BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ÚSTAV AUTOMOBILNÍHO A DOPRAVNÍHO INŽENÝRSTVÍ INSTITUTE OF AUTOMOTIVE ENGINEERING

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

ÚSTAV AUTOMOBILNÍHO A DOPRAVNÍHO INŽENÝRSTVÍ INSTITUTE OF AUTOMOTIVE ENGINEERING

STUDIE ROZMÍSTĚNÍ DÍLŮ SCR SYSTÉMU NA TRAKTORU S PEVNOSTNÍ ANALÝZOU VYBRANÝCH KOMPONENTŮ STUDY OF SCR COMPONENTS LAY OUT ON TRACTOR WITH STRENGTH ANALYSIS OF CHOOSEN COMPONENTS

DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER’S THESIS

AUTOR PRÁCE

Ing. VÁCLAV POLNICKÝ

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2014

Ing. RADIM DUNDÁLEK, Ph.D.

Abstrakt Tato diplomová práce se zabývá úpravou výfukového systému pro splnění emisních norem Stage IV. Jsou probrány mechanismy vzniku emisních složek a systémy nutné pro jejich snížení. Součástí je analýza umístění komponent systému vstřikování AdBlue. Stěžejní část práce se zabývá konkrétním konstrukčním řešením výfuku obsahující filtr pro zachycení pevných částic, stejně tak jako filtr pro redukci oxidu dusíku. Je provedena pevnostní analýza zahrnující problematiku vibrací, svarů, únavy a živostnosti. Práce je vytvořena pro firmu Zetor Tractors a.s. . Summary Diploma thesis deals with the exhaust system able to pass emission restrictions Stage IV. How emissions are produced as well as how could be minimized is described. Analysis of components lay out necessary to AdBlue injection is mentioned. Main part of this paper handle with given design of exhaust system combining diesel particulate filter, as well as filters required to reduce nitrogen oxides. Strength analysis covering vibrations, welds, fatigue and life is concluded. Thesis is made for Zetro Tractors a.s. purposes. Klíčová slova DPF, SCR, AdBlue, analýza výfuku, vibrace, únava, životnost Keywords DPF, SCR, AdBlue, exhaust analysis, vibrations, fatigue, life

POLNICKÝ, V.Studie rozmístění dílů SCR systému na traktoru s pevnostní analýzou vybraných komponentů. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2014. 72 s. Vedoucí Ing. Radim Dundálek, Ph.D.

Prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval sám a uvedl v seznamu zdrojů všechny použité zdroje. Ing. Václav Polnický

Děkuji vedoucímu práce Ing. Radimu Dundálkovi, PhD., za správné směřování diplomové práce, firmě Zetor Tractors za možnost rozšíření profesních obzorů a všem vyučujícím na ÚADI, kteří mi přímo či nepřímo pomohli nejen s touto prací. Ing. Václav Polnický

OBSAH

Obsah 1 Úvod

3

2 Emisní složky 2.1 Legislativní předpisy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Porovnání testovacích cyklů- osobní vozidla . . . 2.1.2 Porovnání testovacích cyklů- užitková vozidla . . 2.1.3 Porovnání testovacích cyklů- mimosilniční vozidla 2.2 Spalovací procesy ve vznětovém motoru . . . . . . . . . . 2.3 Vznik škodlivin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 CO a HC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 N OX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Pevné částice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.4 Analýza pevných částeček . . . . . . . . . . . . . 2.4 Možnosti snížení emisí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Optimalizace spalovacího procesu . . . . . . . . . 2.4.2 EGR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.3 DOC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.4 DPF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.5 DeNOx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.6 Amoniakový oxidační katalyzátor . . . . . . . . . 2.4.7 Hydrocarbon SCR . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.8 Zásobníkový katalyzátor N OX . . . . . . . . . . . 2.4.9 Dodavatelé aftertreatment systémů . . . . . . . . 3 Traktorové motory 3.1 John Deere . . 3.2 JCB . . . . . . 3.3 Case . . . . . . 3.4 Zetor . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

4 Studie rozmístění komponent 4.0.1 Provedení výfuku . . . . . . . . 4.1 Umístění výfuku s SCR u konkurence . 4.2 Umístění nádrže AdBlue u konkurence 4.3 Spotřeba a kapacita nádrže AdBlue . . 4.3.1 Pokud dojde AdBlue . . . . . . 4.4 Rozmístění komponent . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . .

. . . .

. . . . . .

. . . .

. . . . . .

. . . .

. . . . . .

. . . .

. . . . . .

. . . .

. . . . . .

. . . .

. . . . . .

. . . .

. . . . . .

. . . .

. . . . . .

. . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 4 5 6 7 7 8 9 9 10 11 12 12 13 14 15 18 22 23 23 23

. . . .

28 28 29 30 31

. . . . . .

34 34 35 36 36 37 37

5 Formulace řešeného problému a jeho analýza 39 5.1 Popis problému . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 5.1.1 Metodika řešení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

1

OBSAH 6 Analýza a interpretace výsledů 6.1 Materiál . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1 Vliv vysokých teplot . . . . . . . . . . . . 6.2 Okrajové podmínky . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Zatížení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.1 Data z jízdních zkoušek . . . . . . . . . . 6.3.2 Náhrada filtračních hmot . . . . . . . . . . 6.4 Řešení svarových spojů . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.1 Konkrétní řešení svarů . . . . . . . . . . . 6.5 Tvorba sítě . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.6 Předpětí šroubů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.7 Statické zatížení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.7.1 Výsledky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.8 Modální analýza . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.8.1 Výsledky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.9 Harmonická analýza . . . . . . . . . . . . . . . . 6.10 Vibrace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.10.1 Výsledky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.11 Výpočet únavy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.11.1 Únavová životnost dle ANSYS Workbench 6.11.2 Základy únavy . . . . . . . . . . . . . . . 6.11.3 Únavová životnost metodou LSA . . . . . 6.12 Doporučené konstrukční úpravy . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41 41 41 42 43 43 44 45 48 50 51 51 52 52 53 54 54 55 56 56 56 58 61

7 Závěr

62

8 Seznam použitých symbolů

71

2

1. ÚVOD

1. Úvod S rozvojem technické vyspělosti civilizace a na základě neoddiskutovatelných změn klimatu dochází napříč společnosti k tendencím chránit naše životní prostředí. Nejvíce dochází k omezování emisních složek u automobilové dopravy, která v městských aglomeracích patří k největším znečišťovatelům. Pro plnění přísnějších norem již nestačí zlepšovat spalovací proces vedoucí ke snížení spotřeby a růstu výkonu. Je nutno používat stále složitější a dražší zařízení, konkrétně systémy zakomponované do výfukového potrubí. Jedná se zejména o filtry pevných částic a katalyzátory pro odstranění oxidů dusíku. Diplomová práce se zabývá problematikou emisních limitů pro nesilniční vozidla. Podrobně bude probrán spalovací proces vznětového motoru produkující zejména pevné částice a oxidy dusíku. Popsána je problematika vzniku pevných částic a aspekty mající vliv na velikost a četnost částeček, stejně tak jako zákonnitosti produkce oxidů dusíku při spalování za vysokých teplot a tlaků. Poté je čtenář seznámen se všemi dostupnými prostředky pro snížení emisí a podmínkami jejich provozu. Porovnány jsou výhody a zejména nevýhody jednotlivých řešení. Jsou zmíněni i někteří výrobci systémů na snížení emisí, jejich jednotlivé produkty a vzájemné srovnání s konkurencí. Bude prozkoumáno rozmístění komponent SCR systému u konkurence a možnosti použití na traktorech Zetor. Stěžejní část práce se zabývá pevnostní analýzou výfukové soustavy pro traktory Zetor, které splňují emisní limity Stage IV. Analýza proběhla v programu ANSYS 14.5 Workbench. Prozkoumána byla pružnost a pevnost při statickém zatížení, provedena byla i modální analýza zkoumající zda vlastní frekvence kmitání neleží v provozním rozsahu motoru. Významná část diplomové práce spočívá také v analýze vibrací, kdy byla použita data z jízdních zkoušek. Na základě výsledků je určen zatěžovací cyklus a vypočtena únava zkoumané sestavy.

3

2. Emisní složky 2.1. Legislativní předpisy Ačkoli znečištění ovzduší v celosvětovém měřítku způsobené provozem slničních a nesliničních vozidel není významné, ve městech a hustě obydlených oblastech patří mezi největší znečišťovatele. Z toho důvodu jsou předpisy pro emise škodlivin stále zpřísňovány. Současné vznětové motory produkují zhruba o 96 % emisí NOx méně než vozidla z roku 1990. Použitím SCR systému lze emise NOx snížit o dalších 95 % . Prodávaná silniční i nesliniční vozidla musí splňovat emisní normy poplatné době a místě prodeje. Například hodnoty nových emisních norem pro Evropu, USA a Japonsko jsou velmi podobné, ale nejsou zcela shodné. To přináší dodatečné náklady pro výrobce při násobné homologaci vozidel. Euro V Evropě byly původně emisní normy schvalovány na základě národních vyhlášek (i když synchronizovaných). Po založení / vstupu do EU jsou emisní normy jednotné, a nazývají se Euronormy. U osobních vozidel označované římskými číslicemi, u nákladních arabskými. Stage Emisní normy označované jako Stage platí pro nesilniční vozidla na území Evropy, přičemž rozdílné požadavky mají státy v EU a nečlenské státy: nejsou nuceny vyžadovat stejné předpisy. V současné době (podzim 2014) přichází v platnost Stage IV, která svým charakterem odpovídá normě Euro VI / Euro 6. Tyto normy se vyznačují přísným snížením emisí NOx. Tier Normy Tier platí na území USA pro nesilniční vozidla, odpovídá tedy evropskému Stage, přičemž na úrovni Stage IV je Tier 4 Final. Vývoj emisních limitů Jak je vidět na obrázku 2.1, emistní normy se zpřísnily zhruba takto: Stage IIIA → Stage IIIB = - 80% PM Stage IIIB → Stage IV = - 80% NOx

4

2. EMISNÍ SLOŽKY

Obrázek 2.1: Vývoj emisních limitů PM a NOx nesilničních vozidel dle výkonových tříd [47] Mezní hodnoty pro pevných částic tedy zůstávají shodné, naproti tomu se rapidně snižuje povolené množství produkce N OX . Vyjímku tvoří emise nejslabších motorů s výkonem do 55 kW . Zetor [82] nabízí více výkonových verzí, z nichž některé patří do této skupiny. Pro splnění norem Final Tier 4/ Stage IV by tedy slabší verze nemusely vyžadovat systém SCR, a mohly by vystačit pouze s EGR a DPF. Někteří další výrobci také nabízí nejslabší verze svých traktorů bez systému SCR, popřípadě bez DPF, viz tabulka 3.2. Platnost emisních norem Final Tier 4/ Stage IV Emisní normy Stage IV na území evropské unie začínají platit od ledna 2014 pro motory nad 130 kW , od podzimu 2014 pro motory 56 - 129 kW .

2.1.1. Porovnání testovacích cyklů- osobní vozidla Emisní zkoušky u osobních vozidel jsou prováděny na válcové zkušebně, kde jízdní odpory jsou nahrazeny odporem valení válců. Tyto odpory jsou počítány pro každé vozdlo zvlášť: záleží na hmotnosti, aerodynamickém odporu karoserie a odporu valení. Naproti tomu zkoužky velkých motorů užitkových vozidel a traktorů jsou prováděny na motorové brzdě. Mezní hodnoty emisí jsou pro osobní vozidla udávány v g/km, u užitkových vozidel, traktorů, generátorů v g/kW h. Testovací cyklus měl původně simulovat provoz ve městech, mezi městy i provoz na dálnici. Označován byl jako ECE + EUDC. Od r. 2000 je v testování zahrnut vliv studeného startu a zahřívání motoru v městském provozu na produkci znečištění. Tento cyklus se nazývá NEDC (New European Driving Cyce) Od r. 2017 by se testovací cykly pro lehké užitkové vozidla a osobní vozy měly opět změnit z NEDC na celosvětově shodný WHLD (Worldwide Harmonized Light Duty Test Ptocedure) nebo RDE (Real Driving Emission).

5

2.1. LEGISLATIVNÍ PŘEDPISY

2.1.2. Porovnání testovacích cyklů- užitková vozidla V Evropě byly používányt ESC a ETC (European Steady-state/Transient Cycle) pro dřívější emisní norm Euro III, Euro IV a Euro V. Pro normy Euro I a Euro II byl používán test dle ECE R 49 (do r. 2000). Starší testovací procedury se stále používají v zemích, kde zatím postačují starší Euro normy. USA, Japonsko a Evropská unie nyní používají stejné testovací cykly pro emisní normy Euro VI a jejich zahraniční ekvivalenty: WHSC a WHTC (World Harmonised Steady-state /Transient Cycle ) Při testování emistních norem Euro VI dojde k nahrazení evropských cyklů světově harmonizovanými cykly, přičemž největší důraz bude brán na kontrolů emisí NOx [34]. Sjednocení testovacích procedur vede k nižším nákladům na vývoj a homologaci motorů. Rozdíly při měření emisí Euro 5 / 6: • rychlost, zatížení a otáčky motoru jsou rozdílné (WHTC používá nižší průměrnou rychlost a zatížení) • WHTC obsahuje i studený start (sledován vliv zahřívání výfukové soustavy na eliminaci PM a NOx, stejně tak jako chladnutí výfuku před teplým startem, a vliv na účinnost NOx přeměny v SCR systému) WHTC test probíhá následovně: nejdříve je testovací cyklus proveden se studeným motorem, poté je pauza s vypnutým motorem a potom je cyklus proveden s polozahřátým motorem. Proto je vhodné systémy DPF a SCR tepelně izolovat a prodloužit dobu chladnutí. Jak uvádí autor v [34, s.35],k dostatečné účinosti přeměny NOx v SCR dochází v teplotách nad 250 ◦ C, přičemž na konci cyklu se studeným motorem je teplota testovaných katalyzátorů přes 300 ◦ C. V průběhu pauzy (do 10 min) dojde k průměrnému ochlazení o 60 ◦ C. Z toho vyplývá, že SCR by měl být schopen plně pracovat hned ze startu po 10ti minutové přestávce. Ze začátku studeného startu jsou nefunkční systémy EGR a SCR, což vede k nárůstu emisní NOx. EGR začíná fungovat po 550 s, SCR po 800 s od studeného startu (platí pro konkrétní test dle [11]). Studený start má pro konečný výpočet emisí váhu 10%, teplý start 90%.

Obrázek 2.2: Oblast zatížení při WHSC na konkrétním motoru v porovnáním s vnější rychlostní charakteristikou. [35] 6

2. EMISNÍ SLOŽKY

2.1.3. Porovnání testovacích cyklů- mimosilniční vozidla Test pro mimosilniční vozidla byl vyvinut v USA (EPA- Enviroment Protection Agency) ve spolupráci s EU. Je používán pro testování emisních norem na motorové brzdě pro normy Stage III a Stage IV, stejně jako v Japonsku či USA ( Tier 4 ). Jeho označení je NRTC (Non-road Transient Cycle). Podobně jako u užitkových vozidel, i zde se cyklus provádí dvakrát, poprvé se studeným motorem, pak je časová prodleva (20 min) na částečné vychladnutí, poté test s polozahřátým motorem. Délka testovacího cyklu je 1 238 s. Vliv studeného startu je 10 % pro EU a 5% pro USA [32].

Obrázek 2.3: Průběh zatížení během testovacího cyklu pro nesilniční vozidla NRTC. [32]

2.2. Spalovací procesy ve vznětovém motoru Proces spalování ve vznětovém motoru je složitý a komplexní problém. Vznětové motory si získaly oblibu díky vysoké účinnosti. Výkon je řízen kvalitativně, tzn. není škrtící klapkou omezováno množstvní nasáté směsi (resp. vzduchu). Škrcení snižuje mechanickou účinnost motoru. Největší rozdíl v účinnosti vznětových a zážehových motorů je v oblasti nízkého zatížení. Z principu termodynamiky je žádoucí rychlé zapálení směsi v motoru. U vznětového je rychlost vznícení a šíření plamene omezena zejména ze dvou důvodů: Palivo je vstříknuto do válce nebo předkomůrky na konci kompresního cyklu a má velmi malou dobu na promíchání, vypaření a vzplanutí. Tyto procesy se proto dějí souběžně a limitují rychlost hoření. Navíc dieselové palivo obvykle obsahuje těžší uhlovodíky (vyšší uhlíkové číslo znamená složitější molekuly paliva) nežli palivo pro zážehové motory. Těžší uhlovodíky vyžadují vyšší teplotu a delší čas pro vypaření. Pro správné spalování je žádoucí vytvořit co nejmenší kapičky paliva, což je z pravidla dosaženo vyššími vstřikovacími tlaky. Aby došlo k co nejlepší promíchání směsi, je vhodné vstřikovat do vířícího prostředí, což mimo jiné umožní transport částeček paliva i do míst, kam primárně nemíří trysky ve vstřikovači. Víření vzduchu ve spalovacím prostoru je dáno geometrií spalovacího prostoru a sacího potrubí. Saze, jako produkt nedokonalého spalování, jsou v moderních vozidlech zachycovány ve filtru pevných částic. Tento se, čas od času, musí regenerovat - spálit uhlík v podobě sazí. Teplota výfukových plynů do 200 ◦ C je na oxidaci sazí či redukci dusíku velmi nízká. Při použití SCR za teplot 250 - 300 ◦ C dochází k přeměně N O a N O2 na N2 (alespoň 40 7

2.3. VZNIK ŠKODLIVIN % přeměny) [23]. Pro regeneraci DPF jsou nutné vyšší teploty. Proto je filtr DPF umístěn vždy před SCR. Nízkoteplotní regenerace DPF je prováděna N O2 za teplot do 300 ◦ C (Je nutný oxidační katalyzátor). Pro aktivní regeneraci je potřeba vyšší teplota - nad 500 ◦ C.

2.3. Vznik škodlivin CO2 produkuje vše co hoří a dýchá. Oxidu uhličitému je v poslední době přisuzována zodpovědnost za klimatické změny. Jeho produkce je přímo úměrná spálenému palivu, proto je zřejmý trend na snižování spotřeby. Obecné rovnice vzniku emisí při spalování jsou následující. Pro stoichiometrický poměr:

Cx Hy Oz + (x +

y y z y z − ) · (O2 + 3, 76N2 ) → xCO2 + H2 O + (x + − ) · 3, 76N2 (2.1) 4 2 2 4 2

Pokud je v potaz bráno spalování fosliního paliva bez obsahu kyslíku tzn. s vyloučením ethanolu, bionafty a podobných, pro chudé a stoichiometrické směsi platí následující rovnice: y Cx Hy + λ · (x + ) · (O2 + 3, 76N2 ) → 4 y y y → xCO2 + H2 O + (λ − 1)(x + )O2 + λ(x + )3, 76N2 2 4 4

(2.2) (2.3)

Při spalování fosilních paliv při bohaté směsi jsou produkty spalování následující: y Cx Hy + (x + ) · (O2 + 3, 76N2 ) → 4 y → αCO2 + βCO + γH2 O + δH2 + (x + ) · 3, 76N2 4

(2.4) (2.5)

Přičemž x = α + β, y = 2γ + 2δ, 2(x + y4 ) = 2α + β + δ. Dále jsou používány předpoklady, napříkad že množství H2 je nulové δ = 0, popřípadě z experimentů známý poměr například CO a H2 β/δ = 2. Předchozí rovnice zobrazují teoretické složení plynů, avšak v reálném provozu dochází například k nedokonalému spalování nebo ke slučování N + O2 . Součástí spalin jsou také aromatické uhlovnodíky (PAH - poly-aromatic hydrocarbons nebo polynuclear aromatic hydrocarbons). Tyto vznikají především při nedokonalém spalování fosilních paliv a jsou pro zdraví nebezpečné. Jsou složeny z uhlíku, vodíku a benzenových jader. Mají toxické, karcinogenní a mutagenní vlastnosti. Z více než stovky takovýchto sloučenin US EPA (US Enviromental Protection Agency) bylo vybráno 16, které byly shledány pro zdraví nejškodlivější, a jejich produkce a výskyt je monitorován. Jedná se o tyto [14]: Naftalen, Acenaftylen, Acenaften, Fluoren, Fenantren, Antracen, Fluoranten, Pyren, Benzantracen, Chrysen, Benzofluoranten, Benzofluoranten, Benzo(a)pyren, Indenopyren, Dibenzantracen, Benzoperylen.

