Ing. Martin Fajman, Ph.D

Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy

Metody měření emisí vznětových motorů Bakalářská práce

Vedoucí práce: Ing. Martin Fajman, Ph.D.

Vypracoval: Ivo Bařinka, DiS. Brno 2010

Ústav techniky a automobilové dopravy Akademický rok: 2009/2010

ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE Zpracovatel

Ivo Bařinka, DiS.

Studijní program

Zemědělská specializace

Obor

Provoz techniky

Název tématu:

Metody měření emisí vznětových motorů

Zásady pro vypracování:

1. Na základě studia literárních pramenů sestavte přehled metod měření a analýz emisí vznětových motorů, přičemž také rozveďte vlastní problematiku vzniku emisí při práci spalovacích motorů a způsoby snižování emisí na vozidlech 2. Získané údaje srovnejte v časovém vývoji a případně v mezinárodním srovnání, zejména na základě legislativní úpravy v EU 3. Na základě srovnání a poznatků získaných studiem formulujte závěry o vývoji emisních limitů a způsobů regulace emisí, pokuste se odhadnout budoucí vývoj této problematiky

Rozsah práce:

30-40 stran

Seznam odborné literatury:

1. elektronické informační zdroje 2. firemní literatura 3. odborné časopisy (Alternativní energie, Energie), sborníky z vědeckých konferencí

Datum zadání bakalářské práce:

říjen 2008

Termín odevzdání bakalářské práce:

květen 2010

Ivo Bařinka, DiS. řešitel bakalářské práce

Ing. Martin Fajman, Ph.D. vedoucí bakalářské práce

doc. Ing. Miroslav Havlíček, CSc. vedoucí ústavu

prof. Ing. Ladislav Zeman, CSc. děkan AF MZLU v Brně

PROHLÁŠENÍ

Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Metody měření emisí vznětových motorů 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 22. dubna 2010 Ivo Bařinka, DiS.

Abstrakt

Tato práce uvádí stručný přehled metod měření emisí vznětových motorů použitelných v běžné dílenské praxi. Stručně vysvětluje principy fungování moderních vznětových motorů. Kromě metod měření emisí práce popisuje problematiku české a evropské legislativy upravující měření emisí, vývoj evropských předpisů a postupné snižování emisních limitů v těchto předpisech. Dále se práce zabývá možností transformace amerických emisních předpisů pro Evropskou unii. V neposlední řadě práce také poukazuje na použití a vlastnosti přístrojů určených k měření emisí a opacimetrů. Na závěr se práce zabývá metodami a návrhem snižování produkce emisí u vznětových i zážehových motorů.

Klíčová slova: emise, měření emisí, kouřivost, opacimetr, vznětový motor.

Abstract

This thesis comprises a compendium of Diesel engines exhaust-emission measurement methods applicable in an ordinary workshop practice. It shortly explains principles of the modern Diesel engines operation. Apart from the exhaust-emission measurement methods the text describes problems of the Czech and European legislation, which regulates the exhaust-emission measurement, the development of the European regulation and a reduction of permitted parameters by these emission standards in these regulations. Furthermore, the work deals with the possibility to introduce the American exhaust emissions standards to the European union. Next, the work points out the usage and the characteristics of the exhaust-emission measurement devices and the opacimeters. The last topic the work deals with the methods and the proposals of the reduction of emissions generation by Diesel and petrol engines.

Keywords:

emissions, exhaust-emission measurement, smokiness, opacimeter, Diesel engine.

Poděkování

Na tomto místě bych rád poděkoval Ing. Martinu Fajmanovi, Ph.D., vedoucímu práce, za cenné rady a odbornou pomoc při vedení bakalářské práce. Dále bych chtěl poděkovat Milanu Freislebenovi a Stanislavu Sedlákovi pracovníkům společnosti Agropodnik, a. s. Skalice nad Svitavou za cenné informace ohledně měření emisí a za poskytnutí možnosti si tuto problematiku vyzkoušet v praxi.

OBSAH 1

ÚVOD.......................................................................................................................10

2

CÍL PRÁCE.............................................................................................................11

3

PRINCIPY FUNGOVÁNÍ ČTYŘDOBÝCH SPALOVACÍCH MOTORŮ .....13 3.1 Princip fungování zážehového motoru ...............................................................14 3.2 Princip fungování čtyřdobého vznětového motoru .............................................15 3.2.1 Dieselův rovnotlaký cyklus ..........................................................................15 3.2.2 Sabatův smíšený cyklus ................................................................................16 3.3 Způsoby tvoření směsi u vznětových motorů.......................................................17 3.3.1 S nepřímým vstřikem paliva .........................................................................18 3.3.2 S přímým vstřikem paliva.............................................................................18 3.4 Systémy moderních vznětových motorů ..............................................................19 3.4.1 Čerpadlo-tryska.............................................................................................20 3.4.2 Čerpadlo-potrubí-tryska................................................................................20 3.4.3 Common-Rail................................................................................................21 3.4.4 Přeplňování pomocí turbodmychadla ...........................................................23

4

VZNIK EMISÍ.........................................................................................................24 4.1 Chemické.............................................................................................................24 4.1.1 Plynné emise .................................................................................................24 4.1.2 Složky přímo nepodléhající kontrole............................................................27 4.2 Částice – PM.......................................................................................................27 4.3 Mechanické .........................................................................................................28 4.4 Tepelné................................................................................................................28

