KATEDRA VOZIDEL A MOTOR
Emise ve výfukových plynech PSM
#11/14
Karel Páv
sobení emisí PSM na lov ka a na životní prost edí Oxid uhli itý CO2: Bez zápachu i nadýchání zp sobuje zvýšení krevního tlaku i koncentracích nad 8% zp sobuje bolest hlavy, pocení a ztrátu v domí po n kolika minutách
Oxid uhelnatý CO: Bez zápachu Váže se na hemoglobin v ervených krvinkách, snižuje množství O2 v krvi Zp sobuje zrychlené dýchání, bolest hlavy, závra , ztrátu v domí až smrt Jed zp sobující pouze akutní problémy bez zdravotních následk
Oxidy dusíku NOx: NO2 je plyn ervenohn dé barvy s nep íjemným zápachem Toxické, dráždí o i, plíce a dýchací cesty Zp sobují nespavost, kašel, zrychlené dýchání, modrání k že
Nespálené uhlovodíky CxHy: Zp sobují zápach výfukových plyn Zvlášt nebezpe né jsou polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH) Škodlivost se zvyšuje vazbou na povrch pevných ástic Poškozují dýchací cesty, n které jsou karcinogenní
Pevné ástice: Pevné i kapalné fáze Tuhé ástice absorbují uhlovodíky, jejichž negativní ú inek se tak zv tšuje Karcinogenní a mutagenní ú inky ástice o rozm rech 0,1÷1 m jsou pro lidský organismus nejnebezpe jší
2 / 13
sobení emisí PSM na lov ka a na životní prost edí
3 / 13
% obj.
Složení suchého vzduchu:
Škodlivina
CO
Dusík N2
78.08
Kyslík O2
20.95
Argon Ar
0.93
Oxid uhli itý CO2
0.04
Vzácné plyny Ne, He, Kr, Xe
0.002
írodní zdroj Zanedbatelný.
Vlhký vzduch b žn obsahuje 0,5÷2,5% H2O Lidský zdroj
Dopad
Spalování bohatých sm sí ve vozidlových motorech.
Váže se na hemoglobin v ervených krvinkách, snižuje množství O2 v krvi.
NO, NO2
Blesky, bakteriální pochody v zemi.
Spalování za vysokých teplot.
Podrážd ní o í, plic a dýchacích cest. Fotochemický smog a kyselé deš . Poškozování ozonové vrstvy ve stratosfé e.
Pevné ástice
Lesní požáry, v trná eroze a vulkanické erupce.
Spalování fosilních paliv, uhlí a odpadu.
Dýchací potíže.
SO2
Vulkanické erupce a tlení.
Spalování uhlí, vysoké pece, rafinerie a vzn tové spalovací motory.
Podrážd ní o í, plic a dýchacích cest. Zdroj kyselých deš .
O3
Blesky, fotochemické reakce v troposfé e.
Fotochemické reakce ve fotochemickém smogu.
Podrážd ní o í, plic a dýchacích cest. Poškozování plic.
CO2
Živo išné dýchání, tlení, uvol ování z oceán .
Spalování fosilních paliv a d eva (pouze 4% z p írodních zdroj ).
Podíl na skleníkovém efektu.
CH4
Anaerobní tlení, p ežvýkavci, ropné vrty.
Úniky plynu a spalování.
Podíl na skleníkovém efektu.
CxHy
Biologické pochody.
Nedokonalé spalování a výpary.
Fotochemický smog.
Freony
Není.
Rozpoušt dla, hnací plyn, chladivo.
Poškozování ozonové vrstvy ve stratosfé e.
sobení emisí PSM na lov ka a na životní prost edí Mechanismy poškozování ozonové vrstvy inek NOx inek freon
irozená filtrace UV-zá ení
4 / 13
sobení emisí PSM na lov ka a na životní prost edí Skleníkový efekt Cca 30% energie ze slune ního zá ení je odraženo ze Zemského povrchu do vesmíru. Skleníkové plyny absorbují odražené infra ervené (dlouhovlnné) zá ení. Absorbcí zá ení dochází k oh evu atmosféry.