8

2. EMISNÍ SLOŽKY

2.3.1. CO a HC Oxid uhelnatý je jedovatý. Smrtelná koncentrace je okolo 500 ppm, při nižších koncentracích okolo 50-100 ppm může vézt k bolestem hlavy, okolo 300 ppm vyvolává zvracení a závratě. CO se váže na hemoglobin a omezuje zásobování tkání kyslíkem. Uhlovodíky (Hydrocarbons) jsou nespálené, nebo částečně spálené části paliva, které jsou vypuštěny do výfukového systému. Některé uhlovoíky mohou být toxické. Problémové jsou takové, které obsahují benzen: známý karcinogen. Největší probém z hlediska znečištění ovzduší představují dodatečné reakce HC a NOx v atmosféře za přispění slunečního záření, které vytváří tzv. fotochemický smog, obsahující množštví organických sloučenin dráždící oči a dýchací systém. Emise CO a HC u vznětového motoru jsou většinou velmi malé, neboť motor pracuje vždy s chudou směsí. Vyšší koncentrace mohou nastat za nepříznivých podmínek, například při studeném startu, kdy teploty ve spalovacím prostoru nejsou dostatečně vysoké pro kompletní oxidaci paliva. Na rozdíl od zážehového motoru, nedochází k nasátí směsi, a tudíž je eliminován jev uhašení plamene ve škvírách a špatně přístupných místech, například v oblasti prvního pístního kroužku či svíčky. Plamen totiž bývá uhašen v mezerách menších než cca 1 mm. Nedochází také k zhasnutí plamene v blízkosti studených stěn válce. Mírně zvýšená produkce HC byla u starších motorů způsobena ulpíváním malého množství paliva na špičce jehly vstřikovače, toto však bylo vyřešeno minimalizací prostoru mezi špičkou vstřikovače a spalovacím prostorem. I když jsou emise CO a HC relativně zanedbatelné, je používán oxidační katalyzátor( DOC - Diesel Oxidation Catalyst), který mimo dodatečné exidace CO a HC spaluje i organické částice kondenzované na sazích, čímž jejich množství snižuje až o 30%, což vede k delším intervalům při regeneraci DPF.

2.3.2. N OX Oxidy dusíku vznikají při hoření za vysokých teplot, pokud je k dispozici dostatek kyslíku, z čehož plyne, že NOx je problém vznětových motorů, popřípadě zážehových s přímým vstřikem spalující chudou směs. NOx jsou souhrnně označovány N O a N O2 , neboť se jejich relativní koncentrace liší dle podmínek vzniku. Prvotním produktem spalování je NO, které později oxiduje na N O2 , pokud je k dispozici dostatečné množství volného kyslíku. N2 O vzniká ve špatně navržených katalyzátorech a její množství není započítáváno do celkového množství NOx. Sledované NOx pochází zejména z těchto procesů: • tepelné NOx, vznikající při hoření dusíku za vysokých teplot • palivové NOx, pocházející z paliva Pod označením N OX jsou chápány zejména molekuly N O a N O2 , přičemž N O2 typicky zaujímá jen 10% celkových N OX . N O v atmosféře většinou oxiduje na N O2 , který je jedním z hlavních původců městského smogu. Součástí smogu jsou i produkty reakce N OX s těkavými ogranickými látkami za působení slunečního záření. N O2 v atmosféře reaguje s vodou, na zemský povrch se dostává jako kyselý déšť. 9

2.3. VZNIK ŠKODLIVIN Snížení NOx lze v principu dosáhnout dvěmi způsoby. První je úprava spalovacího pocesu, což u vznětových motorů znamená nižší teplotu spalování pomocí systému EGR nebo pozdějším vstřikem paliva. Na druhou stranu výrazně vzroste produkce sazí, vedoucí k nutnosti jejich odstranění systémem DPF. Nižší teploty však vedou k nižšímu nárustu tlaku ve válci, což reálně znamená menší krouticí moment a výkon. Proto je tento princip používaný zejména v režimu částečného zatížení. Další možností je následná úprava výfukových plynů ve výfukovém potrubí (aftertreatment). Toto vyžaduje systém SCR. Motor je nalazen tak, aby teplota spalování dosahovala takových teplot, kdy je produkce sazí co nejmenší. Výrazně tak vzrostou emise NOx, které jsou eliminovány právě v systému SCR. V praxi se nejčastěji používají systémy EGR a DPF, avšak z důvodu přísnějších emisních limitů se jeví nevyhnutelné použití SCR v kombinaci s EGR a DPF. Výrazné snížení NOx z emisí spalovacích motorů lze dosáhnout pouze katalyticku redukcí, za pomoci vstřikování močoviny, v Evropě známé pod obchodním označením AdBlue, v USA známé jako DEF- Diesel Exhaust Fluid. Snížení teploty hoření lze dosáhnout spalováním chudší směsi. ( λ 1,1-1,3). Při daném objemu nasáté směsi je absolutní podíl paliva menší, což vede k nižší teplotě spalování. Je nutno podotknout, že v reálných podmínkách je takováto teplota spalování ještě dost vysoká a přebytek kyslíku nakopak ještě podporuje vznik NOx. Další možnosti je použití více či méně inertního plynu, ať už ve formě vstřikování vody nebo recirkulace výfukových plynů - EGR (exhaust gas recirculation). Dále je možno posunout okamžik vstřikování až za horní úvrať (TCD- Top Dead Center). Sníží se produkce NOx, avšak výrazně se zvýší produkce sazí a všech dalších emisních složek. Navíc motor dosahuje nižší účinnosti, což vede k vyšší spotřebě paliva, nehledě na nebezpečí ředění olejové náplně nespáleným palivem.

2.3.3. Pevné částice Pevné částice (PM - particulate matter), neboli saze jsou známé jako černý kouř linoucí se ze vznětových motorů. Jsou tvořeny spálenými či částečně spálenými částicemi pocházející z paliva a maziva, stejně tak jako částice vznikající otěrem a erozí částí motoru. Jsou to částice v pevné fázi, popř. na nich kondenzovaný materiál. Jsou tvořeny velkým množstvím nebezpečných aromatických složek (PAH- PolyAromatic Hydrocarbon), přičemž mnoho z nich je karcinogenních. Pro legislativní potřeby je však směrodatná pouze hmotnost zachycených sazí, nikoli původ a mechanismus jejich vzniku. Vznik sazí Jelikož hoří vždy pouze plynná fáze, rozprášené palivo se musí nejdříve vypařit. Protože k vypařování dochází na povrchu, kapičky paliva se stále zmenšují, přičemž nejtěžší uhlovodíkové sloučeniny se vypaří až naposledy. Ačkoli vznětový motor pracuje s chudou směsí, díky nehomogenitě procesu vznikají lokálně velmi bohaté oblasti. Pokud není dostatečná teplota či doba na vypaření i složitých uhlíkových sloučenin, tyto zůstanou nespáleny a odchází výfukovým potrubím ve formě sazí. Saze jsou prakticky pouze tuhé částice uhlíku, tudíž se u vznětových motorů emise CO prakticky nevyskytují. Na druhou stranu, z důvodu vysokých teplot spalování a velkému přebytku vzduchu dochází k výrazné produkci NOx. 10

2. EMISNÍ SLOŽKY Základem sazí jsou kuličky uhlíku formované v průběhu spalovacího pocesu. Jejich průměr je okolo 50 nm. Tyto kuličky tvoří delší řetězce, jejichž obvyklá délka je 0,1 - 1 µm. Jedná se téměř o čistý uhlík, který absorbuje během ředění vzduchem různé části výfukových plynů. Z důvodu ochlazení sazí na nich také kondenzují páry uhlovodíků z paliva i motorového oleje. Jsou zde taky částečky kovů z opotřebení motoru, sloučeniny síry pocházející z paliva, palivové a olejové aditiva. Vyšší teploty na dostatečné odpaření Obrázek 2.4: Složení pevných částeček ve výi těžkých uhlovodíků je možno docílit fukových plynech vznětových motorů [7]. tzv. předvstřikem a turbodmychadlem. Ke snížení kouřivosti přispívají i aditiva v palivu. Bylo zjištěno že N OX vzniká spíše v konečné fázi hoření, kdy je teplota dostatečně vysoká (většina paliva již shořela), ale stále je k dispozici dostatečné množství volného O2 . Dle literatury je jednodušší a levnější v motoru produkovat méně NOx a více sazí, které jsou následně zachyceny v DPF, nežli použít systém SCR. Z důvodu zpřísňování emisních limitů jsou výrobci nuceni používat obě technologie současně.

2.3.4. Analýza pevných částeček Z legislativního pohledu je množství vypouštěných sazí měřeno jako množství ulpěné na filtru, kterým prochází část vzduchem ředěných výfukových plynů. Ředění vzduchem má simulovat atmosférické procesy. Z daného poměru výfukových plynů, které šly přes filtr, a z hmotnosti sazí ulpěných na filtru je vypočítána celková hmotnost vyprodukovaných sazí v průběhu testu. Na povrchu sazí jsou kondenzovány i další sloučeniny jako nespálené uhlovodíky z paliva či maziva, zejména však karcinogenní aromatické uhlovodíky. Organické složky jsou za pomoci rozpouštědla extrahovány například v Soxhletově přístroji. Pro zjištění složení a množství aromatických uhlovodíků je použit např. kapalinový chromatograf, pro určení původu uhlovodíků (zda pocházejí z paliva či maziva) například plynový chromatograf. Plynový chromatograf Vzorek je v plynovém chromatografu pomalu zahříván. Uhlíkové sloučeniny s nižším uhlíkovým číslem se vypařují a hoří při nižších teplotách, nežli sloučeniny s vyšším uhlíkovým číslem. Hořící uhlovodíky produkují ionty, a jejich množství je odečtena jako napětí [mV]. Více hořících uhlovodíků znamená vyšší napětí. Pomalým zahříváním je pak získáno poměrné množství jednotlivých uhlíkových sloučenin v celém potřebném spektru. Na obrázku 2.5 je chromatogram z měření na plynovém chromatografu. Analyzovány byly vzorky dieselového paliva, motorového oleje a sazí zachycených na filtru. Data pochází ze zkoušek vozidla Peugeot 106 1,5D odpovídající jízdnímu cyklu NEDC, prováděné autorem práce při studiu v zahraničí. 11

2.4. MOŽNOSTI SNÍŽENÍ EMISÍ Jak je vidět, olej (mazivo) se skládá z těžkých uhlovodíků, zatímco křivka dieslového paliva z lehčích. Další křivka odpovídá složení organických složek ve výfuku, a jak je vidět, v tomto případě pochází jak z paliva, tak z maziva.

Obrázek 2.5: Chromatograf: diesel, motorový olej, SOF [85].

2.4. Možnosti snížení emisí Snížit produkci veškerých emisních složek lze zlepšením aerodynamiky, snižování hmostnosti, valivého odporu. Také je nutno optimalizovat spalovací proces uvnitř motoru a následně upravit vyfukové plyny před tím, než opustí vyfukový systém.

2.4.1. Optimalizace spalovacího procesu Úprava spalovacího prostoru Jedná se o tvarování sacích a výfukových kanálů, spolu s geometrií spalovacího procesu pro dosažení optimálního víření vzduchu v okamžiku vstřiku paliva. Vysoké vstřikovací tlaky vytváří menší kapičky paliva, což všeobecně vede k vyšší účinnosti a lepšímu spalování. Zvyšování vstřikovacího tlaku však pomáhá jen do určité úrovně. Značného víření je potřeba při malých vstřikovacích tlacích, kdy dochází k produkci relativně velkých kapiček paliva. Zvíření pomáhá vstřikování do předkomůrky, ale z důvodu nízké termické účinnosti jsou všechny dnešní motory přímovstřikové. Na tepelnou účinnost má vliv jemnost rozprášení paliva, úhel rozstřiku a zejména to, zda je vstřikovač v ose válce (symetrické - snaha o homogenní spalování). Z toho důvodu dochází k používání čtyřventilové techniky, neboť u dvouventilové je problematické umístění vstřikovače v ose válce. Přeplňování Pro zvýšení výkonu motoru je nutno dodat více energie ve formě paliva. Pro správné spalování je nutný určitý poměr paliva a vzduchu, proto je žádoucí do motoru nasát dostatečné množství vzduchu. Při kompaktních rozměrech, malé hmotnosti, relativně nízké ceně je k dispozici více výkonu a zejména točivého momentu společně s nižší produkcí 12

2. EMISNÍ SLOŽKY emisí. Protože je nasáto více kyslíku, je možno vstřikovat více paliva, což opětovně vede ke zvýšení teploty a lepšímu spalování.

2.4.2. EGR Nápad přepouštění výfukových plynů není nový, ale až se zavedením emisních norem v devadesátých letech se z důvodu jednoduchosti a lacinosti stal masově používaným prostředkem. EGR bylo zkoumáno například jako podpůrný prostředek vypařování kapalných paliv v zážehových motorech (1933), pro zlepšení vznícení směsi obtížně spalitelných paliv námořních motorů (1964). Nápad využití EGR pro snížení NOx pochází z r. 1940, avšak většího zájmu se tato technologie dočkala v Severní Americe v průběhu sedmdesátých let. Pro účely Euro 1/2 stačilo malé množství recirkulovaných spalin bez chlazení, avšak pro splnění Euro 3/4 se otázka chlazení spalin stala velmi důležitou. [61] . Emise produkované vznětovým motorem jsou zejména saze a NOx. Při nízkých teplotách vzniká velké množství sazí a zanedbatelné množství NOx, při vysokých teplotách naopak. Pro snížení teploty spalování je možno přidávat do nasávané směsi inertní plyn, který se nebude zúčastňovat samotné reakce spalování, ale poslouží pouze jako prostředek pro akumulaci tepla. Takovýto plyn by měl mít velkou tepelnou kapacitu, aby došlo k maximálnímu poklesu teploty spalování. CO2 a H2 O, oproti He a Ar, tuto vlastnost mají a při provozu je lze brát z výfukových plynů v dostatečném možství. [7, s. 227]. Množství NOx roste s teplotou hoření exponenciálně, proto i relativně malé snížení teploty hoření může výrazněji snížit produkci NOx. V principu existují dva typy systému EGR: • Vnější EGR: výfukové plyny jsou přepouštěny z vyfukového potrubí (před nebo za turbodmychadlem) do sacího potrubí (za nebo před kompresorové kolo) a poté nasáty do motoru. • Vnitřní EGR: používá se pouze u systémů s variabilním časováním ventilů. Změnou časování lze docílit různé účinnosti výměny náplně ve válci, a regulovat tak množství výfukových plynů, které ve válci zůstanou po předchozím cyklu. Vnější EGR se dle konstrukce dělí na: • Přímé EGR: Výfukové plyny jsou brány z prostoru mezi výfukovymi ventily a turbodmychadlem. Jsou vedeny do vedení vzduchu mezi mezichladič a sací ventil. Tlak plynů ve výfukových svodech musí být vyšší než tlak vzduchu v sacím potrubí, aby došlo k přefouknutí spalin. Kompresorová část turbodmychadla tudíž není v kontaktu s výfukovými plyny. Nedostatek tlakového spádu lze vyřešit přidáním škrticí klapky do sání. Toho umožňuje částečné přepouštění spalin i při zátěži. • Dlouhé EGR: Výfukové plyny jsou brány z oblasti za turbodmychadlem a jsou přivedeny před kompresorové kolo, proto není nutný tlakový spád. Na druhou stranu dochází ke znečištění a korozi kompresorové části turbodmychadla, která musí být vyrobena z nerezového materiálu, místo běžně používané hliníkové slitiny. Ve všech případech je nutné recirkulované spaliny ochladit buď vzduchovým nebo vodním výměníkem. 13

2.4. MOŽNOSTI SNÍŽENÍ EMISÍ Nevýhody EGR Při použití i částečného přepouštění vyfukových plynů do sání má motor méně kyslíku potřebného ke spalování, proto je snížen maximální použitelný výkon. Saze obsažené ve výfukových plynech zanáší sání, zvyšují množství karbonových usazenin ve spalovacím prostoru a jenmé částečky karbonu obsažené v mazacím oleji zvyšují opotřebení motoru (otěr), a to zejména pístních kroužků, na stěnách válce, ventilových rozvodů a v případě lodních motorů na kluzných plochách křižáků. Jak bylo zjištěno, tvrdost sazí může být větší nežli tvrdost částí motoru. Efekt abrazivních částic sazí v mazivu lze eliminovat vhodnými oleji s aditivy (například API CI-4, API CJ-4 od spol. Lubrizol), avšak ty fungují jen do určité míry kontaminace oleje (cca 3% sazí). 5 % sazí v oleji je již považováno za problematické. Olej kontaminovaný sazemi zvyšuje svou viskozitu, což způsobuje horší distribuci oleje i samotné mazání, obvzláště při studených startech [60].

2.4.3. DOC Oxidační katalyzátor je v zahraniční literatuře zním jako DOC- Diesel Oxidation Catalyst. Dochází k sekundárnímu spalování (oxidaci) plynných fází nespálených uhlovodíků (UHC), jedovatého CO a rozpustných organických složek (SOF- Soluble Organic Fraction). Produktem jsou zdraví neškodné CO2 a H2 O [65].

CO +

O2 → CO2 2

(2.6)

[HC] + O2 → CO2 + H2 O

(2.7)

[SOF ] + O2 → CO2 + H2 O

(2.8)

Výfukové plyny obsahují dostatek kyslíku, neboť vznětové motory pracují vždy s chudou směsí (λ 1,3 a více). Katalizátory pro správnou funkci vyžadují zvýšenou teplotu, dle [65] katalytické reakce začínají při 200 ◦ C, a se zvyšující se teplotou roste účinnost reakcí. Za příznivých okolností lze redukovat přes 80% organických složek a při cca 400 ◦ C lze tímto eliminovat 30-50% z celkového množství pevných částic. Při vyšších teplotách se však výrazně nezvyšuje účinost kataly- Obrázek 2.6: Účinnost přeměny HC a CO v tické reakce, na druhou stranu začínají pře- závislosti na teplotě [65] važovat reakce SO2 na SO3 které s vodou reaguje na silně korozivní kyselinu H2 SO4 .

14

2. EMISNÍ SLOŽKY Uhlovodíkové zásobníky V literatuře označované jako Hydrocarbon Traps. Za nízkých teplot, například při studeném startu či při nízkém zatížení vznětových motorů, není přeměna HC a CO v oxidačním katalyzátoru uspokojivá. Řešením mohou být takzvané uhlovodíkové pasti, které na svůj povrch při nízkých teplotách přitahují nespálené uhlovodíky. Při dostatečné teplotě pak samovolně dojde k jejich uvolnění a oxidaci v oxidačním katalyzátoru. Pasti jsou tvořeny molekulovým sítem, známým pod označením zeolity. Ty nabízí velký adsorbční povrch při malém objemu.