5

PŘEHLED METOD MĚŘENÍ EMISÍ.................................................................29 5.1 Filtrační metoda .................................................................................................29 5.2 Gravimetrická metoda ........................................................................................30 5.3 Opacimetrie ........................................................................................................30

6

LEGISLATIVNÍ PŘEDPISY ................................................................................33 6.1 Předpis EHK 15, EHK 83 ...................................................................................33 6.2 Předpis EHK 49 ..................................................................................................34 6.3 Předpis EPA a CARB..........................................................................................37

7

PODMÍNKY MĚŘENÍ KOUŘIVOSTI U VOZIDEL POHÁNĚNÝCH VZNĚTOVÝM MOTOREM .................................................................................40

7.1 Postup při měření emisí u vozidel poháněných vznětovým motorem..................40 7.2 Postup při přípravě měření kouřivosti metodou volné akcelerace a vlastní provedení měření kouřivosti metodou volné akcelerace.....................................41 7.3 Vlastnosti přístrojů pro měření kouřivosti metodou volné akcelerace. ..............43 8

METODY SNIŽOVÁNÍ EMISÍ ............................................................................44 8.1 Recirkulace spalin...............................................................................................44 8.2 Třícestný katalyzátor...........................................................................................45 8.3 Oxidační katalyzátor...........................................................................................47 8.4 SCR – Selektivní katalytická redukce..................................................................47 8.5 Systém filtrace pevných částic ve výfukových plynech (FAP).............................49

9

ZÁVĚR ....................................................................................................................51

SEZNAM OBRÁZKŮ ..................................................................................................54 SEZNAM TABULEK...................................................................................................55 SEZNAM ZKRATEK ..................................................................................................56 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY.........................................................................58

1 ÚVOD „Měřením emisí se podle § 12 odst. 1 vyhlášky č. 103/1995 Sb. (dále jen „vyhláška“) rozumí kontrola technického stavu vozidla, motoru a příslušenství ovlivňujícího tvorbu škodlivých emisí ve výfukových plynech vozidla, jejich seřízení, případné odstranění zjištěných závad nebo oprava a následné ověření přípustných limitů škodlivých emisí ve výfukových plynech vozidla.“ [7]

V dnešní moderní a přetechnizované době, kdy je většina pozemních komunikací zatížena stále se zvyšující hustotou dopravy, je nezbytně nutné se zabývat měřením, vyhodnocováním a snižováním emisí produkovaných motory spalujícími především fosilní paliva. Právě fosilní paliva jsou největším problémem, nejen z toho důvodu, že patří mezi tzv. neobnovitelné zdroje energie, ale zejména proto, že jejich spalováním vzniká obrovské množství skleníkových plynů způsobujících globální oteplování planety. Měřením emisí je také nutné se zabývat u motorů spalujících alternativní zdroje energie, jako je metylester řepkového oleje, bioetanol a bioplyn či různé skládkové a kalové plyny. Zvláště u motorů spalujících paliva složená z kalových, skládkových plynů, bioplynů vznikajících z kejdy, kafilerních zbytků a biomasy je nutné kontrovat složení produkovaných emisí, které může být značně různorodé v důsledku problematického složení těchto plynů, kde může být obsah nežádoucích plynů jako je vodík, dusík a sirovodík 1 až 3 % [5].

-10-

2 CÍL PRÁCE Cílem práce je přehledně podat a osvětlit problematiku vzniku, stanovení, dopadů a snižování emisí zejména vznětových motorů. Proto v první části své bakalářské práce popíši funkci čtyřdobého spalovacího motoru jako stroje, který je pro svoji schopnost přeměňovat energii ukrytou v palivu na mechanickou práci, využíván zejména v dopravě a nejrůznějších energetických odvětvích. Nejprve popíši teoretické a skutečné cykly čtyřdobých spalovacích motorů, přičemž budu vycházet ze základního Ottova výbušného cyklu, který je charakteristický pro zážehové motory. Dále se budu zabývat již jen činností čtyřdobých vznětových motorů, kde se přes Dieselův rovnotlaký a Sabatův smíšený cyklus postupně dostanu k principům tvoření směsi paliva se vzduchem a k moderním systémům dávkování paliva a přeplňování motorů stlačeným vzduchem. Z důvodu malého využití motorů dvoudobých, které se v dnešní době uplatňují prakticky jen v malých motocyklech a drobné zahradní technice, se jimi ve své bakalářské práci nebudu zabývat. V další části práce stručně vysvětlím vznik emisí produkovaných vznětovými spalovacími motory a jejich dopad na člověka a životní prostředí. Právě dopad emisí na životní prostředí si vynutil ve většině zemí světa jejich měření a postupné snižování jejich produkce. V kapitole zabývající se přehledem metod měření emisí popíši metody použitelné v běžné dílenské praxi, jako je filtrační a gravimetrická metoda a opacimetrie, která je jako jediná uznávaná evropskou legislativou jako průkazná. Všechny tři metody podávají obraz pouze o kouřivosti motoru, tj. o množství motorem produkovaných částic. V kapitole Legislativní předpisy ukáži postupný vývoj evropských předpisů EHK 15, EHK 83 a EHK 49, dále pak amerických předpisů EPA a CARB a v neposlední řadě se budu zabývat otázkou transformace amerických předpisů pro evropské země. Dále popíši podmínky měření kouřivosti vozidel poháněných vznětovým motorem, kde jako jediná legislativou povolená metoda je uplatnitelná metoda volné akcelerace s použitím měřícího zařízení opacimetru. V této kapitole se kromě samotných podmínek měření kouřivosti chci také zabývat postupem měření a vlastnostmi opacimetrů.