Skleníkové plyny Plyn CO2 CH4 N2O CFCl3 CF2Cl2 O3
Sou asná koncentrace
Nár st za posledních 20 let (1975-1995)
Relativní p ísp vek ke skleníkovému efektu
356 ppm 1.74 ppm 0.31 ppm 0.26 ppb 0.47 ppb 0.03 ppm
+ 0.4% + 0.6% + 0.25% + 2.1% + 2.3% - 0.51%
50% 20% 5% 5% 10% 10%
5 / 13
sobení emisí PSM na lov ka a na životní prost edí Fotochemický smog Podmínky pro výskyt smogu jsou: tší množství NO a CxHy v ovzduší. Dostate né slune ní zá ení. Bezv
í.
2NO
O2
NO 2
UV zá ení
O NO
O2 O3
HC NO
2NO 2
Nejškodliv jší složky smogu:
NO
NO2, O3, peroxyacetylnitráty (PAN), aldehydy.
O
Zp sobují podrážd ní o í.
O3
Mohou zp sobit škody v zem
NO 2 O 2 O2
NO 2 PAN
Kyselý déš
SO 2 ( g ) NO( g ) O 2 ( g ) NO 2 ( g ) OH ( g )
H 2O
HNO3 ( g )
NO 2 ( g ) H 2SO 4 (l )
lství.
6 / 13
Mechanismus vzniku škodlivin PSM Oxid uhelnatý CO Neúplná oxidace na CO2
i nedostatku O2 (hlavn bohaté sm si).
Disociace produkt dokonalého spalování p i teplotách nad 2000°C. Rychlá expanze (ochlazení) spalin, p i níž zamrznou oxida ní reakce. Koncentrace CO je p evážn ur ena sou initelem p ebytku vzduchu .
Nespálené uhlovodíky HC ed asné zastavení oxida ních reakcí na konci ho ení ve „zhášecích vrstvách“. V malých št rbinách, kde se neší í plamen. Pr nik nespálené sm si do výfuku v dob p est ihu ventil . Z mazacího oleje (p es pístní kroužky, vodítka ventil , odv trání klikové sk ín ). Vliv technického stavu a teplotního režimu motoru. Vliv vlastností paliva. Ší ka zhášecí vrstvy je ovlivn na: Teplotní vodivostí nápln válce Turbulencí nápln válce Zápalnou teplotou paliva Teplotou st ny
7 / 13
Mechanismus vzniku škodlivin PSM
8 / 13
Oxidy dusíku NOx – N2O, NO, NO2 Oxidace vzdušného dusíku kyslíkem p i vysokých teplotách (u VM hlavn b hem kinetické fáze ho ení). Rychlá expanze (ochlazení) spalin, p i níž zamrznou reakce. U vzn tových motor (spalování chudých sm sí) m že být NO2 zastoupeno až v 60%. U zážehových motor tvo í 95% NO. inné snížení produkce pomocí chlazeného EGR. ZM – inertní plyn, VM – nižší i kompresi, snížení koncentrace O2
Zeldovi
v mechanismus tvorby NO:
d [NO] k1 N 2 O dt
N2 O
NO N
N O2
NO O
N OH
NO H
k2 N O 2
k3 N OH
9
3150 T
9
19500 T
6.4 10 e
k2
1.5 10 e
k2 k1 NO N
k2 NO O
k3 NO H
Po áte ní tvorba NO:
d NO dt
6 1016 e T 0 ,5
69090 T
O2
0,5 e
N2
e
[O2]e - Rovnovážná koncentrace O2 [mol/cm3] [N2]e - Rovnovážná koncentrace N2 ( konst.) [mol/cm3] T - Teplota [K]
9 / 13
Mechanismus vzniku škodlivin PSM Pevné ástice PM Neúplná oxidace palivové sm si p i lokálním sou initeli < 0,6. Neúplná oxidace p i nízkých teplotách ho ení. Tvo í je saze, karbon, popel, oxidy síry, sírany kov , voda, palivo, olej. Na povrchu se usazují t žko odpa itelné nespálené uhlovodíky (zejména PAH). Velikost emitovaných ástic je 20 nm až 2 m (nejvyšší etnost je kolem 100 nm). evážn u vzn tových motor a u zážehových motor s p ímým vst ikem paliva. Produkci PM lze snížit lepší atomizací vst ikovaného paliva (problém u konce vst iku). i se ízení VM se v tšinou jedná o kompromis mezi NOx a PM:
Spalovací proces
Zárodky ástic 0,001 ÷ 0,01 m
Zv tšování povrchu Slu ování
PM
Atmosférické podmínky
Primární ástice Aglomerace Emitované ástice 0,01 ÷ 0,03 m (Shlukování) 0,02 ÷ 2 m
Oxidy síry SOx Oxidace síry obsažené v palivu a oleji v pr evážn SO2. Zp sobují „otravu“ katalyzátoru.