2.4.4. DPF

Obrázek 2.7: Účinnost přeměny HC za nízkých teplot [66]

Anglicky označované jako DPF- Diesel Particulate Filter, popřípadě z francouzky FAP- Filtre A Particules: Filtr pevných částí slouží k zachytávání sazí, vznikajících především v režimu částečného zatížení. Poprvé byl tento systém použit u koncernu PSA, konkrétně u Peugeotu 607 HDI, který tehdy udivoval tím, že bílý kapesník přiložený k výfuku nastartovaného vozu zůstal bílý. U osobních a lehkých užitkových vozidel je od r. 2005, s nástupem emisní normy Euro 4, systém EGR a DPF samozřejmostí. Daní za nižší emise je dražší a komplikovný výfukový systém a zvýšená spotřeba paliva, cca 0,5 - 1,5 l/100km. Saze jsou v DPF zachycovány, a čas od času se filtr musí vyčistit. Interval regenerace bývá dle aplikace a provozních podmínkách 300 až 1000 km. K procesu zvaném regenerace je zapotřebí dostatečná teplota výfukových plynů, která zajistí ”spálení”nahromaděných sazí. A právě dostatečná teplota výfukových plynů je problém dosáhnout, zejména v městském provozu. Proto je u systému CR v průběhu výfukového cyklu vstřikováno palivo, které shoří až ve výfukovém potrubí a tím zvedne teplotu na potřebnou hodnotu. Pozdní vstřik paliva vede k nedokonalému spalování, zvýšení spotřeby paliva a ředění olejové náplně motoru. Další možností je vstřikování paliva rovnou do výfukového potrubí, přičemž nedochází k degradaci olejové náplně, ale tento systém je dražší a komplikovanější. Zvýšení teploty spalin lze dosáhnout i topnou spirálou nebo dodatečným hořákem, které jsou umístěné v tělese filtru. Tyto sytémy jsou nabízené například firmou Baumot [16] . Naftový hořák či topné těleso má výkon až 30 kW. U verze s topnou sprirálou je nutný vnější přívod elektřiny, používá se například při provozu městských autobusů. Snahou vývojářů těchto systémů je zaručení pasivní regenerace při běžném provozu, například při dálniční jízdě, bez zvýšení spotřeby paliva Toho lze dosáhnout zejména u nákladních vozidel, které i při částečném zatížení produkují dostatečné množství tepla. Zachycení pevných částic je v principu prováděno třemi způsoby. • zaklínění- filtrační voložky jsou ze síťovaného pletiva, přičemž velké částice obsažené v proudícím plynu do drátů narazí a zůstanou na nich • zachycení- středně velké částice se zachytí na vstupech do jednotlivých kanálků 15

2.4. MOŽNOSTI SNÍŽENÍ EMISÍ • difůze- nejmenší částice se dostanou až do kanálků, kde ulpí na stěnách. Porézní materiál umožní průchod pouze plynům, částice zůstanou zachyceny Konstrukce filtrů • drátěný: nerezové pletivo pokovené dalšími drahými kovy je srolováno, a saze jsou zachyceny na pletivu • s keramickou vložkou: porézní keramická vložka umožní průchod spalin, avšak částečky sazí ulpí na povrchu voštin • se ”svíčkami”z křemičité tkaniny, ve které je vetkána nerezová příze obohacená dalšími drahými kovy. Nevýhodou je malá kapacita filtru a velký tlakový spád. V mobilních jednotkách se nepoužívá. Regenerace Pasivní regenerace nastává při běžném provozu, pokud dojde k dostatečnému zvýšení teploty výfukových spalin, bez zásahu uživatele a bez dodatečné spotřeby paliva [37]. Aktivní regenerace je vyvolána řídícím systémem zvýšením teploty výfukových plynů. Míra zanešení filtru je vypočtena z hodnot tlakového spádu na filtru a zatížení motoru. Řízení motoru při procesu regenerace Pokud řídící jednotka zaznamená dostatečný tlakový spád na filtru pevných částic, dojde k deaktivaci EGR, aby došlo ke zvýšení teploty ve spalovacím prostoru. U systému CR po hlavním vstřiku následuje pozdní vstřik (u vozidel koncernu VW okolo 35 ◦ za horní úvratí), což opět zvýší teplotu ve výfukovém potrubí. Pokud je jím vozidlo vybaveno, dojde ke škrcení nasávaného vzduchu škrtící klapkou, a dojde ke zvýšení plnícího tlaku turbodmychadla, aby řidič nepocítil snížení vykonu [8]. Problém způsobují velmi špatně spalitelné těžké uhlovodíky z motorového oleje či palivoných aditiv. Tyto z filtru nelze odstranit pasivní ani aktivní regenerací, a musí dojít k vymontování filtru z vozidla a jeho vyčištění na specializovaném pracoObrázek 2.8: Množství vstřikovaného paliva višti [37]. Průběh množství vstřikovaného pa- při začátku regenerace[23] . liva do výfukového potrubí s následujícím zvýžením teploty je na obrázku 2.8. Nejprve je vstřikováno velké množství paliva pro rapidní zvýšení teploty nad kritickou mez (cca 600 ◦ C), poté je je množství vstřikovaného paliva v závislosi na provozních podmínkách takové, aby teplota vývukových plynů ve filtru pevných částic neklesla [23] 16

2. EMISNÍ SLOŽKY Saze jsou špatně spálené kapičky paliva, proto jsou tvořeny především uhlíkem C. Existují dva hlavní způsoby, jak jej eliminovat. Spalování s O2 nebo N O2 . C + O2 → CO2

(2.9)

C + N O2 → CO2 + N O

(2.10)

Pro spalování dle rovnice 2.9 je potřeba teplota kolem 600◦ C (při použití katalyzátoru rozuštěném v palivu 400 - 500◦ C) a dostatečné množství kyslíku. Pro spalování dle rovnice 2.10 je potřeba 250◦ C, díky čemuž tento proces může pracovat nepřetržitě, a přispívá k pasivní regeneraci. Poměr N O2 /N O při spalování bývá 1:90, a protože k reakci je potřeba dostatečné množství N O2 , jeho produkce je podporována v oxidačním katalyzátoru (DOC) umístěným před vlastním filtrem, kde se N O oxiduje na N O2 [50]. Tento proces nezvyšuje produkci NOx, pouze mění poměr mezi N O a N O2 . Snížení PM, HC a CO má větší zdravotní přínos, nežli trochu vyšší produkce N O2 (i u systému bez SCR) [51]. Pasivní systémy pracující dle rovnice 2.10 nepotřebují další zdroj energie ani složitý řídící systém. R Pasivní systém CRT od společnosti Johnson Matthey pro správnou funkci vyžaduje následující podmínky:

• alespoň 50% času by teplota výfukových plynů měla být nad 250 ◦ C • poměr NOx:PM ve výfuku je 20:1 nebo větší • podíl síry v palivu maximálně 50 ppm Regenerace pomocí aditiv v palivu Aditiva na metalické bázi rozpuštěné v palivu sami o sobě pomáhají snížit produkci sazí, avšak jejich hlavním ůkolem je snížit potřebnou teplotu pasivní regenerace. Aditivum obsahuje železo rozpuštěné ve směsi uhlovodíků. Tento systém má samostatnou nádržku na aditivum, které je automaticky přidáváno do palivové nádrže v závislosti na natankovaném množství paliva. Obsah železa je okolo 10 ppm,což odopovídá 1 l aditiva na 2800 l paliva (pro koncern VW platí pouze u některých modelů, globálně však používá DPF bez aditiv). Použitím aditiva se potřebná teplota regenerace sníží z 600 ◦ C na 500 ◦ C [8]. Vozidla PSA s motory Hdi označují své filtry pevných částic jako FAP, a často pro povzbuzení regenerace používají aditiva do paliva. Aditiva jsou různé a nesmí se mezi sebou mísit. Zásoba aditiva by měla vydržet 60 000-80 000 km při použití aditiva DPX42, a přes 100 000 km v případě aditiva Eloys176 (označení DPX10) [15]. Nevýhodou používání aditiv je produkce velmi jemného popílku, který se usazuje ve filtrech pevných částic, a který nelze odstranit regenerací ani ve specializovaném pracovišti. Proto tyto systémy trpí sníženou životností filtru, cca 120 000 - 180 000 km. Regenerace pomocí ozonu 17

2.4. MOŽNOSTI SNÍŽENÍ EMISÍ Další možností je regenerace filtru pomocí ozonu. V principu jde o to, že O3 se rozpadne na molekuly kyslíku (O2 ) a volné atomy kyslíku O. Volný atom O je nestabilní, a i bez přítomnosti katalyzlátoru velmi ochotně reaguje s ostatními prvky ve výfukovém systému, zejména N O, N O2 , C, HC. Běžná teplota reakcí je okolo 200-300◦ C, což je výrazně nižší, než teplota potřebná pro regeneraci vyvolanou vstřikováním paliva (okolo 600◦ C ). Z rovnic dostupných v literatuře [59] je patrno, že ozon reaguje N O2 přičemž oxiduje i PM, čímž jsou eliminovány obě hlavní složky sledovaných emisí. Další výhodou je fakt, že nevznikají žádné reakce produkující sirné kyseliny, které by trávily katalyzátor. Tato technologie se však v praxi nepoužívá.

2.4.5. DeNOx Systém DeNOx má za úkol snížit podíl jedovatých N O a N O2 vypouštěných do atmosféry. Pro eliminaci oxidů dusíku je potřeba speciální látka, která podporuje redukci pouze NOx a nikoli volného kyslíku obsaženého ve výfukových plynech. Proto se jedná o selektivní reakci. Při neselektivní redukci by reagoval nejdříve reaktivnější kyslík, a až poté kyslík obsažený v NOx. To by vyžadovalo velké množství redukčního činidla. SCR Selective Catalytic Reduction - selektivní katalytická redukce. Stejně jako u SNCR je do horkých spalin vstřikováno redukční činidlo na bázi dusíku. Navíc je zde katalyzátor, který snižuje potřebné teploty pro dosáhnutí uspokojivé účinnosti eliminace NOx. Aditiva: Uhlovodíky a CO. Oba snižují vypouštění nezreagovaného N H3 a zvyšují účinnost v nižších teplotách. V automobilových aplikacích vznětových motorů je obou složek dosahováno pozdním vstřikem paliva (během výfukového cyklu, možno pouze u systému CR), nebo vstřikem paliva do výfukového potrubí, kde dojde k jeho nedokonalému spálení. Redukční činidlo (DEF, AdBlue) je vstřikováno do proudu horkých spalin ve výfukovém potrubí za filtrem pevných částic. Nejprve dojde k vypaření vody, poté termolýze močoviny, poté k hydrolýze kyseliny isokyanaté (HNCO). V průběhu těchto reakcí vzniká amoniak, který reaguje s NOx a vytváří N2 . Při návrhu umístění vstřikovače (zvaný Dosing Module) je nutno brát v potaz vlastnosti vstřikované kapaliny, rychlost jejího odpařování, rychlost proudění výfukových plynů, rychlost a velikost kapiček. Pokud kapičky DEF dopadnou na horkou stěnu výfuku, odpaří se, ale dojde k lokálnímu ochlazení výfuku. Pokud k tomu dochází ve větší míře, může dojít k takovému poklesu teploty potrubí, že DEF se nevypaří a zůstane kondenzován ve výfukovém potrubí. DEF, AdBlue DEF znamená Diesel Exhaust Fluid, známé spíše v severní Americe. V Evropě je znám pod obchodním označením AdBlue. Obsahuje 32,5% močoviny a 67,5% destilované vody. Zamrzá při -11◦ C. Složení je specifikováno normou DIN 70070 z r. 2005, nahrazena normou ISO 22241 (2006-2009).

18

2. EMISNÍ SLOŽKY Protože při teplotách pod -11 ◦ C dochází k zamrzání AdBlue, nádrž musí být vyhřívaná z chladícího okruhu motoru, nebo elektricky. Po vypnutí motoru je nutné redukční činidlo odsát z dávkovacího modulu a hadic, aby při poklesu teploty nedošlo k zamrznutí a poškození komponentů. Při dlouhodobém skladování, zejména za vyšších teplot, může dojít k vypaření části vody. Pro správnou eliminaci NOx je potřeba N H3 (amoniak). Ten je však toxický, proto z důvodů bezpečnosti a skladovatelnosti je použita močovina N H2 , která není nebezpečná, ale může způsobovat korozi hliníkových slitin. Rychlost rozkladu močoviny závisí na teplotě, vlhkosti a použitých přísadách. K rozkladu N H2 na N H3 dojde po vypaření vody v procesech zvaných termolýza a hydrolýza. Průběh termolýzy v závislosti na tepObrázek 2.9: Průběh termolýzy močoviny v lotě je na obr. 2.9. Jak je zřejmé z horzávislosti na teplotě [38]. ního obrázku, rozložení močoviny probíhá ve dvou fázích. Přínostné reakce pro systém DeNOx vznikají při teplotě okolo 250◦ C, v další fázi okolo 360◦ C pak dochází k méně žádoucím reakcím spotřebovávajícím amoniak, při nichž dochází k nechtěnému usazování částí močoviny na stěnách výfuku či katalyzátoru [38]. Použití katalyzátoru (dolní obrázek) posune teplotu obou fází směrem dolů, ovšem výrazněji eliminuje druhou fázi, čímž se sníží spotřeba amoniaku. K rozložení tak dochází za nižších teplot, resp. za stejné teploty dojde k rozložení větší části močoviny. Nejprve dojde k termolýze ve výfukovém potrubí před vlastním katalylzátorem, kdy z N H2 vznikne amoniak a kyselina isokyanatá. 2N H2 (l)CO(l) → N H3 (g) + HN CO(g)

(2.11)

Naproti tomu k hydrolýze dojde až na povrchu katalyzátoru [38]. K zrychlení procesu hydrolýzy dochází za přítomnosti vodní páry, jak je zřejmé z obr. 2.10 (proto je AdBlue ředěno z 2/3 vodou). Nejvýznamnější přínos je však v nízkých teplotách do 250 ◦ C, které jsou pro další reakce nedostatečné. Těchto teplot ve výfukovém potrubí je dosaženo při velmi malém zatížení: tzn. nízké teploty spalování a velmi nízké produkce NOx. V tomto režimu sysObrázek 2.10: Vliv vlhkosti na rychlost hydtém SCR není aktivní. rolýzy [38]. 19

2.4. MOŽNOSTI SNÍŽENÍ EMISÍ

HN CO(g) + H2 O(g) → N H3 (g) + CO2 (g)

(2.12)

2N H2 CO + H2 O → 2N H3 + CO2

(2.13)

kde 1 mol močoviny vyprodukuje 2 moly amoniaku. Ideální molární poměr N H3 : N O by měl být 1:1, což znamená molární poměr močoviny:NOx 1:2. [38]. Rovnice reakcí SCR Žádoucí reakce: 4N H3 + 4N O + O2 → 4N2 + 6H2 O

(2.14)

4N H3 + 6N O → 5N2 + 6H2 O

(2.15)

8N H3 + 6N O2 → 7N2 + 12H2 O

(2.16)

4N H3 + 2N O2 + 2N O → 4N2 + 6H2 O

(2.17)

4N HCO + 6N O → 5N2 + 2H2 O + 4CO2

(2.18)

2(N H2 )2 CO + 6N O → 5N2 + 4H2 O + 2CO2

(2.19)

Nežádoucí redukce a oxidace 2N H3 + 8N O → 5N O2 + 3H2 O

(2.20)

4N H3 + 4N O + O2 → 4N O2 + 6H2 O

(2.21)

4N H3 + 5O2 → 4N O + 6H2 O

(2.22)

4N H3 + 7O2 → 4N O2 + 6H2 O

(2.23)

4N H3 + 4O2 → 2N2 O + 6H2 O

(2.24)

4N H3 + 3O2 → 4N2 + 6H2 O

(2.25)

N H3 + SO2 + 1 /2 O2 + H2 O → N H4 (HSO4 )

(2.26)

2N H3 + SO2 + 1 /2 O2 + H2 O → (N H4 )2 SO4

(2.27)

2N H3 + 2N O2 → N H4 N O3 + N2 + H2 O

(2.28)

3N H3 + HN CO → melamin(C3 N6 H6 )

(2.29)

Nežádaná degradace

Mezi nežádoucí pocesy patří zejména reakce N H3 s kyslíkem, které nejenom zbytečně spotřebovávají redukční činidlo, navíc produkují více NOx. zdroj rovnic [38]. 20

2. EMISNÍ SLOŽKY Účinnost reakce Účinnost reakce závisí na použitém materiálu katalyzátoru a teplotě. Vyšší teplota umožňuje vyšší účinnost, ale od cca 350◦ C začíná docházet k výrazné tvorbě komponentů s SO4 a HSO4 , která je nejen velmi korozivní, ale způsobuje tzv. otravu katalyzátoru. Síra se do procesu dostává z paliva, proto je nutno používat kvalitní palivo s nízkým obsahem síry. Protože traktory Zetor nepoužívají systém CR, lze očekávat, že uživatelé nebudou vždy používat palivo odpovídajícím normám, lze předpokládat častější otravy katalyzátoru sirnými sloučeninami, stejně tak jako korozi celého výfukového potrubí. Reakční materiály katalyzátoru Je známo velké množství materiálů používaných pro podporu redukce NOx, například V2 O5 , W O3 , T iO2 . SCR a SNCR byl vyvíjen od sedmdesátých let pro eliminaci NOx z elektráren a spaloven. V průběhu doby byly vyvinuty různé produkty pro různé oblasti použití [6]. • Drahé kovy pro nízké teploty 177◦ - 288◦ • V2 O5 , T iO2 pro teploty 260◦ - 427◦ • Zeolity pro teploty 455◦ - 594◦

Obrázek 2.11: Závislost přeměny NO pro různé variace materiálů katalyzátoru založených na Vanadu a Titanu, v závislosti na teplotě. a) W O3 (9)/T iO2 , b) V2 O5 (0, 78)/T iO2 , c) V2 O5 (1, 4)/T iO2 , d) V2 O5 (0, 78) − W O3 (9)/T iO2 , e) V2 O5 (1, 4) − W O3 (9)/T iO2 . [24]. Otrávení katalyzátoru V průběhu provozu SCR systému dochází k postupné deaktivaci katalyzátoru. Příčiny poškození bývají zejména nečistoty pocházející z těchto zdrojů [57] [56]: • Nečistotoy biopaliva, aditiva do paliv a olejů: K, Na, Zn, P, B, Mo, S 21

2.4. MOŽNOSTI SNÍŽENÍ EMISÍ • Redukční činidlo: K, Na, Ca, Mg • Opotřebení motoru: Cr, Cu Velký vliv má zejména síra obsažené v palivu, dále fosfor a alkalické kovy obsažené v biopalivu a olejových aditivech. Síra: SO3 vzniklé v průběnu spalování z důvodu použití paliva s obsahem síry, reagující s amoniakem tvoří malé lepkavé částice, které zanášení povrch katalyzátoru. Produkce těchto částeček závisí na množství SO3 a N H3 , přičemž k jejich vzniku přispívá i nízká teplota. Vanad obsažený v materiálu katalyzátoru oxiduje SO2 na SO3 , a tím tak zvyšuje koncentraci SO3 . Pro snížení produkce SO3 je v uhelných elektrárnách či spalovnách k palivu přidáván vápenec, což je pro mobilní aplikaci nepoužitelné. Alkalické kovy přilnou na povrch katalyzátoru, a snižují tak jeho reakční plochu [44]. V porovnání s V2 O5 /T iO2 katalyzátorem, Zeolitové katalyzátory vykazují vy- Obrázek 2.12: Účinnost přeměny NOx v zášší odolnost vůči otravě alkalickými kovy, vislosti na otravě V2 O5 –W O3 /T iO2 katalykteré se vyskytují v biopalivech. Na dru- zátoru různými sloučeninami. [57]. hou stranu vyžadují vyšší provozní teploty. Proto je použití Fe-zeolitových katalyzátorů doporučeno v aplikacích, kde je očekáváno používání biopaliv [56] .

