Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Katalytické systémy osobních automobilů Bakalářská práce
Vedoucí práce:
Vypracoval:
Ing. Jiří Čupera, Ph.D.
Milan Musil
Brno 2011
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci s názvem „Katalytické systémy osobních automobilů” vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana AF MENDELU v Brně.
dne …..……………………………………..
podpis autora ……………………………….
PODĚKOVÁNÍ
Tímto bych chtěl poděkovat vedoucímu bakalářské práce panu Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za odborné vedení práce a za cenné rady, které mi během řešení této bakalářské práce vždy ochotně poskytoval.
ABSTRAKT
Moje bakalářská práce je zaměřena na katalytické systémy osobních automobilů. Práce obsahuje řadu technických zařízení a systémů ke snížení škodlivin, které produkují spalovací motory. Ty se přes výfukové potrubí dostávají do ovzduší. V úvodu se zabývá základním rozdělením škodlivin a rozdělením podle typu motorů v závislosti na jejich emisní vlastnosti. V druhé části pojednává o katalyzátorech, se kterým úzce souvisí lambda sonda. Dále jsou zde popsány systémy k dodatečnému snižování škodlivin ve spalinách (např. systém EGR - systém, využívající recirkulaci vzduchu, nebo systém CSR – systém využívající ke snižování emisí kapalinu AdBlue – tj. močovina). V závěru jsem vyhodnotil měření škodlivin před a za katalyzátorem v závislosti na úhlu otevření škrtící klapky. Klíčová slova: emise, škodliviny, katalyzátor, DPF filtry
ABSTRACT
My bachelor work is focused on catalytic systems of private cars. There are lots of technical mechanisms and systems for reducing of toxic substances produced by combustion engines in the thesis. These substances go through the exhaust tube into the atmosphere. The first part of the work consists of the basic sorts of the substances and the basic kinds of engines according to the dependence on their emission levels. The second part of the work consists of the catalysts which are closely connected with lambda probe. In addition, I describe the systems for supplementary reducing the toxicants in combustion products (for example the EGR system making use of air recirculation or the CSR system deriving benefit from using the liquid AdBlue (urea) for emission reducing). Finally, I analyzed results of the measurement deals with the amount of the toxic substances in front of and behind the catalyst depending on the throttle valve opening. Key words: emissions, harmful pollutants, catalyst convertor, DPF filters
OBSAH 1 ROZBOR ZADÁNÍ....................................................................................................... 8 1.1 ÚVOD ....................................................................................................................... 8 1.2 CÍL PRÁCE ................................................................................................................ 9 2 PROBLEMATIKA A JEJÍ VYSVĚTLENÍ ................................................................ 10 2.1 SLOŽENÍ VÝFUKOVÝCH PLYNŮ SPALOVACÍHO MOTORU ......................................... 10 2.2 CHARAKTERISTIKA SLOŽEK SPALIN........................................................................ 11 2.3 ROZDĚLENÍ ŠKODLIVIN .......................................................................................... 11 2.4 EMISNÍ LIMITY ....................................................................................................... 13 3 VZNIK ŠKODLIVIN A ZPŮSOBY SNIŽOVÁNÍ JEJICH PRODUKCE ................ 15 3.1 OBECNĚ ZNÁMÉ JEVY ............................................................................................. 15 3.2 BENZINOVÉ ZÁŽEHOVÉ MOTORY ............................................................................ 17 3.3 VZNĚTOVÉ (NAFTOVÉ) MOTORY ............................................................................ 19 3.4 MOTORY POHÁNĚNÉ ALTERNATIVNÍMI PALIVY ...................................................... 21 3.5 DODATEČNÁ ÚPRAVA SPALIN ................................................................................. 22 3.6 PŘÍPRAVA SMĚSI .................................................................................................... 23 4 TECHNICKÁ ZAŘÍZENÍ KE SNÍŽENÍ ŠKODLIVIN ............................................. 25 4.1 KATALYZÁTORY .................................................................................................... 25 4.1.1 Co je to katalyzátor a jeho využití ................................................................. 25 4.1.2 Oxidační katalyzátory .................................................................................... 28 4.1.3 Redukční katalyzátory ................................................................................... 29 4.1.4 Dvoucestné katalyzátory................................................................................ 29 4.1.5 Třícestné katalyzátory.................................................................................... 30 4.1.6 Čtyřcestné katalyzátory.................................................................................. 31 4.1.7 Zásobníkový katalyzátor NOx ........................................................................ 32 4.2 LAMBDA SONDA ..................................................................................................... 33 4.2.1 Vyhřívaná lambda sonda ............................................................................... 35 4.2.2 Odporová lambda sonda ................................................................................ 35 4.2.3 Širokopásmová lambda sonda ....................................................................... 35 4.3 SYSTÉM EGR ......................................................................................................... 36 4.4 SYSTÉM SCR ......................................................................................................... 37
4.5 SYSTÉM DENOXTRONIC ......................................................................................... 38 4.6 FILTRY PEVNÝCH ČÁSTIC ....................................................................................... 39 5 VYHODNOCENÍ KONCENTRACÍ SPALIN ........................................................... 42 5.1 POPIS MĚŘENÍ ......................................................................................................... 42 5.2 TABULKY NAMĚŘENÝCH HODNOT .......................................................................... 44 5.3 GRAFICKÉ ZNÁZORNĚNÍ NAMĚŘENÝCH HODNOT .................................................... 46 6 ZÁVĚR ........................................................................................................................ 51 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY A ZDROJŮ INFORMACÍ................................. 52 SEZNAM OBRÁZKŮ.................................................................................................... 53 SEZNAM TABULEK .................................................................................................... 54
1 ROZBOR ZADÁNÍ 1.1 Úvod V dřívějších dobách se ke snižování škodlivých polutantů z produkce spalovacích motorů nekladl takový důraz. Změna nastala koncem 80. let minulého století. To se tento problém, vlivem stále se zvyšujícího počtu automobilů, musel začít řešit. Postupem času se zvyšovali nároky vzhledem k životnímu prostředí. Snižování se týkalo oxidů dusíku, oxidu uhelnatého, nespálených uhlovodíků a pevných částic. To vedlo k vývoji jednoduchých technických zařízení, která byla schopna snižovat koncentraci škodlivých polutantů. Tento vývoj pokračoval a na světlo světa se dostávali čím dál výkonnější zařízení (katalyzátory, systém SCR, systém EGR a další), která jsou schopna výrazně snížit škodliviny ve výfukových plynech. Dnešní automobilky vyrábějí automobily a jejich prioritní snahou je vyrobení automobilu s co nejpříznivějšími emisními vlastnostmi. Emise škodlivin je jedním z nejdůležitějších parametrů motoru, především vzhledem k ekologii. Emisní vlastnosti jsou dále kontrolovány i v průběhu provozování. Dobré parametry emisí jsou nutnou podmínkou komerční úspěšnosti výrobku. Výsledné složení spalin je nejlepším ukazatelem kvality spalovacího procesu. Bakalářská práce popisuje v úvodní kapitole složení výfukových plynů a jejich dopad na životní prostředí i na člověka. V další části se zabývá emisemi a srovnání s jednotlivými typy motorů. Bakalářská práce se dále věnuje technickým zařízením ke snížení škodlivých polutantů u osobních automobilů. Jednotlivá zařízení na sebe navazují tak, jak se po sobě objevovala na trhu, až po nejmodernější zařízení, která jsou budoucností v tomto odvětví. V poslední kapitole je znázorněno vyhodnocení koncentrací spalin před a za katalyzátorem, které tvoří praktickou část bakalářské práce.
8
1.2 Cíl práce Cílem bakalářské práce je objasnit pojmy týkající se emisí, dále škodlivin vycházejících z výfukového potrubí do ovzduší. Dále bych chtěl shrnout technická zařízení ke snížení škodlivin produkovaných osobními automobily do atmosféry. Hlavní technické zařízení je katalyzátor a od něj se odvíjí další - lambda sonda, systémy využívající recirkulaci vzduchu (systém EGR), systémy SCR (využívající kapalinu AdBlue - močovina), systém Denoxtronic a filtry pevných částic (DPF filtry). Hlavním cílem této bakalářské práce je vyhodnocení koncentrací spalin. Součástí je i grafické znázornění, které by mělo lépe objasnit danou problematiku a poskytnout čtenářům lepší pohled na danou práci.
9
2 PROBLEMATIKA A JEJÍ VYSVĚTLENÍ 2.1 Složení výfukových plynů spalovacího motoru Spalováním uhlovodíkového paliva se vzduchem vzniká dokonalou oxidací uhlíku a vodíku obsaženého v palivu oxid uhličitý (CO2) a voda (H2O). Nedokonalou oxidací uhlíku a vodíku vznikají ve spalinách oxid uhelnatý (CO) a vodík (H2). Použitím vzduchu jako okysličovadla je vždy, co se týče obsahu, nejvýznamnější složkou spalin dusík (N2). Kyslík (O2) je obsažen ve výfukových plynech v případě, když se celé množství nepoužije k oxidaci paliva, jelikož byl v čerstvé směsi v přebytku, nebo se nevyužil z jiných důvodů. Vlivem vysokých teplot ve spalovacím prostoru vznikají oxidací vzdušného dusíku oxidy dusíku (NOx), který se sestává zejména z oxidu dusnatého (NO) a menšího množství oxidu dusičitého (NO2). Při značně nepříznivých globálních, či lokálních podmínkách pro oxidaci paliva obsahují plyny také nespálené uhlovodíky (HC) různého složení (co do obsahu jednotlivých uhlovodíků). U motorů s vnější tvorbou směsi se tato složka objevuje jako součást spalin. Z důvodu úniku části čerstvé směsi přímo do výfukového traktu zkratovým vyplachováním. Za absolutního nepřístupu vzduchu (uvnitř kapičky kapalného paliva) se vytváří při vysoké teplotě dekompozice molekul uhlovodíků, jímž výsledkem je přítomnost pevného uhlíku (sazí) ve spalinách. Spolu s výfukovými plyny odchází z motoru velmi malé množství dalších pevných částic. Jako jsou prach, popel, vysokomolekulové produkty tepelné degradace mazacího oleje, částečky rzi atd. Pro označení nespálených uhlovodíků se používají následující zkratky CxHy, CnHm, CH, CHx. Další možností je sumární chemický vzorec některého individuálního uhlovodíku. Dalším prvkem obsaženým v některých uhlovodíkových palivech je síra (S), která vytváří při spalování v motoru oxidy síry (SOx), které se následně přenášejí do spalin. Dále sloučeniny olova (Pb) jsou přítomny ve výfukových plynech motoru spalujícího benzín s antidetonační přísadou obsahující olovo. Produkce oxidů síry a sloučenin olova je sledována nepřímo limitováním obsahu síry, resp. olova v palivu. [2] Z těchto komponent se mezi sledované škodliviny řadí CO, NOx, HC a to jak u zážehových i vznětových motorů. Dále saze a jiné částice, které se sledují pouze u vznětových motorů.
10
2.2 Charakteristika složek spalin Jak již vyplývá ze samotného označení dané složky, jako škodliviny je jasné, že její produkce by měla být konstrukcí motoru a jeho provozem co nejvíce minimalizována. Daná minimalizace je ovšem většinou spojena se zhoršením jiných vlastností motoru (např. produkce jiných škodlivin), proto je vhodné v otázce emisních parametrů nasadit optimalizační postupy. Pro určení nejvýhodnějších postupů je nutno přihlédnout ke způsobu a intenzitě působení jednotlivých složek, jakož je celkový antropogenní podíl na přítomnosti příslušné složky v přírodě, podíl provozu motorů na antropogenním zamoření životního prostředí příslušnou složkou. Dále souvislost imisní a klimatické situace v různých lokalitách a důležitost jednotlivých režimů provozu motorů z hlediska globálních ekologických parametrů. Komplikací je relativní krátká doba, kterou jsou spalovací motory masově používány a tudíž nedostatkem podkladů pro zjištění dlouhodobých účinků. Subjektivním zdrojem komplikací je tendenční interpretace ekologických parametrů (např. při snaze o prosazení daného typu alternativního pohonu atd.) Účinky na lidský organismus závisí především na individuálních dispozicích a z pochopitelných důvodů nelze v některých aspektech cíleně experimentovat. [2]
2.3 Rozdělení škodlivin Oxid uhelnatý je v bezprostředním styku s lidským organizmem jedovatý. Váže se intenzivněji než kyslík na krevní barvivo za vzniku karboxylhemoglobinu. Blokuje tím funkci dýchacích barviv (distribuci vzduchu) a poškozuje jednotlivé orgány nedostatkem kyslíku.