NOx
hu ho ení.
10 / 13
Se ízení vzn tových motor Hlavními sledovanými parametry jsou m rná spot eba paliva, emise NOx, kou ivost a hluk. Dalšími sledovanými veli inami jsou teplota výfukových plyn , otá ky turbodmychadla, maximální spalovací tlak a ostatní složky emisí výfukových plyn . tšinou se jedná o nalezení kompromisního nastavení. 6
NOx [g/kWh]
5 4 3 2 1 0 6
Kourivost [-]
5 4 3 2 1 0
BSFC [g/kWh]
260 255 250 245 240 235 230 2
3
4
5
6
7
8
9
Pocatek vstriku [°KH pred HU]
10
11
12 0.0
2.5
5.0
7.5
10.0
12.5
EGR [%]
15.0
17.5
20.0
22.51.98
2.00
2.02
2.04
2.06
2.08
Lambda [-]
2.10
2.12
2.14
11 / 13
Mechanismus vzniku škodlivin PSM Úsady absorbují HC
NO p i vysokých teplotách spalin
CO p i vysokých teplotách a bohaté sm si HC na konci ho ení i nedokonalé oxidaci
Vrstva oleje absorbuje HC
NOx Komprese
S klesající teplotou spalin zamrzají reakce s NO a poté s CO
Nespálená sm s vniká do št rbin
Saze Ho ení
HC se uvol ují z úsad HC Strhávání HC ze st n do plynu
Úniky HC ze št rbin, ho ení n kterých HC
HC se uvol ují z olejové vrstvy Píst separuje HC ze st n Expanze
Výfuk
12 / 13
Typické koncentrace emisí Objemové podíly surových emisí p i r zných provozních režimech a r zném se ízení motor :
20
2000
Zážehové motory
5
CO [ppm]
10
„suché“
CO [%]
Vzn tové motory
1500 1000 500
8000
2000
6000
1500
4000
NOX [ppm]
0
„vlhké“
0
1000 500
0
0
4000
200
3000 2000 1000 0
HC (C3H8) [ppm]
2000
„vlhké“
NOX [ppm] HC (C3H8) [ppm]
„vlhké“
„vlhké“
„suché“
15
150 100 50 0
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4 [-]
1.6
1.8
2.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0 [-]
3.5
4.0
4.5
5.0
13 / 13
Typické koncentrace emisí 18
120
Zážehový motor Benzínová sm s
s vysoušením bez vysoušení
16
100
14 H2O
CO2
80
pH2O [kPa]
12
yi [%]
10
8
60
40
6 20
4 H2
O2
CO
0
2
-20
0
20
H2O
0.7
60
80
100
t' [°C]
0 0.6
40
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
[-]
Objemové podíly po vysoušení:
yi
H 2O
yi
1 y H 2O H 2O
1 y H 2O
y H 2O
pH 2O (T ) p
p’, T’ … podmínky v analyzátoru výfukových plyn (kondenzátoru), obvykle t’ = 4 ÷ 8 °C
