W układach kontroli emisji silników wysokoprężnych o dużej obciążalności technologia selektywnej redukcji katalitycznej (SCR) jest szeroko stosowana w celu zmniejszenia emisji tlenków azotu. Jednakże w rzeczywistych warunkach pracy, jeśli występują odchylenia w dozowaniu DEF, temperaturze spalin, wydajności katalitycznej SCR lub strategii sterowania systemem, amoniak, który nie bierze w pełni udziału w reakcji, może przedostać się za układem SCR, powodując wyciek amoniaku.

W przypadku systemów oczyszczania spalin w pojazdach użytkowych i wysokoobciążonych silnikach wysokoprężnych nadmierny wyciek amoniaku może nie tylko powodować zauważalny zapach amoniaku w spalinach, ale może również wskazywać na niedopasowanie pomiędzy dozowaniem DEF, zdolnością reakcji SCR i dalszym oczyszczaniem. Dlatego też zainstalowanie katalizatora poślizgu amoniaku (ASC) za układem SCR jest jednym z ważnych rozwiązań technicznych pozwalających kontrolować resztkowy NH3.

Dlaczego w pojazdach z silnikiem Diesla o dużej ładowności dochodzi do wypływu amoniaku?

Układ SCR zazwyczaj wtryskuje wodny roztwór mocznika do strumienia spalin, umożliwiając jego rozkład i wytworzenie NH3, po czym katalizator SCR wspomaga reakcję pomiędzy NH3 i NOx.

W idealnych warunkach NH3 wytwarzany w wyniku dozowania DEF powinien być w rozsądny sposób dostosowany do bieżącego zapotrzebowania na konwersję NOx. Jednakże podczas rzeczywistej eksploatacji pojazdu obciążenie silnika, przepływ spalin, temperatura spalin i stężenie NOx stale się zmieniają. Dlatego nie można całkowicie uniknąć wycieku amoniaku, polegając wyłącznie na kontroli dozowania DEF.

Dozowanie DEF nie odpowiada zapotrzebowaniu na NOx

Jeżeli ilość wtryskiwanego DEF jest wyższa niż poziom wymagany do bieżącej konwersji NOx, nadmiar NH3 może nie zostać całkowicie zużyty w katalizatorze SCR i może przedostać się dalej za układem SCR.

Stan ten zasługuje na większą uwagę podczas szybkich zmian obciążenia, nieustalonej eksploatacji pojazdu, czy warunków pracy, w których szybko zmieniają się parametry spalin.

Zmiany wydajności katalizatora SCR

Wraz ze wzrostem czasu pracy czynniki takie jak starzenie się powłoki katalizatora, obciążenie termiczne lub zatrucie siarką mogą mieć wpływ na rzeczywiste warunki pracy katalizatora SCR.

Jeśli strategia dozowania DEF nie zostanie dostosowana do rzeczywistej zdolności konwersji katalizatora SCR, ilość dostarczanego NH3 może być niedopasowana do rzeczywistej możliwości zużycia NH3 w układzie SCR, zwiększając w ten sposób ryzyko wycieku amoniaku.

Wahania temperatury spalin wpływają na reakcje katalityczne

Pojazdy z silnikiem wysokoprężnym o dużej ładowności zwykle działają w różnych warunkach, w tym na biegu jałowym, pracy przy niskich prędkościach, pracy pod dużym obciążeniem, jeździe z dużą prędkością i regeneracji układu oczyszczania spalin. Dlatego temperatura spalin nie jest stała.

Zmiany temperatury spalin wpływają na rozkład mocznika, powstawanie NH3 i proces reakcji katalitycznej SCR. Dlatego też analizując wyciek amoniaku, należy wziąć pod uwagę rzeczywiste warunki temperaturowe całego układu oczyszczania spalin w oleju napędowym, a nie skupiać się tylko na jednym stabilnym warunku temperaturowym.

W jaki sposób katalizator ASC kontroluje amoniak przedostający się za układem SCR?

ASC, czyli katalizator poślizgu amoniaku, jest zwykle instalowany za katalizatorem SCR i może być również określany jako katalizator poślizgu amoniaku SCR lub katalizator utleniania poślizgu amoniaku.

Główną funkcją ASC jest dalsza obróbka resztkowego NH3, który nie został całkowicie zużyty przez poprzedzający system SCR.