2.4.6. Amoniakový oxidační katalyzátor V literatuře je označován jako AOC. K reakci amoniaku v SCR katalyzátoru dochází pouze s určitou účinností, a proto by část amoniaku bez užitku opustila výfukový systém. Toto je z ekologického hlediska nepřijatelné, a proto je nezbytný další katalyzátor, který odstraní tento amoniak. V nejlepším případě by mělo dojít ke kompletnímu rozkladu amoniaku na neškodné molekuly.V praxi ale dochází k rozkladu N H3 na N O a N O2 , které chceme principálně odstranit. Ideální reakce odstranění amoniaku [73]: 3 2N O3 + O2 → N2 + 3H2 O 2

(2.30)

Nechtěné reakce: 5 2N O3 + O2 → 2N O + 3H2 O 2 7 2N O3 + O2 → 2N O2 + 3H2 O 2 22

(2.31) (2.32)

2. EMISNÍ SLOŽKY

2.4.7. Hydrocarbon SCR Další alternativou odstranění N OX bez použití močoviny, kdy je amoniak nahrazen palivem. Uhlovodíly jsou ve výfukovém potrubí jako výsledek spalování, popřípadě je do výfuku vstřikováno další palivo, obdobně jako u systému DPF. U tohoto systému není potřeba speciální nádrže na močovinu, na druhou stranu dojde ke zvýšení spotřeby paliva a účinnost reakce je velmi malá: vždy pod 50 %. [HC] + [N Ox] → N2 + CO2 + H2 O

(2.33)

2.4.8. Zásobníkový katalyzátor N OX Jedná se o zařízení označované jako NAC - ( N OX Absorber Catalys) nebo LNT - (Lean NOx Trap ). Princip spočívá v průběžném ukládání N OX v zásobníku. Ukládání na platinové lože probíhá při spalování chudé směsi. Po naplnění kapacity je nutné spalovat bohatou směs, aby se zredukovalo množství kyslíku, neboť pro redukci N OX na N2 je potřeba CO. Tento systém je rozšířen u zážehových motorů s přímým vstřikem. Úroveň zaplnění zásobníku určuje snímač N OX umístěný za zásobníkem, který konstrukčně odpovídá oxidačnímu katalyzátoru. Ukládání NOx i regenerace probíhá v rozmezí 250 ◦ C 500 ◦ C. Stejně jako u SCR, i zde dochází ke snižování kapacity sloučeninami síry, které jsou chemicky stálejší nežli oxidy dusíku. Regeneraci je pak nutno provádět stále častěji. Poté je nutný speciální režim regenerace, kdy je dosáhnuto teploty přes 650 ◦ C, při které dojde také k vypálení sloučenin síry [52], [71].

2.4.9. Dodavatelé aftertreatment systémů Doprava a rozstříknutí AdBlue je dle konstrukce vstřikováno rovnou do výfuku, nebo jako pomocné médium je použit stlačený vzduch. Bosch • Departronic- Systém DPF • Denoxtronic- Systém SCR

Departronic Systém Departronic je v provozu pouze po dobu aktivní regenerace filtrů pevných částic. Jeho úkolem je vstřikováním paliva do výfukového systému zvýšit teplotu spalin, a umožnit vyčištění DPF. Schéma je na obrázku 2.13.

23

2.4. MOŽNOSTI SNÍŽENÍ EMISÍ

Obrázek 2.13: Schéma systému Departronic společnosti Bosch [22]. Množství vstřikované nafty je až 4,8 g/s, velikost kapiček pod 100 µm. Očekávaná životnost systému odpovídá 1,2 mil. km nebo 3 000 hodin vstřikování. Systém je určen pro motory o zdvihovém objemu 4 - 18 l Denoxtronic Bosch byl jedním z prvních výrobců dodávající příslušenství a elektroniku pro systémy SCR, a to už od roku 2004. Řídící jednotka SCR může být integrována v řídící jednotce motrou (například EDC 17), popřípadě je k dispozici samostatná řídící jednotka Bosch DCU17 (Dosing Control Unit). Jak bylo uvedeno v 2.4.5, nádrž musí být vyhřívaná a to z chladícího okruhu motoru, nebo elektricky. Po vypnutí motoru je nutné redukční činidlo odsát z dávkovacího modulu a hadic, aby při poklesu teploty nedošlo k zamrznutí a poškození komponentů. • Denoxtronic 2.2 [19] Denoxtronic 2.2 je vyvinut pro těžké a střední nákladní vozidla, stejně jako pro stavební a zemědělské stroje. Jako třetí evoluce DeNox systému byl uveden v r. 2009. • Denoxtronic 5 [20] Jedná se o zcela novou generaci systému. Byl vyvinut pro osobní a lehké užitkové vozidla. Je dostupné pouze 12V provedení. Dávkovací modul může být chlazený pasivně, tj. vzduchem, pokud je umístěn pod podlahou v zadní části vozidla, nebo může být chlazen aktivně chladící kapalinou z motoru, pokud je umístěn v bízkosi motorového prostoru. Další možností chlazení je neustálé čerpání AdBlue skrz dávkovací jednotku přičemž kapalina se pak přepadem vrací do nádrže. Ve starší generaci Denoxtronic je odsávání AdBlue zajištěno otvíráním ventilů a čerpadlem schopným čerpat puze jedním směrem. U této generace nejsou ventily, směr čerpání je ovládán elektronicky řízeným motorem. Čerpadlo je membránové, aby došlo k oddělení všech kovových částí od močoviny. Taktéž topné elementy jsou zality v plastovém obalu. U této generace se v nádrži na AdBlue nenachází plovák, ale hladina je měřena ultrazvukem. Ultrazvukové měřční hladiny je z důvodu korozivní agresivity močoviny 24

2. EMISNÍ SLOŽKY (může se částečně samovolně zreagovat na čpavek). Nemůže být tedy použita stejná technologie jako u měření hladiny palivových nádrží, kdy plovák na páce posouvá jezdec na odhaleném potenciometru. Protože je podávací modul (Supply Module) umístěn přímo v nádrži, není potřeba tento modul samostatně zahřívat (elektricky nebo chladící kapalinou) jako u systémů Denoxtronic 2.2 a 6-5. Porovnání systému Denoxtronic 2.2 a 5 jsou na obrázku 2.4.9. Kromě samotného uspořádání komponentů, způsobu jejich ohřívání a chlazení, systémy Denoxtronic se od sebe liší zejména tlakem a průtokem vstřikovaného AdBlue, jeho rozprášením a velikostí jednotlivých komponent (nákladní vs. osobní vozidla).

Obrázek 2.14: Porovnání schémat systému Denoxtronic 2.2 [19] a 5 [20] Výrobce Bosch 2.2 Bosch 5 Bosch 6-5 Delphi Cummins Dávkovací množství 7 200 2 000 9 000 7 200 (max) [g/h] Vstřikovací tlak [bar] 9 4,5 - 8,5 5 20 Kvalita spreje [µm] 75 100 120 50 30 Palubní napětí 12/24V 12V 12/24V 12/24V 12/24V Vyhřívání podávacího el. / voda ? el. / voda el. / voda el. / voda modulu Dopravní médium vzduch Tabulka 2.1: Porovnání systémů společností Bosch (Denoxtronic 2.2, 5, 6-5), Delphi, Cummins. ?: Podávací modul je součástí nádrže,je ohříván ohřátou kapalinou v DEF zásobníku. Jak je vidtě v tabulce 2.1, Denoxtronic 5 je pro malé výkony (osobní a lehké užitkové vozidla) s malým vstřikovaným množstvím AdBlue a pouze 12 V verzi. Ač je vstřikování pomocí stlačeného vzduchu složitější, je zřejmé že tímto způsobem je rozprášení močoviny nejlepší. Navíc lze ejektor umístit do osy výfukového potrubí. Vstřikovače močoviny jsou vyvinuty z benzinových vstřiků. K rozprášení kapaliny dochází na stejném principu, provozní tlak systému bývá do 5 bar. Vstřikovací tryska vydrží dlouhodobě pouze 120 ◦ C, a protože je umístěna ve výfuku, kde kvůli pasivní regeneraci jsou teploty okolo 500 ◦ C, musí být chlazena. Některé verze jsou chlazeny pasivními chladiči, jiné jsou chlazeny vodním okruhem vozidla. Protože AdBlue zamrzá (tvoří krystaly) při - 11 ◦ C, je nutné vstřikovač také ohřívat, a to elektronicky nebo vodním 25

2.4. MOŽNOSTI SNÍŽENÍ EMISÍ okruhem. Pro eliminaci zamrzání média v okruhu dochází při vypnutí motoru k odsání močoviny ze systému zpět do (vyhřívané) nádrže. Delphi Společnost Delphi, stejně jako Bosch vyrábí komponenty mimo jiné i na SCR systémy. Oba výrobci nabízí modulární systémy. Delphi však nabízí vstřikování pod vyšším tlakem, až 20 bar, (oproti tomu Bosch max 9 bar), což podporuje rozstřika do menších kapiček : dle Delphi menší než 50 µm (Bosch od 70 - 50 µm) [29]. Lepší rozprášení zkracuje potřebnou délku mezi vstřikovačem močoviny a SCR katalyzátorem, což přináší menší zástavbové rozměry. V nabídce je také kompaktní systém s nádrží, vyhřívaním, filtrem a čerpadlem (označení UDM- Urea Delivery Module). Vstřikovací modu je chlazen chladící kapalinou. Projektovaná životnost je 350 000 km nebo 15 let. Doporučené pro použití v osobních vozidlech s motory do 3 l zdvihového objemu. Zařízení nepotřebuje stlačený vzduch, a pracuje při 12 V i 24 V [29]. Cummins Cummins pro své motory využívá systém pod obchodním označením EcoFitTM . Jedná se o systém dopravování močoviny pomocí stlačeného vzduchu. Močovina se je vzduchem smícháná v odměrné jednotce (Metering Unit), a výustek ve výfuku je prakticky ohnutá trubka, přičemž proud močoviny vstřikován v ose výfuku, což pomáhá k homogenizaci směsi a lepší účinnosti rozpanu N H2 . Velikos kapiček je velmi malá: do 30µm, množství vstřikované močoviny až 7 200 g/h. Zařízení pracuje na 12 V i 24 V. [25]. Nett Technologies INC Kanadská společnost Nett nabící systém zahrnující jak SCR i DPF. Dodávku močoviny v požadované kvalitě však provádí pomocí stlačeného vzduchu. • NOx: BlueMAXTM SCR • NOx+DPF: BlueMAX PLUSTM SCR (Pro aplikace s vysokou teplotou výfukových plynů, pouze pasivní regenerace DPF) • NOx+DPF: BlueMAX ULTRATM SCR (aktivní regenerace DPF, používá naftový hořák ve výfuku) • NOx+DPF: BlueMAX NOVATM SCR (aktivní regenerace DPF, používá vstřikování paliva do výfuku) Pro vytvoření stlačného vzduchu je používán kompresor s příkonem 440 W (pouze 24 V verze), maximální průtok AdBlue 7,5 l/hod [64]. Systém naftového hořáku ve výfukovém potrubí je obchodně označován jako Nett VorTEQTM . Regeneraci je možo vyvolat manuálně či automaticky, a funguje při volnoběžných otáčkách či malém zatížení. Regenerace je dle provozních podmínek motoru nutná po 6 - 8 hodinách provozu, a trvá 10 - 15 minut. Servisní úkony související s SCR systémem: 26

2. EMISNÍ SLOŽKY • Denně Kontrolovat signalizaci prázdné nádrže na DEF • 100 hod. Odkalit nádrž na stalčený vzduch • 250 hod. Vyčistit vzduchový filtr kompresoru • 500 hod. Kontrola vstřikovacího modulu na těsnost • 1000 hod. Vypusit zásobník močoviny a vypláchnout pitnou vodou, zkontrolovat filtr močoviny a vymít pitnou vodou • 1500 hod. Vyměnit ložiska kompresoru Jak je vidět, naprostá většina servisních úkonů je kvůli kompresoru, proto je zřejmý trend přímého vstřikování močoviny do výfukového potrubí bez použití stlačeného vzduchu. Na druhou stranu, u vozidel, používající vzduch k ovládání brzd, nevzniknou žádné další servisní náklady. Jak je patrné z tabulky 2.1, použití toho způsobu nabízí nejjemnější rozstřik močoviny [67]. BAUMOT Společnost Baumot v současné době nabízí zejména produkty na bázi DPF. Obchodní označení a charakteristiky jednotlivých typů: • BA: Základní typ, pro regeneraci je potřeba teplota nad 500 ◦ C • BA-A: Jedná se o základní typ, ale do paliva je nuto přidávat aditiva. Díky tomu k regeneraci dojde už za teplot od 280 ◦ C. Tento typ je vhodný pro starší motory s velkou spotřebou oleje, nebo při používání paliv s vysokým obsahem síry. • BA-B : zařízení obshuje oxidační katalyzátor, který mimo jiné podporuje konverzi N O na N O2 , které usazené saze spalují při nižší teplotě (cca 250 ◦ C) (viz. kapitola regenerace DPF) • BA-F: Teplota výfukoých plynů je zvyšována pomocí naftového hořáku s výkonem až 30 kW . Regenerace lze provádět při teplotě výfukových plynů od 50 ◦ C. • BA-H: Výfukové plyny jsou zahřívány elektricky topnou spirálou Použití u stacionárních generátorů el. energie. V mobilních aplikacích se používá jen vyjimečně, například u autobusů MHD, kdy na konci směny je přiveden externí zdroj napájení, a dochází k regeneraci při volnoběhu. Systémy BA a BA-B lze použít u motorů nad 18 kW s teplotou výfukových plynů nad 250 ◦ C (220 ◦ C). Systémy BA-F a BA-H jsou vhodné do aplikací, kdy je teplota výfukových plynů pro pasivní regeneraci moc nízká. [17] Všechny systémy jsou pro motory do výkonu 350 kW . Další výrobci DPF: HJS, HUSS, Pirelli, Emitec, Clean Diesel Technologies Inc., Cleaire, Eminox

27

3. Traktorové motory Pohonné jednotky traktorů jsou v mnoha ohledech odlišné od běžných motorů. Bývají nosnou součástí rámu traktoru, proto musí být dostatečně tuhé a generované vybrace co nejmenší. Nejdůležitější výkonové parametry motoru není jmenovitý výkon, ale krouticí moment a jeho převýšení. Všeobecně lze říci, že plnění emisních norem vyžadující EGR znamenalo výkonostní přiškrcení motorů a používání DPF vyšší spotřebu. S nástupem systému SCR se tyto neduhy po mnoha letech začínají eliminovat. Výkon je dále zvyšován, avšak spotřeba oproti starším motorům klesá o 5 - 10 % . Servisní náklady na provoz systému s AdBlue budou vyšší pouze z hlediska spotřeby redukčního činidla, které jsou vyváženy nižší spotřebou paliva. Dle výrobce nákladních vozidel Volvo, každá koruna zaplacená za AdBlue uspoří palivo v hodnotě dvou korun. To je důvod, proč nákladní vozidla ve velké míře používají systém SCR i pro normu Euro 5, která by šla dosáhnout použitím DPF. Z důvodu nižšího objemu recyrkulace výfukových plynů dochází k pomalejší degradaci oleje, což vede k delším intervalům údržby. Dle vyjádření firmy New Holland, úspora nákladů traktorů s technologiií SCR činí 17% (pro traktor T8 [70] ). Někteří výrobci DPF filtr nepoužívají (platí pro Euro 5 / Stage IIIB), a motory jsou naladěny na menší produkci sazí, což vede k vyšší produkci NOx. Pro splnění emisních limitů je pak potřeba většího množství DEF. Na druhou stranu není potřeba aktivní regenerace DPF.

3.1. John Deere Porovnání technických prostředků použitých pro plnění daných emisních norem výrobce John Deere je v tabulce 3.1 (platí všeobecně, vyjímky jsou u nízkých výkonových variant). Stage IIIA EGR 281, 290, 295 Stage IIIB EGR+DOC+DPF 92, 93, 94, 95 Stage IV EGR+DOC+DPF+SCR 03, 04, 07, 08, 09 Tabulka 3.1: Porovnání plnění emisních limitů dle norem, a odpovídající kódy motoru. Poslední 2 číslice na štítku motoru označují emisní normu [47]. Spotřeba DEF je dle John Deere udávaná v rozmezí 1-3 % spotřeby pohonných hmot [47]. Doplňování DEF u traktorů by mělo probíhat při každém třežím doplnění pohonných hmot, u stacionárních motorů by nádrž na DEF měla odpovídat 120 hodinám provozu. Velmi nízké výkony Pro velmi nízké výkony pod 55 kW s emisní normou Iterim Tier 4 / Stage IIIB bylo použito pouze turbodmychadlo s mezichladičem stlačeného vzduchu, mechanické vstřikovací zařízení, dvouventilová technika. Pro vyšší výkony bylo potřeba čtyrventilové techniky, vstřikovacího systému common rail, EGR i DPF [49]. Pro emisní normu Stage IV (do 55 kW ) však je již potřeba DPF (bez EGR). 28

3. TRAKTOROVÉ MOTORY Nízké výkony Pro nízké výkony 56 - 104 kW u 4,5 l dokonce není potřeba DPF, a emisních limitů Final Tier 4 / Stage IV je dosaženo pouze DOC a SCR. Pro vyšší výkony však všechny motory potřebují EGR+PDF+SCR (čtyřventilová technika a CR je samozřejmostí). Aktivní regenerace DPF Pokud provozní podmínky nedovolí pasivní regeneraci DPF (malá zátěž motoru, nízké okolní teploty), je nutno zvýšit teplotu spalin. To je u systému common rail tvořeno pozdním vstřikem paliva do válce (ve fázi výfuku). Ve výfuku pak dochází ke spalování paliva, což na provozní teplotu zahřeje DOC (větší účinnost oxidace HC a CO 2.6, také PM2.7) , PDF (urychlí spalování zachycených sazí) a poté SCR (vyšší účinnost katalytické reakce znamená úsporu DEF, což znamená menší potřebnou kapacitu nádrže). Motor Výkon [kW] EWX 2,9L 35 - 55 EWX 4,5L 55 PWL 4,5L 63 - 104 PSS 4,5L 93 - 129 PVS 6,8L 104 - 187 PSS 6,8L 168 - 224 PSS 9,0L 187 - 317 PSS 13,5L 309 - 448 Tabulka 3.2: Technologie nutné Deere [48]

Přeplňování Chlazené EGR DOC / DPF SCR Wastegate Ne DOC / DPF Ne Wastegate Ne DOC / DPF Ne Wastegate Ano DOC Ano Seriové Ano DOC / DPF Ano VGT Ano DOC / DPF Ano Seriové Ano DOC / DPF Ano Seriové Ano DOC / DPF Ano Seriové Ano DOC / DPF Ano pro dosažení Stage 4 dle výkonových tříd výrobce John

3.2. JCB Na obrázku 3.1 je traktor Fastrac 8000. Motor tohoto traktoru netvoří rám vozidla. Je patrné umístění nádrže na močovinu a vertikální výfuk. Vyobrazená verze má pouze oxidační katalyzátor s SCR systémem, nemá DPF filtr.

29

3.3. CASE

Obrázek 3.1: Schéma uspořádání součástí SCR na traktoru Fastrac 8000 [9]

3.3. Case Na obrázku 3.3 jsou traktory Case vybaveny systémem SCR. Lze vidět detail nalévacích hrdel pro AdBlue a palivo, stejně jako masivní uchycení samotného SCR pod pravým předním rohem kabiny.

Obrázek 3.2: Schéma uspořádání součástí SCR na traktoru Case [9] Provedení výfuku i nádrže je u ostatních výrobců jako Fendt, Valtra či New Holland velmi podobné, proto je zbytečné se jim v této části věnovat.