-11-

V neposlední řadě se také zmíním o metodách snižování emisí nejen vznětových, ale i zážehových motorů zejména z důvodu uceleného popisu funkce různých systémů katalyzátorů. Kromě dvojcestného, selektivního a třícestného katalyzátoru se zde také zmíním o recirkulaci spalin a o systému filtrace výfukových plynů používaném u některých moderních osobních automobilů.

-12-

3 PRINCIPY FUNGOVÁNÍ ČTYŘDOBÝCH SPALOVACÍCH MOTORŮ Motorem zpravidla označujeme určitý energetický prostředek transformující jakýkoliv druh energie na mechanickou práci, která je dále využívána k pohonu buďto samostatného dopravního prostředku nebo jeho přídavných zařízení. Do pístového spalovacího motoru je dodáváno stanovené množství vzduchu i paliva z nichž je tvořena zápalná směs, která je spalovaná v pracovním prostoru válce. Jako palivo se používají směsi kapalných uhlovodíků získávaných frakční destilací ropy (benzin, nafta), příp. deriváty uhlovodíků (alkoholy - zatím však v relativně velmi malé míře), nebo uhlovodíková plynná paliva. Pracovní oběh pístového spalovacího motoru je možné rozdělit do čtyř základních dob (nebo též zdvihů), které zajišťují naplnění pracovního prostoru válce čerstvou směsí, stlačení obsahu válce na tlak a objem vhodný k provedení pracovního zdvihu, přívod tepla náplni ve válci motoru, jež se uskutečňuje spalováním hořlaviny v náplni válce a odvedení spálené směsi z pracovního prostoru motoru pryč spojeného s odvodem tepla z oběhu a následné opětovné naplnění pracovního prostoru. Jednotlivé děje probíhající ve válci se částečně překrývají a probíhají v rychlém časovém sledu. Tyto změny jsou základem činnosti všech spalovacích motorů. V důsledku značné složitosti jednotlivých procesů probíhajících v pracovním prostoru se zavádí tzv. ideální (porovnávací) cyklus, který skutečný cyklus značně idealizuje a zjednodušuje. Základní předpoklady ideálního cyklu spalovacího motoru jsou:

1. Pracovní náplň válce je tvořena ideálním dvouatomovým plynem který, má konstantní látkové vlastnosti. 2. Změny stavu náplně ve válci jsou považovány za vratné. 3. Komprese a expanze probíhají adiabaticky, tzn., že nedochází k výměně tepla s okolím. Dále musí být zajištěna dokonalá těsnost pracovního prostoru válce. 4. Objemové změny začínají a končí vždy v krajních polohách pístu (tj. v dolní DÚ a horní – HÚ úvrati). 5. Přívod tepla do oběhu se uskutečňuje buď izochoricky (tj. v HÚ) nebo izobaricky (od HÚ v počáteční fázi expanze) nebo kombinací obou předchozích.

-13-

6. Odvod tepla po skončení expanze náplně ve válci se uskutečňuje izochoricky, tj. při poloze pístu v DÚ. Oběh je uzavřený a nedochází k výměně náplně.

Ideální oběh spalovacího motoru se stáloobjemovým přívodem tepla nazýváme Ottův výbušný cyklus (Obr. 1). Hoření má charakter explozivní, a proto se považuje za hoření při konstantním objemu. Tento cyklus je proto nazýván cyklem izochorickým. Teplota směsi na konci komprese nesmí být vyšší než zápalná teplota směsi. Celý cyklus se skládá ze dvou adiabatických a dvou izochorických změn.

Obr. 1: Ottův výbušný cyklus v p-v a T-S diagramu [3] 1-2: q12 = cv (T2 – T1)

- izochorická změna

2-3: q23 = 0

- adiabatická změna

3-4: q34 = cv (T3 – T4)

- izochorická změna

4-1: q41 = 0

- adiabatická změna

3.1 Princip fungování zážehového motoru Z Ottova výbušného cyklu je odvozen cyklus zážehového motoru, který sestává rovněž ze dvou izochor a dvou adiabat. U čtyřdobého zážehového motoru dochází v prvém zdvihu k nasávání směsi par paliva se vzduchem do pracovního prostoru válce s tlakem o málo nižším než je tlak atmosférický. Po uzavření sacího ventilu dochází ve druhém zdvihu ke kompresi směsi (4-1). Podmínkou je, aby konečná kompresní teplota byla nižší, než je zápalná teplota směsi. Těsně před koncem komprese dojde k zažehnutí směsi elektrickou jiskrou, čímž je dosaženo izochorického spalování (1-2) a tím současně dosaženo maximálního spalovacího tlaku (p2). Z výše uvedeného vyplývá, že cyklu je přivedeno teplo q12. Třetí zdvih pístu představuje expanzi (2-3) vyvolanou v důsledku explozivního hoření směsi par paliva se vzduchem. Před ukončením třetího

-14-

zdvihu dojde k otevření výfukového ventilu a převážná část spalin odchází za stálého objemu (3-4) pryč z pracovního prostoru válce, čímž je celý cyklus uzavřen. Přesto je nutno ve čtvrtém zdvihu pístu vytlačit z válce zbytek spalin, aby mohla být znovu nasávána nová směs v dalším zdvihu tohoto otevřeného cyklu. Na obr. 1 je teoretický cyklus znázorněn plnou čarou a skutečný cyklus čárkovaně. Skutečný pracovní oběh spalovacího motoru je výrazně ovlivněn podmínkami a možnostmi jeho technického provedení včetně jednotlivých ústrojí. Významný vliv na vlastnosti skutečného pracovního oběhu má ale i chování pracovní náplně válce v průběhu pracovního cyklu. Základní fáze pracovního oběhu čtyřdobého zážehového motoru jsou ukázány na obr. 2, celý pracovní oběh se uskuteční za 2 otáčky klikového hřídele motoru. Cyklus čtyřdobého zážehového motoru je tedy rozdělen na 3 zdvihy nepracovní a 1 zdvih pracovní.

