Ze względu na coraz bardziej rygorystyczne przepisy dotyczące emisji spalin, układy oczyszczania spalin stały się nieodłącznym elementem współczesnych silników. „W ciągu ostatniej dekady układy oczyszczania spalin stosowane przez naszych globalnych klientów OEM stały się coraz bardziej złożone i gęściej upakowanymi elementami” – mówi dr Korneel De Rudder, kierownik ds. rozwoju w Europie w Donaldson Co. Sp. z o.o.

Jego zdaniem ta zwiększona złożoność jest konieczna, aby sprostać coraz bardziej rygorystycznym normom emisji wdrażanym w USA, Europie i innych częściach świata. „W rezultacie w pakiecie o danej wielkości można umieścić więcej katalizatorów i czujników” – wyjaśnia De Rudder. „W przypadku wielu maszyn terenowych, ze względu na ograniczoną przestrzeń pod maską, musimy wykazać się kreatywnością, aby zmieścić te nowe komponenty – a komponenty muszą być gęściej upakowane”.

Aby temu zaradzić, De Rudder mówi, że Donaldson skupił się na opracowaniu komponentów i systemów, które zmniejszają objętość „martwą” w układzie oczyszczania spalin. „W systemach starszej generacji często stosowano „martwą” objętość w celu wydłużenia czasu przebywania płynu DEF (płynu do układów wydechowych silników Diesla, zwanego też AdBlue), co przyspieszało jego rozkład i mieszanie się ze spalinami” – wyjaśnia. „Współczesne systemy mają mniej miejsca na objętość martwą, co skutkuje krótszym czasem przebywania i wymusza konieczność poprawy wydajności miksera. W Donaldson opracowaliśmy kompleksową gamę kompaktowych i zaawansowanych systemów mieszania płynu DEF/AdBlue, które zostały zaprojektowane specjalnie z myślą o efektywniejszym mieszaniu w mniejszych przestrzeniach.

Gary Simons, dyrektor ds. inżynierii w Ameryce Północnej w firmie Donaldson Co., twierdzi, że łączenie funkcji SCR i DPF w pojedynczym podłożu SCR-on-Filter (SCRoF) staje się coraz powszechniejsze w branży jako sposób na sprostanie wyzwaniom związanym z pakowaniem systemów. Ponieważ podłoża SCRoF mają większą porowatość niż DPF i SCR, są bardziej delikatne. Ich konserwowanie wymaga starannego zarządzania siłami instalacyjnymi i naciskiem maty podłoża.

De Rudder zauważa również, że wraz ze wzrostem rozmiarów i złożoności układów oczyszczania spalin, ich powierzchnia staje się coraz większa. Większa powierzchnia zewnętrzna może powodować problemy z odprowadzaniem ciepła. Właściwa izolacja będzie miała coraz większe znaczenie, a już wdrożone projekty będą wymagały dalszego udoskonalenia.

Według De Ruddera mieszanie płynu DEF z AdBlue jest również ważnym aspektem układów oczyszczania spalin. „Powszechnie przyjmuje się, że wymagania dotyczące jednorodności amoniaku (NH3) muszą przekraczać 0,990, aby spełnić normy emisji. Takiego poziomu wydajności można się spodziewać przy niewielkiej lub zerowej krystalizacji płynu DEF/AdBlue.

Krystalizacja jest powtarzającym się wyzwaniem w wielu układach oczyszczania spalin – dodaje. Choć pewna krystalizacja jest możliwa, celem wszystkich producentów sprzętu jest ograniczenie jej występowania i wpływu. De Rudder mówi, że branża zmaga się obecnie z określeniem specyfikacji dla spójnych testów krystalizacji. Jednakże Donaldson opracował własny cykl testowy służący do pomiaru krystalizacji, dzięki czemu może zastosować odpowiednie roztwory mieszające w celu zminimalizowania występowania tego zjawiska.  

„Ponieważ w wymagających cyklach pracy istnieje większe prawdopodobieństwo powstawania krystalizacji/osadów, w Donaldson często zalecamy, aby miksery były projektowane w sposób umożliwiający skuteczną pracę nawet w wymagających cyklach pracy – zamiast niezoptymalizowanego systemu, który będzie wiązał się z większym ryzykiem powstawania osadów” – mówi De Rudder.

Nowe przepisy wprowadzają nowe potrzeby projektowe

Chociaż w USA i Europie nie obowiązują obecnie żadne nowe przepisy dotyczące emisji dla sprzętu terenowego, Kalifornijska Rada ds. Zasobów Powietrza (CARB) zaproponowała potencjalne przepisy Tier 5. Wiele krajów dąży do ograniczenia emisji pochodzących ze wszystkich gałęzi przemysłu, więc w przyszłości możliwe jest wprowadzenie bardziej rygorystycznych przepisów.