30

3. TRAKTOROVÉ MOTORY

3.4. Zetor Zetor je v dnešní době nejspíše jediný výrobce vznětových motorů, který pro splnění i nejpřísnějších emisních limitů Stage IV využívá řadové vstřikovací čerpadlo. V dávných dobách byly jediné požadavky kladené na konstrutéry motorů pouze výkon a spotřeba. S postupem doby a vývojem měřící techniky začaly platit stále přísnější emisní předpisy. Z počátku byla sledována pouze kouřivost, poté produkce nespálených uhlovodíků (HC), oxidu uhelnatého (CO) a oxidů dusíku (NOx). V průběhu výroby traktory Zetor bývaly osazeny motory s různým počtem válců, a to od 2 do 6 [83]. Nejčastěji mívaly poměr vrtání x zdvih o velikosti 105 x 120 mm. Posledních pár let je produkován výhradně čtyřválec s přímým vstřikem paliva a řadovým vstřikovacím palivem. Z důvodů plnění emisních norem je původní verze stále vylepšována. Motor byl postupně vybaven turbodmychadlem, mezichladičem stlačeného vzduchu, EGR, přetlakovou regulací turbodmychadla, filtrem zachycujícím pevné částice, elektronickou regulací vstřikovacího čerpadla, 16V technologií, a z skrze normu Stage IV budou modely vybaveny i technologií SCR se vstřikováním AdBlue. 16V hlava nabízí lepší průtok vzduchu do válce a jeho lepší výření. Důsledkem toho je (oproti 8V hlavě) pro obdobný výkon potřeba menší přetlak turbodmychadla, tudíž i menší spotřeba paliva. Potřeba použití DPF a SCR však vede ke zvýšení tlaku ve výfukovým potrubím za turbodmychadlem na hodnotu 20 - 30 kPa. Traktorové motory jsou vyvíjeny na co největší krouticí moment v oblasti 1250 ot/min a co největší převýšení momentu. Jmenovitý výkon je spíše papírová hodnota, která při běžném provozu není tak důležitá. Použita jsou turbodmychadla českého výrobce Č.Z. a.s. Strakonice [27]. V současnosti (Tier IIIB) se používají dva typy turbodmychadel. Pro výkony do 67 kW je použito neřízené turbodmychadlo, pro výkony nad 75 kW je použita obtoková regulace. Neřízené turbo může být použito z důvodu použití EGR, které taky, i když v omezené míře, dokáže regulovat přetlak před turbínovým kolem. EGR je chlazeno vodou, přičemž z důvodů korozivní agresivity výfukových plynů musí být tepelný výměník z nerezi. Vývoj a použití 16V hlavy umožnilo zástavbu vstřikovače do osy válce, což vede k lepšímu prohoření a zvýšení termické účinnosti, zlepšení emisí. V současné době se pracuje na sacím potrubí, které by uzavřením jednoho sacího kanálu u každého válce mělo zvýšit víření vzduchu ve válci. Jelikož je Zetor světově rozšířený výrobce, i v dnešní době s nástupem normy Tier IV jsou stále vyráběny modely splňující starší emisní predpisy, které na území EU již nelze prodávat. (Platí všeobecně, ale výrobci mají možnost se zavčasu předzásobit, a doprodávat starší verze i při platnosti přísnějších limitů). Toho času (jaro 2014) jsou v nabídce modely splňující Stage IIIA s výkony v rozmezí 48 - 86 kW. Dále jsou v nabídce Stage IIIB s výkony 71-100 kW, přičemž od podzimu by měly být dostupné modely Stage IV [82].

31

3.4. ZETOR Konstrukční úpravy pro splnění daných emisních norem • Stage II – turbodmychadlo – 8V hlava • Stage IIIA – optimalizovaný spalovací proces – turbodmychadlo – 8V hlava, 16V pouze u nejvýkonnější verze – vodu chlazená recirkulace výfukových spalin (EGR) – výkony 45 - 95 kW • Stage IIIB – turbodmychadlo – vodu chlazená recirkulace výfukových spalin (EGR) – oxidační katalyzátor (DOC) – filtr pevných částic (DPF) s pasivní regenerací – 16V hlava u všech modelů – výkony 53 - 95 kW • Stage IV – vše jako Stage IIIB a navíc: – optimalizovaný tvar spalovacího prostoru v pístu – filtr pevných částic (DPF) s aktivní regenerací – elektronicky ovládané řadové vstřikovací čerpadlo – selektivní katalytická redukce (SCR) se vstřikováním AdBlue – oxidační katalyzátor amoniaku (AOC) – výkony 66 - 103 kW

32

3. TRAKTOROVÉ MOTORY Označení motoru 1405 1406 Emisní norma Stage III A Stage III B Jmenovitý výkon [kW] 86 86 Max. točivý moment [Nm] 450 493 Počet válců 4 Zdvihový objem [cm3] 4156 Vrtání / zdvih [mm] 105/120 Jmenovité otáčky [min-1] 2200 Volnoběžné otáčky [min-1] 800 Kompresní poměr 17 Počet ventilů 8 16 Měrná spotřeba [g/kW.h] 218 211 Převýšení momentu [%] 37 Tabulka 3.3: Tabulka vybraných parametrů motorů pro dané emisní normy o shodném jmenovitém výkonu. Pro připomenutí: 16V technologie umožňuje dosáhnout až 100 kW. [82]

Obrázek 3.3: Porovnání vnější charakteristiky motorů 1405 (vlevo) a 1406 -16V (vpravo) [82] Na obrázku 3.4 jsou průběhy momentu a výkonu. Rozdíl je v použití 8V a 16V hlavy. 16V nabízí větší krouticí moment ve středních otáčkách, ale výrazně vyšší záběrný moment v oblasti 1000 ot/min (300 Nm u 8V, 380 Nm u 16V), důležitý pro rozjezd.

33

4. Studie rozmístění komponent V této části práce je analyzováno rozmístění komponent SCR systému u konkurence a návrh systému pro použití na traktorech Zetor.

4.0.1. Provedení výfuku Vertikální výfuk Vertikální výfuk má dnes naprostá většina traktorů. Největší výhodou je odvod výfukových spalin přímo vzhůru ze zorného pole řidiče. Taktéž horké plyny mají sami o sobě tendenci stoupat vzhůru. Jak je patrné z předchozích vyobrazení, výfuk bývá od motoru vyveden do strany, a u předního rohu kabiny je veden vzhůru. Zakončení výfuku bývá směřováno do strany, aby zplodiny neohrožovaly posádku například při otevřeném střešním okně. Mírné obavy o bezpečnost může vyvolat horký výfuk pár decimetrů od otevřených dveří. Provedení je však takové, aby k ohrožení nedocházelo. Legislativní omezení týkající se výfuku je pouze maximální povrchová teplota 80 ◦ C a předpis pro omezení výhledu z vozidla. Horizontální výfuk Horizontální výfuk vede od motoru dolů pod nápravami a ústí mezi zadními koly. Výhodou tohoto uspořádání je zejména nerušený výhled obsluhy a zejména odpadá nutnost instalovat kabinu traktoru. Ten je vybaven pouze sklopným ochranným rámem. Řešení je vhodné zejména do stísněných provozů, kde dochází ke kontaktu s vegetací a je předpokládaná práce za příznivých povětrnostních podmínek : zejména sady, vinice, chmelnice. Nevýhodou je možnost vzplanutí suché vegetace, neboť horké spaliny (při regeneraci i přes 500 ◦ C ) směřují k zemi. Z hlediska plnění emisních norem Stage IV, kdy je potřeba do výfukového systému začlenit navíc SCR filtry, může být problém stísněnost prostorů pod traktorem. S tím souvisí i možnost poškození výfuku při přejezdu terénních nerovností. Společnost Zetor v současné době ve verzi kabrio bez vertikálního výfuku vyrábí pouze model Proxima.

34

4. STUDIE ROZMÍSTĚNÍ KOMPONENT

4.1. Umístění výfuku s SCR u konkurence

Obrázek 4.1: Umístění výfuků s SCR traktorů Massey Ferguson a McCormic (vpravo). [86] Jak je zřejmé , pro dostatečně tuhé uchycení výfuku obsahující SCR filtr, u traktorů Massey Ferguson 4.1, Fendt 4.1 je použit masivní odlitek, kdežto u New Holland 4.3 a McCormic (bez vyobrazení) se jedná o svařenec.

Obrázek 4.2: Umístění výfuku a detail uchycení na traktorech Fendt Vario 516 [86]

35

4.2. UMÍSTĚNÍ NÁDRŽE ADBLUE U KONKURENCE

Obrázek 4.3: Detail uchycení výfuku na traktoru New Holland T7.250 [86] Zvýšení pevnosti vertikální části výfuku by mohlo být dosaženo přichycením k horní mu rohu kabiny traktoru, avšak tato je odpružena od podvozku (v případě Zetoru se jedná o neodpružený komplet motoru, převodovky) a jakékoli další přenášení vibrací na kabinu je z hlediska komfortu a ergonomie nepřijatelné. Žádný jiný výrobce horní díl výfuku ke kabině také nemá připevněnou.

4.2. Umístění nádrže AdBlue u konkurence

Obrázek 4.4: Umístění nádrže na AdBlue u traktorů New Holland, McCormic a Massey Ferguson. [86] Umístění nádrže AdBlue je zpravidla v blízkosti palivové nádrže. Plnící hrdlo nádrže s močovinou je vždy modré, ovšem vyrábí se i traktory, které mají taktéž modré víčko nádrže ostřikovače skla. Tyto jsou vybaveny piktogramem, a nemělo by dojít k záměně.

4.3. Spotřeba a kapacita nádrže AdBlue Výrobce nákladních vozidel (Volvo) udává spotřebu DEF jako 3-7% spotřeby paliva, nádrž je okolo 80 l a zásoba by měla vydržet okolo 6 500km. 36

4. STUDIE ROZMÍSTĚNÍ KOMPONENT Výrobce traktorů Fendt udává spotřebu 1-3%, Cummins uvádí spotřebu DEF okolo 2 % objemu nafty, samozřejmě závisí na podmínkách. Spotřeba DEF je dle John Deere udávaná v rozmezí 1-3 % [47]. Poměr objemu nádrže na palivo a močovinu u traktorů je v tabulce 4.1 Označení traktoru Motor [l] Výkon [kW] Palivo[l] AdBlue [l] Palivo / AdBlue [%] Case IH Puma CVX 230 6,7 183 395 48 12 Fendt 828 Vario SCR 6,1 206 500 42 8 Fendt 720 Vario SCR 6,1 147 400 38 9 McCormick X7.680 6,7 138 320 38 12 McCormick X7.440 6,7 105 280 38 14 New Holland T7.250 6,8 150 395 48 12 Challenger MT 875E 16,8 475 1250 115 9 Tabulka 4.1: Poměr objemu nádrže na palivo a AdBlue různých výrobců různých výkonových řad [86] Kapacita nádrže AdBlue u traktorů Zetor má objem okolo 25 l.

4.3.1. Pokud dojde AdBlue Opatření výrobce při nedoplnění AdBlue se řídí legislativními požadavky. V zásadě je nutné provozovatele donutit udržovat systémy aftertreatmentu ve funkčním stavu. Prostředky pro upozornění obsluhy jsou následující: 1. zvukové znamení 2. snížení výkonu o 1/3 3. snížení výkonu o 2/3

4.4. Rozmístění komponent Čidla na výfuku Pro správnou funkci aktivní regnerace DPF a zejména zajištění informací pro vstřikování močoviny jsou potřeba čidla tlaku, teploty a obsahu N OX . Hned za přírubou turbodmychadla jsou senzoty teploty a tlaku. Pro aktivní regeneraci DPF je zde vstřikovač nafty. Pro řízení SCR je zde umístěn N OX senzor. Na výstupu z oxidačního katalyzátoru (DOC) je umístěno čidlo teploty. V kolenu na vstupu do DPF je další čidlo teploty a vstřikovač AdBlue. Za SCR je čidlo kontroly katalitické redukce. Měří obsah N OX ve výfukových plynech na výstupu z výfuku. Umístění řídící jednotky vstřikování AdBlue Použit je systém firmy Bosch. Řídící jednotka by měla být umístěna na místě tepelně nenamáhaném, chráněna před povětrnostními podmínkami a nečistotami. Nejlepší umístění je tedy v kabině, a to co 37

4.4. ROZMÍSTĚNÍ KOMPONENT nejblíže motorovémo prostoru (délka kabeláže), tzn. na motorové přepážce. V současnosti se pracuje na variantě umístění řídící jednotky pod kapotáží motoru v prostoru nad sáním. Nedochází k velkému tepelnému namáhání ani nehrozí poškození vodou.

38

5. FORMULACE ŘEŠENÉHO PROBLÉMU A JEHO ANALÝZA

5. Formulace řešeného problému a jeho analýza Stále přísnější emisní normy pro silniční i nesilniční vozidla nutí výrobce k výrazným investicím do vývoje pohonné jednotky. Nastupující normy však již nelze vyřešit optimalizací spalovacího procesu, a rozhodující roli hrají systémy pro zachycování pevných částic a oxidů dusíku umístěné ve výfukovém potrubí. Tradiční výrobce traktorů Zetor je tedy pro splnění norem Stage IIIB nucen použít EGR, DOC a DPF, pro splnění nastupujících norem Stage IV EGR, DOC, DPF a SCR.

5.1. Popis problému Systém obsahuje potrubí pro přívod spalin z turba do oxidačního katalyzátoru (DOC), umístěného nad motorem v zadní části motorového prostoru před kabinovou stěnou. V modelu Stage III B byl v tomto místě umístěn i filtr pevných částic (DPF). Od tud jsou spaliny vedeny k pravému přednímu rohu kabiny traktoru, kde se výfukové potrubí ohýbá a směřuje kolmo vzhůru. U původního modelu (Stage IIIB) byla tato vertikální část tvořena pouze trubkou o hmotnosti do 10 kg. Nyní je zde však umístěn filtr pevných částic (DPF), SCR a amoniakový oxidační katalyzátor (AOC). Tyto filtry váží okolo 35 kg, dále je zde přítomen perforovaný krycí plech o hmotnosti přes 6 kg. Je tedy jasné, že nová verze je o mnoho těžší, a proto je potřeba důkladné analýzy nového konstrukčního řešení samotného výfuku, výztuh a vzpěr, které výfuk přidržují.

Obrázek 5.1: Porovnání výfukových komponent pro normy Stage IIIB a Stage IV [84]

39

5.1. POPIS PROBLÉMU

5.1.1. Metodika řešení Hlavním úkolem je posoudit konstrukci výfukového systému z hlediska únavy. Úprava geometrie Geomertie obsahuje zbytečné možství detailů, proto je vhodné model upravit. Dále je nutno vhodně vymodelovat svarové spoje, zejména ty, kde je očekáváno velké namáhání či kritické místo konstrukce. Zvýšená teplota Protože se jedná o výfukový systém, je nutno počítat se zvýšenou teplotou. Pro aktivní regeneraci DPF je potřeba teplota kolem 500 ◦ C, proto je tato použita jako provozní teplota výfuku. Závislost pevnosti na teplotě je rozdílná pro každý materiál, přičemž výfukové potrubí je z nerez oceli a vzpěry z běžné konstrukční oceli. Předpětí šroubů Předpětí šroubových spojů je uvažováno okrajově. Jak plyne ze simulací, kritické místa i místa s největším rozkmitem napětí jsou vzdáleny od dosedacích ploch šroubů. I přes vysoké napětí ve spojovaném materiálu toto během zátěžného cyklu zůstává prakticky neměnné. Statické zatížení Střední napětí pro výpočet únavy bude počítáno ze statické analýzy při zatížení 1 g ve svislém směru. Vibrace Amplituda napětí pro výpočet únavy bude použita z analýzy vibrací, přičemž vstupní data jsou z jízdní zkoušky traktoru prováděné na polygonu Zetor. Modální analýza Modální analýzou jsou zjištěny vlastní frekvence sestavy. Při provozu by těchto frekvencí nemělo být dosahováno. Únava Použitý program je ANSYS Workbench. Je vybaven modulem pro výpočet únavy. Tuto však umí počítat pouze ze statického zatížení, kdy je uživatelem volen zátěžný cyklus střídavý, míjivý či pulzující. V případě analýzy vibrací provedené v mé diplomové práci je proto nutné únavu vypočítat ručně na základě rozkmitu napětí, gradientu napětí do hloubky materiálu a koeficientů β ,α.

40

6. ANALÝZA A INTERPRETACE VÝSLEDŮ

6. Analýza a interpretace výsledů V této části práce je analyzován návrh výfukového systému na traktory Zetor, který splňuje emisní normy Stage IV.

6.1. Materiál Vzpěra výfuku a držák oxidačního katalizátoru jsou z běžné svařitelné konstrukční oceli. Výfuk je vyroben kompletně z nerez oceli, protože i minimální množství síry v palivu v SCR filtru produkuje silně korozivní kyseliny. Materiál výfuku je v Evropě znám jako 1.4301 nebo X5CrNi18-10, v USA spíše jako S 30400. Materiálové charakteristiky dle [68]: • Mez pevnosti: 585 MPa • Mez kluzu: 250 MPa • Mez únavy v ohybu: 241 MPa • Mez únavy v tahu: 180 MPa • Doporučená maximální dlouhodobá teplota: 830 ◦ C

Obrázek 6.1: SN křivka materiálu 1.4301 (při pokojové teplotě) [68]

6.1.1. Vliv vysokých teplot Příklad závislosti meze kluzu na teplotě nelogovaných ocelí, martenzitických a austenitických korozivzdorných ocelí je na obrázku 6.2. Snížené korizivzdorné vlastnosti v důsledky zvýšených provozních teplot jsou zanedbány. Teplota okolo 500 ◦ C je potřeba k regeneraci DPF a správné činnosti SCR filtru. S touto bude dále počítáno, i když na výstupu z turbodmychadla múže být přes 800 ◦ C. 41

6.2. OKRAJOVÉ PODMÍNKY

Obrázek 6.2: Závislost meze pevnosti vybraných korozivzdorných materiálů na teplotě [30] Vliv zhoršení pevnostních charakteristik materiálu lze pro jednoduchost vyjádřit koeficientem vlivu teploty kd , který udává poměr meze pevnosti meze pevnosti za zvýšených teplot a za pokojových podmínek. Teplota [◦ C] 100 300 500 600 700 800 900 1000 1100 Mez pevnosti [MPa] 510 435 410 360 245 135 75 40 20 Tabulka 6.1: Vliv teploty na změnu meze kluzu materiálu 1.4301 [68] Výfukové plyny mohou mít na výstupu z turbodmychadla přes 700 ◦ C, nicméně kritické místo je v dostatečné vzdálenosti a předpokládá se ochlazení plynů. Teplota výfukových plynů potřebná pro regeneraci filtru pevných částic je okolo 500 ◦ C, proto je tato volena jako teplota provozní. 410 Rmt = 0, 7 = Rm 585 je mez pevnosti při zvýšené teplotě, Rm při pokojové teplotě. Kd =

kde Rmt

(6.1)

6.2. Okrajové podmínky Část výfuku s oxidačním katalyzátorem je umístěna na svařenci, který je přišroubovaný na hlavu motoru a ke kabinové přepážce. Část výfuku mezi turbodmychadlem a oxidačním katalyzátorem je vybavena měkkým vlnovcem kompenzujícím tepelnou dilataci a do jisté míry i vibrace, proto v pevnostní analýze je tato část výfuku zanedbána. Vzpěra, tvořící podporu pro vertikální část výfuku je přišroubovaná k dolní části bloku motoru v oblasti umístění palivového filtru. Části přišroubované k bloku či hlavě motoru mají odebrány všechny stupně volnosti. V případě dynamického zatížení vibracemi jsou tyto části buzeny danou amplitudou a frekvencí.

42

6. ANALÝZA A INTERPRETACE VÝSLEDŮ

6.3. Zatížení V průběhu analýzy je použito zejména zatížení gravitací ve svislé ose. Výsledky tyto analýzy jsou potřeba pro stanovení středního napětí u únavové analýzy. Na základě dat z jízdní zkoušky je provedena simulace zahrnující vibrace.