Gdy na wylocie SCR pozostaje pewna ilość NH3, powłoka katalizatora ASC może sprzyjać dalszym reakcjom katalitycznym resztkowego amoniaku, zmniejszając w ten sposób wyciek amoniaku odprowadzanego bezpośrednio ze spalinami.

Dlatego w wysokoobciążonych układach oczyszczania spalin w silnikach wysokoprężnych ASC nie ma na celu zastąpienia katalizatora SCR. Zamiast tego służy jako dodatkowa jednostka oczyszczania za systemem SCR i współpracuje z katalizatorem SCR, systemem dozowania DEF, czujnikami i strategią sterowania, tworząc kompletny łańcuch kontroli emisji.

Jakie parametry należy wziąć pod uwagę przy wyborze katalizatora ASC do pojazdów z silnikiem Diesla o dużej ładowności?

Doboru katalizatora ASC nie należy kierować wyłącznie na podstawie średnicy, długości czy wymiarów zewnętrznych produktu.

W przypadku projektów OEM, platform pojazdów użytkowych i projektów integracji układów oczyszczania spalin z silnikami wysokoprężnymi ważniejsza jest wszechstronna ocena dopasowania zależności między katalizatorem ASC a platformą silnika, przepływem spalin, temperaturą spalin i warunkami pracy układu SCR.

1. Zakres temperatury roboczej

Ciągła temperatura pracy i maksymalna odporność na temperaturę to ważne parametry, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze katalizatora ASC.

Podczas pracy pod dużym obciążeniem lub regeneracji układu oczyszczania spalin temperatura spalin silnika wysokoprężnego przy dużym obciążeniu może znacznie się zmienić. Dlatego powłoka katalizatora i podłoże o strukturze plastra miodu muszą wytrzymywać rzeczywisty zakres temperatur docelowej platformy silnika.

Jeśli katalizator ASC działa przez dłuższy czas w warunkach przekraczających jego zaprojektowany zakres temperatur, może wzrosnąć ryzyko starzenia się powłoki katalizatora lub pogorszenia wydajności.

2. Powłoka katalizatora i system materiałów

Katalizatory ASC zwykle obejmują powłokę katalityczną, materiał podłoża i projekt składnika aktywnego, w tym układy katalizatorów z metali szlachetnych, podłoża ceramiczne o strukturze plastra miodu i różne funkcjonalne powłoki katalityczne.

Różne materiały i receptury mogą zapewniać różne poziomy zdolności utleniania amoniaku, selektywności azotu, stabilności termicznej i odporności na siarkę.

Dlatego przy zakupie katalizatora ASC kupujący nie powinni skupiać się wyłącznie na tym, czy zastosowano konkretny metal szlachetny. Roztwór katalizatora należy również ocenić pod kątem rzeczywistych warunków spalin, docelowego poziomu wycieku amoniaku i spełniających wymagania całego układu oczyszczania spalin.

3. Efektywność konwersji amoniaku i selektywność azotu

Efektywność konwersji amoniaku jest jednym z ważnych wskaźników wydajności stosowanych do oceny zdolności oczyszczania katalizatora ASC, ale nie powinna być stosowana jako jedyne kryterium oceny.

Należy również wziąć pod uwagę selektywność azotu.

Celem ASC nie jest po prostu zwiększenie stopnia utlenienia NH3, ale kontrola pozostałości NH3 przy jednoczesnej minimalizacji niepożądanych produktów ubocznych zawierających azot.

Dlatego konstrukcja katalizatora ASC zwykle wymaga rozsądnej równowagi pomiędzy zdolnością konwersji amoniaku a selektywnością reakcji.

4. Struktura plastra miodu, gęstość komórek i grubość ścianki

W przypadku katalizatora ASC o strukturze plastra miodu gęstość komórek, grubość ścianki, średnica podłoża i długość katalizatora wpływają na charakterystykę przepływu spalin, obszar reakcji katalitycznej i przeciwciśnienie w układzie.

Wysokoobciążone silniki wysokoprężne charakteryzują się zwykle stosunkowo wysokim natężeniem przepływu spalin, dlatego nie można po prostu założyć, że większa gęstość ogniw jest zawsze lepsza.