Obr. 1 Účinky oxidu uhelnatého na lidský organismus [2]
11
Obr. 1 nám ukazuje jaká je souvislost mezi koncentrací CO, dobou expozice a zdravotními účinky. CO je vlastně nervovým jedem, protože právě mozek je největším orgánem na dodávku kyslíku. CO se podílí na vzniku fotochemického (tzv. letního) smogu. Celková roční emise CO z antropogenních zdrojů je přibližně srovnatelná s přírodními emisemi. To jsou emise vyprodukované přírodou bez vlivu člověka. Podíl pístových spalovacích motorů na množství emitovaných lidskou činností je v řádech desítek procent. Další sloučeninou působící na lidský organizmus je oxid dusnatý. Jeho přímá škodlivost na živý organizmus je velmi nízká. Všeobecně je známo, že při delším pobytu v atmosféře dochází k oxidaci NO na NO2 jehož škodlivost je závažnější než u CO. Důsledkem je pocit dušení a nucení ke kašli. Oxidy dusíku jsou sledovány ale především kvůli významnému podílu na tvorbě letního smogu. Podobně jako u CO je podíl spalovacích motorů na množství emitovaných lidskou činností je v řádech desítek procent. Další skupinou škodlivin jsou sloučeniny označované jako nespálené uhlovodíky, které jsou ve skutečnosti směsí individuálních komponent, jejichž škodlivost je různá. Nejmenší vliv na organizmus mají uhlovodíky, které jsou obsaženy v palivech a ve spalinách se objevují zejména v důsledku přímé ztráty paliva zkratovým vyplachováním. Hygienicky přípustná koncentrace těchto složek (např. alifatických uhlovodíků) se určuje podle čichového prahu, nikoli podle toxických účinků. Částice vysílané vznětovými motory obsahují zejména pevný uhlík ve formě sazí (neboli pevné částice). Tato látka není sama o sobě toxická. Na pevných částicích jsou ovšem pohlcovány látky s vysokou zdravotní závadností. Kontaminované částice se mohou usazovat v plicních sklípcích organizmů a umožnit dlouhodobé působení karcinogenů. Funkce nosiče rakovinotvorných látek je hlavním důvodem k výrazně negativnímu hygienickému hodnocení vysílaných částic. Částice jsou též hlavní příčinou výskytu zimního smogu, který je typický pro stav teplotní inverze. Oxid uhličitý je produktem dokonalé oxidace a jeho přítomnost ve spalinách je důsledkem kvalitně uskutečněného spalovacího procesu. Negativně působí CO2 na životní prostředí vytvářením radiační clony omezující sdílení tepla ze zeměkoule sáláním. Obecně vžitý název pro tento jev je skleníkový efekt. Skleníkový efekt je podporován i fotochemicky produkovaným přízemním ozónem. Na jeho vzniku se podílí látky, které jsou vysílány ve výfukových plynech spalovacího motoru (NOx a těkavé organické látky). [2]
12
2.4 Emisní limity Veškeré zdroje emitující do ovzduší škodlivé látky jsou celostátně sledovány v rámci tzv. Registru emisí a zdrojů znečišťování ovzduší (REZZO). Databázi REZZO spravuje za celou Českou republiku Český hydrometeorologický ústav (ČHMÚ). Jaký je vlastně rozdíl mezi emisí a imisí? Emise je množství znečišťujících příměsí dostávajících se z určitého zdroje do ovzduší. Imise je množství znečišťujících příměsí ve vzduchu, což je důsledek emisí. Evropská unie a tím pádem i jednotlivé vlády členských zemí samozřejmě tlačí, aby byly normy co nejpřísnější. Technologie se neustále zlepšují, proto je možné požadovat po výrobcích automobilů, aby jejich výrobky byly stále ohleduplnější k životnímu prostředí, tudíž produkovali stále menší koncentrace škodlivých látek. [18]
Tab. 1 Emisní normy [18]
Již dávno si celá Evropa uvědomila, že je potřeba tento problém řešit a vymýtit z ulic kouřící vozy. Logickým vyústěním bylo zavedením norem, které přikazují automobilkám maximální přípustné hladiny jedovatých plynů a nežádoucích příměsí
13
ve výfukových plynech. Emisní normy jsou označovány podle zákona jako Euro a číslicí podle platné právní normy. Tyto normy jsou časově omezené. Pro lepší orientaci například dnes platí norma Euro 4, ale od ledna letošního roku (2011) vešla v platnost norma Euro 5 pro všechny nové vozy. Emisní normy určují množství nežádoucích škodlivin ve výfukových plynech, zejména oxidy uhlíku (oxid uhelnatý CO a oxid uhličitý CO2), nespálené uhlovodíky HC, oxidy dusíku NOx a pevné částice (saze) PM. Vývoj množství v gramech na kilogram jednotlivých částic je znázorněn v tab. 1. Jenže některé navrhované limity nebyly pro automobilky takřka splnitelné. Dostat se k nim mohli výrobci jen za cenu velmi vysokých investic, které se pochopitelně dramaticky promítly do cen osobních automobilů a tady i do zájmu obyvatel o nové automobily. Výsledkem tohoto by bylo, že by si lidé nechávali staré auta s větší kouřovou clonou za výfukem. S tím pochopitelně jednotlivé automobilky nesouhlasily a výsledkem bylo, že se normy začaly změkčovat, nebo se odsouvají termíny jejich platnosti. Příkladem tohoto je i norma Euro 5, která měla být zavedena v září roku 2009, ale vešla v platnost až v lednu letošního roku pro všechny automobily bez výjimky. Na druhou stranu je to tak, že v produkci jedovatých a skleníkových plynů nevede automobilová doprava, ale domácnosti. Spalování tuhých či ropných paliv bez jakéhokoliv dodatečného čištění dnes však nemá žádné tvrdé legislativní omezení. Podobně je na tom letecká doprava, která je označována za jednu z „nejšpinavějších“ doprav, či lodní doprava. Následující tvrzení dokládá například i studie japonských vědců. Ta poukazuje na fakt, že patnáct největších lodí světa vyprodukuje za rok do ovzduší tolik jedovatých látek, jako 760 milionů automobilů. [18]
Obr. 2 Pokles škodlivin v závislosti na normách Euro [20]
14
3 VZNIK ŠKODLIVIN A ZPŮSOBY SNIŽOVÁNÍ JEJICH PRODUKCE 3.1 Obecně známé jevy Oxid uhelnatý je produktem nedokonalé oxidace uhlíku obsaženého v uhlovodíkovém palivu. Hlavní důvod jeho výskytu ve spalinách je nedostatek kyslíku ve spalované směsi, tedy provoz při součiniteli přebytku vzduchu λ < 1. Koncentrace CO při spalování bohaté směsi v zážehovém motoru dosahuje řádově jednotky %, výjimečně při spalování extrémně bohaté směsi může překročit 10%. Bohatá směs je slovním přepisem zápisu λ < 1. Chudá směs je ekvivalentem nerovnosti λ > 1. Pro slovní opis stavu λ = 1 se používá název stechiometrická směs. Nedostatek kyslíku může být místní (v některých válcích víceválcového motoru, nebo v některých oblastech spalovacího prostoru), nebo časový (při průměrné hodnotě součinitele přebytku vzduchu v okolí hodnoty λ = 1 se spaluje v některých pracovních obězích bohatá směs jako důsledek časové změny směšovacího poměru). CO je pak přítomen ve spalinách společně s kyslíkem. Vlivem vysokých teplot ve spalovacím prostoru se přírodní síly brání dalšímu zvyšování teplot, termodynamická rovnováha se posouvá směrem k většímu obsahu vstupních látek exotermických reakcí (např. CO nebo H2) v rovnovážné směsi za současného snižování obsahu produktů exotermických reakcí (např. CO2 a H2O). Daný jev se nazývá disociace spalin. Složení rovnovážné směsi je jednoznačně definované stavovými vlastnostmi reagující směsi (tlakem a teplotou) a hmotovou bilancí (obsahem jednotlivých prvků ve směsi) a pro dané podmínky lze koncentraci složek v rovnovážné směsi lehce vypočítat. Přírodní síly automaticky nastaví směr průběhu jednotlivých dílčích chemických reakcí tak, aby se složení reagující (hořící) směsi posouvalo ve směru k ustálení rovnováhy. Skutečné složení produktů reakcí (spalin) je při vysoké teplotě blízké rovnovážnému (např. s daným obsahem CO). Disociace spalin je řízena prioritně zákonitostmi chemické termodynamiky. [2] Někdy se ovšem naměří ve spalinách koncentrace CO vyšší než jaká vychází z výpočtu rovnovážného složení pro maximální teplotu při spalování. Tady je příčinou nedostatečná reakční rychlost jednotlivých dílčích reakcí oxidace uhlovodíkového paliva, ve kterých figuruje CO jako produkt počátečních etap reakčního řetězce. Zpomalení
15
reakcí ve fázi, kdy má dojít k oxidaci CO na CO2 je pak příčinou výskytu CO ve spalinách. V otázce příčin emisí nespálených uhlovodíků, které jsou také produktem nedokonalého průběhu oxidační reakce (resp. totální absence průběhu této reakce) platí analogicky úvahy, odvozené v popisu mechanizmů emise CO s jistými odchylkami. V praxi to znamená, že emise uhlovodíků při spalování extrémně chudé směsi (s nízkou reakční rychlosti) je (co do množství emitované složky) podobná s emisí uhlovodíků při spalování bohaté směsi. Zvýrazňuje se vliv oblastí s nízkou teplotou hoření (blízkost stěn, úzké štěrbiny) a v souvislosti s emisí uhlovodíků se tyto oblasti nazývají zhášecí zóny. Na rozdíl od CO jsou ale palivové uhlovodíky přítomny v čerstvé směsi tj. před zahájením spalovacího procesu. Jejich výskyt ve spalinách v nadrovnovážné koncentraci tedy není v rozporu s logikou popisu jednotlivých mechanizmů. Shodnou vlastností CO a nespálených uhlovodíků je skutečnost, že tyto složky jsou palivy. Jejich výskyt ve spalinách tedy kromě nežádoucího vlivu na životní prostředí znamená energetickou ztrátu, protože jejich oxidací by bylo možno zvýšit množství tepla přivedeného pracovní látce a následně využito přeměnou na mechanickou energii. [2] Oxidy dusíku vznikají oxidací vzdušného dusíku dodávaného do válce motoru společně s kyslíkem potřebným pro oxidaci paliva. Klíčovým procesem z hlediska přítomnosti oxidů dusíku ve výfukových plynech při spalování přibližně stechiometrické směsi je výskyt poměrně vysoké rovnovážné koncentrace NO ve fázi pracovního oběhu s vysokou teplotou následovaný dramatickým snížením reakční rychlosti dekompozice NO po poklesu teploty náplně válce v průběhu expanzního zdvihu pístu. Zpomalení (exotermické) reakce rozpadu NO je tak důležité, že se pro jeho popis používá termín zmrazení koncentrace NO.
Obr. 3 Tvorba NO ve válci motoru [2]
16
Na obr. 3 se pro přehlednost uvádějí průměrné hodnoty teploty a koncentrací pro celou náplň válce. Ve skutečnosti je nutno proces tvorby a rozpadu NO vyšetřovat pro časový vývoj místních podmínek. Vlivem snížení spalovacích teplot klesne hodnota maxima rovnovážné koncentrace NO a zejména se snižuje rychlost tvorby NO, zmrazení navazuje na počáteční fázi vzestupné větve průběhu skutečné koncentrace a koncentrace NO ve spalinách se snižuje. Při spalování velmi bohaté směsi je intenzita oxidace dusíku do jisté míry snížena nedostatkem kyslíku, dusíku je ale stále dostatek. Z hlediska vztahu energetických a emisních parametrů motoru je ovšem významná skutečnost, že emise oxidů dusíku je zvyšována prakticky všemi opatřeními, která vedou k dobré energetické účinnosti motoru. Hlavní důvodem vysoké emise pevných částic je hlavně velká nehomogenita směsi (směřující k hodnotě λ = 0 uvnitř kapiček kapalného paliva, za nepřístupu vzduchu). Emise pevného uhlíku souvisí zejména s kvalitou rozprášení paliva při jeho vstřikování do válce vznětového motoru. Je zřejmé, že přísun kyslíku k částicím paliva se zlepšuje se zvětšováním celkového množství vzduchu, tudíž se emise částic snižuje s rostoucí hodnotou λ. Vznětové motory pracují i při plné přípusti paliva s hodnotami součinitele přebytku vzduchu, jejichž použití u zážehového motoru by bylo označeno za provoz s extrémně chudou směsí. [2] Oxid uhličitý je produktem dokonalé oxidace uhlíku a pro námi dané složení směsi je jeho vysoký obsah ve výfukových plynech indikátorem dokonale uskutečněného spalovacího procesu po stránce energetické i emisní. Cesta ke snižování produkce CO2 vede přes snižování spotřeby paliva, případně používání paliva s menším podílem uhlíku.
