ANCHETĂ: Totul despre emisiile de oxizi de azot

După ce motoarele diesel au redus la minimum emisiile de particule, acestea sunt din nou blamate din pricina emisiilor de oxizi de azot. Soluțiile adoptate pentru a le reduce sunt diverse, iar eficiența acestora, cel puțin discutabilă.

Vor reuși, oare, motoarele diesel să supraviețuiască în urma furtunii numite Dieselgate și, implicit, a înăspririi progresive a normelor de emisii și a metodelor de măsurare asociate? Tema principală de discuție vizează dificultatea limitării emisiilor de oxizi de azot (NOx), după ce lupta cu particulele fine a fost câștigată de
marii producători auto prin introducerea filtrelor de particule. Filtre ce au iscat, însă, alte probleme, dând numeroase bătăi de cap șoferilor care folosesc mașinile diesel pe distanțe scurte, în oraș. În ceea ce privește oxizii de azot, standardele Euro 6 au impus limite extrem de stricte, chiar mai dure decât cele aplicate în SUA. Pentru a le satisface, inginerii au fost obligați să recurgă la noi tehnologii specifice de purificare a gazelor de evacuare.

Nociv e doar dioxidul

Abrevierea NOx descrie o largă varietate de oxizi de azot, însă în cazul emisiilor motoarelor cu ardere internă putem vorbi doar despre oxidul de azot NO și despre dioxidul de azot NO2. Ambele sunt rezultatul unei arderi imperfecte, la temperaturi ridicate, ceea ce duce la interacțiunea dintre oxigen și azot, care ocupă cea mai mare parte a aerului din atmosferă. Spre deosebire de azotul, inofensiv, sau de monoxidul de azot, fără efecte nocive asupra mediului sau a sănătății, dioxidul de azot este toxic și iritativ, fiind, de asemenea, responsabil pentru smog fotochimic sau ploile acide, în combinație cu alte substanțe. Din aceste motive, limitarea concentrației de NO2 din atmosferă este una drastică, și nu doar în domeniul auto.

Dieselul, țapul ispășitor

Motoarele diesel sunt văzute drept sursa principală a emisiilor NOx și asta în contextul procesului de ardere ce are loc la temperaturi mai înalte decât cele specifice motoarelor alimentate cu benzină, și care se desfășoară cu exces de aer. Condiții propice pentru ca azotul și oxigenul să interacționeze, rezultând monoxid de azot (NO) și dioxid de azot (NO2). La motoarele pe benzină, oxizii de azot sunt eliminați direct cu ajutorul catalizatorului clasic, cel responsabil și cu reducerea emisiilor de CO2 și a hidrocarburilor nearse.

Același catalizator nu este eficient și dacă este montat pe motoarele cu aprindere prin compresie, deoarece rata de conversie a oxizilor de azot scade dacă amestecul aer-combustibil nu este stoechiometric, așa cum se întâmplă la propulsoarele diesel care funcționează cu amestecuri sărace. Soluția este recircularea gazelor de evacuare: o parte a gazelor este trimisă înapoi în cilindri, iar astfel se reduc concentrația de oxigen și temperatura de ardere, limitându-se formarea oxizilor de azot. La motoarele ce satisfac normele Euro 5, inclusiv, metoda descrisă este suficientă pentru ca acestea să satisfacă limitele legale de emisii NOx. Reducerea drastică a limitelor, aferentă noilor norme Euro 6 (de la 0,18 la 0,08 g/km), a impus implementarea de către producători a unor catalizatoare specifice, mai performante – cu excepția Mazda, care mizează pe motoare cu raport de compresie neobișnuit de scăzut pentru un diesel.

În prezent, există două sisteme catalitice de reducere a emisiilor NOx: catalizatorul „absorbant”, cunoscut sub denumirile de LNT (Lean trap NOx), NSC (NOx storage catalyst) sau DENOx, respectiv catalizatorul Scr (Selective catalyst reduction, reducere catalitică selectivă). Primul este similar unui catalizator obișnuit cu trei căi, care este montat după turbină și include, de asemenea, filtrul de particule. În timpul funcționării cu amestec sărac, molecula de oxid de azot se oxidează și devine dioxid de azot și reacționează cu carbonatul de bariu, formând nitrații care se acumulează în catalizator. Acest proces se produce, însă, în mod optim, doar la temperaturi ridicate cuprinse între 150 și 350 grade Celsius. Etapa de acumulare durează aproximativ cinci minute și este urmată de stagiul regenerativ extrem de scurt (câteva secunde): motorul funcționează cu un amestec bogat, nitrații sunt transformați în dioxid de azot și, odată atinse condițiile ideale, este convertit în azot cu ajutorul rhodiumului, stocat în catalizator.

Impactul asupra consumului

Îmbogățirea frecventă a amestecului aer-combustibil este esențială în etapa de regenerare, însă, această particularitate are o influență deloc neglijabilă asupra consumului. Eficiența catalizatorului Lnt, estimată la 70%, scade direct proporțional cu temperatura de funcționare, detaliu problematic în viziunea viitoarelor teste de emisii conform noului ciclu Wltp, mai sever decât actualul NEDC, și cu atât mai mult în raport cu introducerea obligativității măsurării noxelor în traficul real (Rde, real drive emissions) și nu în laborator. Nu trebuie să uităm, însă, că gazele de evacuare afișează temperaturi scăzute la folosirea pe distanțe scurte a mașinii, în oraș, catalizatorul funcționând, în consecință, mai puțin. Astfel, este necesară încălzirea gazelor, fie cu ajutorul unor intervenții asupra injecției, modificări ce presupun creșterea consumului, fie prin montarea unor surse de încălzire electrice înaintea catalizatorului. O altă limitare inerentă sistemelor catalitice anti-NOx este „otrăvirea” lor progresivă din pricina reziduurilor de sulf, prezente în motorină. Problema poate fi eliminată cu ajutorul unui proces de desulfurizare care crește temperatura de operare a catalizatorului NOx la 650° C, timp de minimum cinci minute. Din moment ce temperatura și durata procesului sunt compatibile cu operațiunea de curățare a filtrului de particule Dpf, desulfurizarea coincide cu regenarea acestuia.

