie określoną zdolność absorpcyjną, sterownik silnika smaruje mieszankę paliwowo-powietrzną, zwiększając w ten sposób temperaturę spalin. Zmieniony skład spalin prowadzi do regeneracji, w której tlenki azotu (NOx) są redukowane do azotu (N2) i wody (H2O).

Katalizator SCR

Selektywna redukcja katalityczna (SCR) jest jednym z najnowszych i najbardziej zaawansowanych rozwiązań w zakresie redukcji zanieczyszczeń w spalinach samochodowych. Technologia ta jest stosowana od 2014 roku i spełnia normy emisji spalin EURO 6. Poprzez dodanie mocznika (AdBlue) do strumienia spalin, tlenki azotu (NOx) są przekształcane w azot (N2), parę wodną (H2O) i niewielką ilość CO2 w katalizatorze magazynującym NOx poprzez selektywną reakcję katalityczną. Konstrukcja katalizatora magazynującego NOx odpowiada konstrukcji katalizatora utleniającego.

Czujniki układu oczyszczania spalin

Nowoczesne systemy oczyszczania spalin składają się nie tylko z elementów układu wydechowego, ale wymagają również zastosowania różnych czujników monitorujących skład spalin i przesyłających informacje do sterownika silnika.

Sonda lambda

Sonda lambda mierzy zawartość tlenu resztkowego w spalinach i przesyła do sterownika silnika sygnał elektryczny do regulacji składu mieszanki. Do zapewnienia idealnego współczynnika konwersji katalizatora konieczne jest optymalne spalanie. W tym celu w silnikach benzynowych stosuje się mieszankę o składzie 14,7 kg powietrza do 1 kg paliwa (mieszanka stechiometryczna). Taka optymalna mieszanka nosi nazwę greckiej litery λ (lambda). Lambda to stosunek teoretycznej ilości potrzebnego powietrza do rzeczywistej ilości powietrza:

 

λ = ilość powietrza dostarczanego: teoretyczna ilość powietrza = 14,7 kg : 14,7 kg = 1

Czujnik temperatury spalin

W nowoczesnych modelach samochodów czujniki temperatury spalin są montowane w różnych punktach układu wydechowego, zarówno w pojazdach z silnikiem wysokoprężnym, jak i benzynowym. Czujnik temperatury spalin rejestruje temperaturę, np. przed katalizatorem lub filtrem cząstek stałych, i przesyła tę informację w postaci sygnału napięciowego do sterownika silnika. Sterownik silnika potrzebuje tych informacji, aby kontrolować skład mieszanki lub regenerację filtra cząstek stałych, a tym samym skutecznie ograniczać emisję zanieczyszczeń. Dodatkowo czujniki wysokiej temperatury chronią komponenty w obszarze przepływu gorących spalin przed krytycznym przegrzaniem.

Czujnik różnicy ciśnienia

Czujnik ciśnienia spalin, nazywany również czujnikiem różnicy ciśnienia, stosuje się w silnikach Diesla do monitorowania filtra cząstek stałych. Wraz ze wzrostem osadów sadzy i popiołu zmienia się różnica ciśnienia w filtrze cząstek stałych. Czujnik różnicy ciśnienia mierzy różnicę między ciśnieniem spalin na wejściu a ciśnieniem spalin na wyjściu filtra cząstek stałych. Wartość ta jest wykorzystywana przez elektroniczny sterownik silnika jako dodatkowa informacja do obliczania czasu regeneracji filtra. Czujnik ten jest zatem kolejnym elementem systemów regulacji emisji spalin w silnikach Diesla zgodnie z europejskimi normami emisji spalin.