Obr. 2: Základní fáze čtyřdobého zážehového motoru [2] U moderních čtyřdobých zážehových motorů je palivo vstřikováno do vzduchu v sacím řádu motoru nebo je vstřikováno přímo do spalovacího prostoru motoru obdobně jako u motorů vznětových.

3.2 Princip fungování čtyřdobého vznětového motoru 3.2.1 Dieselův rovnotlaký cyklus Je tvořen dvěma adiabatami, jednou izobarou a jednou izochorou. Omezení kompresního poměru zážehového motoru je zde odstraněno tím, že zde dochází k nasávání čistého vzduchu namísto směsi vzduchu a par paliva, jak tomu bylo u zážehového motoru. Tím lze použít podstatně vyššího kompresního poměru, což má za následek zvýšení termické účinnosti a tím i hospodárnosti provozu motoru. Do

-15-

pracovního prostoru vznětových motorů nasávaný čistý vzduch je pístem stlačován na tlak výrazně vyšší, než je atmosférický. Do takto stlačeného vzduchu se pod vysokým tlakem vstřikuje těžko odpařitelné palivo – zpravidla motorová nafta, která se zapálí kompresním teplem. Proto teplota na konci komprese musí být vyšší, než je zápalná teplota paliva rozptýleného ve vzduchu stlačeném ve válci motoru. Hoření probíhá teoreticky za konstantního tlaku. Proto se tento Dieselův vznětový cyklus (Obr. 3) nazývá též rovnotlakým.

Obr. 3: Dieselův rovnotlaký cyklus v p-v a T-S diagramu [3] 1-2: q12 =cp (T2 – T1)

- izobarická změna

2-3: q23 = 0

- adiabatická změna

3-4: q34 = cv (T3 – T4)

- izochorická změna

4-1: q41 = 0

- adiabatická změna

„Stupeň komprese se pohybuje v mezích ε = 10 ÷ 18, čemuž odpovídá konečný kompresní tlak p1 = 2,5 ÷ 5,0 MPa.“ [3]

3.2.2 Sabatův smíšený cyklus Dieselův vznětový cyklus byl vhodný pro volnoběžné motory, kde spalování paliva probíhalo v podstatě za stálého tlaku. Takovýto cyklus byl v zásadě pouze teoretický a nedosahoval potřebné účinnosti. Dosáhnout zvýšení účinnosti motoru se podařilo až Rudolfu Dieselovi, který použil pro vstřikování paliva stlačeného vzduchu o tlaku 4,0 ÷ 8,0 MPa. Tento způsob zdokonalil hoření paliva, neboť se palivo do spalovacího prostoru dostávalo značně rozprášené, což zvýšilo rychlost jeho hoření. V pozdějších dobách se jemného rozprášení paliva dosáhlo použitím pístového vstřikovacího čerpadla, které zajišťovalo vstřikovací tlaky více než 20,0 MPa.

-16-

Kombinací Ottova výbušného a Dieselova rovnotlakého cyklu vzniká tzv. Sabatův smíšený cyklus (Obr. 4) při němž hoření z části probíhá za konstantního objemu a z části za konstantního tlaku. S tímto cyklem pracují moderní naftové motory, u nichž je palivo vstřikováno do spalovacího prostoru před horní úvratí pístu.

Obr. 4: Sabatův smíšený cyklus v p-v a T-S diagramu [3] 1-2: q12 = cv (T2 – T1)

- izochorická změna

2-3: q23 = cp (T3 – T2)

- izobarická změna

3-4: q34 = 0

- adiabatická změna

4-5: q41 = cv (T4 – T5)

- izochorická změna

5-:1 q51 = 0

- adiabatická změna

3.3 Způsoby tvoření směsi u vznětových motorů Vznětové motory spalují paliva, jako je motorová nafta nebo upravené rostlinné oleje, která se těžko odpařují. Směs paliva se vzduchem se vytváří vždy uvnitř pracovního prostoru válce, kde fyzikální a chemické vlastnosti umožňují realizovat spalování cestou samovolného vznícení, ke kterému dochází působením vysoké teploty kompresí zahřátého vzduchu, do kterého je toto palivo pod vysokým tlakem vstříknuto. Ze značného počtu vytvořených ohnisek vznícení prostorově rozložených v objemu spalovacího prostoru se hoření turbulentními proudy přenáší do celého spalovacího prostoru. Z mechanismu tvoření směsi v pracovním prostoru válce vyplývá, že k iniciaci směsi dochází tepelným a řetězovým vznětem s následným šířením plamene z ohnisek vznícení do okolí s tvořící se směsí a že z hlediska bohatosti směsi neexistuje žádná mez zápalnosti směsi (při volnoběhu pracuje vznětový motor s celkovým součinitelem přebytku vzduchu λ ~ 6 ÷ 7 [2]). Tvoření směsi v pracovním prostoru válce významně ovlivňuje víření a intenzita turbulence vzduchové náplně válce, které je určeno zejména tvarem a umístěním -17-

spalovacího prostoru. Z hlediska tvaru a umístění spalovacího prostoru rozeznáváme dva hlavní principy tvoření směsi:

3.3.1 S nepřímým vstřikem paliva Motory pracující na principu nepřímého vstřiku paliva (někdy též komůrkové) mají větší část objemu kompresního prostoru umístěnou ve spalovací komůrce, která je zabudovaná v hlavě válce (obr. 5). Tlaky a teploty vznikající při hoření směsi vyžadují vytvoření komůrky ze žárupevného materiálu. V komůrce bývá zpravidla umístěna i žhavicí svíčka, která usnadňuje spouštění studeného motoru. Vstřikovací tryska vstřikuje palivo do spalovací komůrky. Nevýhodou vznětových motorů komůrkových je jejich nižší účinnost než u motorů s přímým vstřikem, jež je způsobena jednak tepelnými ztrátami povrchem spalovací komůrky, dále ztrátami na mechanické energii jako důsledek vysoké intenzity rozvíření části vzduchové náplně válce. Vyznačují se ovšem tišším chodem a příznivějšími emisními limity než vznětové motory s přímým vstřikem paliva. Tyto motory se zpravidla konstruují jako nepřeplňované.

Obr. 5: Vznětový motor s vírovou komůrkou [2]

3.3.2 S přímým vstřikem paliva Další možností, jak využít proudění nasávaného vzduchu při tvorbě směsi, je vytvoření tzv. Hesselmanova [4] tvaru pracovního prostoru (obr. 6) využívaného u motorů s přímým vstřikem paliva. Hesselman vycházel ze skutečnosti, že palivo vstříknuté z trysky do stlačeného vzduchu vytvoří vždy kužel. Na základě tohoto poznatku byl vytvořen píst se specielně tvarovanou hlavou, která odpovídala kuželům rozprášeného paliva vstříknutého několika otvory do pracovního prostoru válce, kde dochází zpravidla k radiálnímu rozvíření vzduchové náplně – „squish“. Významné je ale i tangenciální („swirl“) rozvíření (obr. 6), které je vyvoláno vložením speciální

-18-

clonky do sacího kanálu nebo v dnešní době konstrukcí sacího kanálu ve tvaru spirály. Nasávaný vzduch procházející takto upraveným sacím kanálem dostává potřebné tangenciální proudění, které si zachovává i při kompresi.

Obr. 6: "Swirl" víření a vstřik paliva u motorů s přímým vstřikem [2] Vstřikovací tryska je umístěná přímo v hlavě válců. Takto konstruované motory se na jedné straně vyznačují vysokou účinností. Na druhé straně jejich provoz má oproti motorům zážehovým „tvrdý“ chod (a to jak akusticky, tak i z hlediska gradientu nárůstu tlaku ve válci), zejména v režimech nízkého zatížení. V dnešní době se jedná výhradně o motory přeplňované.

3.4 Systémy moderních vznětových motorů První skutečně použitelný vznětový motor vytvořil roku 1897 pro společnost Krupp (dnešní MAN) a patent na něj roku 1892 získal Rudolf Diesel. Dieselův motor fungoval na principu zapalování paliva dopravovaného kompresorem stlačeným vzduchem, kompresním teplem. Palivo bylo do pracovního prostoru válce dopravováno ve dvou dávkách, kdy první dávka byla vpravena do válce, došlo k expanzi stlačené směsi. Při poklesu tlaku v expanzním zdvihu došlo k otevření ventilu a do pracovního prostoru byla vpravena druhá dávka paliva a docházelo k izobarickému hoření. Takovýto motor by samozřejmě nevyhovoval dnešním požadavkům jak výkonovým tak i na emisní limity. Proto byly vytvořeny nejrůznější systémy, které zaručují dokonalé rozprášení paliva do víru nasátého vzduchu. Jemného rozprášení, které je nezbytné pro dokonalé hoření, při přijatelném kompresním poměru (11 – 20 u motorů s přímým vstřikem, 16 – 25 u komůrkových [2]), je dosaženo vstřikováním paliva pod vysokým tlakem až 250 MPa [8].

-19-

3.4.1 Čerpadlo-tryska Jedním z takovýchto moderních způsobů je systém vysokotlakého vstřikování paliva (maximální hodnoty tlaku předvstřiku i hlavního vstřiku dosahují až 200 MPa [9]) u vznětových motorů vyvinutý a používaný koncernem VW. Jedná se o systém sdružující vstřikovací trysku, elektromagnetický řídící ventil a vysokotlaké čerpadlo v jeden celek, tzv. sdružený vstřikovač. Odtud pochází název „Čerpadlo-tryska“ (v originále Pumpe-Düse nebo-li PD). Do vstřikovače je palivo dopravováno nízkotlakým čerpadlem. Elektromagnetický ventil na základě příkazů elektronické řídící jednotky (tzv. motormanagementu) reguluje dobu vstřikování a dávku paliva. Jako vysokotlaké čerpadlo zde slouží pístek ovládaný vačkou přes vahadlo proti vratné pružině. Stlačovaný pístek stlačuje zároveň i palivo ve vstřikovači na vysoký tlak, který otevře jehlu vstřikovače a palivo je přes drobné otvory v sedle jehly vstříknuto do pracovního prostoru válce. Proces vstřiku je ukončen uzavřením vstřikovače poklesem tlaku paliva, který je zajištěn otevřením elektromagnetického ventilu a odvedením přebytečného paliva přes přepad zpět do nízkotlaké části palivové soustavy. Dále následuje vratný pohyb pístku čerpadla, které nasaje další palivo potřebné pro provedení dalšího cyklu a celý postup se opakuje. Jako podklady pro regulaci vstřiku slouží poloha plynového pedálu, režim motoru, teplota nasávaného vzduchu a další parametry, na jejichž základě dochází ke stanovení přesného množství paliva a okamžiku vstřiku, což je nezbytné pro optimalizovaný chod motoru, dosažení vysokého výkonu při nízké spotřebě a minimálním množství škodlivin ve výfukových plynech. Motor vybavený systémem Čerpadlo-tryska dosahuje dokonce lepších výkonnostních charakteristik a nižší spotřeby paliva než konkurenční systémy. Nevýhodou ovšem stále zůstává vyšší cena motoru vybaveného tímto systémem, která je dána v důsledku vysoké pracnosti systému a vysokých požadavků kladených na přesnost výroby sdružených vstřikovačů.

