הוויכוח בין חסידי מנועי הבעירה לאוהבי הרכב החשמלי לא יגיע להכרעה בעשור הקרוב אבל דבר אחד ברור: דרישות זיהום האוויר ממנועי בעירה מחמירות והולכות, ורוב הפיתוחים שנועדו כדי לעמוד בהן גובים מחירים כבדים מסעיפי האמינות והביצועים. כמעט כל היצרנים הקטינו בשנים האחרונות את נפח המנועים והצמידו להם מגדשי טורבו, אבל את ההישגים הגדולים יותר בצמצום פליטות הם משיגים דווקא מהצד השני: באמצעות טיפול בגזי הפליטה.
שריפת בנזין וסולר במנועים משחררת לאוויר רשימה ארוכה של חומרים רעילים, כשהבולטים והמוכרים בהם הם דו-תחמוצת הפחמן (CO2), פחמן חד-חמצני (CO), תחמוצות חנקן (NOx), פחמימנים וחלקיקים נשימים. טיפול בתוצרים האלה והפחתת הכמות שלהם מבוצע בארבע מערכות שונות: ממיר קטליטי, מסנן חלקיקים, מערכת EGR והזרקת אוריאה.
ממירים קטליטיים מותקנים בכל כלי הרכב שנמכרו בישראל מאז שנות ה-90, והמערכות האחרות נפוצות יותר או פחות במנועי בנזין ודיזל. כל אחת מן המערכות האלה עלולה להתקלקל וכדי לתחזק אותן נכון צריך לדעת איך הן פועלות.
הממיר הקטליטי: הכור הכימי של הרכב
בלב מערכת הפליטה, קרוב ככל שאפשר לסעפת הפליטה הלוהטת, ממוקם ממיר קטליטי. המיקום הקרוב למנוע נדרש מפני שהממיר "מתעורר לחיים" בטמפרטורה של לפחות 300 מעלות צלזיוס, וכדי לפעול באופן מיטבי הוא מגיע לטמפרטורות שבין 400 ל-800 מעלות צלזיוס.
הממיר הקטליטי מנטרל פחמימנים שלא נשרפו (HC), חד-תחמוצת פחמן (CO) ותחמוצות חנקן (NOx), וכל זה באמצעות מה שנקרא "ממיר תלת-דרכי" (Three-Way Catalyst) – שם שניתן לו בזכות שלוש הצרות שהוא מתמודד איתן.
ממיר קטליטי מבצע שתי פעולות הפוכות בו-זמנית.
- תהליך חיזור (Reduction): השלב הראשון בממיר מבוצע באמצעות מתכות אצילות כמו רודיום: כאשר מולקולת NOx פוגשת רודיום לוהט הוא "קורע" ממנה את אטומי החמצן ומשחרר לאוויר חנקן (N2) – גז בלתי מזיק שמהווה כ-78% מנפח האוויר שאנו נושמים.
- תהליך חמצון (Oxidation): אל אטומי החמצן ש"שוחררו" בשלב הראשון מצטרפים אטומי חמצן מן האוויר שלא נשרף במנוע, ואלה מנוצלים על ידי חומרי הזירוז (קטליזציה) פלטינה ופלדיום כדי לחמצן את ה-HC וה-CO ולהפוך אותם לדו תחמוצת הפחמן (CO2) ולאדי מים (H2O).
הריקוד הסטויכיומטרי
תהליך הקטליזציה של הממיר הקטליטי יכול להתרחש ביעילות רק בתוך "חלון הזדמנויות" כימי מאוד צר שנקרא בז'רגון המקצועי "היחס הסטויכיומטרי". הכוונה היא ליחס אידיאלי שבו יש בדיוק מספיק חמצן כדי לשרוף את כל הדלק.
כאשר תערובת הדלק/אוויר "עשירה" מדי, כלומר שיש יותר מדי דלק (או פחות מדי אוויר), אין די חמצן לתהליך החמצון. אם התערובת "ענייה" מדי (יותר מדי אוויר), תהליך החיזור של תחמוצות החנקן (Nox) לא יהיה מספיק יעיל.
כאן נכנס לתמונה חיישן החמצן (חיישן למבדא, λ) שמותקן לפני הממיר ותפקידו למדוד את כמות החמצן שנותר בגזי הפליטה. חיישן למבדא מעדכן את מחשב ניהול המנוע (ECU) אם יש יותר מדי או פחות מדי חמצן ומחשב ניהול המנוע מתקן, בהתאם, את כמות הדלק שמוזרקת למנוע. כך אמור להישמר "הריקוד העדין" של היחס הסטויכיומטרי.
חיישן נוסף מותקן אחרי הממיר כדי לוודא שפעולת ההמרה הצליחה ושהממיר תקין.
הערת מהנדס: המבנה הפנימי של הממיר, "חלת הדבש" (honeycomb), הוא פלא של הנדסת חומרים. בין אם הוא עשוי מחומר קרמי (קורדיטריט) או מתכת, מטרתו זהה: למקסם את שטח הפנים שהגזים פוגשים, וכך להגביר את יעילות התגובה הכימית, וכל זאת תוך יצירת מינימום התנגדות לזרימה (לחץ-נגדי) שעלולה "לחנוק" את המנוע ולפגוע בהספק.