3.2 Benzinové zážehové motory Koncentrace škodlivin ve spalinách je výrazně závislá na složení spalované směsi a na teplotě, při které proběhne spalovací reakce. Teplota je ovšem funkcí energetické hustoty směsi (výhřevnosti směsi - a tedy směšovacího poměru). Proto je nejdůležitějším faktorem určující složení spalin součinitel přebytku vzduchu. Na obr. 4 se uvádí závislost koncentrace škodlivin na hodnotě λ při spalování homogenní směsi v zážehovém motoru. Daná závislost se nazývá regulační charakteristika, měří se při stálých otáčkách, stálé přípusti směsi (při plně otevřené škrtící klapce) a při neproměnném okamžiku zážehu.
17
Obr. 4 Základní vlastnosti benzínového motoru [2]
Největší hodnota λ se nachází v blízkosti chudé meze zápalnost. Naopak nejnižší hodnota λ není definována žádnou fyzikální okolností. Avšak již na první pohled je zřejmé, že při dalším obohacování se zhoršují prakticky všechny vlastnosti motoru, tudíž tato oblast režimů je nezajímává z praktického hlediska již při vyšší hodnotě λ, než odpovídá bohaté směsi zápalnosti. Na obr. 4 je dobře vidět vliv nedostatku kyslíku při λ < 1 na nárůst koncentrace CO a HC. Na obr. 4 jsou uvedeny i základní energetické parametry motoru, tedy celková účinnost (ηC) a střední efektivní tlak pe. Při konzervativním návrhu charakteristiky palivové soustavy se jednotlivým režimům práce motoru přidělují směšovací poměry z oblasti mezi maximem pe (mírně bohatá směs, která se využívá v režimech s plně otevřenou škrtící klapkou) a maximem ηC (mírně chudá směs - požadavek co nejvyšší účinnosti se zdůrazňuje při částečném zatížení motoru). Při zahrnutí koncentrace škodlivin v surových spalinách do seznamu kritérií je možné udělat ještě jemnou optimalizaci na vhodnou střední cestu mezi emisí CO a NOx v oblasti hodnoty λ = 1. Z faktorů, které nejsou viditelné u obr. 4 je nutno určitě zmínit vliv okamžiku zážehu. Zvyšování předstihu zážehu způsobuje hlavně zvýšení koncentrace NOx v celém rozsahu regulační charakteristiky a posunutí maxima koncentrace této složky směrem k vyšším hodnotám λ. Najednou se převážně zvyšuje koncentrace produktů nedokonalé oxidace v oblasti extrémního ochuzení směsi .S poklesem zatížení (přivíráním škrtící klapky) klesá koncentrace NOx v celém rozsahu regulační charakteristiky. Při dimenzování a optimalizaci spalovacího systému se využívá řada opatření (tvar spalovacího prostoru, organizace pohybu náplně), které ovlivňují parametry motoru,
18
jimiž jsou energetické i emisní. Jejich popis by však výrazně přesahoval objem, který lze této otázce věnovat. [2]
Obr. 5 Úplná charakteristika benzínového motoru [2]
Příkladem společného působení všech uvedených vlivů se na obr. 5 uvádí úplná charakteristika benzínového motoru.
3.3 Vznětové (naftové) motory
Obr. 6 Základní vlastnosti vznětového motoru [2]
Následující obr. 6 znázorňuje závislost vlastností vznětového na složení směsi. Jde o závislost motoru s atmosférickým plněním. Oproti obr. 4 se základními vlastnostmi zážehového motoru je zde řada důležitých odlišností. Naftový motor je regulován kvalitativně, proto závislost parametrů na složení směsi je zvláštním případem ukázky zatěžovací charakteristiky. Nejvyšší hodnota λ na obr. 6 je dána vlivem nejnižšího zatížení
19
motoru (nejnižší hodnotou efektivního výkonu pe), při kterém se uskutečnilo toto měření. Při běhu naprázdno pracuje naftový motor s λ = přibližně 10. [2] Emise pevného uhlíku (sazí) se výrazně zvyšuje se snižováním přebytku vzduchu. Na průběhu koncentrace NOx je dobře patrný vliv zpomalení tvorby NO s rostoucím λ. Daná křivka je ale výrazně plošší oproti popisu stejné závislosti při spalování homogenní směsi na obr. 4. Je to dáno tím, že při velkém podílu difuzního dohořívání probíhá vlastní spalovací proces při hodnotě součinitele přebytku vzduchu λ = 1 (při vysoké teplotě) a spaliny jsou ředěny na průměrnou hodnotu λ vzduchem, který nebyl přítomen v oblasti hoření.
Obr. 7 Úplná charakteristika vznětového motoru [2]
Na rozdíl od benzínového motoru jsou nejvyšší hodnoty koncentrace oxidu uhelnatého výrazně nižší, to lze předpokládat vzhledem k vyšším hodnotám λ . Značný je podíl zvyšování emise CO s rostoucím přebytkem vzduchu ≡ současně pokles zatížení ⇒ pokles teploty ⇒ nižší reakční rychlost). V místě nejnižších uvedených hodnot λ se vyznačuje nehomogenita směsi uvnitř spalovacího prostoru a koncentrace CO se zvyšuje jako začátek strmého nárůstu produkce částic. Všeobecným prostředkem ke snižování množství zastoupení škodlivin v surových výfukových plynech naftového motoru je zajištění stálé vysoké hodnoty λ. Při současném požadavku na docílení vysoké hodnoty středního efektivního tlaku se jeví jako velmi výhodné využití přeplňování a chlazení plnícího vzduchu. [2] Energetické i emisní vlastnosti vznětového motoru lze v rozsáhlých mezích ovládat návrhem tvaru spalovacího prostoru, charakterem a intenzitou pohybu náplně a (na rozdíl od zážehového motoru) počtem, velikostí a nasměrováním výstřikových otvorů
20
vstřikovací trysky, velikostí vstřikovacího tlaku a jeho průběhu po dobu vstřikovacího procesu. Některé tyto okolnosti se však také mění samovolně v závislosti na okamžitém režimu běhu motoru. Na obr. 7 je znázorněna úplná charakteristika vznětového motoru a její vývoj emisních koncentrací. Jde opět o motor s atmosférickým plněním, který má stejné základní rozměry jako benzinový motor, který je uveden na obr. 5. To nám dává možnost alespoň částečně porovnat "za jinak stejných podmínek", i když změna druhu paliva, velikost a tvarem spalovacího prostoru, způsobu přípravy směsi a způsobu zapálení a spalování takovou formulaci značně zpochybňuje.
3.4 Motory poháněné alternativními palivy Motory na alternativní paliva jsou jednou z možností jak zlepšit emisní parametry. Jejich skutečný, či domnělý mechanismus ekologických předností je obestřen řadou spekulací. Existují paliva, která svým samotným složením ovlivňují určitý emisní parametr. Veškerá paliva obsahující kyslík (methylester řepkového oleje, emulze nafty s vodou, alkoholy) se vyznačují menším sklonem k vytváření pevného uhlíku při spalování ve vznětovém motoru. [3]
Obr. 8 Úplná charakteristika plynového zážehového motoru [2]
Je zřejmé, že činnost daných mechanismů tvorby plynných škodlivin není závislá na složení paliva, jestliže se zachová jeho uhlíková povaha a nezmění se výrazně jeho spalovací vlastnosti. Na obr. 8 je uvedena úplná charakteristika koncentrací oxidu uhelnatého a NOx v suchých spalinách pro motor se stejnou mechanickou stavbou jako motory, které jsou na obr. 5 a 7. Zde je ovšem úplná charakteristika naměřená při provozu na zemní plyn. Porovnáním s obr. 5 dojdeme k tomu, že emisní parametry jsou přibližně stejné. [2] Emisní předností paliv s vysokým obsahem metanu (zemní plyn, bioplyn) je menší emise CO2 (menší podíl uhlíku v palivu) a nižší reaktivita nespálených uhlovodíků na 21
tvorbu letního smogu. Nevýhodou je vyšší odolnost málo reaktivního metanu (tvořícího hlavní složku nespálených uhlovodíků) proti dodatečné likvidaci (viz kapitola 3.5). Nejvýznamnější předností lehkých uhlovodíků parafínové řady (metanu, propanu a butanu) jako motorových paliv je jejich velmi vysoká antidetonační odolnost, která umožňuje účinné zvyšování středního efektivního tlaku zážehového motoru přeplňováním. Díky tomu může motor pracovat s adekvátním měrným výkonem i v oblasti extrémního ochuzení směsi. Takto seřízený plynový zážehový motor se vyznačuje velmi nízkou koncentrací CO a NOx v neupravených výfukových plynech. [3]
3.5 Dodatečná úprava spalin Prozatímní myšlenky, týkající se emisních vlastností motorů, se zabývali pouze složením surových spalin (stav, kdy jsou spaliny vytlačovány z válce motoru do výfukového traktu v průběhu výfukového taktu). V dnešní době se u moderních spalovacích motorů vlivem snahy snižovat negativní účinky na okolí výfukové plyny dodatečně upravují. U klasických benzínových motorů (osobní automobily) je tato úprava spalin v katalytickém reaktoru klíčovou slovem z hlediska výsledných emisních vlastností motorů a jejich parametrů. Na obr. 9 je znázorněna technická účinnost tzv. třícestného katalyzátoru (TWC ≡ Three Way Catalyst - název odvozen z teorie, že katalyzátor tohoto typu je účinný v oblasti dodatečné likvidace všech tří nejdůležitějších skupin škodlivin, tedy oxid uhličitý, oxidy dusíku a nespálených uhlovodíků), která je velmi strmě závislá na směšovacím poměru (viz. 4.1.5). Tento jev je zapříčiněn tím, že procesu hoření ve spalinách bohaté směsi není přítomen kyslík pro dodatečnou oxidaci. Na druhou stranu dodatečná likvidace oxidu dusnatého vede k reakci s produkty nedokonalou oxidací (H2, CO).