Czujnik tlenku azotu

Czujnik NOx (czujnik tlenku azotu) składa się z sondy i sterownika, połączonych ze sobą na stałe za pomocą wiązki kablowej. Czujnik jest zamontowany w układzie wydechowym i służy do wykrywania tlenków azotu w spalinach. Czujnik NOx jest ważnym elementem układu oczyszczania spalin służącym do redukcji stężenia NOx. Jest stosowany w pojazdach z silnikiem wysokoprężnym z układem SCR (selektywna redukcja katalityczna) na bazie mocznika. Czujnik gwarantuje zachowanie zgodności z rygorystycznymi wartościami emisji określonymi w normie Euro 5. Czujnik NOx umożliwia optymalne dozowanie AdBlue w układzie silnika, a tym samym skuteczną redukcję szkodliwych dla środowiska tlenków azotu. Jeśli układ SCR jest wyposażony w czujnik NOx na wejściu i na wyjściu. Zadaniem czujnika na wyjściu jest monitorowanie działania katalizatora SCR.

Diagnostyka układu wydechowego: Diagnostyka

Przed rozpoczęciem diagnostyki sterownika w pojeździe należy najpierw przeprowadzić oględziny całego układu wydechowego. Uszkodzenia zewnętrzne są zazwyczaj zauważalne już po nietypowych dźwiękach i mogą być spowodowane pęknięciami lub rdzą na rurach, przyłączach lub tłumikach. Dźwięki z wnętrza elementów systemu można zlokalizować poprzez potrząsanie lub ostukanie danego elementu. Oczywiście należy również sprawdzić również dobre dokręcenie śrub, osłony i mocowania gumowe. Nie można zapomnieć również o czujnikach spalin, które mogą być zamontowane w różnych miejscach układu. W tym miejscu mogło dojść do uszkodzenia przewodów lub złączy elektrycznych na skutek działania czynników środowiskowych, takich jak brud, woda lub sól drogowa.

Diagnostyka sterownika

Do kontroli działania układu wtryskowego lub układu oczyszczania spalin jest niezbędne odpowiednie urządzenie diagnostyczne.

 

Działanie poszczególnych komponentów do oczyszczania spalin jest monitorowane przez czujniki, a informacje są przesyłane do odpowiedniego nadrzędnego sterownika systemu. Występujące usterki są zapisywane w pamięci sterownika silnika. Można je odczytać za pomocą odpowiedniego urządzenia diagnostycznego. W zależności od pojazdu i systemu w urządzeniu diagnostycznym można wybrać i wyświetlić dodatkowe funkcje, np. parametry lub test urządzeń wykonawczych. Dane uzyskane z komunikacji ze sterownikiem są podstawą do właściwej lokalizacji usterki i skutecznej naprawy. Dodatkowo można sprawdzić i ocenić parametry spalin poprzez pomiar z rury wydechowej.

 

Poniższe informacje diagnostyczne są podane na przykładzie samochodu Mercedes Benz E350 24V CDI (212) oraz Volkswagen Golf Plus 5.

Odczyt pamięci błędów sterownika silnika

Za pomocą tej funkcji można odczytać i skasować kody błędów zapisane w pamięci sterownika. Dodatkowo można też wyświetlać informacje o poszczególnych kodach usterek.

 

W naszym przykładzie zdiagnozowano uszkodzenie czujnika NOx, w wyniku czego w pamięci został zapisany kod błędu P220317.

 

  • P220317 / czujnik NOx 1 zespół 1
  • Zwarcie do plusa / przekroczona wartość graniczna napięcia

Odczyt parametrów

Za pomocą tej funkcji można wybrać i wyświetlić aktualne wartości pomiarowe, takie jak prędkość obrotowa silnika, temperatura lub status poszczególnych elementów układu wydechowego.

 

  • Katalizator SCR / czujniki NOx
  • Test działania katalizatora / porównanie sond lambda
  • Stan obciążenia filtra cząstek stałych / czujnik różnicy ciśnienia

Informacje o systemie

Do zlokalizowania usterki można wykorzystać różne dokumenty z informacji o pojeździe. Tutaj do rozwiązania problemu można użyć np. schematu układu oczyszczania spalin.

Pomiar w rurze wydechowej

Za pomocą pomiaru w rurze wydechowej można zmierzyć i ocenić emisję spalin bezpośrednio w układzie wydechowym (produkt: badanie spalin). Pomiar pozwala na wykrycie nieprawidłowości w układzie wydechowym lub układzie oczyszczania spalin, a jego wyniki mogą być uwzględnione w dalszej diagnostyce.