מסנן חלקיקים (DPF/GPF): המלכודת והטיהור
הממיר הקטליטי מבצע שינוי של הרכב הגזים אבל הוא חסר אונים בטיפול בחלקיקי פיח מוצקים – תוצר לוואי ידוע של מנועי דיזל, ובשנים האחרונות גם של מנועי בנזין בהזרקה ישירה (GDI). כאן נכנס לפעולה מסנן החלקיקים.
האתגר ההנדסי: כיצד ללכוד חלקיקים זעירים בלי לסתום מהר מאוד את מערכת הפליטה. גם כאן הפתרון הוא מבנה "חלת דבש" עם תעלות אטומות לסירוגין. גזי הפליטה נכנסים לתעלה פתוחה אך כדי לצאת ממנה הם מועברים דרך הדופן הקרמית הנקבובית אל תעלה סמוכה. המטרה היא לאפשר לגזים לעבור אבל להותיר מאחוריהם את חלקיקי הפיח שנלכדים בדפנות מסנן החלקיקים.
תהליך הרגנרציה (ניקוי עצמי): כל מי שהפעיל שואב אבק בחיים שלו (וגם מי שלא) מבין שמסנן חלקיקים ייסתם במוקדם או במאוחר כשהוא יתמלא בחלקיקים, וכדי למנוע את זה מהונדסת המערכת לבצע "ניקוי עצמי".
כאשר מחשב ניהול המנוע מזהה הצטברות של לחץ במערכת הוא מזריק כמות נוספת של דלק לאחר שלב הבעירה. דלק זה לא נשרף בצילינדר אלא מגיע למערכת הפליטה הלוהטת ושם הוא מוצת. הטמפרטורה בתוך מסנן החלקיקים מזנקת באופן דרמטי אל כ-600 מעלות צלזיוס והחום העצום הזה שורף את חלקיקי הפיח והופך אותו לכמות קטנה של אפר.
רגנרציה פסיבית: מתרחשת באופן טבעי בנסיעות ארוכות ומהירות, כאשר טמפרטורת הפליטה גבוהה מספיק כדי לשרוף את הפיח באופן רציף.
רגנרציה אקטיבית: בכלי רכב שפועלים בעיקר בנסיעות עירוניות קצרות לא מספיקים הממיר ומסנן החלקיקים להתחמם לטמפרטורות מאוד גבוהות. מחשב הניהול של המנוע מזהה שלא מתקיימים תנאים לרגנרציה פסיבית ויוזם פעולה אקטיבית של הזרקת דלק.
הערת מהנדס: ההבדל המרכזי בין מסנן דיזל (DPF) למסנן בנזין (GPF) טמון באופי החלקיקים ובטמפרטורת העבודה. מנועי בנזין פועלים בטמפרטורות פליטה גבוהות יותר ובהם תהליך הרגנרציה פשוט ומהיר יותר. לכן, בעיה של סתימת מסננים נפוצה הרבה יותר במנועי דיזל ובכלי רכב שמבצעים נסיעות קצרות.
מערכת EGR: למחזר כדי לקרר
זה אולי נשמע מנוגד להיגיון אבל אחת הדרכים היעילות לצמצם את כמות מזהמי האוויר היא להחזיר חלק מגזי הפליטה "המשומשים" בחזרה לתוך המנוע. מערכת ה-EGR (Exhaust Gas Recirculation) עושה בדיוק את זה.
האתגר ההנדסי: תחמוצות חנקן (NOx) נוצרות בעיקר בטמפרטורות בעירה גבוהות מאוד. כדי להפחית את הכמות שלהן חייבים להפחית את טמפרטורת השיא בצילינדר. זה גורם לבעיה אחרת: הורדת הטמפרטורה מפחיתה את הספק המנוע.
הפתרון: שסתום ה-EGR פותח מעבר בין סעפת הפליטה לסעפת היניקה, ומאפשר לכמות מדודה של גז פליטה (שהוא ברובו גז אינרטי, כלומר גז שלא משתתף בבעירה) להיכנס יחד עם תערובת האוויר-דלק הטרייה. הגז הממוחזר הזה "מדלל" את התערובת, סופח חום, ומוריד את טמפרטורת הבעירה. התוצאה: פחות NOx נוצר מלכתחילה.
הערת מהנדס: זאת פשרה קלאסית. הורדת טמפרטורת הבעירה מפחיתה NOx, אבל פוגעת מעט ביעילות המנוע ומגבירה את כמות הפיח שנוצר. לכן, מחשב ניהול המנוע מפעיל את שסתום ה-EGR רק בתנאים מסוימים (לרוב בעומס בינוני) וסוגר אותו לחלוטין כאשר נדרש הספק מרבי (למשל, בהאצה חזקה).