Obr. 9 Technická účinnost katalyzátoru [2]
22
Vlivem tohoto faktu pracují moderní zážehové motory se zpětnovazební regulací směšovacího poměru signálu λ-sondy, která průběžně analyzuje okamžitou koncentraci O2 ve výfukových plynech. Z obr. 9 je vidět, že katalytický reaktor ovlivňuje pozitivně složení spalin při každém směšovacím poměru, avšak jeho účinnost je vlivem odlišné složení směsi než λ = 1 pro určitou složku škodlivin horší či lepší. Pro motory s chudou koncepcí (plynové) se využívá oxidačních katalyzátorů, které se vyznačují snižováním koncentrace oxidu uhelnatého a hlavně snižováním nespálených uhlovodíků (viz. 4.1.2). Vznětové motory používají ojediněle oxidační katalyzátory. Tyto katalyzátory se používají kvůli tomu, že likvidují zápach plynoucí z výfukových plynů, tím tedy likvidují hlavně nenasycené aldehydy. V určitých případech se používá zachycovač částic, jinak nazývaný jako filtr sazí. [2]
3.6 Příprava směsi Zavedení přímého vstřikování benzínu do spalovacího prostoru si vyžádalo konstrukční řešení úprav části motoru. Zaprvé byl změněn sací kanál, který vyúsťuje do válce motoru více kolmo. Tímto dojde k dokonalejšímu využití turbulence nasávaného vzduchu. Další úprava se týká změny tvaru dna pístu. Hlava válce je upravena pro uchycení vstřikovacího ventilu. K přípravě směsi paliva se vzduchem dochází ve válci motoru. Tato technologie je velmi podobná přípravě směsi u vznětového motoru. Tím odpadá dlouhá doprava směsi sacím potrubím, jak tomu bylo u starších typů vstřikování směsi nepřímým vstřikováním. Tyto konstrukční řešení vstřikovacích systémů u zážehových motorů jsou vedeny za účelem zvýšení účinnosti. Obecně je totiž známo, že zážehové motory mají nejnižší účinnost ze všech typů spalovacích motorů. Zvýšení účinnosti se docílí zejména snížením tepelných ztrát a zvýšením tlaku ve válci motoru. Toho je dosaženo zvýšením kompresního poměru, který vyvolá zvýšení tlaků ve válci na konci kompresního zdvihu. Účinnost motoru stoupá i se součinitelem přebytku vzduchu λ (nejvyšší je při λ = 1,11,3). Z toho vyplývá, že motor s přímým vstřikováním paliva pracuje s vysokým přebytkem vzduchu, vyšší účinností a nižší spotřebou paliva. Motory využívající přímé vstřikování benzínu zlepšují účinnost i změnou procesu spalování různých druhů úpravy směsi paliva se vzduchem, a protože je směs tvořena přímo ve válci motoru, je i vyšší odolnost proti detonačnímu hoření. Pro nízký obsah emisí a dokonalé spálení je velmi důležité dokonalé promíchání paliva se vzduchem a jeho zplynování. Zatímco motory s nepřímým vstřikem (nebo karburátorové motory) 23
odebírají potřebnou teplotu ke zplynování ze vzduchu a sacího potrubí. U přímého vstřikování je odebíráno teplo ze vzduchu zahřátého při kompresi, ze stěn válce a spalovacího prostoru. To umožňuje vyšší stupeň komprese, protože směs ve válci má nižší teplotu a nehrozí její samovznícení. Tepelné ztráty se dají dále snížit použitím vhodného tvaru spalovacího procesu. Už delší dobu se u zážehových motorů používá kompaktní tvar, polokulovitého spalovacího prostoru, který řeší vhodné umístění zapalovací svíčky do jeho středu a současně umožňuje použití více ventilového řešení u motoru. Ten dále snižuje i ztráty tepla vedením a ztráty při výplachu válce = ztráty škrcením. [6] Konstrukce spalovacího prostoru a způsoby přípravy směsi paliva se vzduchem umožňují u přímého vstřikování paliva to, že do prostoru zapalovací svíčky je vstříknuto palivo, které vytváří směs, ta je dobře zapalitelná a je obklopena po krajích spalovacího prostoru “pláštěm” plynů. Tyto plyny se ale nepodílejí na procesech hoření. Směs je dále obohacena přisátými výfukovými plyny, tím je vytvořen prostor pro zamezení úniku tepla do stěn válce a hlavy v okrajích spalovacího prostoru. Rozdělením vstřiku na více částí (i do okamžiku těsně před zážehem) je spalovací prostor rozdělen do dvou částí. Část s bohatší směsí kolem zapalovací svíčky a druhou částí jsou okraje spalovacího prostoru, který vytváří ochranný obal a výsledkem je snížená hodnota tepelných ztrát z úniku tepla do stěn válce a snížení ztrát škrcením při výměně plynů ve spalovacím prostoru. Motor potom může pracovat i s nejvíce otevřenou škrtící klapkou. Ztráty způsobené škrcením jsou u starších konstrukcí motoru velmi vysoké a jejich příčinou je hlavně škrtící klapka. Poloha škrtící klapky ovlivňuje rychlost proudění vzduchu v sacím potrubí a dávkuje jeho množství. Čím méně je otevřená, tím je ve spalovacím prostoru menší tlak. Při přímém vstřiku je škrtící klapka i při volnoběhu více otevřená. Velikost točivého momentu je přímo závislá na množství vstřikovaného paliva. Tím je tento typ docela podobný vznětovému motoru. Množství vzduchu a okamžik zážehu tak mají menší význam na výkon, než tomu bylo u starších konstrukčních řešení přípravy směsi pro zážehové motory (nepřímé vstřikování, karburátory). [6]
24
4 TECHNICKÁ ZAŘÍZENÍ KE SNÍŽENÍ ŠKODLIVIN 4.1 Katalyzátory 4.1.1 Co je to katalyzátor a jeho využití Pojem katalyzátor pochází z řeckého slova „katalysis“, jehož význam znamená rozklad. Z chemického hlediska se jedná o látku, která urychluje nebo umožňuje chemickou reakci, ale sama se reakcí nemění. Katalyzátor výfukových plynů je zařízení, které je vřazeno do výfukového potrubí automobilů a chemickými reakcemi mění škodlivé složky výfukových plynů na chemické sloučeniny nebo prvky, které jsou pro člověka a přírodu neškodné. Katalyzátory obsahují účinnou chemickou látku (většinou ušlechtilé kovy např. rhodium, platinu nebo iridium). Dále obsahují keramický nebo kovový nosný materiál a regulační zařízení k řízení katalytického procesu. Katalyzátor tedy není žádný filtr, který zachycuje nečistoty, ale působí svojí přítomností. Bohužel však nemá vliv na snižování emisí skleníkových plynů, především oxidu uhličitého, způsobujících globální klimatické změny. Jejich snižování je možné jen cestou snižování spotřeby paliva resp. nahrazením fosilních paliv obnovitelnými zdroji. [10] Na trhu se vyskytuje celá řada dodavatelů výfukových systémů, asi tou největší je firma Bosal, která je důležitým partnerem řady automobilek ve vývoji výfukových systémů a uvádění nových technologií umožňujících zlepšení jejich vlastností. Dále firmy Walker, Arvin, Imasaf nebo Leistritz.
Obr. 10 Řez katalyzátorem (Bosch) [4]
25
Mluvíme-li o katalyzátoru, musíme si představit nádobu, jejíž tvar a velikost je různý podle různých typů automobilů. Katalyzátor je tvořen a nosičem (monolitem), který je potažen aktivní katalytickou vrstvou. V současnosti se využívají buď keramické, nebo kovové (metalické) nosiče. Nosiče jsou složeny z velkého množství buněk, připomínající medové plástve, čímž vytváří velký povrch, který zaručuje vysokou účinnost. Povrch nosiče je potažen nosnou vrstvou oxidu hlinitého (Al2O3), který je pokrytý vrstvičkou katalytického kovu (obr. 10). Účinnost katalyzátoru zvýšíme rovnoměrným rozprostřením ušlechtilých kovů. Přeměna škodlivých výfukových plynů probíhá za vysoké teploty, proto se umisťuje mezi podlahu vozidla a katalyzátorem tepelný štít. [1] Výfukové plyny vycházející nedokonalým spalováním v motoru procházejí sběrným výfukovým potrubím do katalyzátoru, dále do monolitu s drobnými kanálky s vrstvou drahých kovů (obr. 11). Aby tato vrstva umožnila přeměnu spalin, je zapotřebí dosáhnout určité teploty. Většina katalyzátorů pracuje v intervalu 300–800°C (obr. 12).
Obr. 11 Schéma katalyzátoru (Bosch)
Popis obrázku: 1 - plášť katalyzátoru, 2 - katalytický substrát, 3 - základní kovový nebo keramický nosič, 4 - aktivační vrstva, 5 - pórovitá mezivrstva, 6 - katalytická aktivní vrstva, 7- pružné těsnění substrátu v plášti
26
Obr. 12 Rozsah teplot při reakcích v katalyzátoru (Bosch)
Při samotném katalytickém procesu reagují spaliny s ušlechtilými kovy, které navíc ještě hoří. Oxid uhelnatý (CO) oxidací na oxid uhličitý (CO2), uhlovodíky (HC) oxidací na vodu (H2O) a oxidy dusíku (NOx) redukcí na dusík (N2 ). Velké problémy vznikají vlivem rychle se rozšiřujícího/zužujícího výfukového potrubí v oblasti vstupu a výstupu katalyzátoru. Rychle proudící výfukové plyny vytvářejí vlivem náhlého rozšíření výfuku značné turbulence na vstupu katalyzátoru a tím ztráty jejich proudění. Naopak na výstupu jsou rychle proudící plyny nuceny se vtlačit do prudce se zužujícího výfukového potrubí a tím vznikají další nežádoucí turbulence. Problémy s prouděním plynů se objevují zejména u motorů s objemem válců 3.0 a více litrů. V těchto případech se doporučuje zdvojit výfukové potrubí a namontovat dva katalyzátory, pokud to prostorové uspořádání pod podlahou dovolí. Základem pro optimální běh katalyzátoru je, že výfukové plyny vstupující do katalyzátoru budou mít požadované složení a teplotu. Předpokladem správného složení výfukových plynů je potřeba mít přesně řízenou tvorbu směsi (viz. kap. 3.6). To je například u třícestného katalyzátoru hlavní úkol lambda sondy (viz. 4.2). Katalyzátory mají však přes svoje nesporné výhody i svoje nevýhody. Tou největší nevýhodou je to, že snižují výkon motoru zpětným tlakem, který je asi 1/10 atmosférického tlaku (Pa= 101 325 Pa), ze statistik vyplývá, snižuje výkon o cca 2,2 – 3,7 kW.[1] Katalyzátory se podle principu činností, volbou ušlechtilého kovu či konečným výsledkem rozdělují na: 4.1.2 Oxidační katalyzátory 4.1.3 Redukční katalyzátory 4.1.4 Dvoucestné katalyzátory 4.1.5 Třícestné katalyzátory 4.1.6 Čtyřcestné katalyzátory 4.1.7 Zásobníkové katalyzátory
27
4.1.2 Oxidační katalyzátory Oxidační katalyzátor se používá u vznětových (naftových) motorů. Tento katalyzátor převádí spaliny, které obsahují nespálené uhlovodíky (CH) a oxid uhelnatý (CO) na vodu (H2O) a oxid uhličitý (CO2). Zároveň oxiduje oxid dusný (NO) na oxid dusičitý (NO2). Oxidační katalyzátor potřebuje ke své vhodné činnosti, aby byl ve výfukovém traktu kyslík, tzn., že tento katalyzátor pracuje s přebytkem vzduchu (λ >1). Oxidační katalyzátor se skládá z nosného tělesa, který je vyroben buď z keramiky, nebo kovu s axiálně průchozími kanály s šířkou hrany přibližně jeden milimetr. Stěny jsou potaženy platinou (Pt) nebo Rhodiem (Rh) jako katalyticky působící substance. U vozidel, která používají filtr pevných částic, se oxidační katalyzátor zařazuje před tento filtr. V katalyzátoru uvolněný (NO2) oxiduje v částečkovém filtru zbývající saze, které se skládají převážně z uhlíku (C), na neškodlivou složku vzduchu dusík (N2) a na CO2. [13] V oxidačním katalyzátoru probíhají procesy, které lze vyjádřit následujícími rovnicemi:
2CO + O2 → 2CO 2 2 H 2 + O2 → 2 H 2 O n n C m H m + m + O2 → mCO 2 + H 2O 4 2
Obr. 13 Oxidační katalyzátor (Bosch) [13]
28
4.1.3 Redukční katalyzátory Rozdíl mezi oxidačním a redukčním katalyzátorem je v tom, že redukční katalyzátor pracuje s nedostatkem kyslíku (λ < 1). U těchto katalyzátorů se používá jako aktivní vrstva platina a rhodium. Redukční katalyzátor nejvíce snižuje oxidy dusíku, tak že přeměňuje oxidu dusíku na dusík a oxid uhličitý za výrazné pomoci oxidu uhelnatého. [1] Chemické děje probíhající v redukčním katalyzátoru:
2 NO + 2CO → N 2 + 2CO2 2 NO + 2 H 2 → N 2 + 2 H 2 O 2 NO + 5 H 2 → 2 NH 3 + 2 H 2 O C m H m + 2 m +
n n n NO → m + N 2 + H 2 O + mCO2 4 4 2
4.1.4 Dvoucestné katalyzátory Jsou to katalyzátory neřízené. V některých literaturách označované jako dvoukomorové nebo dvoulůžkové. Jde o kombinaci dvou za sebou řazených katalyzátorů – oxidačního a redukčního. Používá se ve spolupráci s lambda sondou, která pracuje v oblasti stechiometrického složení směsi (λ=1) a tím zamezuje zvyšování spotřeby paliva. Systém tvorby směsi v sacím potrubí musí dodávat přiměřeně obohacenou směs (cca λ=0,9). Výfukové plyny prochází nejprve redukčním katalyzátorem, kde dojde k výraznému snížení (redukci) NOx, za ním je do výfukového traktu vháněn vzduch, který vytvoří podmínky pro snížení emisí CO a HC v následně řazeném oxidačním katalyzátoru. Pojem dvoucestný znamená, že má dvě současné úlohy. Přeměňuje pomocí oxidace (tj. spalování) právě dvě složky výfukových plynů a to oxid uhelnatý (CO) a uhlovodíky (HC) na vodu (H2O), která je v plynném stavu tedy páry, a oxid uhličitý (CO2). Z hlediska chemie se při oxidaci zvyšují oxidační čísla u produktů reakce. Oxidy dusíku (NOx) prakticky nesnižuje. U vznětových motorů pracuje katalyzátor s přebytkem vzduchu (λ>1). Tyto katalyzátory mají i řadu nevýhod: •
vlivem nedostatku kyslíku při redukci NOx vzniká amoniak (NH3)
•
složitá koncepce
29
V dnešní době se již neřízený dvoucestný katalyzátor u zážehových motorů nepoužívá. Dříve jim byly vybaveny automobily s dvoudobým motorem, jelikož neměli takový výkon. Naopak u vznětových motorů se využívají s velkým úspěchem.[12] 4.1.5 Třícestné katalyzátory Někdy tyto katalyzátory označujeme pojmy řízené, trojčinné nebo třísložkové. V některých literaturách se uvádí přídavné jméno trimetalický, neboť obsahuje tři vzácné kovy platinu, palladium a rhodium. Jak vyplývá ze samotného názvu, přeměňuje třícestný katalyzátor tři nejzákladnější škodliviny, uhlovodíky (HC), oxid uhelnatý (CO) a oxidy dusíku (NOx) na méně škodlivé plyny. Třícestný katalyzátor v současné době umožňuje nejefektivnější, nejbezpečnější a nejspolehlivější způsob čištění spalin u benzinových motorů. Pro správnou činnost tohoto katalyzátoru je nutné, aby složení paliva bylo stechiometrické (λ=1), což odpovídá poměru palivo/vzduch 1:14,7. Tato oblast se nazývá okno, a pokud se má pracovní bod motoru pohybovat v tomto okně, je nutno použít zpětnovazební smyčku pro řízení palivové směsi s tzv. lambda sondou (viz. 4.2), která měří množství kyslíku ve výfukových plynech a podle jeho obsahu nastavuje řídící jednotka množství dodávaného paliva. Proto se takovému katalyzátoru říká řízený. Katalyzátor bez λ regulace má účinnost cca 50%, ale s λ regulací dosahuje účinností až 95% (při teplotě 400-800°C). Pouze za tohoto stavu dojde k vyváženému poměru mezi škodlivými oxidy dusíku (NOx), ze kterých je odbouráván kyslík, a škodlivými CO a HC, se kterými se má kyslík sloučit. [4]
Obr. 14 Třícestný katalyzátor (Bosch)
(1- keramický monolit, 2 – pružná drátěná vložka, 3 - lambda sonda, 4 - kryt z nerezové oceli) Katalyzátor se skládá z kovového nebo keramického nosiče pokrytého vrstvou ušlechtilých kovů. Aby svou práci mohl vykonávat efektivně, potřebuje třícestný
30
katalyzátor určitou pracovní teplotu. Proto se často používají předřazené katalyzátory umístěné v blízkosti motoru, které snižují emisní zátěž již ve fázi zahřívání motoru. Optimální složení směsi benzín - vzduch, jež je potřebné pro přeměnu, řídí lambda sonda ve spolupráci s řídicí jednotkou motoru. Aktivní hmota katalyzátoru je uložena v samostatném pouzdru z nerezové oceli (V2A – 18Cr8Ni) a skládá se z nosné podložky, vložené mezivrstvy, katalytické aktivní vrstvy a tlumicí vrstvy. Jako nosná podložka slouží v třícestném katalyzátoru válcová nebo oválná keramická tělíska (monolity, nosiče) s buňkovitou strukturou, která jsou uložena v tlumicí vložce tvořené mřížkou spletenou z drátů nebo keramických vláken. Tyto prvky jsou společně uloženy v ocelovém pouzdru. Přítomnost kvadratických kanálků, nazývaných též buňkami, jejichž hustota dosahuje až 62 buněk na cm2, vytváří velmi velkou plochu povrchu, která při objemu monolitu 1 litr činí asi 3 m2. Keramické těleso se skládá z hořečnatohlinitého silikátu s malou tepelnou roztažností a vysokou odolností proti žáru. Bod tavení hořečnatohlinitého silikátu leží nad hodnotou 1400 °C. Pro další zvětšení aktivního povrchu jsou stěny buněk monolitu opatřeny vloženou mezivrstvou tzv. Wash-Coat z oxidu hlinitého (Al2O3) a tzv. promotorů jakýchsi podporovatelů reakce. Promotory zvyšují katalytický účinek vrstvy drahého kovu. Tím se povrch zvětšuje až 7000 krát. Při objemu monolitu 1l pak celkový aktivní povrch činí až 21 000 m2. Pro lepší představu fotbalové hříště má rozlohu asi 5000 m2. Aktivní povrch je tedy víc jak 4krát větší než fotbalové hřiště. Problémem klasických studených třícestných katalyzátorů s lambda sondou je doba ohřevu, ve které ještě motor produkuje nejvyšší procento škodlivin a která je potřebná i pro ohřev katalyzátoru. Tato doba je příliš dlouhá a zatěžuje v krátkodobém provozu silně životní prostředí. Motory vozidel, které se používají na krátké vzdálenosti tak zatěžují neúměrně vysoko životní prostředí zejména ve městech, kde jsou používána převážně menší a užitková vozidla ke krátkým trasám. [19] 4.1.6 Čtyřcestné katalyzátory Označované zkratkou DPNR (Diesel Particulate NOx Reduction). Jde o katalyzátor, který současně snižuje množství oxidu dusíku (NOx) a pevných částic. Jedná se o katalyzátor v kombinaci s filtrem pevných částic. Účinnost tohoto systému závisí na řídící jednotce a to tak jakým způsobem řídící jednotka mění poměr vzduchu a paliva ve výfukových plynech.[1]
31
4.1.7 Zásobníkový katalyzátor NOx Významnou roli v soutěži systémů o ještě čistší vznětové motory a ve splnění do budoucna ještě přísnějších emisních hodnot hraje zásobníkový katalyzátor NOx. Zásobníkové katalyzátory se používají z důvodu nižší účinnosti třícestného katalyzátoru při redukci NOx při provozu s chudou směsí. Jde o oxidační katalyzátor, který je zařazen za částečkovým filtrem. Jeho součástí je speciální potah, který zachytí oxidy dusíku (NOx) z proudu spalin. Zásobníkový katalyzátor NOx rozlišuje dva různé provozní režimy. V normálně chudém provozu (λ > 1) bude oxid dusíku (NO) nejprve oxidovat na oxid dusičitý (NO2) a potom na nitrát (NO3) na bázi oxidů kovů (např. oxid baria) v katalyzátoru. Stejně jak je tomu u částečkového filtru zajišťuje také zásobníkový katalyzátor NOx regeneraci.
Obr. 15 Zásobníkový katalyzátor (Bosch) [14]
Regenerace znamená periodické vyprazdňování zásobníku podle příslušných požadavků. Pro regeneraci zásobníku musí být ve spalinách nastaveny podmínky bohaté směsi (λ < 1). Vlivem těchto provozních podmínek je ve spalinách tolik redukčního prostředku (CO, H2 a různé HC), že se rázem uvolní nitrátové vazby a přímo u katalyzátoru obsahujícího ušlechtilé kovy dochází k redukci na nejedovatý dusík (N2). Doba naplnění činí v závislosti na provozní době motoru 30 až 60 sekund, regenerace je provedena za jednu až dvě sekundy. Aby se zjistila potřeba regenerace, je potřebná řada přídavných senzorů teploty a tlaku. Zásobníkový katalyzátor dokáže snížit emise NOx až o 85%. [14]
32
Obr. 16 Umístění zásobníkového katalyzátoru ve výfukovém traktu [5]
4.2 Lambda sonda Lambda sonda neboli lambda regulace je malé zařízení, které je nedílnou součástí katalyzátoru. Ve výfukovém potrubí měří výfukové plyny a dává signál pro řízení spalování motoru. Klasická lambda sonda se složená z keramického článku z dioxidu zirkoničitého (ZrO2), potaženého tenkou vrstvou platiny, která je pro plyny propustná (obr. 17). Na straně, kde přichází ke styku s výfukovými plyny, je opatřena porézní keramickou ochrannou vrstvou. Nad kterou je umístěna ochranná trubice se štěrbinami, která zabraňuje mechanickému poškození. Lambda sonda se především používá u zážehových motorů, ojediněle se s ní můžeme setkat i u naftových motorů. Využívá se s 1,2,3 nebo 4 vývody. [1]
Obr. 17 Schéma lambda sondy [8]
1 – aktivní keramika senzoru, 2 – elektrody, 3 – kontakty, 4 – kontakt spojený s krytem senzoru, 5 – výfukové potrubí, 6 – ochranná porézní keramika
33
Ve skutečnosti je lambda regulace senzor kyslíku ve výfukových plynech, který je nezbytný pro řízení spalování motoru s katalyzátorem, aby došlo ke snížení škodlivin ve výfukových plynech. Třícestné katalyzátory nebo také selektivní katalyzátory dokáží snížit hodnoty škodlivin CO, NOx, HC až o 85-90%, ale jen za podmínky, že spalování motoru probíhá jen těsně kolem λ=1 (v úzkém rozpětí do 1%), tj. v intervalu, který odpovídá stechiometrickému složení směsi. Hlavní úkol lambda sondy je tedy udržet stálé složení směsi paliva a vzduchu v optimální oblasti. To znamená, že lambda regulace měří koncentraci kyslíku ve výfukovém potrubí. Získaná hodnota napětí na jejím výstupu řídí poměr paliva a vzduchu v sání nebo ve válci tak, aby co nejvíce odpovídalo optimální směsi- lambda okně ( λ=0,97 až 1,03). [4]
Obr. 18 Katalyzátorové okno [8]
Matematicky je součinitel přebytku vzduchu λ vyjádřen jako poměr motorem nasávaného (spotřebovaného) množství vzduchu (V) k množství, které by bylo nutné pro dokonalé spálení, tj. teoretická spotřeba vzduchu (Vt). Ve skutečnosti jde o stechiometrický poměr pro proces spalování (λ=1) a odpovídá mu poměr cca 14,7 kg vzduchu na 1 kg paliva (benzínu).
