Emise zážehových motorů
Složení výfukových plynů zážehového motoru 1. Plynné složky: - oxid uhličitý CO2 - oxid uhelnatý CO - oxidy dusíku NOx (majorita NO) - nespálené uhlovodíky HC (CHx) Nejvýznamnější složkou je N2 a vodní pára, ve spalinách se vyskytuje také O2 i H2.
2. Pevné částice -
Produkty tepelné degradace oleje Prach Popel Části koroze Otěrové částice
Ostatní - Kondenzáty HC
Vznik škodlivin v exhalátech • • • • • •
Použité palivo Typ spalování Volba nastavení systému přípravy směsi Předstih zapalování či vznětu Homogenita směsi Konstrukce motoru (wankel)
Typ spalování laminární
Typ spalování turbulentní
Příprava směsi
Vznik CO Oxid uhelnatý je produktem nedokonalé oxidace uhlíku obsaženého uhlovodíkovém palivu.
v
Prioritní příčinou jeho výskytu ve spalinách je tedy nedostatek kyslíku ve spalované směsi, tedy provoz při součiniteli přebytku vzduchu λ < 1. Koncentrace oxidu uhelnatého při spalování bohaté směsi v zážehovém motoru dosahuje řádově jednotky %, výjimečně (při spalování extrémně bohaté směsi) může překročit 10%. 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 fluktuace směšovacího poměru). Oxid uhelnatý je pak přítomen ve spalinách společně s kyslíkem. Globální, nebo lokální nedostatek kyslíku lze označit za hmotově - bilanční příčinu emise CO.
Vznik CO V některých případech se ovšem naměří ve spalinách koncentrace CO vyšší než jaká vychází z výpočtu rovnovážného složení pro maximální teplotu při spalování. Zde je příčinou nedostatečná reakční rychlost jednotlivých dílčích reakcí oxidace uhlovodíkového paliva, ve kterých figuruje oxid uhelnatý jako produkt počátečních etap reakčního řetězce. Zpomalení reakcí ve fázi, kdy má dojít k oxidaci CO na CO2 je pak reakčněkinetickou příčinou výskytu CO ve spalinách. Tento mechanizmus se uplatňuje při spalování s vysokou hodnotou λ (o dostatku kyslíku tedy nemůže být pochyb), dále v oblastech spalovacího prostoru s extrémně nízkou teplotou reakce (v úzkých štěrbinách, v blízkostí studených stěn). Koncentrace CO, která se objevuje ve spalinách z důvodů chemicko -termodynamických a reakčně-kinetických je výrazně (řádově) nižší ve srovnání s koncentracemi uvedenými v popisu hmotově- bilančního mechanizmu.
Vznik CHx V otázce příčin emisí nespálených uhlovodíků, které jsou rovněž produktem nedokonalého průběhu oxidační reakce (resp. totální absence průběhu této reakce) platí analogicky úvahy, odvozené v popisu mechanizmů emise CO s jistými odchylkami. Mechanizmy hmotově - bilanční a reakčně - kinetické jsou srovnatelně účinné. Prakticky to znamená, že emise uhlovodíků při spalování extrémně chudé směsi (s nízkou reakční rychlosti) je (co do množství emitované složky) srovnatelná s emisí uhlovodíků při spalování bohaté směsi. Zvýrazňuje se vliv oblastí s nízkou teplotou hoření (v blízkostí stěn, úzké štěrbiny) a v souvislosti s emisí uhlovodíků se pro tyto oblasti používá někdy název zhášecí zóny. Výpočtem lze prokázat, že příspěvek chemicko - termodynamického mechanismu k celkové emisi uhlovodíků je bezvýznamný, protože koncentrace běžných uhlovodíků (např. těch, které jsou součástí původního paliva) v rovnovážné směsi je zanedbatelná (např. řádu 10-10 ppm). Na rozdíl od oxidu uhelnatého jsou ovšem palivové uhlovodíky přítomny v čerstvé směsi (před zahájením spalovacího procesu). Jejich výskyt ve spalinách v nadrovnovážné koncentraci tedy není v rozporu s logikou popisu jednotlivých mechanismů.
Vznik NOx Společnou vlastností oxidu uhelnatého 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 (v souladu s účelem použití spalovacích motorů). Oxidy dusíku vznikají oxidací vzdušného dusíku dodávaného do válce motoru společně s kyslíkem potřebným pro oxidaci paliva. Oxidace dusíku je endotermická, nastává tedy jako součást mechanismu, jimž přírodní síly vzdorují zvýšení teplot. 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 oxidu dusnatého je tak markantní, že se pro jeho popis používá termín zmrazení koncentrace NO.
Slo žení sm ěsi aa výsledných ů ho ření zzážehových ážehových motor ů Složení směsi výsledných produkt produktů hoření motorů
Hodnocení škodlivosti exhalátů - CO Na krevní barvivo se váže intenzívněji než kyslík za vzniku karboxyl-hemoglobinu. Tím je funkce dýchacích barviv (tedy distribuce kyslíku) bloko-vána a jednotlivé orgány jsou poškozovány nedostatkem kyslíku, i když by tento byl obsažen v dýchaném vzduchu v dostatečném množství.