3.4.2 Čerpadlo-potrubí-tryska Další z vysokotlakých systémů plnění pracovního prostoru válce je systém se samotnými vysokotlakými vstřikovači s jednopístkovým vysokotlakým čerpadlem na každý válec (vstřikovací tlak až 180 MPa [16]) a řízením vstřiků (podobně jako u systému Čerpadlo-tryska) pomocí elektromagnetických ventilů, které odvádějí nevyužité palivo zpět do nízkotlaké části palivové soustavy motoru. Systém je ovládán, podobně jako u systému Čerpadlo-tryska, řídící jednotkou, ale od systému Čerpadlo-

-20-

tryska se odlišuje vřazením vysokotlakého vedení mezi pístovým vysokotlakým čerpadlem a vstřikovačem, což umožňuje vyšší konstrukční volnost při návrhu a realizaci motoru ovšem za cenu určité tlakové ztráty (cca 20 MPa) způsobené právě vřazením vysokotlakého vedení mezi vysokotlaké čerpadlo a vstřikovač. Ostatní výhody a nevýhody jsou shodné s předcházejícím systémem.

3.4.3 Common-Rail Dalším vysokotlakým systémem plnění pracovního prostoru válce je systém Common-Rail (obr. 7), který disponuje výhodami systému Čerpadlo-tryska (vysoká atomizace paliva v důsledku vysokých vstřikovacích tlaků a z toho plynoucí vysoký výkon a točivý moment motoru, nízká spotřeba paliva, tichý a klidný chod motoru) za přijatelnou cenu a nižší technickou náročnost celého zařízení, způsobenou použitím pouze jednoho vysokotlakého čerpadla paliva.

Obr. 7: Common-Rail a elektronická řídící jednotka BOSH [16] Vysokého tlaku vstřikovaného paliva je dosaženo vřazením tlakového zásobníku (tzv. Railu) mezi vysokotlaké čerpadlo a jednotlivé vstřikovače (Obr. 8). Vysokotlaký zásobník a vysokotlaké čerpadlo jsou společné pro všechny vstřikovače.

-21-

Obr. 8: Schéma systému Common-Rail a palivové soustavy moderního vznětového motoru [16] Většina dnešních vznětových motorů tohoto systému využívá Common-Rail druhé generace, který se od první generace odlišuje především vyšším vstřikovacím tlakem (180 – 200 MPa oproti 150 – 160 MPa [8]). Common-Rail první i druhé generace disponuje funkcí tzv. předvstřiku, což je malá dávka paliva, která má za úkol prohřát spalovací prostor válce před vstřikem hlavní dávky paliva. Common-Rail druhé generace disponuje navíc funkcí tzv. dovstřiku, což je třetí, závěrečný vstřik malého množství paliva, který má za úkol stanovit konečné množství vstříknutého paliva. Množství vstříknutého paliva a okamžik vstřiku je u systému Common-Rail dán řídící jednotkou, která vyhodnocuje veškeré parametry motoru podobně jako u předchozích systémů. Množství vstřiknutého paliva je zde opět regulováno elektromagnetickým ventilem, který se v přesně stanovený okamžik otevře, čímž dojde k poklesu tlaku ve vstřikovači a následnému ukončení vstřiku způsobenému uzavřením vstřikovače. Palivo, které je elektromagnetickým ventilem odpuštěno ze vstřikovače se přepadem vrací zpět do nízkotlaké části palivové soustavy. Moderní vznětové motory mohou využívat Common-Rail třetí a čtvrté generace, které dosahují ještě lepších parametrů, než systémy předešlé. Common-Rail třetí generace využívá systém Piezo-inline dosahující tlaků až 200 MPa [8], využívající pět vstřiků a umožňující zkrátit dobu trvání jednoho vstřiku na 0,1 ms. Common-Rail čtvrté generace je vybaven systémem hydraulického zvýšení tlaku vstřikovaného paliva a dosahuje tlaků až 250 MPa [8].