Eficient, dar complex

Eficiența catalizatorului „absorbant” este întrecută de cea a sistemelor Scr, mult mai complexe. Acestea funcționează grație injectării unui aditiv pe bază de uree (AdBlue sau Def, diesel exhaust fluid) în conductele de evacuare, ceea ce presupune apariția suplimentară a unui rezervor, a unei pompe de alimentare, a unui debitmetru și a conductelor aferente. În plus, datorită particularității de solidificare a aditivului AdBlue la -11° C, este necesară montarea unui încălzitor suplimentar, pentru sezonul rece. Principiul de funcționare Scr se bazează pe faptul că, la temperaturi de peste 200° C, în prezența vaporilor de apă, ureea se transformă în amoniac (inutilizabil ca atare, din pricina toxicității) și CO2, amoniacul reacționând cu oxizii de azot pentru a rezulta azot și apă. Catalizatorul Scr funcționează optim la temperaturi ridicate (între 250 și 450° C), fiind recomandat pentru o gamă largă de motoare prin prisma eficienței sale ridicate. Odată cu introducerea testelor de emisii Rde în trafic, este de așteptat ca sistemele catalitice Scr să devină soluția de bază în tratarea oxizilor de azot, cu efecte directe asupra consumului, care se va amplifica în contextul creșterii necesare a temperaturii gazelor de evacuare.

Un factor important este, însă, dozarea specifică a aditivului. Dacă aceasta este insuficientă, rata de conversie a oxizilor de azot este scăzută, dacă este excesivă, în schimb, rezultă infiltrații nedorite de amoniac în gazele de evacuare – pentru a evita acest lucru, unii constructori montează un catalizator suplimentar (Slip sau Cuc, Clean up catalyst), după cel Scr.

O soluție cu adevărat eficientă pentru reducerea emisiilor de NOx ar fi combinarea catalizatorului Scr, care funcționează optim la temperaturi înalte, cu cel Lnt, eficient într-un palier termic mai redus. Constructorii preferă, însă, calea de mijloc, asociind catalizatorului principal, Scr sau Lnt, o versiune simplificată a celuilalt, mai puțin eficientă, dar suficientă pentru a compensa deficiențele sistemului catalitic principal. Astfel, catalizatorul Lnt regenerativ poate fi acompaniat de unul Scr pasiv, fără aditivi, în timp ce un sistem Scr cu AdBlue poate lucra în tandem cu un Pna (Passive NOx absorber), care nu necesită curățarea periodică.

Oricare dintre soluții este cea preferată, costurile sistemelor de reducere a emisiilor de oxizi de azot sunt departe de a fi neglijabile și se adaugă celor aferente filtrelor de particule. Dificil de estimat, însă, introducerea normelor Euro 6 a determinat mulți producători să analizeze serios eliminarea anumitor versiuni diesel din gamele convenționale, costurile montării unor sisteme NOx fiind considerate prohibitive. Surse din industrie estimează un cost de 400 euro per catalizator, în cazul variantei Lnt, respectiv 550 euro pentru cea Scr. Un alt inconvenient ar fi eliberarea locului necesar implementării rezervorului de AdBlue, spațiul fiind ultima redută când vina vorba de mașinile moderne.

Limitele europene pentru motoare diesel

Legislația europeană în materie de limitare a emisiilor poluante aferente gazelor de evacuare a contribuit, de-a lungul anilor, la reducerea drastică a substanțelor nocive, începând cu monoxidul de carbon. Normele Euro 5 au dus, pratic, la eliminarea aproape completă a particulelor (PM), în timp ce odată cu implementarea standardelor Euro 6, mult mai stringente, nivelul de oxizi de azot a scăzut dramatic. În viitorul apropiat, introducerea ciclului de omologare Wltp și a noilor metode de măsurare a emisiilor în traficul real (Rde), va face sarcina inginerilor din ce în ce mai complexă.

Pro și contra celor două sisteme

Catalizatorul absorbant
PLUS: Eficiență ridicată la sarcină redusă, durată de utilizare satisfăcătoare, ușurință în instalare și utilizare (fără necesitate prezenței unor aditivi suplimentari și a instalației aferente acestora – conducte, rezervor, preîncălzitor).
MINUS: Capacitatea ratei de conversie depinde de volumul catalizatorului. La sarcini ridicate, eficiența scade, regenerarea implică o creștere a consumului de motorină, iar costurile sistemului sunt ridicate, prin prisma prezenței metalelor nobile.

Catalizatorul scr
PLUS: În condiții optime de funcționare, rata de conversie a emisiilor NOx este extrem de ridicată, cu o eficiență estimată la 95%. Costul catalizatorului propriu-zis este scăzut, metalele nobile lipsind cu desăvârșire.
MINUS: Atunci când gazele de evacuare sunt reci, așa cum este se întâmplă pe distanțe scurte, în oraș, eficiența este limitată. Sistemul de stocare și dozare a aditivului AdBlue (care trebuie realimentat periodic) este scump, iar poziționarea rezervorului dedicat poate fi problematică.

Copyright: Quattroruote