Przy faktycznym doborze należy łącznie ocenić przepływ spalin, dopuszczalne przeciwciśnienie, przestrzeń montażową, wymiary podłoża i wymaganą objętość katalizatora.

Dlaczego dopasowanie ASC do układu SCR jest ważniejsze niż wybór samego katalizatora?

Katalizator ASC nie jest samodzielnym elementem, ale częścią kompletnego układu oczyszczania spalin diesla.

Typowy układ oczyszczania spalin do silników wysokoprężnych o dużej wytrzymałości może obejmować DOC, DPF, SCR, ASC, układ dozowania DEF, czujniki NOx, czujniki temperatury i elektroniczny układ sterowania.

Odchylenie w dowolnej części tego systemu może mieć wpływ na końcowy wynik kontroli poślizgu amoniaku.

Na przykład odchylenie regulacji czujnika NOx może mieć wpływ na strategię dozowania DEF; nadmierne dozowanie DEF może zwiększyć resztkowy NH3; i starzenie się katalizatora SCR mogą zmienić rzeczywistą zdolność zużycia NH3 w systemie.

Dlatego też w przypadku producentów OEM i integratorów systemów oczyszczania spalin wybór ASC powinien być dokonywany z perspektywy dopasowania na poziomie systemu, a nie poprzez porównywanie specyfikacji wyłącznie pojedynczego katalizatora ASC.

Jak określić, czy katalizator ASC jest odpowiedni dla docelowej platformy z silnikiem wysokoprężnym?

Przed określeniem roztworu katalizatora ASC zaleca się przekazanie dostawcy następujących kluczowych informacji operacyjnych:

• Pojemność silnika i rodzaj zastosowania;

• Zakres przepływu spalin;

• Zakres temperatury wylotowej SCR;

• Stężenie NH3 na wylocie SCR lub docelowy limit poślizgu amoniaku;

• Dostępna przestrzeń instalacyjna;

• Wymagania dotyczące wymiarów podłoża o strukturze plastra miodu;

• Obowiązujące przepisy dotyczące emisji lub normy emisji;

• Czy występuje praca w wysokiej temperaturze, narażenie na siarkę lub częste warunki regeneracji.

Parametry te mogą pomóc dostawcy katalizatora w określeniu wymaganych wymiarów ASC, struktury podłoża, gęstości komórek i roztworu powłoki katalizatora.

W przypadku ciężkich pojazdów z silnikiem Diesla, maszyn budowlanych i platform z silnikami wysokoprężnymi do zastosowań terenowych możliwości dostosowywania, takie jak niestandardowe wymiary katalizatora, niestandardowa gęstość ogniw i niestandardowa powłoka katalizatora, mogą pomóc w uzyskaniu bardziej odpowiedniego dopasowania układu oczyszczania spalin do konkretnych warunków silnika i układu SCR.

Wniosek: ASC jest ważnym etapem końcowym kontroli poślizgu amoniaku w pojazdach z silnikiem Diesla o dużej ładowności

Zapach amoniaku w spalinach jest zwykle tylko jedną z bardziej zauważalnych oznak problemu z wyciekiem amoniaku.

W przypadku pojazdów z silnikiem wysokoprężnym o dużej ładowności ważniejszą kwestią jest to, czy dozowanie DEF, zdolność reakcji katalitycznej SCR, sterowanie czujnikami, temperatura spalin i dalsze oczyszczanie ASC są odpowiednio dopasowane.

Katalizator ASC zainstalowany za układem SCR może dodatkowo oczyszczać resztkowy NH3, poprawiając w ten sposób kompletność łańcucha oczyszczania spalin z silnika Diesla.

Przy wyborze katalizatora ASC należy łącznie ocenić temperaturę roboczą, wydajność konwersji amoniaku, selektywność azotu, materiały katalizatora, strukturę plastra miodu, gęstość komórek, grubość ścianki, przepływ spalin, przeciwciśnienie w układzie i przestrzeń montażową.

Dlatego też w przypadku producentów OEM, nabywców katalizatorów i integratorów systemów oczyszczania spalin dla silników wysokoprężnych wybór ASC nie powinien skupiać się po prostu na porównaniu specyfikacji poszczególnych produktów, ale na ustaleniu, czy rozwiązanie ASC rzeczywiście odpowiada warunkom pracy układu wydechowego i konstrukcji układu SCR docelowej platformy z silnikiem wysokoprężnym.