הזרקת אוריאה (SCR): הטיפול הממוקד בדיזל
במנועי דיזל מודרנים ה-EGR לא מצליח להתגבר לבדו על כמות תחמוצות החנקן שנוצרת במנוע וכאן נכנסת לתמונה מערכת ה-SCR (Selective Catalytic Reduction) – מערכת "טיפול-שאחרי" (after-treatment) מתוחכמת.
האתגר ההנדסי: כיצד לנטרל את כמויות ה-NOx הגדולות שנוצרות במנוע דיזל, הפועל תמיד עם עודף אוויר, כלומר תערובת ענייה?
הפתרון: המערכת מתיזה כמות מדודה של אוריאה נוזלית (ידועה בשם המסחרי "אדבלו" AdBlue) – ולמעשה תמיסה של 32.5% אוריאה במים מטוהרים – אל תוך זרם גזי הפליטה, וכל זה לפני שהם נכנסים לממיר SCR. האוריאה מתפרקת בחום הגבוה של גזי הפליטה והופכת לאמוניה (NH3), וזה החומר הפעיל אשר מגיב עם תחמוצות החנקן והופך אותן לחנקן (N2) ואדי מים (H2O) בלתי מזיקים.
הערת מהנדס: המילה "Selective" (בררני) בשם המערכת היא מילת המפתח. האמוניה מגיבה באופן סלקטיבי עם ה-NOx, ולא עם החמצן הרב שנמצא בגזי הפליטה של מנוע דיזל. זאת הסיבה שהמערכת יעילה ומאפשרת למנועי דיזל להיות גם חזקים וחסכוניים, וגם לעמוד בתקני זיהום מחמירים.
בעיות ותקלות נפוצות
נתחיל בבעיה שאיננה טכנית: הריכוז של מתכות אצילות ויקרות בממיר קטליטי – על אף שהן נמדדות בגרמים בודדים – מהווה מקור משיכה לגנבים. אלה מגיעים לרכב חונה, נכנסים מתחתיו עם מסור דיסק, וחותכים את צינור הפליטה משני צידי הממיר. הנהג יגלה זאת כשיניע את הרכב באמצעות רעש חזק ממערכת הפליטה (דוד העמם ממוקם אחרי הממיר הקטליטי, ולאחר חיתוך צינור המפלט הגזים יוצאים לאוויר החופשי טרם הגעתם לדוד), ומהידלקות נורית "בדוק מנוע".
אפשר לנסוע עם הרכב למוסך אבל הסיכון הוא דו"ח על רעש חריג. ממיר חדש ומקורי עולה כמה אלפי שקלים אבל ישנם יבואני רכב שמנצלים את ההזדמנות "לעשות קופה" ומתקינים ממירים תמורת עשרות אלפי שקלים.
קיימת אפשרות להתקין ממיר משופץ במחיר נמוך יותר אבל יש לקחת בחשבון שאולי לא תעברו את הטסט הבא: ניקוי ושיפוץ ממיר קטליטי דורשים בעל מקצוע רציני ומכשור מתאים.
אורך חיים רגיל של ממיר קטליטי תלוי באופי הנהיגה: בנסיעות קצרות שכוללות הרבה עצירות הממיר לא מספיק להתחמם, וזה מקצר את אורך חייו אפילו עד כדי 80 אלף ק"מ. ממירים שמותקנים על כלי רכב שנוסעים נסיעות ארוכות יכולים לשרוד לפחות 160 אלף ק"מ או 10 שנים, ואף יותר.
תקלות אופייניות לממירים הן פגיעה חיצונית (בהיותו ממוקם בתחתית ריצפת הרכב), שמשנה את זרימת הגזים בתוכו או גורמת לשברים פנימיים. תיתכן סתימה כתוצאה מחלקיקי פיח גדולים (בעיקר ברכב שנוסע נסיעות קצרות), או פגיעה כתוצאה של תקלה חמורה במנוע שגורמת לחדירת אדי שמן מנוע או נוזל קירור מנוע. תקלות במערכות ההצתה, הדלק והפליטה עלולות לגרום להתחממות יתר של הממיר ולפגיעה בו.
סימנים לממיר קטליטי שעבר זמנו הם ירידה בביצועי המנוע, עשן שחור, וריח גופרית.
רוב התקלות במערכת האוריאה נגרמות בגלל איכות נוזל האדבלו או מערכת ההזרקה של האוריאה.
נוזל האדבלו רגיש לאור שמש ואם אינו מאוחסן כראוי (ויש תחנות דלק שמאחסנות את המשטח עם המכלים בשמש – לא לקנות שם!), עלולים להיווצר גבישים שיסתמו את המזרק.
תקלות במערכת ההפעלה של הזרקת הנוזל פוגעות בחיישן, במצוף או במשאבת ההזרקה.
נתקלתם בתקלה ברכב והפתרון שלה יכול להועיל גם לאחרים? כתבו לנו אל editor.thecar@gmail.com
לקריאה נוספת:
מתי החלפת את נוזל הקירור ברכב שלך?
עשרה סימנים מוקדמים לתקלות ברכב יחסכו לכם הרבה כסף במוסך