6.3.1. Data z jízdních zkoušek Pro účely simulace byly použity data zrychlení na bloku motoru. Jízdní zkoušky probíhaly na polygonu firmy Zetor, tudíž nejsou k dispozici například data z prací na poli. Analýzou dat bylo zjištěno, že naměřené zrychlení nejspíše neodpovídá realitě, neboť ve svislé ose (osa Z) se maximální amplitudy zrychlení pohybují okolo 400 g. Na základě zkušeností firmy Zetor je maximální zrychlení v ose Z zvoleno jako 2,5 g, a zrychlení v dalších osách jsou v odpovídajícím poměru dopočítány. Vycházím tedy z předpokladu, že naměřené amplitudy neodpovídají realitě, ale odpovídají poměry amplitud jednotlivých měření. FFT analýzou byla data převedena do frekvenční domény, a byly vytypovány oblasti s výraznými amplitudami. Tyto jsou zobrazeny v tabulce 6.2. Jak je zřejmé, hodnoty zrychlení v ose Z jsou o dva řády větší, nežli v osách X a Y . Největší amplitudy okolo 2,5 g je dosahovány při velmi nízké frekvenci. Závislost amplitudy na frekvenci při kmitání v ose Z je na obrázku 6.4. Naměřené frekvence kmi- Obrázek 6.3: Použitý souřadnicový systém použitý při měření [84] tání jsou v tabulce 6.2.

Obrázek 6.4: FFT analýza kmitání bloku motoru při jízdní zkoušce, údaje z osy Z (zrychlení v dalších osách je o dva řády menší, proto je v tuto chvíli zanedbáno) [84]

43

6.3. ZATÍŽENÍ aX [mm/s2 ] 44 103 65 167 70 50 96 51

aZ [mm/s2 ] 4900 5500 5900 8800 9700 10000 12000 12000 13000 16000 25000 Tabulka 6.2: Upravené hodnoty zrychlení v osách X Y Z při daných f [Hz] 95,1 86,2 46,0 43,3 41,1 37,9 3,6 51

aY [mm/s2 ] 28 22 44 52 70 103 169 218 179

f [Hz] 86,4 43,2 25,8 7,8 5,9 4,6 3,3 1,3 0,5

f [Hz] 26,3 19,7 16,2 13,0 9,8 7,2 6,3 3,8 2,7 1,4 0,7 frekvencích [84]

Literatura [75] zabývající se únavou skříní kolejových vozidel udává následující zatížení (dle normy pro kolejová vozidla) udává zatěžující cyklus pouze jako variaci různých složek zrychlení, a to: 0 ± 0, 15 g v ose X, 0 ± 0, 2 g v ose Y a 1 g ±0, 25 g v ose Z. Zrychlení v ose x Zrychlení v ose y Zrychlení v ose z 0,15 g 0,2 g 1,25 g -0,15 g -0,2 g 0,75 g Tabulka 6.3: Tabulka zrychlení pro vysokocyklovou únavu pro kolejová vozidla [75]. Jak je zřejmé z tabulky 6.3, zatížení volené pro simulaci traktoru je velmi konzervativní, tudíž v reálném provozu bude vyvolané napětí a deformace menší, a únavová životnost vyšší.

6.3.2. Náhrada filtračních hmot Vertikální část výfuku obsahující DPF a SCR filtr má hmotnost okolo 35 kg, perforovaný krycí pelech má hmotnost okolo 6 kg. Protože filtry zatěžují konstrukci svou hmotností, ale nepřispívají k tuhosti, byla geometrie upravena tak, že zůstal pouze vnější pelchový plášť tl. 1,5mm, a hmotnosti filtrů byly nahrazeny hmotným bodem. Je použit předpoklad, že hustota daných filtrů je shodná. Hmotný bod je tedy zavazben k plechovému plášti v těžišti submodelu dle tabulky 6.4 . Hmotnot bodu byla volena tak, aby odpovídala filtrům a dalším prvkům, které nejsou v geometrii pro MKP použity. Obrázek 6.5: Průřez vertikální části V CAD programu byla upravena hustota filtrač- výfuku s DPF (modrý) a SCR filtry ních materiálu, aby bylo dosáhnuto dané hmotnosti sestavy. Pro potřeby analýzy byla použita data polohy těžiště a momenty setrvačnosti, uvedené v tabulce 6.4.

44

6. ANALÝZA A INTERPRETACE VÝSLEDŮ X Y Z Těžiště [mm] 580 817 1250 2 Moment setrvačnosti [kg · mm ] 2193800 2210900 363100 Tabulka 6.4: Poloha těžiště a momenty setrvačnosti vertikální části výfuku v globálním souřadnicovém systému

6.4. Řešení svarových spojů MKP analýza svarových spojů společně s únavou je řešena například v [12] kde je řešen úsek horské dráhy. V literatuře [75] jsou analyzovány svary na skříni lokomotivy. Problematika koncentrace napětí na vrubu při geometrickém modelování svarů je popsán v článku [63]. Únavová odolnost svařovaných konstrukcí je probrána například v [55]. Protože se jedná o svařované součásti z tenkého plechu, je na místě použít skořepinové elementy. Nevýhodou je omezené množství uzlů přes tloušťku, zejména při výpočtu únavy metodou LSA. Proto byly použity objemové elementy i za ceny vyšší výpočetní náročnosti. Pro zlepšení povědomí čtenáře o možnostech řešení svarových spojů v MKP jsou popsány přístupy pro skořepinové i objemové prvky. Skořepinové elementy Výhodou je menší počet elemetů, protože dojde k vytvoření pouze dvou nodů přes tloušťku, z čehož plyne nižší náročnost výpočtu. Zásadní nevýhodou je charakter a způsob výpočtu svarových spojů. Napětí je totiž vypočteno v dané vzdálenosti od střednicové plochy, tudíž neodpovídá realitě [12]. Navíc, ani při jemnější síti se nezvýší počet elementů přes tloušťku. Vymodelování svaru Svar lze vytvrořit plochou jak je zobrazeno na obrázku 6.6. Pri tom by mělo dojít k navázání uzlů jak je zobrazeno v 6.7

Obrázek 6.6: Příklad modelování svaru při použití Shell elementů [55]

Obrázek 6.7: Konkrétní příklad modelování koutového svaru při použití Shell elementů [63]

45

6.4. ŘEŠENÍ SVAROVÝCH SPOJŮ Tuhé spojení Další možností je místo modelování samotného svaru pužít rigid link mezi příslušnými nody. Není tudíž potřeba extrapolace napětí na ploše jako v předešlém případě. Dojde pouze k omezení stupňů volnosti, přičemž základní a spojovaný materiál k sobě nejsou zavazbeny žádnou vazbou [63].

Obrázek 6.8: Příklad aplikace rigid links při analýze svaru za použití Shell elementů [63] Zvýšená tuhost Výskyt svaru zvyšuje lokálně tuhost, přižemž při použití skořepinových elementů lze lokálně v oblasti svaru změnit tloušťku materiálu, potažmo i tuhost. Princip je zobrazen na obr. 6.9.

Obrázek 6.9: Lokální zvýšení tuhosti (loušťky) materiáluí koutového svaru při použití Shell elementů [63] Objemové elementy Další možností je použití Solid elementů. V tomto případě je nutno v CAD datech zahrnout geometrii samotného svaru. Na přesnost výsledků má konkrétní provedení svarových spojů zásadní vliv. Pokud je svar proveden zjednodušeně, v patě svaru dochází ke koncentraci napětí - funguje jako vrub. Proto je v literatuře [3] doporučována úprava geometrie 46

6. ANALÝZA A INTERPRETACE VÝSLEDŮ přidáním radiusů v patě svaru, taktéž jako v kořenu svaru. Konkrétní provedení rádiusu pro konstrukční ocele a slitiny hliníku je doporučeno o velikosti R1 [55] . Provedení je zobrazeno na obr. 6.4.

Obrázek 6.10: Ekvivalentní modelování svaru s rádiusy v patě i kořenu svaru [55], [3] Toto řešení vrubových napětí v kořeni a patě svaru má následující předpoklady • únavová trhlina je iniciována v patě nebo kořeni svaru, tzn v místě zaoblení • navržené zaoblení R1 je použitelné pro konstrukce s tloušťkou stěny nad 5mm Namáhání svarů únavou Jak je uvedeno v literatuře [5, s. 523], [45] jsou používány zejména dva způsoby řešení únavové životnosti svarů, a to dle: • nominálních napětí • jmenovitých napětí Rozkmit nominálních napětí- použití zejména při analytickém výpočtu. Dle provedení svaru se volí z různých S-N křivek, jak je zobrazeno na obrázku 6.11.

Obrázek 6.11: Řešení únavy svarových spojů na základě nominálních napětí [45] 47

6.4. ŘEŠENÍ SVAROVÝCH SPOJŮ Tato metoda je založena na reálných zkouškách. Zahrnuje výrobní nepřesnosti, zbytková napětí po svařování, metalurgické změny materiálu či metodu svařování.

Rozkmit jmenovitých napětí ( označovaný jako Hot Spot Stress)- použití zejména při analýze MKP, protože jsou k dispozici jmenovité napětí zahrnující vrubový účinek svaru. Kritické místo je v místě paty svaru z důvody diskontiunity geometrie, způsobující vysoký gradient napětí v blízkosti paty svaru. Při experimentu lze toto napětí měřit přímo na součásti. Používá se v případech, kdy • není známo nominální napětí (tzn. při MKP výpočtech) • je známo nominální napětí, ale tvar svaru neodpovídá tabulkovým hodnotám • při testování prototypů, kdy vedle výpočtu bude napětí měřeno přímo na součásti Odnoží této metody je tzv. Effective Notch Stress, kdy je vrub v patě svaru nahrazen zaoblením. Tento spůsob je popsán výše. Je vhodný pouze na vysokocyklovou únavu s omezením tloušťky materiálu t > 5mm. Důležité je, že z hlediska výpočtu únavy je porovnán s běžnou S-N křivkou [62] ! Další metoda řešení únavy svarů je založena na lomové mechanice a šíření únavové trhliny z paty nebo kořene svaru [77]. Pro potřeby této DP však stačí výše uvedené metody.

6.4.1. Konkrétní řešení svarů Provedl jsem zběžnou pevnostní analýzu různých řešení svaru v kritickém místě spojení spodního konusu vertikálního výfuku a vzpěry. Pro zjednodušení je použit částečný model obsahující konus a vzpěru, přičemž samotné provedení svaru se mění dle vyobrazení 6.13. Místo svaru je zobrazeno na obrázku 6.12. Svařované součásti musí být v MKP modelu jako jedna nerozebiratelná část, čímž se eliminují výpočetní nepřesnosti vazeb (typicky vazba ”Bonded”) v místě styku svařovaných těles. Zatížení a okrajové podmínky byly voleny zjednodušeně, proto výsledky neodpovídají hodnotám z analýzy vibrací. Vertikální část výfuku nad konusem je nahrazena hmotným bodem o hmotnosti 40 kg. Na horním i dolním obvodu konusu je umožněn pohyb pouze v Z ose. V místě spojení nerezového Obrázek 6.12: Kritické místo výfuku a dolní vzpěry připevněné na motoru jsou odebráhy všechny stupně vlnosti. Zatížení je v ose Z o velikosti 2,5 g.

48

6. ANALÝZA A INTERPRETACE VÝSLEDŮ

Obrázek 6.13: Typy řešení svarových spojů [85] číslo 1 2 3 4 5 6 7 8 9

provedení svaru typ výsledné napětí [MPa] bez svaru 99,2 svar nahrazen radiusem R1 b 56,9 svar nahrazen radiusem R3 b 44,5 svar nahrazen radiusem R5 b 40,0 svar nahrazen radiusem R10 b 25,0 svar výšky 3 mm a 49,2 svar výšky 3 mm a zaoblení R1 c 43,3 svar výšky 3 mm a zaoblení R3 c 42,6 částečný svar R3 b 75,7 Tabulka 6.5: Analyzované provedení svarů

Z výsledků v tabulce 6.5 je zřejmé, že nejmenšího koncentrace napětí je dosaženo aplikací velkého radiusu. V technické praxi však svar vypadá dle obrázku 6.13 typ ”a”, ale přechod paty svaru nebývá ostrý jako v případě modelování. Ačkoliv je dle [55], [3] použití modelu s rádiusem R1 v patě a kořenu svaru doporučeno pro tloušťky nad 5 mm ,napětí u provedení svaru použitím radiusu R3 a u provedení se svarem výšky 3 mm se zaoblením v patě svaru dosahuje velmi podobných hodnot. Pro zjednodušení je tedy použit model se svarem nahrazeným radiusem R3. Částečný svar v případě č. 9 tabulky 6.5 znamená provedení svaru na třech vnějších rovných plochách vzpěry, nikoli v oblasti její zaoblených hran. Z analýzy plyne, že toto provedení není optimální. Kritické místo se v tomto případě objevuje v místě počátku svaru a dosahuje zhruba dvojnásobných hodnot oproti provedení se svarem po celém vnějším obvodu - působí jako vrub. Prototyp na obrázku 6.14 nebyl svařen kompletně po obvodu ale pouze částečně. Toto řešení pro seriovou výroubu nedoporučuji. Protože prototypy jsou v době kompletace diplomové práce v provozu mimo areál Zetor, nebylo možno detailně vymodelovat provedení částečných svarů, zejména oblastí kde svary končí. Z toho důvodu je pro veškerou ná- Obrázek 6.14: Provedení sledující simulaci použita náhrada svaru zaoblením R3, v ta- svaru vzpěry na prototypu bulce 6.5 případ 3. [84]

49

6.5. TVORBA SÍTĚ

6.5. Tvorba sítě Mé zadání obsahuje svařenec z tenkostěnných plechů. Úprava geometrie modelu s ohledem na charakteristiku zatížení je velmi důležitá. Z důvodů přesného výpočtu svarových spojů jsem byl nucen použít objemové elementy. Na základě analýzy podsestavy v předchozí kapitole je pro celkový MKP model jako náhrada svaru volen radius R=3 mm. Velikost elementu byla volena co největší s ohledem na charakter geometrie. V místech kde došlo ke koncentraci napětí bylo provedeno lokální zjemnění sítě jak je zobrazeno na 6.5.

Obrázek 6.15: Celkové provedení sítě sestavy

Obrázek 6.16: Celkové provedení síťování s lokálním zjemněním v oblastech, kde dochází ke koncentraci napětí

50

6. ANALÝZA A INTERPRETACE VÝSLEDŮ

6.6. Předpětí šroubů Výpočet síly předpětí Pro potřeby analýzy je použit zcela jednoduchý výpočet síly přepětí, bez uvažování tření v závitech a z něj plynoucí namáhání dříku šroubu krutem. Předpokládaná je běžná pevnost 8.8. Dle literatury [36] je předpokládáno, že při utáhnutí šroubového spoje je využito 75 % hodnoty meze kluzu u šroubů k opakovatelnému použití,resp. 90% u šrboubů jednorázových. Mez kluzu u šroubů pevnosti 8.8 tvoří 80 % z 800 MPa, tzn 640. MPa. Výpočet síly předpětí. So je průřez jídra šroubu [mm2 ], přičemž pro M12 So = 76. Fi = 0, 75 · 640 ∗ So ·

(6.2)

Síla předpětí vychází M12 36500 N. Spojení držáku DOC a trubky výfuku Šroubový spoj M12 je vymodelován velmi zjednodušeně. Je uvažována válcová hlava šroubu, podložka je zanedbána, ale matice má vnější průměr shodný s průměrem podložky. Předpětí v dříku šroubu je zjednodušeně nahrazeno tlakem v axiálním směru na válcové části dříku šroubu a na matici v místě výskytu závitů . Síla předpětí spoje M12 je 36500 N. Jak je na obrázku 6.17 zřejmé, z důvodu jednoduchého modelu je největší napětí v místě vrubu ve přechodu hlavy a dříku šroubu. Větší napětí je v místě pod hlavou šroubu, protože síla předpětí je rozložena na menší plochu nežli v případě matice. Pokud se zaměříme na napětí cca 220 MPa.

Obrázek 6.17: Rozložení napětí ve šroubovém spojení DOC držáku a trubky výfuku. ve spojovaném materiálu, toto dosahuje

Shrnutí předpětí Ačkoli napětí ve šroubech a dosedacích ploch dosahují výrazně vyšších hodnot nežli napětí způsobené vibracemi, toto napětí se v průběhu cyklu nemění, a tudíž nejsou kritickým místem při řešení únavy. Navíc se šroubové spoje nenachází v blízkosti míst s největšími napětími, proto jsou při simulacích zcela zanedbány.

6.7. Statické zatížení Podmínky Pohyb zamezen v místech uchycení k bloku a hlavě motoru. Náhrada filtračních hmot ve svislé části výfuku je provedena hmotným bodm o hmotnosti 35kg s momentem setrvačnosti, zatížení pouze gravitací ve směru Z. 51

6.8. MODÁLNÍ ANALÝZA

6.7.1. Výsledky Maximální redukované napětí je 33,8 MPa, přičemž kritické místo je na obrázku 6.19

Obrázek 6.18: Celkové rozložení napětí při zatížení 1 g, maximální napětí 33,8 MPa.

Obrázek 6.19: Kritické místo při statickém zatížení 1 g, maximální napětí 33,8 MPa. Nejvyšší redukované napětí dosahuje cca 34 MPa. To za předpokladu, že svar je proveden až k hraně výztuhy z obou stran.

6.8. Modální analýza Modální analýzou se získá rezonanční frekvence a tvary kmitání dané konstrukce . Charakter buzení ani tlumení nejsou uvažovány, proto vypočtené deformace dané součásti mohou být porovnávány pouze v rámci jednoho módu , avšak neodpovídají reálným deformacím. Každý mód odpovídá situaci, kdy jsou v rovnováze deformací vyvolané síly a setrvačné síly. Vlastní frekvence lze měnit (posunout) konstrukční úpravou, a to změnou tuhosti, hmotnosti nebo zatížení. Zatížení (prestress) v podobě tahových napětí zvyšuje vlastní frekvenci, kdežto tlakové napětí rezonanční frekvenci snižuje [58].

52

6. ANALÝZA A INTERPRETACE VÝSLEDŮ Podmínky Modální analýza byla provedena pod zatížením -1 g ve směru osy Z., v místě přichycení k motoru jsou odebrány všechny stupně volnosti. Modální analýza bez zatížení byla provedena také, ale nedošlo k výraznému posunu vlastních frekvencí, proto jsou uvedeny pouze jedny výsledky.

6.8.1. Výsledky Kmitání dosahuje nejvyšších hodnot v podélném směru traktoru, kde je nejnižší tuhost analyzovaného výfuku. Výsledky modální analýzy jsou v tabulce 6.6. Mod Frekvence [Hz] Ot. motoru [min−1 ] 1 14,5 870 2 25,1 1506 3 52,9 3174 Tabulka 6.6: Vlastní frekvence výfuku. Zatížení 1 g Kmitání čtyřválcového motoru Zetor Výsledky modální analýzy by měly být porovnány nejen s rozsahem pracovních otáček motoru, ale také s přispěním jednotlivých složek (řádů) kmitání daného motoru a charakteru provozu.

Obrázek 6.20: Kmitání klikové hřídele v závislosti na otáčkách čtyřválcového motoru Zetor [33]

53

6.9. HARMONICKÁ ANALÝZA Dle údajů výrobce jsou volnoběžné otáčky 800 ± 25 ot/min. První mod je tedy těsně nad hranicí volnoběhu. Nejvyšší točivý moment je dosažen v rozmezí 1300 - 1500 ot/min, z čehož plyne, že druhý mod se nachází v oblasti, kde bude motor provozován nejčastěji. Další mod je již za hracicí přeběhových otáček (2460 ot/min). Nejmenší tuhost výfuku (a největší deformace) jsou v podélném směru (osa X), přičemž amplitudy zrychlení, získané z jízdních zkoušek, v podélném a příčném směru (osy X a Y ) jsou o dva řády menší, nežli zrychlení v ose Z. Lze tedy usoudit, že i když vlastních frekvencí je dosahováno v provozních otáčkách motoru, při provozu bude převažující namánání ve směru, kde je větší tuhost výfuku. Vyrobené prototypy nasazené do reálného provozu toto potvrzují, neboť nevykazují přílišné kmitání vertikální části výfuku a nedošlo ani k jeho poškození.