-22-

3.4.4 Přeplňování pomocí turbodmychadla Řešením, jak dosáhnout dalšího zvýšení výkonu motoru a příznivějšího průběhu točivého momentu při stejných zástavbových rozměrech motoru, je dopravení většího množství vzduchu a s ním i pro hoření nezbytného kyslíku do pracovního prostoru válce. Zde se nám nabízí možnost využití energie výfukových plynů pro pohon dmychadla, které dodává do pracovního prostoru válce vzduch pod zvýšeným tlakem, a tak dovoluje zvýšit dodávku paliva, což má za následek zvýšení výkonu motoru. Turbodmychadlo (obr. 9) v tomto případě vypadá tak, že na společném hřídeli je nasazeno jak turbinové kolo poháněné výfukovými plyny, tak i čerpadlové kolo, které stlačuje nasávaný vzduch. Vzhledem k vysokým otáčkám (až 200 000 min-1 [11]) je nezbytné, aby turbínové i čerpadlové kolo bylo vyrobeno s co největší přesností a aby hřídel byl usazen v kvalitních a dobře dimenzovaných ložiscích, která jsou dokonale mazána olejovou soustavou motoru. Pro zlepšení točivého momentu motoru zejména při nízkých otáčkách a pro zvýšení rozsahu použitelných otáček motoru je vhodné, aby turbodmychadlo bylo schopné dodávat do motoru regulovatelné množství vzduchu. V praxi je možné využít dva způsoby regulace dodávaného množství vzduchu, a to buď využití obtokového ventilu, nebo použití variabilní geometrie lopatek u rozváděcího kola dmychadla. Variabilní geometrie lopatek je dosaženo jejich naklápěním. Lopatky rozváděcího kola jsou jedním koncem uchyceny na kloubech a druhým koncem na specielním prstenci, který je posouván tak, že dochází buď k rozevírání nebo uzavírání mezer mezi lopatkami a tím pádem i k regulaci množství nasávaného vzduchu. Natáčení lopatek je řízeno elektronickou řídící jednotkou.

Obr. 9: Princip činnosti turbodmychadla [16]

-23-

4 VZNIK EMISÍ Na množství a složení emisí vznikajících při práci spalovacího motoru má mimo jiné vliv složení směsi paliva se vzduchem uvnitř pracovního prostoru válce. U moderních zážehových benzínových motorů pracujících při stechiometrickém složení směsi, kdy λ = 1, a u vznětových motorů, popřípadě zážehových plynových motorů pracujících s výrazným přebytkem vzduchu (s tzv. chudou směsí), by teoreticky mělo docházet k dokonalému hoření, jehož produkty jsou oxid uhličitý (CO2) a vodní pára (H2O). U zážehových benzínových motorů není výjimkou, že pracují s tzv. bohatou směsí, kdy λ < 1, zejména při vysokých otáčkách, což má za následek nedokonalé spalování paliva a produkci jedovatého oxidu uhelnatého. U vznětových motorů může docházet k lokálnímu nedokonalému spalování v případě, že motor není prohřátý na provozní teplotu a v pracovním prostoru válce vznikají ohniska s bohatou směsí. Takovýto motor se vyznačuje vysokou kouřivostí, kdy z výfuku motoru jde hustý černý dým. Škodlivé látky produkované spalovacími motory můžeme rozdělit na:

4.1 Chemické Chemické látky produkované spalovacími motory označujeme jako emise (někdy též výfukové plyny). Tyto látky ovlivňují pochody v živých organismech. Způsobují pomalé, ale trvalé změny v biologické rovnováze na Zemi, čímž tuto rovnováhu narušují. Emise vznikají v důsledku hoření paliva se vzduchem (mnohdy neúplná, nedokonalá nebo částečná oxidační reakce uhlovodíkových paliv, rozpad a přetvoření jejich molekul, oxidace za přítomnosti atmosférického dusíku, nebo použití nekvalitního, či nevhodného paliva), popřípadě špatného seřízení motoru. Mezi nejvýznamnější škodlivé látky vznikající při spalování paliva v pracovním prostoru válce motoru patří:

4.1.1 Plynné emise Oxid uhelnatý CO – vzniká v důsledku nedokonalého spalování uhlíku při nedostatku kyslíku (tzv. bohatá směs λ < 1), dále přeměnou produktů dokonalého spalování při vysokých teplotách nad 2000 oC. Jedovatý oxid uhelnatý také může vznikat při stěnách válce (tj. ve zhášecích zónách) tzv. „zamrznutím“ reakcí při spalování směsi za nižších teplot. Další příčinou vzniku oxidu uhelnatého a to i u vznětových motorů, pracujících s výrazným přebytkem vzduchu (λ > 1), může být

