Avgasrening

Oxidationskatalysatorn omvandlar CO och HC till CO2 och H2O. Den påverkar också den andel av partiklarna som utgörs av tunga kolväten som vid lägre temperaturer finns adsorberade på partiklarna. Tyvärr påverkar inte oxidationskatalysatorer den del som utgörs av sot, vilket är huvudkomponenten i partiklar.

Vid normala avgastemperaturer minskar en katalysator CO och HC med ungefär 80%, medan partiklar minskas med ungefär 25%.

För att möjliggöra en högre grad av rening av partiklar måste sotpartiklar i avgasströmmen filtreras bort. Detta kan uppnås genom att använda ett partikelfilter där partiklar fångas upp när avgaserna passerar en porös vägg, där porerna är mindre än sotpartiklarna. De uppsamlade partiklarna oxideras olika fort beroende på filtertemperaturen. Denna oxidationsprocess av uppsamlade partiklar kallas filterregenerering.

Moderna filter kan minska emissioner av partiklar med ungefär 90-95%.

I ett passivt filtersystem sker avbränningen kontinuerligt utan tillförsel av energi.

I ett aktivt system tillförs energi för att tillfälligt höja avgastemperaturen och på så sätt bränna av partiklarna. Detta kan uppnås genom insprutning av bränsle i avgaserna, vilket ökar avgastemperaturen eller genom att använda bränsleadditiv som är katalytiskt aktiva, vilka används för att möjliggöra oxidationsprocesser vid låga temperaturer.

Ett effektivt sätt att minska utsläppen av kväveoxider från dieselmotorer är att återföra en del av avgaserna (EGR) till motorn.

Det finns två väsentligt skilda typer av EGR på marknaden. Högtrycks EGR innebär att avgaser återcirkulerar mellan två punkter under högt tryck - avgasgrenröret på avgassidan och insugningsröret efter laddluftkylaren på insugssidan. Lågtrycks EGR (Fig. 3) återcirkulerar avgaserna mellan två punkter med lågt tryck - avgassystemets slutrör (nedströms ett partikelfilter) och framför turboladdaren efter luftfiltret.

När en del av avgaserna återförs till insugsluften minskar syrehalten samtidigt som värmekapacitiviteten höjs något. Det leder till att förbränningstemperaturen sänks och mindre kvävemonoxid bildas.

Sänkningen av syrehalten gör att det finns risk för en ökning av partikelmängden. Därför är det viktigt att kunna styra mängden EGR vid olika motorbelastningar.

På grund av tryckförhållandet mellan avgasgrenröret och insugningsröret, är det en utmaning att uppnå tillräckliga EGR-flöden med högtrycks-EGR. Detta innebär att man måste skapa tillräckliga EGR-flöden genom att använda turboladdare med variabel geometri eller andra lösningar.

Med ett lågtryckssystem uppnår man de önskade EGR-flödena utan att minska effektiviteten hos turboladdaren. Högtrycks-EGR återcirkulerar ofiltrerade avgaser, vilket föranleder nedsmutsning av själva motorn och förändrar smörjoljans egenskaper. Dess motsats är lågtrycks EGR eftersom den återcirkulerar partikelfria avgaser nedströms ett partikelfilter.

Katalytisk reduktion av NOx innebär en omvandling till kväve (N2) och syre (O2) med hjälp av en särskilt utformad katalysator och ett reduktionsmedel som tillsätts före katalysatorn.

Den mest förekommande reducerande kemikalien är ammoniak (NH3) vanligen i form av urea.

Trots att NOx kan minskas till låga nivåer så innebär tekniken flera praktiska utmaningar som påfyllning och lagring av urea, ett begränsat nätverk för distribution etc.

Som tekniska utmaningar kan nämnas en komplicerad hantering av urea och dess dosering, behov av höga temperaturer för att katalysatorn ska fungera effektivt, kontroll av ammoniaköverskott under transienta förhållanden och storleken på katalysatorn.

Vissa material kan adsorbera NOx i avgaserna. Katalysatorer som innehåller bariumoxid har testats och resultaten visar att adsorptionen är mest effektiv vid temperaturer nära 400° C. Katalysatorerna kan bara adsorbera en begränsad mängd NOx och behöver regenereras för att bibehålla sin aktivitet. Regenereringen genomförs under stökiometriska förhållanden då den NOx som adsorberats frigörs och omvandlas till kväve (N).

Denna typ av katalysatorer är intressant för utvecklingen av lean-burn motorer som körs med ett överskott på luft förutom vid höga belastningar då motorn körs stökiometriskt. Att uppnå en regenererande miljö i dieselavgaser är en stor teknisk utmaning och möjliggörs av elektroniskt styrd bränsleinsprutning och extra bränsletillförsel till avgaserna. Det är dessutom så att de katalysatorer som testats är känsliga för dieselbränslets svavelhalt.