λ=
V Vt
Řídicí jednotka na základě lambda sondy dodatečně reguluje vypočtenou dobu vstřiku. Je-li směs příliš bohatá, zkracuje se doba vstřiku (ochuzení), je-li příliš chudá, pak se doba vstřiku prodlužuje (obohacení). Regulace probíhá nepřetržitě a kolísá zhruba v rozmezí ±1 % kolem λ = 1. [8]
34
4.2.1 Vyhřívaná lambda sonda Tato lambda sonda (obr. 19) má v sobě zabudované topné tělísko, které vyhřívá činnou keramiku a mění tím funkční teplotu na 200 °C (nevyhřívaná potřebuje minimální teplotu 350 °C). Optimální pracovní teplota je asi 600°C. Její hlavní výhody, oproti nevyhřívané λ sondě jsou, že má krátký čas náběhu činnosti, dvojnásobnou životnost (cca 160 000 km) a bezpečnou regulaci při nízkých teplotách výfukových plynů. [1]
Obr. 19 Vyhřívaná lambda sonda (Bosch)
1 – přípojný kabel, 2 – talířová pružina, 3 – keramická opěrná trubice, 4 – ochranné pouzdro, 5 – svorka pro připojení topného, 6 – topný prvek, 7 – kontakt, 8 – pouzdro sondy, 9 – aktivní keramika sondy, 10 – ochranná trubice prvku 4.2.2 Odporová lambda sonda Odporová sonda začíná regulovat teprve při pracovní teplotě 500 °C, ohřívá se elektricky pomocí topného odporu. Pro dokonalé měření je vyžadována teplota 600 až 700 °C. Její výhodou je, že nepotřebuje žádný referenční vzduch, je odolná proti vodě, je rychle připravená k provozu a má velmi krátkou dobu aktivace. [11] 4.2.3 Širokopásmová lambda sonda Její název vyplývá z faktu, že tato sonda pracuje v širším pásmu (λ = 0,7 až 4,0). Širokopásmová lambda sonda měří hodnotu λ ve výfukových plynech průběžně. Používá se jako přední sonda (regulační) u zážehových motorů, které pracují se stechiometrickým poměrem palivo/vzduch (λ=1). [1]
35
4.3 Systém EGR Je to metoda založená na recirkulaci výfukových plynů EGR (Exhaust Gas Recirculation – recirkulace výfukových plynů) vyvinutá firmou Scania. EGR je metoda snižování emisí přímo v místě jejich vzniku – ve spalovacím prostoru, především oxidů dusíku (NOx) vznikajících za vysokých teplot. Využívá se jak u zážehových tak u vznětových motorů. Systém EGR se principielně skládá z termoregulačního EGR ventilu a drobné elektroniky. Funkce EGR ventilu je v tom, že přepouští část výfukových plynů zpět do sacího potrubí, kde dojde ke smíšení s čerstvým vzduchem a poté společně míří do válců motoru. V okamžiku, kdy se motor dostane na pracovní teplotu, otevře se termoregulační ventil a umožní tak otevírání EGR ventilu podtlakem ze sání. Ten je jedním svým koncem napojen do sání a druhý na výfuk, odkud v případě otevření umožňuje přisávání výfukových plynů. Až 10 % všech výfukových plynů je přisáto zpět do sání motoru. Tato část je ochlazena a přivedena zpět do spalovacího prostoru (obr. 20). Tím dojde ke snížení teploty spalování a tím pádem i snížení emise NOx. U vznětových motorů navíc vyšší vstřikovací tlaky zajistí nižší množství pevných částic. [17] Předností systému EGR je spojení nízkých emisí s mimořádnou hospodárností provozu. Jedná se o vyzkoušené a prověřené řešení, používané řadu let u osobních vozů a těžkých nákladních automobilů ve Spojených státech.
Obr. 20 Systém EGR (Scania) [17]
36
4.4 Systém SCR Selektivní katalytická redukce SCR (Selective Catalytic Reduction) je metoda dodatečné úpravy výfukových plynů u vznětových motorů. Princip spočívá ve dvou katalyzátorech řazených za sebou (nebo i samostatný SCR katalyzátor), z nichž první je oxidační, který přeměňuje HC a CO a druhý je SCR katalyzátor pracující s přídavnou kapalinou s názvem AdBlue, což je aditivum na bázi močoviny. Tento katalyzátor snižuje emise především oxidů dusíku. SCR je tedy katalytická redukce s využitím vodného roztoku močoviny - AdBlue. Princip této metody spočívá v tom, že motorem vyprodukované výfukové plyny s obsahem NOx jsou ve výfukovém potrubí smíšeny s močovinou AdBlue. Nežádoucí NOx se vlivem čpavku (amoniaku NH3) jako redukčního činidla v SCR katalyzátoru přemění na neškodný plynný dusík (N2) a vodní páru (H2O). AdBlue (CH4N2O) je 32,5% vodný roztok močoviny tuhnoucí při teplotě -11 °C. Je speciálně vyvinutý a používá se ke katalytické redukci NOx ve výfukových plynech dieselových motorů různých automobilů vybavených SCR katalyzátorem. Tato čirá, bezbarvá, netoxická, pro manipulaci snadná chemikálie se vyrábí průmyslovou syntézou amoniaku a oxidu uhelnatého. Má silně korozivní vlastnosti, a proto nesmí přijít do kontaktu s barevnými kovy a s některými plasty.
Obr. 21 Technologie SCR (Scania) [17]
Řídící jednotka ovládá a dávkuje AdBlue ze samostatné nádrže do hořících výfukových plynům, při čem teplo přemění redukční činidlo (AdBlue) na amoniak (NH3), který je nezbytný k chemické reakci v katalyzátoru. Kapalina AdBlue se vstřikuje proti směru
proudu výfukových plynů (obr. 21). [17]
37
Jak jsem již zmiňoval v předešlých kapitolách, NOx a pevné částice jsou škodlivé složky výfukových plynů, které jsou hlavním problémem vznětových motorů. Díky systému SCR dochází ke snížení emisí NOx až o 70 %, HC o 90% a pevných částic o 10 %. Ze statistik vyplývá, že zhruba 7 vozů s AdBlue vylučuje stejné množství oxidů dusíku jako jeden současný vůz bez tohoto systému. Systém SCR se používá pro splnění emisních limitů směrnic EURO 4 a EURO 5. Navíc SCR systém snižuje i spotřebu paliva téměř až o 5 %. Kapalina AdBlue je v samostatné nádrži, kterou je možné doplňovat podobně jako naftu přímo na čerpací stanici. Na každých 25 litrů nafty je třeba přidat cca 1 litr AdBlue. Standardní nádrž má objem 90 litrů, což pohodlně vystačí na 6 500 km. Další výhodou systému SCR je bezúdržbový systém navržen tak, aby jeho životnost odpovídala životnosti vozidla. Avšak přes řadu nesporných výhod má tento systém prozatím i svou značnou nevýhodu a tou je špatná dostupnost kapalina AdBlue na trhu pohonných hmot. Vlivem této nevýhody se zatím příliš nevyužívá.
4.5 Systém Denoxtronic Denoxtronic od firmy Bosch je systém dávkování redukčního činidla, kterým lze dosáhnout ještě dalšího snížení emisí u vznětových motorů. Tento systém je centrální součástí systému SCR. Od roku 2004 je v Evropě velmi používán u těžkých užitkových vozidel. Vzhledem k přijatelné konstrukci je systém Denoxtronic vhodný také pro osobní automobily. Denoxtronic dokáže ve spolupráci s SCR katalyzátorem snížit emise oxidů dusíku (NOx) až o 85%. Proces čištění spouští kapalina AdBlue, která se přesným dávkováním vstřikuje do proudu spalin. Vzniká čpavek, se kterým oxidy dusíku (NOx) reagují v následně řazeném SCR katalyzátoru na neškodný dusík a vodu. Systém Denoxtronic přebírá přesné dávkování AdBlue, který je dodáván v zásobníku, jak jsem již popisoval u systému SCR. Řídící jednotka dávkování přesně určuje dávkování AdBlue vzhledem k důležitým parametrům motoru jako je, provozní teplota a otáčky, tak aby vždy vstřikovalo optimální množství. Kombinace katalyzátoru SCR a AdBlue je ve středu zájmu diesel-ofenzívy předních německých výrobců automobilů ve Spojených státech, kde se kladou největší nároky na snižování emisí na světě. Pod názvem "Bluetec" budeme moci sledovat na severoamerickém kontinentu v budoucnosti moderní osobní automobily se vznětovými motory, která vlivem inovačních technologií následného zpracování spalin budou splňovat i nejpřísnější emisní předpisy v USA. Pomocí plošného pokrytí dodávek naftou bez síry jsou 38
splněny základní předpoklady pro úspěch Bluetec-dieselu. Podle výzkumu firmy Bosch bude podíl na trhu vznětových motorů v Severní Americe do roku 2016 stoupit z 5 na 16%. [15]
Obr. 22 Systém Denoxtronic (Bosch) [15]
4.6 Filtry pevných částic Ačkoli byli a jsou naftové motory velkým přínosem vzhledem k jejich nízké spotřebě. Mají i jednu podstatnou nevýhodu. A tou je relativně vysoký obsah karcinogenních mikročástic ve výfukových plynech, které mohou způsobit závažná onemocnění včetně rakoviny a také znečišťují životní prostředí. Tento problém se nevyhýbá ani moderním turbodieslům s přímým vstřikováním paliva. Částečně tento problém řeší motory s vysokotlakým vstřikováním paliva (common-rail, čerpadlo-tryska), které snižují koncentraci pevných částic maximálně do 15%. Ani katalyzátory nemají vliv na koncentraci pevných částic. Skutečně revolučním řešením bylo zavedení filtru pevných částic (FAP), který dokáže snížit koncentraci karcinogenních uhlíkových mikročástic o více než 95%. [7]
Obr. 23 Filtr pevných částic (Bosch) [9]
39
Filtr pevných částic použili poprvé automobilky Peugeot a Citroen u nové generace motorů HDi v roce 2000. Jeho zavedení je považováno za stejně významné, jako bylo zavedení katalyzátoru. Filtr pevných částic se nachází stejně jako katalyzátory ve výfukovém traktu. Funkce filtru se dá pro zjednodušení přirovnat k funkci molekulového síta, kdy porézní struktura, kterou tvoří oxid křemičitý (SiO2), zadržuje mechanicky pevné částice při průchodu výfukových plynů. Princip filtru se může zdát na první pohled docela jednoduchý, ale existují i faktory, které jeho činnost značně limitují. Nejdůležitějším faktorem pro zachování správné a dlouhodobé funkce filtru je zajištění jeho pravidelné regenerace, která prodlouží maximálně životnost čističe. Při provozu dochází k pokrytí keramického nosiče filtru uhlíkem, čímž dojde k výraznému snižování účinnosti filtru. Z tohoto důvodu je nezbytné, aby po určité době došlo ke spalování zachycených částic - regeneraci. Vlastní proces spalování částic se realizuje v kyslíkem obohaceném prostředí při teplotách nad 550 °C, v současnosti lze teplotu spalování částic snížit přidáním různých aditiv do nafty na 450 °C. V tomto případě nastává další problém, jelikož naftové motory nemají v normálním pracovním režimu tak vysokou teplotu výfukových plynů. I přesto byly nalezeny dva způsoby, které lze vhodně kombinovat a dosáhnout tak požadované teploty. Teplota ve výfukových plynech se může zvyšovat díky systému vysokotlakého vstřikování (zatím lze tohoto způsobu použít pouze u motorů common rail) ve dvou etapách. Jakmile je zjištěna potřeba regenerace filtru dojde k dodatečnému vstříknutí paliva po základním vstřiku, čímž dojde k následnému hoření paliva ve válci. Vlivem těchto změn dohází ke zvýšení teploty o 200 až 250 °C. [16]