Chociaż proponowane przepisy dotyczące emisji spalin CARB Tier 5 nie zostały jeszcze formalnie zaakceptowane, De Rudder i Simons z Donaldson twierdzą, że zmiany, które mogą zostać uwzględnione w ostatecznym rozporządzeniu, prawdopodobnie wpłyną na konstrukcję układów oczyszczania spalin. Oczekuje się, że regulacja obejmie redukcję emisji NOx, cząstek stałych (PM), dwutlenku węgla (CO2), a także wydłużenie okresów gwarancji/żywotności oraz przeprowadzenie testów chłodniejszego cyklu pracy. „Zmniejszenie emisji zanieczyszczeń kryterialnych i CO2 doprowadzi do zmiany strategii dotyczącej emisji” – twierdzą. „Możliwe jest zastosowanie dwóch układów wtrysku DEF/AdBlue, a także ściślejsze sprzężenie układu oczyszczania spalin z silnikiem”.

De Rudder i Simons twierdzą ponadto, że w branży rośnie zgoda co do tego, że stosowanie układu EGR będzie konieczne w celu spełnienia kolejnych limitów emisji. „Oznacza to, że silniki skalibrowane pod kątem bardzo wysokiej emisji NOx i niskiej emisji cząstek stałych staną się mniej powszechne” – wyjaśniają. „Doprowadzi to do zmniejszenia obciążenia wytwórni płynu DEF/Adblue, co z kolei będzie wiązać się z innymi kompromisami/wyzwaniami, takimi jak konieczność częstszej regeneracji filtrów DPF”.

„Współczesne silniki terenowe opierają się na pasywnej regeneracji DPF z aktywną regeneracją off-line, gdy jest to konieczne, podczas gdy wiele silników drogowych może korzystać z aktywnej regeneracji podczas normalnej pracy, przy minimalnym wpływie na użytkownika” – dodają De Rudder i Simons.

Twierdzą, że wyższa ilość surowych cząstek stałych, będąca wynikiem ponownego wprowadzenia EGR, zwiększy potrzebę częstszej aktywnej regeneracji. Prawdopodobnie będzie to wymagało od producentów OEM opracowania podobnych strategii regeneracji, jakie są stosowane w silnikach pojazdów drogowych.      

Dalszy rozwój technologii będzie konieczny

„W ciągu ostatnich 15 lat globalne przepisy dotyczące emisji uległy gwałtownym zmianom” – mówi De Rudder. „Ponieważ branża pędziła od jednego ustawodawstwa do drugiego, mogło to prowadzić do nadmiernej ingerencji inżynieryjnej, przy jednoczesnym poświęceniu zbyt małej ilości czasu na optymalizację kosztów i produktów”.

Jednak teraz, jak twierdzi, upływa więcej czasu między przepisami dotyczącymi emisji, co lepiej pozwala branży na optymalizację układów oczyszczania spalin i harmonizację między różnymi platformami. Producenci OEM również mogli lepiej skupić swoje wysiłki projektowe na zoptymalizowanych produktach i ich funkcjonalności, zamiast dotrzymywać rygorystycznych terminów regulacji emisji, co również przyniosło korzyści branży i prawdopodobnie tak będzie również w przyszłości.

Ponadto wiele osób z branży uważa, że normy EURO 7/VII dla samochodów osobowych i pojazdów ciężarowych zostaną połączone. „Jeśli i kiedy to nastąpi, pojawią się pytania o to, w jaki sposób kolejne normy terenowe Stage/Tier uda się zharmonizować z limitami normy EURO VII obowiązującymi na drogach publicznych” – mówią De Rudder i Simons.

Ogólnie rzecz biorąc, konieczny będzie dalszy rozwój technologiczny w projektowaniu układów oczyszczania spalin, aby spełnić wymagania klientów lub przyszłe przepisy dotyczące emisji.

„Spodziewamy się również znaczących zmian na rynku urządzeń o niskim poborze mocy” – podsumowuje De Rudder. „W szczególności elektryfikacja odegra znaczącą rolę poprzez zastąpienie niektórych silników Diesla, a  hybrydyzacja silników i maszyn zapewni dostęp do energii elektrycznej o dużej mocy, która będzie mogła być wykorzystana w fazie nagrzewania spalin”, co poprawi wydajność układu oczyszczania spalin. 

AdBlue® jest zarejestrowanym znakiem towarowym VDA.