6.9. Harmonická analýza Principem harmonické analýzy je sinusově měnící se průběh zatížení, který vede k sinusovému průběhu deformací v dané frekvenci, za podmínky nepohybující se základny [72], [76]. V reálné praxi, při řešení kmitání, však dochází právě ke kmitání základny, a zatížení se relativně nemění. Proto jsou výsledky harmonické analýzy pouze orientační pro dokreslení oblastí rezonančních frekvencí. Na obrázku 6.21 je zobrazena amplituda kmitání bodu na konci výfuku. Zatížení je 1 g, tlumení je zcela zanedbáno.

Obrázek 6.21: Výchlylky vrchní části výfuku v osách X, Y, Z v závislosti na budící frekvenci. Obrázek slouží pouze pro ilustraci k porovnání s výsledky modální analýzy, kde vlastní frekvence vyšly v hodnotách 14,5 Hz a 25,1 Hz.

6.10. Vibrace Jak je zmíněno výše, z důvodů vlastností harmonické analýzy je nutno použít analýzu, která je v prostředí ANSYSu Workbench označována jako Responce Spectrum. Při této dochází k buzení základny danou amplitudou zrychlení (popřípadě rychlostí, dráhou) při dané frekvenci, přičemž zatížení se nemění. Toto odpovídá zatížení traktorového výfuku více, nežli statická základna a měnící se zatížení

54

6. ANALÝZA A INTERPRETACE VÝSLEDŮ Podmínky Analýzu je nutno provádět zvlášt pro každý směr, ve kterém ke kmitání vychází. Proto jsou provedeny tři analýzy, přičemž data amplitudy zrychlení při daných frekvencích jsou zobrazena v tabulce 6.2. Pro analýzy ve směru X a Y byly vybrány tři největší amplitudy. Pro analýzu v ose Z byly provedeny analýzy, s cílem zjistit, zda k většímu namáhání dochází při velkém (2,5 g) zatížení ale nízkých frekvencích (0,7 Hz), nebo při hodnotách nižšího zrychlení, ale v oblasti vlastních frekvencí. Kritické místo Kritické místo se změnilo. Nyní je ve svaru konusu a diagonální vzpěry.

Obrázek 6.22: Rozložení napětí při zatížení vibracemi při 2,5 g při 0,7 Hz. Nejvyšší redukované napětí dosahuje hodnoty 69 MPa.

6.10.1. Výsledky Výsledné napětí pro kmitání v osách X a Y dosahuje od dva řády menších hodnot, nežli v ose Z, proto je zandbáno. Výsledné maximální napětí při daném zatížení je v tabulce 6.7. Kritické místo je vždy stejné. Při výpočtu životnosti je tedy použito maximální zjištěné napětí.

55

6.11. VÝPOČET ÚNAVY Zrychlení v ose Z [mm/s2 ] Frekvence [Hz] Napětí [MPa] 25000 0,7 68,7 16000 1,4 44 12000 3,8 32,9 10000 7,2 27,4 8800 13 24,1 5900 16,2 16,2 5500 19,7 15,1 4900 26,3 13,5 Tabulka 6.7: Výsledné napětí při zatížení kmitáním v ose Z

6.11. Výpočet únavy Při pevnostní analýze je obvykle sledováno místo s nejvyšším napětím. Pro porovnání únavy je potřeba znát celý zátěžný cyklus. Důležité není místo a největšího napětí, ale místo největšího rozkmitu napětí v průběhu cyklu. Kritické místo z pohledu pevnostní analýzy tedy nemusí být kritickým místem při analýze únavové životnosti.

6.11.1. Únavová životnost dle ANSYS Workbench Použitý MKP program ANSYS Workbench disponuje také nástrojem pro určení životnosti (Life) či únavové bezpečnosti (Safety Factor). Volí se koeficient závislý na vnějších podmínkách Kf , který zahrnuje vliv zatížení, kvality povrchu, pravděpodobnost přežití, teplotu a další. Výhodou je jednoduché ovládání, kdy je volen pouze koeficient Kf , kritérium porušování, typ zátěžného cyklu a převažující složka napětí. S-N křivka je volena automaticky dle charakteru zadaného materiálu v počátku analýzy. Hlavní nevýhodou je použití těchto nástroujů pouze v režimu Static Structural - statické analýzy, nikoliv pro dynamickou zátěž způsobenou vibracemi. Proto je nutno únavovou životnost vypočítat ručně, nebo použít specializovaný software.

6.11.2. Základy únavy Pokusy prováděné A. Wöhlerem prokázaly závislost únavové pevnosti materiálu na počtu cyklů do lomu. Testovány byly leštěné vzorky bez vrubu, zatěžovací cyklus byl prostý ohyb sinusového průběhu - souměrný střídavý. Pro tento cyklus platí σm = 0. Při pohledu do Haighova diagramu 6.24 je zřejmé, že σA = σC . V praxi však zatěžovací cyklus bývá spíše míjivý či pulzující. Pro přepočet odpovídající meze únavy σC při cyklu, kde σm 6= 0 se používá různých kritérií porušování. Jedná se o Goodmanovu přímku, Gerberovu parabolu, Soderbergovu přímku či ASME elipsu. Kritérium porušení se promítne do rovnice křivky, ze které se vypočítá mez únavy pro danou charakteristiku zatěžování. Například při použití Goodmanova kritéria platí následující rovnice 6.3.

56

6. ANALÝZA A INTERPRETACE VÝSLEDŮ σA σM + =1 (6.3) σC Rm kde σA je amplituda napětí, σC je mez únavy, σM je střední napětí, Rm je mez pevnosti materiálu [5, s.367]. Protože S-N křivky byly získány v laboratoři za podmínek, které v běžném provozu nelze dosáhnout, je nutno do výpočtu zahrnout kompenzační koeficienty. Je nutno brát v úvahu velikost tělesa (větší těleso má větší pravděpodobnost nehomogenity materiálu), vliv jakosti povrchu, charakter zatěžování, požadovanou spolehlivost a další. Koeficient je možno započítat do výpočtu meze únavy, nebo použít k úpravě S-N křivek, kdy se vlivem vrubu zvýší sklon křivky [13] . Použije se vždy pouze jednou.

Obrázek 6.23: S-N křivka [5, s.330]

Obrázek 6.24: Haighuv diagram [39] Teoretické vztahy pro výpočet středního napětí σm a amplitudy napětí σa . σa =

σemax − σemin 2

(6.4)

σemax + σemin (6.5) 2 kde σemin je minimální hodnota evivalentního napětí, σemax je hodnota maximálního napětí v průběhy zatěžovacího cyklu. V mém případě je však střední napětí σm voleno jako napětí vyvolané zatížením prosté gravitace ve směru osy Z. Amplituda napětí σa je potom vypočteno dle vztahu: σm =

σa = σemax − σm

(6.6) 57

6.11. VÝPOČET ÚNAVY kde σemax je maximální napětí vyvolené kvazistatickým zatížením o velikosti 2,5 g ve směru osy Z v jednom případě, v druhém případě od působení vibrací dle dat z upravené jízdní zkoušky.

6.11.3. Únavová životnost metodou LSA Použitá metoda LSA (Local Stress Analysis) kombinuje napětí vypočtené pomocí MKP řešení s analytickým výpočtem únavy. Naproti tomu jednoduché analytické metody (NSANominal Stress Analysis) vychází z výpočtu prutu, a vrubové účinky geometrie jsou získány vynásobením nominálního napětí vrubovým koeficientem. Tato metoda vyhodnocuje dva stavy, a to takové, při kterých je dosáhnuto minimálního a maximálního napětí (neboli deformace). Jak z předchozích simulací vyplynulo, kritické místo při zatížení gravitací je jiné, nežli místo maximálního napětí při simulaci vibrací. Zátěžný cyklus má střední hodnotru napětí σm odpovídající zátěži v klidném stavu pouze od gravitace (1 g). Hodnota amplitudy σa je napětí od vibrací. Bod s největším rozkmitem napětí byl zjištěn následujícím způsobem: Byly exportovány výsledky napětí od zatížení 1 g, 2,5 g a vibrací. Hodnoty napětí při zatíření 1 g v jednotlivých bodech byly jako referenční, od kterých se hledá největší odchylka pro každý bod při zatížení 2,5 g a vibrací. Body s největším rozkmitem jsou pak kritickým místem z hlediska únavové živostnosti. Výpočet vrubových koeficientů Jak bylo zmíněno výše, S-N křivky odpovídají laboratorním podnímkám, a proto je nutné pužít korekční koeficienty, v tomto případě zejména koeficient vlivu vrubu. Při analytickém řešení bychom vypočítali nominální napětí a vynásobili vrubovým koeficientem. MKP získáme reálné rozložení napětí v oblasti vrubu, ale pro určení životnosti je nezbytné zpětně vypočítat tento vrubový koeficient. Ten závisí zejména na gradientu napětí do hloubky materiálu. Výběr nodů je znázorněn na obr. 6.25, kde σX je maximální napětí nodu, u kterého je v průběhu cyklu největší rozkmit napětí. σX1 je napětí nejbližšího nodu ve změru normály do hloubky materiálu, vzdálenost |XX1 | je mezi těmito nody.

Obrázek 6.25: Výběr bodů pro určení gradientu napětí (ilustrační obrázek) [10]

58

6. ANALÝZA A INTERPRETACE VÝSLEDŮ Poměrný gradient χR : χR =

1 σX − σX1 σX |XX1 |

(6.7)

kde σX a σX1 jsou redukovaná napětí v daných bodech, |XX1 | je vzdálenost mezi těmito body. Korekční součinitel: σCO −1 fG = 1 + σCT 2 · χR (6.8) dV Z

kde σCO je mez únavy daného materiálu v ohybu, σCT v tahu / tlaku, dV Z je průměr zkušebního vzorku. Poměr β/α: Re β √ = 1 + χR · 10−(0,35+ 810 ) α

(6.9)

Koeficient vlivu velikosti υσ Protože se jedná o tenkostěnné konstrukce, koeficient vlivu velikosti je zanedbán, tzn υσ = 1. Koeficient pravděpodobnosti přežití ησ Pravděpodobnost je volena na úrovni 99%, což znamená ησ = 0, 814.

Součinitel bezpečnosti pro lokální napětí: k=

α σCT · ησ · υσ · fG · β σa

(6.10)

kde υσ a ησ jsou koeficienty velikosti a pravděpodobnosti, σa je amplituda napětí, σm je střední hodnota napětí. Celkový součinitel bezpečnosti únavy: β σCT · ησ · υσ · fG σm 1 = · + kp α σa Rm

(6.11)

59

6.11. VÝPOČET ÚNAVY Vstupní hodnoty pro výpočet Veličina Označení Jednotky Hodnota Mez kluzu Re MPa 250 Mez pevnosti Rm MPa 585 Mez únavy v ohybu σCO MPa 241 Mez únavy v tahu σCT MPa 180 Vliv velikosti υσ 1 Vliv teploty kd 0,7 Prům. zk. vzorku dV Z mm 7.5 Pravděp. přežití ησ 0,814 Max. napětí σemax MPa 68,723 Min. napětí σemin MPa 3,499 Vzdálenost |XX1 | mm 0,479 Tabulka 6.8: Vstupní hodnoty pro výpočet únavy

Obrázek 6.26: Výběr nodu pro výpočet únavy Nod s maximálním rozkmitem napětí a pomocný nod pro výpočet gradientu napětí jsou na obrázku 6.26 a jejich charakteristiky v tabulce 6.9. Z ní plynou tyto počáteční hodnoty: σX = 68,723 MPa σX1 = 38,172 MPa |XX1 | = 0,4792 mm Číslo nodu Označení Poloha X 148771 X 490,94 151958 X1 491,34 Tabulka 6.9: Charakter uzlů

Poloha Y Poloha Z Napětí [MPa] 730,60 967,06 68,723 730,81 967,22 38,172 pro výpočet gradientu napětí

Výsledky výpočtu únavy Tabulka 6.10 zobrazuje výsledky výpočtu únavy dle výše zobrazených rovnic.

60

6. ANALÝZA A INTERPRETACE VÝSLEDŮ Veličina Označení Jednotky Hodnota Amplituda napětí σa MPa 32,61 Střední napětí σm MPa 36,11 Poměrný gradient χR 0,928 Korekční součinitel fG 2,179 Poměr beta/ alpha β/α 1,218 Souč. únavové bezp. kp 4,18 Tabulka 6.10: Výsledky výpočtu únavy Koeficient bezpečnosti únavy vyšel okolo 4,2, což by mělo znamenat bezproblémový provoz. Výpočet je však založen na napětích z MKP analýzy, kdy byl uvažovaný nepřerušovaný svar bez vrubových účinků. Dalším předpokladem pro pevnostní analýzu svarů jsou žádná zbytková napětí po svařování. Rozhodující je také kvalita síťování v kritickém místě. Samotný výpočet únavy je ovlivněn jemností sítě při výběru pomocného uzlu: jeho napětí a vzdálenost při výpočtu poměrného koeficientu χR . Vystupují zde koeficienty zohledňující charakter provozu, například vliv tepelného zatížení. Vliv cyklů tepelné roztažnosti byl zanedbán. Je počítáno pouze se sníženou pevností materiálu při teplotách okolo 500 ◦ C. Pravděpodobnost přežití součásti byl volen 99 %. Vliv velikosti byl zanedbán, protoře se jedná o tenkostěnné konstrukce. Vliv povrchové úpravy byl také zanedbán. Vzhledem k podmínkám uvažovaných při výpočtu LSA a k vysokému součiniteli únavové bezpečnosti bych konstatoval že stávající konstrukce je dostačující.

6.12. Doporučené konstrukční úpravy Doporučení se netýkají konstrukce, ale spíše technologie výroby. Jak je zobrazeno na obrázku 6.14, prototypy s výfukovým systémem Stage IV nemají optimální provedení svaru konusu a šikmé vzpěry. Vynechání svaru v místě radiusů vede k přemístění kritického místa do místa začátku svaru v blízkosti radiusu. Toto funguje jako vrub a dochází ke koncentraci napětí. Dle zjednodušené analýzy v kapitole 6.4.1 může napětí dosáhnout i dvojnásobné hodnoty (záleží na konkrétním provedení, detailním vymodelování svaru a způsobu zatěžování).

61

7. Závěr Předložená diplomová práce se v úvodní částí zabývá problematikou vzniku a eliminací emisních složek vznětového motoru. Ve druhé části byla provedena pevnostní analýza traktorového výfuku s komponentami nezbytnými pro splnění emisních limitů pro nesilniční vozidla Stabe IV. Nejvýznamnější emisní složky vznětových motorů jsou pevné částice známé jako saze, a oxidy dusíku. Nejméně sazí vzniká při spalování za vysokých teplot, při kterých naopak vzniká největší množství N OX . Proto motory bývaly naladěny na spalování za vysokých teplot s SCR, nebo spalování za nízkých teplot s DPF. Emisní limity Stage IIIB byly zaměřeny zejména na snížení produkce pevných částic, což výrobci zpravidla dosahovali použitím filtru pevných částic. Ten je potřeba čas od času aktivně regenerovat, což prináší zvýšení spotřeby paliva. Někteří výrobci (traktorů a nákladních vozidel) pro své výkonné motory použily vstřikování AdBlue, což sice přineslo vyšší provozní náklady, ale klesla spotřeba pohonných hmot (údává se úspora 2 eura na palivo při zakoupení AdBlue za 1 euro). AdBlue je směs močoviny a 2/3 vody. Vlhkost pomání snižovat teplotu (popřípadě zvyšovat účinnost) katalytické redukce. S nástupem Stage IV a Euro 6 dochází k ponechání limitů pevných částic, ale limity oxidů dusíku klesnou o 80%. Proto je nezbytné používat jak systém DPF tak SCR, přičemž v daném režimu motoru je užitečný jen jeden systém. Pro pasivní regeneraci DPF je potřeba předřazený oxidační katalyzátor, regenerace probíhá samovolně při teplotách od 250 ◦ C Aktivní regenerace vyžaduje u CR vstřikování pozdní vstřik paliva, v případě řadových vstřikovacích čerpadel je potřeba samostatný vstřikovač nafty do výfukového potrubí (Například Departronic od firmy Bosch). Aktivní regenerace probíhá při teplotách nad 500 ◦ C a znamená nezanedbatelné zvýšení spotřeby paliva. Pojednáno bylo o vývoji aftertreatment systémů u konkurence, stejně jako potřebné konstrukční úpravy u traktorů Zetor nezbytné pro plnění emisních limitů od Stage II až do Stage IV. Střední část práce se věnuje rozmístění komponent systému katalitické redukce. Došlo k porovnání řešení tohoto problému u konkurence. Pozornost byla věnována zejména umístění nádrže na AdBlue, umístění SCR filtru ve vertikálnm výfuku a jeho tuhé upevnění. Kapacita nádrže AdBlue bývá okolo 10 % kapacity nádrže na palivo (u Zetoru okolo 25 l AdBlue a 220 l paliva). Dále bylo zmíněno rozmístění potřebných čidel pro aktivní regeneraci filtru pevných částic a systému SCR. Zetor používá výrobek firmy Bosch: Denoxtronic, který řídí a realizuje vstřikování močoviny do výfuku. Je vybaven vlastní řidící jednotkou, podávacím vyhřívaným modulem v nádrži na AdBlue a samotným vstřikovačem močoviny do potrubí před DPF. V rámci praktické části je základem úspěchu vhodná úprava geometrie. Byla provedena analýza různého provedení svarového spoje na podmodelu. Výsledkem toho byla volba konkrétního tvaru svaru na celkovém modelu sestavy. Byla provedena pevnostní analýza 62

7. ZÁVĚR při působení gravitace, přičemž tato hodnota byla použita při výpočtu únavy jako střední napětí. Následovala modální analýza, přičemž vlastní frekvence odpovídá 870 ot/min a 1500 ot/min. Bylo zjištěno, že nejmenší tuhost sestavy je v podélném směru traktoru, avšak zatížení ve svislém směru získané z datových zkoušek je o dva řády vyšší. Proto lze konstatovat, že i když vlastní frekvence leží v provozním rozsahu motoru, díky charakteru provozu to nevede k destrukci výfuku. Toto bylo ověřeno i na prototypech nasezených v reálných podmínkách. Analýza vibrací je založena na datech z jízdních zkoušek, kdy největší amplitudy zrychlení 2,5 g je dosahováno ve vertikální ose při nízkých frekvencích okolo 0,7 Hz. Při vyšších frekvencích je amplituda nižší. Zrychlení v osách X a Y jsou výrazně menší, proto při analýze nebyly uvažovány. Největší napětí je v místě svaru spodního konusu vertikální části výfuku se šikmou vzpěrou. Napětí dosahuje hodnoty 68,7 MPa, přičemž ve stejném místě při statickém zatížení 1 g je napětí 3,5 MPa. Z těchto hodnot je spočteno střední napětí a amplituda napětí potřebné pro únavovou analýzu výfuku. Součinitel únavové bezpečnosti výfuku je okolo 4,2. Bylo počítáno se zvýšenou provozní teplotou okolo 500 ◦ C a pravděpodobnosti přežití 99 %.