Obr. 24 Umístění a princip filtru pevných částic (Toyota) [9]
40
Při dodatečném vstřiku a následném hoření vznikají nespálené uhlovodíky, které jsou obsaženy ve výfukových plynech a musejí z nich být odstraněny. To umožňuje oxidační katalyzátor, kde dojde ke spálení nespálených uhlovodíků, ten je umístěn na vstupu do filtru pevných částic. Tímto procesem dochází k dalšímu zvýšení teploty výfukových plynů cca o 100 °C. Tak dosáhneme požadované teploty a může tak dojít k spalovacímu procesu, kdy jsou spáleny usazené částice. Celkový proces regenerace trvá 2 - 3 minuty. Daný cyklus je cyklický podle zanesení filtru cca po 400 - 500 km. Činnost motoru není během regenerace nijak omezována, tím pádem by jej samotný řidič ani nezaregistruje. Životnost filtru je docela různá, záleží především na způsobu, kterým je dané vozidlo provozováno. Ze statistik vyplývá, že je nutná výměna v rozsahu 50 000 – 90 000 ujetých kilometrů, což přináší jisté náklady na údržbu. Údržbou rozumíme hlavně doplnit aditivum a u nás (v ČR) na rozdíl od jiných států musí dojít i k samotné výměně celého filtru. A to nás dohromady vyjde na téměř 25 000 Kč, to je cena podobná, kterou nám naftový vůz ušetřil oproti stejně výkonnému benzínovému vozu. Různé koncerny zavádí systém FAP do stále širší škály modelů a motorizací. A jejich hlavním úkolem je prodloužit jejich servisní intervaly. Ty se dnes pohybují od 120 – 140 tisíc kilometrů. V zahraničí se filtry pevných částic repasují, tudíž majitelé jimi vybavených vozů znatelně ušetří. V ČR zatím tento program nebyl zahájen. Další nevýhodou je pokles výkonu motoru o několik kW, což je dáno přítomností dalšího tělesa ve výfukovém potrubí. To samé platí, ale o motoru s katalyzátorem. [7]
41
5 VYHODNOCENÍ KONCENTRACÍ SPALIN 5.1 Popis měření Měření se uskutečnilo na vozidlové válcové zkušebně Ústavu techniky a automobilové dopravy MENDELU v Brně. Měřený automobil byla Škoda Felicia Combi GLX 1,3 MPI. Daná zkušebna se skládá z vozidlového dynamometru MEZ 4VDM E120 – D pro měření výkonu, emisní analýzy, se zařízením pro měření spotřeby, z 8 senzorů teploty a z 8 čidel tlaku. Data lze zapisovat až ze 140 kanálů v reálném čase do PC. Protokol z měření je uložen ve formátu HTML a všechny údaje lze exportovat do jiných formátů k další analýze. K emisní systémové analýze využívá vozidlová zkušebna přístroje Bosch ESA. Toto zařízení je vyvinuté výhradně pro pracoviště zabývající se měřením emisí. Zároveň umožňuje základní seřízení motoru a jeho diagnostiku. ESA systém umožňuje měřit emise u zážehových a vznětových motorů, ale i u motorů poháněných alternativními palivy (LPG, metanol). Systém ESA provádí měření čtyř základních koncentrací výfukových plynů CO, HC, CO2,O2 a z nich dokáže dopočítat hodnotu součinitele přebytku vzduchu λ pro právě měřené palivo (benzín, nafta, LPG). Tab. 2 Technické parametry měřeného vozidla
Údaje o vozidle značka: druh: typ karoserie: hmotnost: rozvor náprav: rozchod - vpředu/vzadu: rozměr pneumatik: poháněná náprava:
Škoda Felicia Combi 1415 kg 1420/1380 mm 2450 mm 165/70 R 13 přední
stav tachometru:
139 326 km
max. rychlost: typ katalyzátoru: technické údaje motoru typ: obsah motoru: vrtání x zdvih: stupeň komprese: max. výkon / při otáčkách: max. toč. moment / při otáčkách: rozvod: příprava směsi: palivo:
162 km/h třícestný, řízený zážehový řadový čtyřválec 3 1289 cm 75,5 x 72 mm 9,7 -1 50 kW při 5000 min -1 106 N.m při 2600 min OHV vícebodové vstřikování bezolovnatý benzín Natural 95
42
Než započneme s měřením, je nutné provést kontrolu řady důležitých věcí. Na prvním místě musíme zkontrolovat stav pneumatik. Pneumatiky musí být nahuštěny předepsaným tlakem, musí být s letním vzorkem a nesmí být poškozeny. Rozměr pneumatik na vozidle musí odpovídat rozměru, který je uveden v technickém průkazu od výrobce. Dále musí být povrch běhounu očištěn od různých nečistot, prachu nebo kamínků. Poté vozidlo vjede na válce, kde dojde k jeho ukotvení. Po ukotvení vozidla musíme připravit ventilátory, které zajistí dostatečné chlazení motoru. Tyto ventilátory ovládá řídící software zkušebny. Stejně tomu je i pro odvod spalin, které musí být umístěno k tlumiči spalin. V dalším kroku připojíme sondu analyzátoru výfukových plynů Bosch ESA. Abychom mohli zjistit obsah jednotlivých škodlivin výfukových plynů, vložíme sondu ještě před katalyzátor do trubice ihned za motorem. Pro zjištění složení jednotlivých škodlivin výfukových plynů za katalyzátorem vložíme na konec výfukového potrubí. Dalším snímačem připojeným k motoru je snímač otáček – kapacitní kleště, snímač teploty nasávaného vzduchu, snímač teploty oleje a snímač teploty paliva. Než začneme se samotným měřením je ještě potřeba zaznamenat barometrické podmínky na zkušebně.
Tab. 3 Barometrické podmínky při měření ve zkušebně Teplota: Tlak: Vlhkost:
22 °C 98,7 kPa 63%
Samotné měření se kvůli reprodukovatelnosti výsledků musí provést na konkrétní rychlostní stupeň. Velké výkony je nutné měřit při větších rychlostech, aby nedošlo k prokluzu hnacích kol na zkušebních válcích. Pokud je rychlost malá, pak je malá i styčná plocha mezi válci a hnacími koly a kola mohou proklouznout. V následujících tabulkách jsou uvedeny veličiny potřebné k provedení vyhodnocení koncentrací spalin, a to jsou výkon motoru (kW), otáčky motoru (min-1), točivý moment (N.m). Dále koncentrace emisí CO, CO2, HC, O2, NOx a součinitel přebytku vzduchu λ (viz tab. 4, tab. 5). Všechny tyto koncentrace a součinitel přebytku vzduchu λ jsou dány do závislosti s otáčkami motoru a vyneseny do grafu.
43
5.2 Tabulky naměřených hodnot Tab. 4 Hodnoty před katalyzátorem Měření před katalyzátorem s úhlem otevření škrtící klapky - 85,2°
Pořadí 1 2 3 4 5
Mt
CO
CO2
HC
O2
λ
NOx
kW
-1
min
N.m
%
%
ppm
%
-
ppm
16,3 25,3 33,1 36,8 35,9
1866 2738 3610 4481 5353
83,1 87,7 87,1 78,2 63,9
1,665 2,542 3,570 4,497 5,197
13,61 13,05 12,53 12,06 11,63
234 191 189 210 244
0,51 0,18 0,15 0,10 0,07
0,966 0,923 0,897 0,872 0,850
1504 1278 1317 1082 922
P
n
Měření před katalyzátorem s úhlem otevření škrtící klapky - 73,8°
Pořadí 1 2 3 4 5
Mt
CO
CO2
HC
O2
λ
NOx
kW
-1
min
N.m
%
%
ppm
%
-
ppm
15,5 23,2 30,1 35,7 35,4
1866 2738 3610 4481 5353
78,8 80,6 79,2 75,7 63,0
0,646 0,966 1,016 4,089 4,255
14,02 13,77 13,65 12,39 12,31
178 124 90 110 98
0,63 0,85 1,02 0,20 0,09
1,001 1,005 1,013 0,892 0,882
1822 2214 2250 1363 1209
P
n
Měření před katalyzátorem s úhlem otevření škrtící klapky - 61,5°
Pořadí 1 2 3 4 5
Mt
CO
CO2
HC
O2
λ
NOx
kW
-1
min
N.m
%
%
ppm
%
-
ppm
14,7 23,5 30,0 33,5 32,1
1866 2738 3610 4481 5353
58,8 81,4 79,0 71,2 57,3
1,302 0,813 0,798 0,936 1,009
11,97 14,11 14,13 14,00 13,95
1666 187 116 88 59
2,61 0,53 0,53 0,65 0,69
0,995 0,990 0,995 0,998 0,999
1300 2252 2397 2468 2256
P
n
Měření před katalyzátorem s úhlem otevření škrtící klapky - 47,8°
Pořadí 1 2 3 4 5
P
n
Mt
kW
-1
min
N.m
15,6 23,1 28,7 30,5 29,4
1866 2738 3610 4482 5353
79,3 80,2 75,6 64,8 52,5
CO
HC
%
%
ppm
%
-
ppm
0,829 0,639 0,649 0,674 0,725
13,76 14,18 14,28 14,25 14,21
289 141 108 90 67
0,99 0,57 0,47 0,48 0,52
1,007 1,000 0,997 0,998 1,000
1772 2541 2942 3019 2823
44
O2
λ
CO2
NOx
Tab. 5 Hodnoty za katalyzátorem Měření za katalyzátorem s úhlem otevření škrtící klapky - 85,2°
Pořadí 1 2 3 4 5
Mt
CO
CO2
HC
O2
λ
NOx
kW
-1
min
N.m
%
%
ppm
%
-
ppm
16,4 25,3 33,0 36,8 35,3
1865 2738 3609 4481 5353
83,5 87,8 87,0 78,1 62,8
1,652 3,246 4,169 4,804 5,418
13,89 12,90 12,33 11,91 11,58
201 131 113 102 97
0,29 0,02 0,00 0,00 0,00
0,958 0,904 0,880 0,863 0,849
808 545 680 685 483
P
n
Měření za katalyzátorem s úhlem otevření škrtící klapky - 73,8°
Pořadí 1 2 3 4 5
P
n
Mt
kW
-1
min
N.m
15,5 23,2 30,2 36,0 35,3
1865 2738 3610 4481 5353
79,2 80,7 79,5 76,5 62,9
CO
CO2
HC
O2
%
%
ppm
%
0,618 0,058 0,024 4,120 5,068
14,54 15,00 14,98 12,59 11,85
100 44 21 47 75
0,10 0,02 0,08 0,03 0,00
λ
NOx
-
ppm
0,983 265 0,997 549 1,002 1056 0,890 675 0,859 368
Měření za katalyzátorem s úhlem otevření škrtící klapky - 61,5°
Pořadí 1 2 3 4 5
Mt
CO
CO2
HC
O2
λ
NOx
kW
-1
min
N.m
%
%
ppm
%
-
ppm
15,6 23,4 29,9 33,1 31,8
1865 2738 3610 4481 5353
79,7 81,2 78,9 70,3 56,8
0,386 0,041 0,020 0,021 0,018
14,73 15,04 15,04 15,03 15,03
141 34 21 15 12
0,09 0,00 0,00 0,00 0,01
P
n
0,986 232 0,997 422 0,998 819 0,999 1190 0,999 1461
Měření za katalyzátorem s úhlem otevření škrtící klapky - 47,8°
Pořadí 1 2 3 4 5
Mt
CO
CO2
HC
O2
λ
NOx
kW
-1
min
N.m
%
%
ppm
%
-
ppm
15,3 23,0 28,1 29,4 28,3
1866 2738 3610 4481 5353
68,3 80,0 74,0 62,5 50,5
0,319 0,043 0,024 0,030 0,018
14,58 15,09 15,12 15,12 15,10
383 50 27 21 16
0,23 0,01 0,00 0,00 0,00
0,981 0,996 0,998 0,998 0,999
309 275 303 347 800
P
n
45
5.3 Grafické znázornění naměřených hodnot 150 140
45,0
Výkon motoru
40,0
Točivý moment
130 120 110
35,0
100
30,0
90 80
25,0
70
20,0
60 50
15,0
40
10,0
Točivý moment (N.m)
Výkon motoru (kW)
50,0
30 20
5,0
10
0,0 1000
2000
3000
4000
5000
0 6000
Otáčky motoru (1/min)
Obr. 25 Závislost výkonu a točivého momentu na otáčkách motoru
Obr. 25 znázorňuje závislost výkonu motoru a točivého momentu na otáčkách motoru, což je vnější otáčková charakteristika motoru. Maximální točivý moment byl zjištěn při otáčkách 3200 min-1. Maximální výkon motoru byl změřen při otáčkách 4500 min-1. 6 Emise CO před katalyzátorem
5
Emise CO za katalyzátorem
Emise CO (%)
4
3
2
1
0 1000
2000
3000
4000
5000
6000
Otáčky motoru (1/min)
Obr. 26 Závislost emisí CO na otáčkách motoru
Na obr. 26 je znázorněna závislost koncentrace emisí CO na otáčkách motoru. Koncentrace za katalyzátorem je nepatrně vyšší než před katalyzátorem. Tento rozdíl je dán vlastní metodikou měření, neboť i při statistickém zpracování hodnot se vždy jedná 46
o komparaci dvou měření. Lze samozřejmě polemizovat o možnosti simultánního vzorkování, avšak nejsou k dispozici dva totožné analyzátory se stejnou kalibrací. Proto je tedy nutné zvláště pečlivé diskuze s ohledem na koncentrace dalších plynů. Vhodným pojítkem je součinitel přebytku vzduchu λ. Pokud se pohybujeme v oblasti, kde je součinitel přebytku vzduchu λ výrazně nižší než 1, pak dramaticky klesá účinnost katalyzátoru.