Nejcitlivějším orgánem na dodávku kyslíku je mozek, proto je oxid uhelnatý vlastně nervovým jedem.
Hodnocení škodlivosti exhalátů - NOx Přímá škodlivost oxidu dusnatého na živý organizmus je vcelku nízká. Všeobecně se uznává, že při dalším pobytu v atmosféře dochází k oxidaci NO na oxid dusičitý jehož škodlivost je klasifikována jako závažnější než u oxidu uhelnatého. Mechanizmus účinku na živý organizmus působí prostřednictvím dezinformace regulační soustavy, která na přítomnost NOx ve vdechovaném vzduchu (resp. na přítomnost kyseliny dusičné, která vzniká pohlcením NOx ve vodě na stěnách sliznice) reaguje jako na začínající hoření a automaticky přivírá přístup vzduchu do plic. Důsledkem je pocit dušení a nucení ke kašli. Tento nežádoucí jev nastává již při velmi nízkých koncentracích, resp. při krátkých expozičních dobách. Křivka minimálních účinků je tedy blíže k počátku souřadného systému, než jak je uvedeno pro CO. Na černou listinu sledovaných škodlivin se ovšem oxidy dusíku dostaly zejména kvůli významnému podílu na tvorbě letního smogu.
Hodnocení škodlivosti exhalátů - CHx Skupina škodlivin souhrnně označována jako nespálené uhlovodíky je ve skutečnosti směsí individuálních komponent jejichž přímá i zprostředkovaná škodlivost je různá. Nejmenší přímý 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. Silně dráždivě na sliznice a oči působí už při malé koncentraci a při krátkých expozičních dobách nenasycené aldehydy (např. akrolein) a vyšší aldehydy všeobecně. U formaldehydu karcinogennosti.
byly
prokázány
mutagenní
účinky
a
je
podezírán
z
Nejnebezpečnější (ze všech složek spalin) jsou polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH), které mají (podle stávající úrovně znalostí problematiky) rakovinotvorný účinek.
Hodnocení škodlivosti exhalátů – pevné částice Částice emitované vznětovými motory obsahují zejména pevný uhlík ve formě sazí (proto se též někdy tato skupina škodlivin nazývá pevné částice). Tato látka samotná není toxická. Na pevných částicích jsou ovšem sorbovány látky s vysokou zdravotní závadností (např. zmíněné polycyklické aromáty). Kontaminované částice se mohou usazovat v plicních sklípcích organizmů a umožňovat tak dlouhodobé působení karcinogenů. Funkce nosiče rakovinotvorných látek je hlavním důvodem k výrazně negativnímu hygienickému hodnocení emitovaných částic. Částice jsou též hlavní příčinou výskytu zimního smogu, typického pro stav teplotní inverze. Částice emitované automobilovými motory mohou snížením viditelnosti v exponovaných dopravných situacích (při předjíždění kouřícího vozidla) vytvářet předpoklady ke vzniku dopravních nehod.
Hodnocení škodlivosti exhalátů – CO2 Oxid uhličitý není hodnocen jako škodlivina s přímým vlivem na živé organismy. V současnosti není emise této složky administrativně limitována. Po chemické stránce se jedná o produkt dokonalé oxidace a jeho přítomnost ve spalinách je tedy důsledkem kvalitně uskutečněného spalovacího procesu. Jedná se o látku vcelku velmi stabilní a všeobecně málo reaktivní. Toxicita je nevýznamná pokud koncentrace nedosáhne úrovně ovlivňující koncentraci kyslíku ve vdecho-vaném vzduchu jeho vytěsňováním. Negativně působí CO2 na životní prostředí vytvářením radiační clony omezující sdílení tepla ze zeměkoule sáláním. To má vést k průběžnému zvyšování teploty a posunu klimatických poměrů s celou řadou fatálních důsledků (tání ledovců = zvýšení hladiny oceánů). Obecně vžitý název pro popsaný jev je skleníkový efekt a intenzita jednotlivých vlivů na jeho vznik se vyhodnocuje jako příspěvek k celkovému ohřívacímu potenciálu.
Vývoj snižování emisí v Kalifornii
Normativy evropské legislativy
Legislativní předpisy (os. vozidla, g/km)
Snižování škodlivin ve spalinách zážehových motorů – katalytické systémy J. J. Mooney C. D. Keith – 1970 První použití ve Volvu v roce 1973, komerční nasazení od roku 1976 ve Volvu s regulací lambda-sondou. Katalyzátor je látka, vstupující do chemické reakce, urychluje ji, a přitom z ní vystupuje nezměněná. Katalyzátor tvoří s reaktanty málo stabilní komplex, který se v dalším kroku rozpadá na požadované produkty a katalyzátor. Aktivační energie těchto procesů jsou zpravidla nižší (v některých případech, ale mohou být vyšší) než aktivační energie nekatalyzované reakce.