63

LITERATURA

Literatura [1] Dennis, A., Garner, C., and Taylor, D., The Effect of EGR on Diesel Engine Wear, SAE Technical Paper 1999-01-0839, 1999, doi:10.4271/1999-01-0839. [2] Li, S., Csontos, A., Gable, B., Passut, C. et al., Wear in Cummins M-11/EGR Test Enginesr, SAE Technical Paper 2002-01-1672, 2002, doi:10.4271/2002-01-1672. [3] Hejtman M., Růžička M., Hodnocení únavové životnosti svarových spojů na základě výsedků výpočtu MKP, [cit. 26.02. .2014], získáno v rámci podkladů na VUT, ÚADI [4] Shigley J.E. Shigley’s mechanical Enigeer Design , McGraw-Hill, ISBN 0-390-76487-6 [5] Shigley J.E. Konstruování strojních součástí , VUTIUM, ISBN 978-80-214-2629-0 [6] Schnelle, Karl B., Jr., Brown, Charles A., Air pollution control technology handbook, SFlorida: CRC Press LLC, 2001. 408 p. . ISBN 0-8493-9588-7 [7] Sorenson S.C., Engine Principles and Vehicles, Technical University of Denmark, Lyngby (2008). [8] Dílenská učební pomůcka 60 - Motor 2,0 TDI DPF, ŠKODA Auto a.s. .

DIPLOMOVÉ PRÁCE [9] Vaško, R., Plnění emisních norem u traktorových motorů, Brno: Vysoké učení technické v Brně, FSI, 2012. 59 s. Vedoucí práce Ing. Radim Dundálek, Ph.D. [10] Vopařil, J., Tvarová optimalizace klikového hřídele leteckého motoru, Brno: Vysoké učení technické v Brně, FSI, 2011. 85 s. Vedoucí práce doc. Ing. Pavel Novotný, Ph.D.

ELEKTRONICKÉ ZDROJE [11] aecc.be, Overview of Emissions on World - Harmonised and Non-road Cycles from the AECC Euro VI Programme, [cit. 31.10.2013], Dostupné z http://www.aecc.be/ content/HD%20Seminar/11__AECC_Rickert.pdf. [12] ANSYS, Fatigue Analysis of a Welded Assembly Using ANSYS Workbench Environment, [cit. 01.05. .2014], Dostupné z http://www.ansys.com/staticassets/ANSYS/ staticassets/resourcelibrary/confpaper/2006-Int-ANSYS-Conf-129.pdf [13] ANSYS, Analyzing Random Vibration Fatigue, [cit. 01.05. .2014], Dostupné z http://www.ansys.com/staticassets/ANSYS/staticassets/resourcelibrary/ article/AA-V2-I3-Random-Vibration-Fatigue.pdf [14] arnika.org, Polycyklické aromatické uhlovodíky, [cit. 20.10.2013], Dostupné z http: //arnika.org/polycyklicke-aromaticke-uhlovodiky-pahs.

64

LITERATURA [15] Autodiagnos.com, PSA Diesel Additive (FAP) system reset, [cit. 30.10.2013], Dostupné z http://www.autodiagnos.com/sites/default/files/psa_307_addgo2_ fap.4.pdf. [16] Baumot, Baumot DPF systems, [cit. 16.10.2013], Dostupné z http://www.baumot. ch/index.cfm?lng=en&s=TmpStandard&hmID=9&contentID=131&action=hm9. [17] Baumot, Systémy pro následnou úpravu výfukových plynů, [cit. 16.10.2013], Dostupné z http://baumot.ch/dateien/dokumente/Produktubersicht_CZ.pdf. [18] Birkhold, Meingast, Wassermann, Deutschmann, Analysis of the Injection of Urea-water-solution for automotive SCR DeNOx-Systems: Modeling of Two-phase Flow and Spray/Wall-Interaction, [cit. 8.10.2013], Dostupné z http: //www.itcp.kit.edu/deutschmann/img/content/62_06_SAE_2006-01-0643_ Birkhold_2PhaseFlowWallfilm.pdf. [19] BOSCH, Denoxtronic 2.2 - Urea Dosing System for SCR systems, [cit. 29.10.2013], Dostupné z http://www.bosch-kraftfahrzeugtechnik.de/media/ db_application/downloads/pdf/antrieb/en_3/DS_Sheet_Denoxtronic2-2_ Urea_Dosing_System_20120718.pdf. [20] BOSCH, Denoxtronic 5 - Urea Dosing System for SCR systems, [cit. 29.10.2013], Dostupné z http://www.bosch-automotivetechnology.com/media/specials/iaa/ downloads_1/sauber_sparsam_1/Optimization_diesel_systems_Denoxtronic_ 5_en.pdf. [21] BOSCH, Denoxtronic 6-5 - Urea Dosing System for SCR systems, [cit. 15.10.2013], Dostupné z http://www.bosch-kraftfahrzeugtechnik.de/media/ db_application/downloads/pdf/antrieb/en_3/DS-Datenbl_DENOX_6-5-EN_ 201303.pdf. [22] BOSCH, Departronic 2 - Diesel Dosing System for Particulate Filter Regeneration, [cit. 31.10.2013], Dostupné z http://www.bosch-automotivetechnology.com/ media/db_application/downloads/pdf/antrieb/en_3/ds_cvdpm2de_2010.pdf. [23] Buono D., A. Senatore, M.V. Prati„ Particulate filter behaviour of a Diesel engine fueled with biodiesel, Applied Thermal Engineering, Volume 49, 31 December 2012, Pages 147-153, ISSN 1359-4311, Dostupné z http://www.sciencedirect.com/ science/article/pii/S1359431111004492. [24] Busca G., Letti L., Ramis G., Berti F., Chemical and mechanistic aspects of the selective catalytic reduction of NOx by ammonia over oxide catalysts: A review, [cit. 12.10.2013], Dostupné z http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/ S092633739800040X. [25] Cummins Emissions, EcoFit Urea Dosing System, [cit. 31.10.2013], Dostupné z http://cumminsemissionsolutions.com/CES/CESContent/SiteContent/en/ Binary_Asset/PDF/EcoFit_Urea_Dosing_System_Spec_Sheet_FINAL.pdf. [26] Cummins Engines, Cummins Particulate Filter, [cit. 25.9.2013], Dostupné z http: //cumminsengines.com/cummins-particulate-filter. 65

LITERATURA [27] czas.cz, TURBO-CHARGER C14, [cit. 27.04. .2014], Dostupné z http://www.czas. cz/?PageId=201&Rada=C14 [28] Delphi, Worldwide Emission Standards, [cit. 17.10.2013], Dostupné z http:// delphi.com/pdf/emissions/Delphi-Heavy-Duty-Emissions-Brochure-2012-2013. pdf. [29] Delphi, Delphi Selective Catalytic Reduction Dosing System, [cit. 31.10.2013], Dostupné z http://delphi.com/manufacturers/auto/powertrain/diesel/ em-tech/scrds/. [30] Designers Handbook Series, High Temperature Charecteristics of Stainless Steels, [cit. 09.05. .2014], Dostupné z http://www.nickelinstitute.org/~/Media/Files/ TechnicalLiterature/High_TemperatureCharacteristicsofStainlessSteel_ 9004_.pdf [31] DieselNet, Emission Test Cycles, [cit. 28.10.2013], Dostupné z http://www. dieselnet.com/standards/cycles/. [32] DieselNet, Nonroad Transiet Cycle (NRTC), [cit. 03.11.2013], Dostupné z http:// www.dieselnet.com/standards/cycles/nrtc.php. [33] Drápal L., Novotný P., Píštěk V., Beran M., Cranktrain dynamics simulation, [cit. 03.05. .2014], Dostupné z http://pernerscontacts.upce.cz/28_2012/Drapal.pdf [34] ec.europa.eu, Correlation Factors between European and World Harmonised Test Cycles for Heavy-duty Engines, [cit. 30.10.2013], Dostupné z http://ec.europa.eu/enterprise/sectors/automotive/files/projects/ report_whtc_correlation_en.pdf. [35] ec.europa.eu, Heavy-Duty Engine Validation of World Harmonised Duty Cycle (WHDC), [cit. 29.10.2013], Dostupné z http://ec.europa.eu/enterprise/ sectors/automotive/files/projects/report_whdc_en.pdf. [36] eFunda.com, Torque and Tension in Bolts, [cit. 09.05. .2014], Dostupné z http:// www.efunda.com/designstandards/screws/fasteners_intro.cfm [37] epa.gov/celandiesel, Diesel Particulate Filter, Operation and Maintenance, [cit. 15.10.2013], Dostupné z http://epa.gov/cleandiesel/documents/420f10027. pdf. [38] Fang, DaCosta, Urea Thermolysis and NOx reduction with and withnout SCR catalysts. Cummins Technology Center, Cummins Inc., USA, Dostupné z http: //www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337303001772# [39] fea-optimization.com, Stress-Life Fatigue Analysis , [cit. 20.05. .2014], Dostupné z http://www.fea-optimization.com/ETBX/stresslife_help.html [40] Fendt.com, Fendt SCR technology, [cit. 2.10.2013], Dostupné z http://www.fendt. com/int/5320.asp.

66

LITERATURA [41] Fendt.com, Fendt 500 Vario, [cit. 2.10.2013], Dostupné z http://www.fendt.com/ int/pdf/12487400_FE_516_EN_Internet.pdf. [42] Flow.Vision, SCR DeNOx Technology, [cit. 7.10.2013], Dostupné z http:// flowvision-energy.com/scr-denox-tech. [43] Flow.Vision, SNCR DeNOx Technology, [cit. 7.10.2013], Dostupné http://flowvision-energy.com/sncr-denox-technology?phpMyAdmin= lcU0IDqFEbA-FBdyAh8ubt9kr8e.

z

[44] Gutberlet H., Deactivation of SCR Catalyst, [cit. 28.10.2013], Dostupné z http: //www.netl.doe.gov/publications/proceedings/00/scr00/LICATA.PDF. [45] Gutierrez R., Fatigue of Welded Connections, [cit. 09.05. .2014], Dostupné z http://ingmecanicospucv.cl/imagenes/material/documentos/presentacion_ fatigue_of_welded_connections.pdf [46] Chvátal, A., Nová norma Tier IVa, [cit. 04.11.2013], Dostupné z http://www.pal. cz/article/5357.traktory-new-holland. [47] John Deere, Off-Highway Diesel Engines, Stage IV, [cit. 2.10.2013], Dostupné z http: //viewer.zmags.com/publication/b1adda38#/b1adda38/1. [48] John Deere, Off-Highway Diesel Engines, Stage IV, [cit. 2.10.2013], Dostupné z http: //www.deere.com/en_US/docs/zmags/engines_and_drivetrain/services_and_ support/engine_literature/final_tier4_selection_guide.html. [49] John Deere, Off-Highway Diesel Engines, Stage IIIB, [cit. 3.10.2013], Dostupné z http://www.deere.com/en_US/docs/zmags/engines_and_drivetrain/ services_and_support/engine_literature/interim_tier4_selection_guide. html. [50] Johnson Matthey, Catalytic Systems Division Regeneration, [cit. 16.10.2013], Dostupné z http://ect.jmcatalysts.com/ Filter-regeneration-johnson-matthey. [51] Johnson Matthey, Catalytic Systems Division N O2 f rompassif ef ilters, [cit. 16.10.2013], Dostupné z http://ect.jmcatalysts.com/ diesel-emission-control-technologies-passive-filters. [52] Johnson Matthey, Catalytic Systems Division N OxAdsorberCatalysts, [cit. 16.10.2013], Dostupné z http://ect.jmcatalysts.com/ emission-control-technologies-Nox-adsorber-catalysts. [53] Johnson Matthey, Catalytic Systems Division Ammonia − SCR, [cit. 17.10.2013], Dostupné z http://ect.jmcatalysts.com/ ammonia-selective-catalytic-reduction-SCR-johnson-matthey. [54] Johnson Matthey, Catalytic Systems Division Hydrocarbon − SCR, [cit. 17.10.2013], Dostupné z http://ect.jmcatalysts.com/ emission-control-technologies-hydrocarbon-selective-catalytic-reduction-SCR. 67

LITERATURA [55] Jurenka J., Hodnocení únavové odolnosti svařovaných konstrukcí, [cit. 01.05. .2014], FS ČVUT, Dostupné z http://mechanika.fs.cvut.cz/content/files/DPZ/DPZ_ Jur_cviceni_2.pdf [56] Kern P., M. Klimczak, T. Heinzelmann, M. Lucas, P. Claus, High-throughput study of the effects of inorganic additives and poisons on NH3-SCR catalysts. Part II: Fe–zeolite catalysts, Applied Catalysis B: Environmental, Volume 95, Issues 1–2, 12 March 2010, Pages 48-56, ISSN 0926-3373, Dostupné z http://www.sciencedirect. com/science/article/pii/S0926337309004731. [57] Klimczak M., P. Kern, T. Heinzelmann, M. Lucas, P. Claus, High-throughput study of the effects of inorganic additives and poisons on NH3-SCR catalysts—Part I: V2O5–WO3/TiO2 catalysts,Applied Catalysis B: Environmental, Volume 95, Issues 1–2, 12 March 2010, Pages 39-47, ISSN 0926-3373, Dostupné z http://www. sciencedirect.com/science/article/pii/S092633730900472X. [58] Kurowski P., Kurowski T., Vibration Analysis for Designers, [cit. 03.05. .2014], Dostupné z http://machinedesign.com/archive/vibration-analysis-designers [59] Kuwahara T., Nishii S., T. Kuroki, M. Okubo, Complete regeneration characteristics of diesel particulate filter using ozone injection, Applied Energy, Volume 111, November 2013, Pages 652-656, ISSN 0306-2619, Dostupné z http://www.sciencedirect. com/science/article/pii/S030626191300442X. [60] Lubrizol ,Impact of Soot in Engine Oil on Wear, [cit. 21.10.2013], Dostupné z http: //www.hddeo.com/ImpactofSootinEngineOilonWear.html. [61] Magdi K. Khair, Hannu Jääskeläinen, Exhaust Gas Recirculation, [cit. 21.10.2013], Dostupné z http://www.dieselnet.com/tech/engine_egr.php. [62] Martinsson J., Fatigue Assessment of Complex Welded Steel Structures, [cit. 09.05. .2014], Dostupné z http://ingmecanicospucv.cl/imagenes/material/ documentos/presentacion_fatigue_of_welded_connections.pdf [63] Mustafa A., Fatigue Analysis of Welded Structures Using the Finite Element Method , [cit. 01.05. .2014], Chalmers University of Technology, 2012, Dostupné z http:// publications.lib.chalmers.se/records/fulltext/155710.pdf [64] NETT Technologies INC, Blue MAX Operations Manual, [cit. 28.10.2013], Dostupné z http://www.nettinc.com/docs/nett_manual_bluemax.pdf. [65] NETT Technologies INC, Diesel Oxidation Catalyst, [cit. 25.9.2013], Dostupné z http://www.nettinc.com/information/emissions-faq/ what-is-a-diesel-oxidation-catalyst. [66] NETT Technologies INC, Hydrocarbon Traps, [cit. 25.9.2013], Dostupné z http:// www.nettinc.com/information/emissions-faq/what-are-hydrocarbon-traps. [67] NETT Technologies INC, Nett BlueMAX Selective Catalytic Reduction System, [cit. 13.05.2014], Dostupné z http://www.nettinc.com/docs/nett_factsheet_ selective_catalytic_reduction.pdf. 68

LITERATURA [68] North American Stainless , Stainless Steel Grade Sheet - AISI 304, [cit. 12.05. .2014], Dostupné z http://www.northamericanstainless.com/wp-content/ uploads/2010/10/Grade-304-304L.pdf [69] N2 Kinetics , Hydrocarbon Selective Catalytic Reduction, [cit. 16.10.2013], Dostupné z http://n2kinetics.com/Hydrocarbon_SCR.html. [70] Pal.cz , New Holland T8, [cit. 04.11.2013], Dostupné z http://www.pal.cz/upload. cs/4/4f550df4_0_t8_2011_cz_web.pdf. [71] Renault.com , NOx Trap, [cit. 28.10.2013], Dostupné z http://www.renault.com/ en/lists/archivesdocuments/nox-trap.pdf. [72] simutechgroup.com , Base Acceleration in Harmonic Analysis Using ANSYS Workbench v14.5, [cit. 07.05. .2014], Dostupné z http://www.simutechgroup.com/FEA/ fea-tips-tricks-ansys-base-acceleration-harmonic-analysis.html [73] TDA Research Inc. , Catalysts for the Selective Oxidation of Ammonia to Nitrogen, [cit. 12.05. .2014], Dostupné z http://www.tda.com/Library/docs/ICES_2003_ Presentation_Wickham.pdf [74] Technikboerse.com , Tractor Fendt 719 Vario SCR, [cit. 04.11.2013], Dostupné z http://www.technikboerse.com/en/view/second-hand-machine/tractor/ 1388850/fendt-716-vario-scr.html [75] Tomek P., Paščenko P., Středová D., Kontrola únavy kostry kapoty dieselelektrické lokomotivy, [cit. 30.05. .2014], Dostupné z http://dspace.upce.cz/bitstream/ 10195/54212/1/TomekP_KontrolaUnavy_2013.pdf [76] University of Alberta, ANSYS Tutorials Harmonic Analysis of a Cantilever Beam, [cit. 07.05. .2014], Dostupné z http://www.mece.ualberta.ca/tutorials/ansys/ IT/Harmonic/Print.pdf [77] University of Waterloo, Stress Analysis and Fatigue of Welded Structures, [cit. 09.05. .2014], Dostupné z http://mme.uwaterloo.ca/~camj/pdf/2011/2_A_ Chattopadhay_2011.pdf [78] Valtra.com, Valtra S series, [cit. 2.10.2013], Dostupné z http://www.valtra.com/ products/tractors/2346.asp. [79] Valtra.cz, Motor AGCO Sisu Power SCR, [cit. 2.11.2013], Dostupné z http://www. valtra.cz/?page_id=294. [80] Volvotrucks.com, VolvoTrucks, [cit. 25.9.2013], Dostupné z http://www. volvotrucks.com/dealers-vtna/en-us/timmins/products/engines/EPA10/ SCR/works/Pages/scrwork.aspx. [81] Zetor Tractors, Motory Zetor, [cit. 3.10.2013], Dostupné z http://www.zetor.cz/ motory. [82] Zetor Tractors, Motory Zetor, [cit. 27.04. .2014], Dostupné z http://www.zetor.cz/ motory-zetor 69

LITERATURA [83] Zetor 25, Historie traktory zetor, [cit. 27.04. .2014], Dostupné z http://www. skoda30.cz/clanky/historie-traktoru-zetor.html

[84] Interní zdroje firmy Zetor Tractors, a.s. [85] Vlastní zdroje autora [86] Vlastní zdroje autora - Veletrh TechAgro 2014, Brno

70

8. SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ

8. Seznam použitých symbolů Použité symboly Kd

koeficient vlivu teploty

Rmt

[MPa]

mez pevnosti při zvýšené teplotě

Rm

[MPa]

mez pevnosti

σD

[MPa]

dovolené napětí

Re

[MPa]

mez elasticity

k

koeficient bezpečnosti

Fi

[N]

síla předpětí šroubu

So

[mm2 ]

průřez jádra šroubu

Rm

[MPa]

mez pevnosti

σa

[MPa]

amplituda napětí

σm

[MPa]

střední napětí

σA

[MPa]

amplituda napětí

σM

[MPa]

střední napětí

σC

[MPa]

mez únavy

σemax

[MPa]

maximální ekvivalentní napětí

σemin

[MPa]

minimální ekvivalentní napětí

σCO

[MPa]

mez únavy v ohybu

σCT

[MPa]

mez únavy v tahu

χR

poměrný gradient

σX

[MPa]

maximální napětí

σX1

[MPa]

napětí pod místem σX

fG dV Z

korekční součinitel [mm]

průměr zkušebního vzorku

β/α

koeficient vrubu

υσ

koeficient vlivu velikosti

ησ

koeficient pravděpodobnosti přežití 71

kp

koeficient bezpečnosti únavy

Použité zkratky AOC

Ammonia oxidation catalyst

DEF

Diesel exhaust fluid

DOC

Diesel oxidation catalyst

DPF

Diesel particulate filter

EGR

Exhaust gas recirculation

NOx

Nitrogen oxides

PM

Particulate mattter

SCR

Selective catalytic reduction

72