Emise CO2 (%)
14,5
14,0
Emise CO2 před katalyzátorem
13,5
Emise CO2 za katalyzátorem
13,0
12,5
12,0 11,5
11,0 1000
2000
3000
4000
5000
6000
Otáčky motoru (1/min)
Obr. 27 Závislost emisí CO2 na otáčkách motoru
Obr. 27 znázorňuje závislost koncentrace emisí CO2 na otáčkách motoru. Pokud koncentrace CO roste, potom koncentrace CO2 klesá. I zde platí zákon o zachování hmoty. Maximální koncentrace CO2 je dána složením směsi, resp. spalovaným palivem (poměr H a C).
47
Emise HC před katalyzátorem 300
Emise HC za katalyzátorem
Emise HC (ppm)
250
200
150
100
50
0 1000
2000
3000
4000
5000
6000
Otáčky motoru (1/min)
Obr. 28 Závislost emisí HC na otáčkách motoru
Z průběhu HC je patrná nižší koncentrace uprostřed spektra otáček. Vysvětlení lze hledat ve volném kyslíku, jak je patrné a vysvětlené z obr. 26. Tudíž potřebujeme přivést dostatečné množství O2 a to je příčinou snížení emisí HC ve spalinách. Koncentrace O2 před katalyzátorem
1,2
Koncentrace O2 za katalyzátorem
Koncentrace O2 (%)
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0 1000
2000
3000
4000
5000
6000
Otáčky motoru (1/min)
Obr. 29 Závislost koncentrace O2 na otáčkách motoru
Kyslík (O2) je nezbytně potřebný k tomu, aby došlo k výraznému snížení složek emisí, zejména oxidu uhelnatého (CO) a nespálených uhlovodíků (HC). To je patrné z obr. 29, že pokud přivedeme ve spalinách před katalyzátor větší množství O2, dojde ke snížení koncentrace spalin HC, viz obr. 28. Důvod výskytu kyslíku ve spalinách je patrně i v časování rozvodů, kdy dochází k úniku čerstvé směsi do výfukového traktu.
48
0,98 Součinitel Lambda před katalyzátorem 0,96 Součinitel Lambda za katalyzátorem 0,94
λ (-)
0,92 0,90
0,88 0,86
0,84 1000
2000
3000
4000
5000
6000
Otáčky motoru (1/min)
Obr. 30 Závislost λ na otáčkách motoru
Součinitel λ je základní parametr regulace směsi. Její hodnota zcela zásadně ovlivňuje všechny emisní parametry. Nárůstem součinitele λ dochází ke zvyšování emisí NOx a teploty spalování. Naopak pokud součinitel λ klesá, zvyšují se emise CO a HC. Z toho důvodu se snažíme o její regulaci, na hodnoty, co nejvíce přijatelné danému prostředí. Tuto regulaci provádí λ sonda, ovšem za předpokladu částečného zatížení. V případě plného zatížení se otevírá regulační smyčka a regulace probíhá bez zpětné vazby z lambda sondy. Bohužel i z následných opakování bylo zjištěno, že průběh tvorby směsi je značně nestálý, byť metodika byla zachována. Zejména zatížení motoru ze strany válcového dynamometru bylo vždy stejné. Při měření však nelze postihnout dynamické korekce, které regulační systém vytváří a jejich výsledná hodnota může dosáhnout i řádů desítek procent. Algoritmus dynamických korekcí je záležitostí duševního vlastnictví a nejsou známy jeho zdrojové kódy.
49
Emise NOx před katalyzátorem 1600
Emise NOx za katalyzátorem
1400
Emise NOx (ppm)
1200 1000 800 600 400 200 0 1000
2000
3000
4000
5000
6000
Otáčky motoru (1/min)
Obr. 31 Závislost emisí NOx na otáčkách motoru
Obr. 31 znázorňuje závislost koncentrace NOx na otáčkách motoru. Kromě oxidu uhličitého a vodní páry vznikají při spalování fosilních paliv ještě vedlejší produkty a tím jsou již zmiňované oxidy dusíku (NOx). Kromě NOx se zde vyskytují oxidy síry SOx, pevné částice a popílek. Jak vyplývá z předchozích obrázků, pokud bude koncentrace HC + CO nízká, bude vysoká koncentrace NOx. Emise NOx jsou bohužel přímo úměrné s účinností motoru, z toho vyplývá, že pokud máme vysokou účinnost motoru, které se snaží dosáhnout logicky všichni výrobci, musíme počítat s vysokými emisemi NOx. Řešením tohoto problému je systém SCR a kapalinou AdBlue - močovina (viz. 4.4), který výrazně sníží koncentraci NOx ve spalinách. Tento systém je nadále ve vývoji, tudíž se dá předpokládat, že by se emise NOx v budoucnu dali snížit ještě více než je tomu dnes.
50
6 ZÁVĚR Ve své bakalářské práci jsem se snažil popsat veškeré škodliviny, které produkují spalovací motory prostřednictvím svého výfukového traktu. Dále jsem popsal moderní systémy, které přispívají ke stále snižujícímu se procentu škodlivin, které se přes katalyzátor a další systémy dostanou do ovzduší. Asi už téměř nikdo z nás si nedovede představit svůj každodenní život bez dopravních prostředků. Zhruba stejným trendem jakým se zvyšuje počet obyvatel na naší planetě, se zvyšuje i počet automobilů. Nejmarkantnější je tento jev v zemích jako např. Čína, Indie a další. Tímto ale roste produkce výfukových plynů do ovzduší. Nebýt vynálezu katalyzátoru a od něj se odvíjejících dalších systémů, bylo by dnešní ovzduší ještě daleko znečištěnější, než je tomu dnes. Potom by se taková procházka kolem běžné silnice rovnala hazardu s jedy. Proto by měla být prioritní snaha výrobců vozidel, vyrábět motorová vozidla, která produkují co nejmenší procento polutantů. Naštěstí dnešní vývoj nejmodernějších systémů a technologií je tak daleko, že jsou vozidla, která produkují stále se snižující procenta škodlivin. Myslím si, že tento vývoj v žádném případě není na konci a že se v budoucnu objeví systémy, které dokáží snížit hladinu jednotlivých emisí ještě níže, než je tomu nyní. Řekl bych, že jednou budou jezdit vozidla, která nebudou produkovat žádné škodliviny. Bylo by to velmi přínosné pro životní prostředí i pro člověka. V této práci jsem se snažil nashromáždit nejdůležitější informace týkajících se katalytických systémů u osobních automobilů, vedoucí ke snižování obsahu škodlivin ve výfukovém traktu proudících do ovzduší. Práce by mohla sloužit čtenářům, kteří by se chtěli dozvědět informace týkající se této problematiky. Hlavní a pro mě nejzajímavější částí bylo zpracování měření, kde jsem vyhodnotil výsledky měření před a za katalyzátorem.
51
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY A ZDROJŮ INFORMACÍ [1] ŠTOSS M., 1992: Příslušenství spalovacích motorů. 2. opravené vydání, Brno: Vysoké učení technické, ISBN 80-214-0418-3 [2] TAKATS M., 1997: Měření emisí spalovacích motorů. ČVUT, Praha, 111 s., ISBN 80-01-01632-3 [3] VLK F., 2004: Alternativní pohony vozidel.1. vyd. Brno: František Vlk, 376s., ISBN 80-239-1602-5 [4] VLK F., 2006: Automobilová elektronika.1.vyd. Brno: František Vlk, 269 s., ISBN 80-239-6462-3 [5] URL: http://auto.amoskadan.cz/images/obrazy/vyfukovy_system_FSI.jpg [6] URL: http://auto.amoskadan.cz/texty/pripravasmesi.htm [7] URL: http://www.auto.cz/main.php?akce=pojem&site=slovnik&id=204 [8] URL: http://automatizace.hw.cz/mereni-a-regulace/ART252-princip-a-pouzitilambda-sondy.html [9] URL: http://www.autopart.cz/generate_page.php3?page_id=7592 [10] URL: http://cs.wikipedia.org/wiki/Katalyz%C3%A1tor_v%C3%BDfukov% C3%BDch_plyn%C5%AF [11] URL: http://www.elpege.cz/lpg/lambda-sonda.html [12] URL: http://www.katalyzatory.cz/vlastnosti.htm [13] URL: http://rbkwin.bosch.com/cz/cs/powerconsumptionemissions/ dieselsysteme/diesel-system/commercialvehiclesystems/exhaust-gas_treatment/ oxidationcatalyticconverter.html [14] URL: http://rb-kwin.bosch.com/cz/cs/powerconsumptionemissions/exhaustgastreatment/dieselengines/exhaust-gas_management/storagecatalyticconverter.html [15] URL: http://rb-kwin.bosch.com/cz/cs/powerconsumptionemissions/exhaustgastreatment/dieselengines/exhaust-gas_management/denoxtronic/index.html [16] URL: http://rb-kwin.bosch.com/cz/cs/powerconsumptionemissions/exhaustgastreatment/dieselengines/exhaust-gas_management/particulate_filter_systems.html [17] URL: http://stavebni-technika.cz/clanky/motory-euro-4-egr-nebo-scr [18] URL: http://tn.nova.cz/magazin/auta/bezpecnost-a-zakony/emisni-limity-sikanana-automobilky-nebo-nutnost.html [19] URL: http://www.volkswagen.cz/lexikon/?letter=t&lexicon_id=21 [20] URL: http://www.volvotrucks.com/dealers-vtc/pl-pl/VolvoTruckCenter/aboutus/ environment/euro4_euro5/aboutEuro4_5/pages/about_euro4_5.aspx 52
SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 Účinky oxidu uhelnatého na lidský organismus [2] ............................................ 11 Obr. 2 Pokles škodlivin v závislosti na normách Euro [20] ........................................... 14 Obr. 3 Tvorba NO ve válci motoru [2] ........................................................................... 16 Obr. 4 Základní vlastnosti benzínového motoru [2] ....................................................... 18 Obr. 5 Úplná charakteristika benzínového motoru [2] ................................................... 19 Obr. 6 Základní vlastnosti vznětového motoru [2] ......................................................... 19 Obr. 7 Úplná charakteristika vznětového motoru [2] ..................................................... 20 Obr. 8 Úplná charakteristika plynového zážehového motoru [2]................................... 21 Obr. 9 Technická účinnost katalyzátoru [2].................................................................... 22 Obr. 10 Řez katalyzátorem (Bosch) [4] .......................................................................... 25 Obr. 11 Schéma katalyzátoru (Bosch) ............................................................................ 26 Obr. 12 Rozsah teplot při reakcích v katalyzátoru (Bosch) ............................................ 27 Obr. 13 Oxidační katalyzátor (Bosch) [13] .................................................................... 28 Obr. 14 Třícestný katalyzátor (Bosch)............................................................................ 30 Obr. 15 Zásobníkový katalyzátor (Bosch) [14] .............................................................. 32 Obr. 16 Umístění zásobníkového katalyzátoru ve výfukovém traktu [5]....................... 33 Obr. 17 Schéma lambda sondy [8].................................................................................. 33 Obr. 18 Katalyzátorové okno [8] .................................................................................... 34 Obr. 19 Vyhřívaná lambda sonda (Bosch)...................................................................... 35 Obr. 20 Systém EGR (Scania) [17] ................................................................................ 36 Obr. 21 Technologie SCR (Scania) [17]......................................................................... 37 Obr. 22 Systém Denoxtronic (Bosch) [15] ..................................................................... 39 Obr. 23 Filtr pevných částic (Bosch) [9] ........................................................................ 39 Obr. 24 Umístění a princip filtru pevných částic (Toyota) [9] ....................................... 40 Obr. 25 Závislost výkonu a točivého momentu na otáčkách motoru ............................. 46 Obr. 26 Závislost emisí CO na otáčkách motoru............................................................ 46 Obr. 27 Závislost emisí CO2 na otáčkách motoru .......................................................... 47 Obr. 28 Závislost emisí HC na otáčkách motoru............................................................ 48 Obr. 29 Závislost koncentrace O2 na otáčkách motoru .................................................. 48 Obr. 30 Závislost λ na otáčkách motoru......................................................................... 49 Obr. 31 Závislost emisí NOx na otáčkách motoru .......................................................... 50
53
SEZNAM TABULEK Tab. 1 Emisní normy [18]............................................................................................... 13 Tab. 2 Technické parametry měřeného vozidla.............................................................. 42 Tab. 3 Barometrické podmínky při měření ve zkušebně ................................................ 43 Tab. 4 Hodnoty před katalyzátorem ............................................................................... 44 Tab. 5 Hodnoty za katalyzátorem ................................................................................... 45
54