Konstrukce katalyzátoru Monolit katalyzátoru: - keramický monolit – silikáty magnézia a aluminia - mezi monolitem a ochranným obalem se nachází pružná ocelová výplň – namáhání mechanické, tepelné, tlak plynů - kovový monolit vysokoteplotně předkatalyzátory
– drahé, používané u zatížených motorů,
Konstrukce katalyzátoru Aktivní vrstva: Na monolit je z důvodu zvětšení reakční plochy nanesen Al2O3, který plochu zvětšuje cca 7000x. Na této vrstvě je nanesena katalytická vrstva platiny a rhodia (platina a palladium u oxidačních katalyzátorů, stopově CeZr oxid). Platina urychluje oxidační reakce (HC a CO). Rhodium urychluje redukci NOx. Hmotnost ušlechtilých kovů je cca 2 – 3 g/ katalyzátor. Provozní podmínky: Bezolovnatý benzin (!), optimální teplota 400°C až 80 0°C, životnost nad 100 000 km. Teplota nad 1000°C vede ke termické degradaci kataly zátoru, 1400°C k destrukci.
Chemické reakce 2 CO + O2 → 2 CO2 2 C2H6 + 7O2 → 4 CO2 + 6 H2O 2 NO + 2 CO → N2 + 2 CO2 2 NO2 + 2 CO → N2 + 2 CO2 + O2
Technická opatření ke snížení škodlivin v exhalátech - katalyzátory
Snížení emitovaných škodlivin u zážehových motorů s přímým vstřikem benzinu - provoz nad hodnotou λ = 1 zavdává ke zvýšení NOx ve spalinách - vysoké emise NOx si vynutily začlenění zásobníkového NOx katalyzátoru, protože redukce v katalyzátoru je neúčinná a recirkulace výfukových plynů nepřináší požadovaný účinek - jímavou vrstvou je BaO
2 BaO + 4 NO2 + O2 → 2 Ba(NO3)2 2 Ba(NO3)2 + 3CO → 3 CO2 + BaO + 2 NO 2 NO + 2 CO → N2 + 2 CO2
V zásobníkovém katalyzátoru dochází při regeneraci navíc k oxidaci síry obsažené v palivu.
Snížení emitovaných škodlivin u zážehových motorů s přímým vstřikem benzinu
Snížení emitovaných škodlivin u zážehových motorů s přímým vstřikem
TWC (třícestný katalyzátor) – řízený, neřízený SCR – selektivní katalýza
Měřící zařízení - analyzátory • Infraanalyzátory – založeny na Lambert-Beerově zákonu
• Analyzátor pracující na principu absorpce ultrafialového záření
Chemiluminiscenční analyzátor
Měření založené na princip změny elektrické vodivosti vodíkového plamene
Soustava analyzátorů pro exaktní zjištění emitovaných plynů
Emisní systémová analýza BOSCH ESA 3.250
Přístroje ESA (Emisní Systémová Analýza) je zařízení vyvinuté zejména pro pracoviště zabývající se měřením emisí. Současně také umožňuje diagnostiku a základní seřízení motoru. Měřit lze i motory poháněné alternativními palivy (LPG, CNG, metanol) s tím, že součinitel lambda je vypočítán podle zvoleného druhu paliva (pouze v některých verzích analyzátoru). ESA kromě plynných emisí, případně kouřivosti, zajišťuje nejen potřebné měření otáček a teploty oleje, ale umožňuje provádět i jednoduché funkce motortesteru. Dokáže změřit předstih a dynamický předvstřik pomocí stroboskopické lampy nebo snímače HÚ, úhel sepnutí má možnost zobrazit i signály (např. napětí lambda sondy, doba vstřiku, ..) a nabízí i funkci multimetru. Jedná se o modulárně řešený systém, ve kterém je modul analyzátoru ETT 8.70/ETT 8.71, opacimetru RTM 430 i měřící modul MTM plus řízen počítačem.
Emisní systémová analýza BOSCH ESA 3.250 1 – Monitor 2 – Dálkové ovládání 3 – Inkoustová tiskárna 4 – Měřící modul MTM Plus 5 – Modul opacimetru RTM 430 6 – Klávesnice 7 – PC modul 8 – Modul analyzátoru ETT 008.70-1 9 – Dílenský vozík
Modul analyzátoru ETT 008.70
Měřící rozsah
Rozlišení
CO
0,000 - 10,00 % obj.
0,001 % obj.
CO2
0,00 - 18,00 % obj.
0,01 % obj.
HC
0 - 9999 ppm obj.
1 ppm obj.
O2
0,00 - 22 % obj.
0,01 % obj.
0,500 - 1,800
0,001
Lambda
Splňuje požadavky normy OIML třídy 1 Modul opacimetru RTM 430
Měřící rozsah
Rozlišení
Kouřivost
0 - 100 %
0,10%
Opacita
0 - 10 1/m
0,01 1/m