-24-

určitá nehomogenita směsi paliva se vzduchem, vzniklá v důsledku nedokonalého tvoření směsi. U vznětových motorů, kde by teoreticky mělo docházet k dokonalému spalování, je tato nehomogenita způsobena špatnou atomizací paliva vstřikovaného do stlačeného vzduchu. Proto se v dnešní době věnuje taková pozornost systémům vysokotlakého vstřikování paliva. Oxid uhelnatý je nejjedovatější složkou výfukových plynů. Jeho jedovatost spočívá především v jeho schopnosti napadat červené krvinky a vytěsňovat z krve potřebný kyslík. V důsledku poškození zejména mozku, jako orgánu nejcitlivějšího na nedostatek kyslíku, je oxid uhelnatý označován jako nervový plyn. Nebezpečnost otravy oxidem uhelnatým se dále zvyšuje v přítomnosti oxidu uhličitého (CO2). Hraniční koncentrace toxicity je udávaná 60 mg/m3. Riziko otravy oxidem uhelnatým se zvyšuje nejen se zvyšující se koncentrací CO, ale také v důsledku fyzické námahy. Nespálené uhlovodíky – HC: se do výfukových plynů dostávají dvěma způsoby a to buď z paliva, v důsledku předčasně ukončených oxidačních reakcí v některých zónách pracovního prostoru válce, popřípadě tepelnými krakovacími a dalšími reakcemi ukončenými před dokončením celého procesu oxidace. Koncentrace nespálených uhlovodíků je dána mnoha faktory, zejména však teplotním režimem motoru a samotným tvarem pístu, kde rozhodující vliv má umístění prvního pístního kroužku. Dále pak bohatost směsi paliva se vzduchem, kdy jako nejpříznivější se jeví mírně chudá směs (λ = 1,2 – 1,3). Druhá možnost, jak se nespálené uhlovodíky mohou dostat do výfukových plynů je z mazacích olejů. Zde se jedná zejména o vysoce škodlivé polycyklické aromatické uhlovodíky. Díky své těžké odpařitelnosti jsou tyto uhlovodíky ve výfukových plynech obsaženy ve formě aerosolu a většinou vázány na pevné částice. Nebezpečí nespálených uhlovodíků je spatřováno zejména v jejich agresivním působení na živou tkáň (zejména sliznice), dále pak ovlivňují podmíněné reflexy organismu a poškozují dýchací cesty. Nespálené uhlovodíky z paliva se řadí mezi nejméně nebezpečné, ale toto „malé“ nebezpečí je pouze zdánlivé, protože již malá koncentrace těchto látek a krátká expoziční doba způsobují dráždění sliznic. Mnohem větším problémem ovšem jsou uhlovodíky z mazacích olejů, které jsou pro svoje rakovinotvorné vlastnosti řazeny mezi tzv. volné radikály. Oxidy dusíku NOx: nejedovatý oxid dusný (N2O), dále oxid dusičitý (NO2) a oxid dusnatý (NO), oba jedovaté, vznikají v pracovním prostoru válce za vysokých tlaků a teplot na začátku oxidace paliva. K jejich vzniku dochází ve formě plamene.

-25-

Koncentrace oxidů dusíku je závislá na bohatosti směsi, přičemž nejvyšší koncentrace je v oblasti mírně chudé směsi (λ = 1,1 – 1,2). Se zvyšujícím se součinitelem přebytku vzduchu λ dochází k výraznému snižování koncentrace produkovaného NOx . Vznik oxidu dusnatého vysvětlují rovnice č. 1, 2 a 3. N2 + O → N + NO N + O2 → NO + O N + OH → NO + H

(1) (2) (3)

Oxid dusnatý nepředstavuje sám o sobě takovou hrozbu, ale v atmosféře dochází k jeho oxidaci na oxid dusičitý, který představuje pro člověka riziko, zejména pak při dlouhodobém působení. Oxid dusičitý způsobuje poškození sliznic a snižuje u člověka odolnost proti infekcím, dále působí dušnost a vyvolává kašel v důsledku omezení přístupu vzduchu do plic. Oxidy dusíku jsou dále zodpovědné za vznik smogu, dále se značnou měrou podílí na poškozování vegetace. NO2 reaguje s kyslíkem a za přispění UV záření se podílí na vzniku ozónu O3 v přízemních vrstvách, kde ozón poškozuje buněčné tkáně vegetace.

Koncentrace jednotlivých složek plynných emisí je silně závislá na vlastnostech spalované směsi, zejména pak na její bohatosti (součiniteli přebytku vzduchu λ) a homogenitě (případně heterogenitě) směsi. Obr. 10 ukazuje vliv součinitele přebytku vzduchu na zastoupení jednotlivých složek plynných emisí.

Obr. 10: Závislost koncentrace plynných emisí na součiniteli přebytku vzduchu [2] -26-

Z obr. 10 jsou jasně patrné dvě oblasti s výrazně nižším zastoupením všech složek plynných emisí produkovaných zkušebním zážehovým přeplňovaným motorem spalujícím směs propanu a vzduchu s kompresním poměrem ε = 10. Zkušební motor pracoval se 100% zatížení při otáčkách n = 1200 min-1. Oblast „a“ odpovídá stechiometrickému složení směsi, a proto je vhodná zejména pro zážehové motory spalující směs benzinu se vzduchem. Oblast „b“ odpovídá složení směsi s vysokým součinitelem přebytku vzduchu. V těchto režimech pracují zejména vznětové motory spalující naftu, popřípadě zážehové motory plynové.

4.1.2 Složky přímo nepodléhající kontrole Ve výfukových plynech spalovacích motorů se kromě výše uvedených složek vyskytují škodlivé látky, které nepodléhají přímo kontrole složení výfukových plynů a jejich obsah ve výfukových plynech se snižuje zejména použitím paliv, která tyto složky neobsahují vůbec nebo je jejich obsah v palivu snížen na minimální přípustnou hranici. Jedná se zejména o v minulosti hojně používané sloučeniny olova (bromidy, chloridy), které se přidávaly do benzínu jako tzv. antidetonační přísady. Další složkou výfukových plynů mohou být agresivní sloučeniny síry (SO2) a dusíku (NOx), které reagují s vodní párou v podobě kyselin (H2SO3, H2SO4, HNO2 a HNO3) a po vstupu do atmosféry kondenzují v podobě kyselých dešťů.

4.2 Částice – PM Souhrnným názvem částice se označují pevné i kapalné fáze vznikající během spalovacího procesu uvnitř pracovního prostoru válce. Jedná se zejména o saze, karbon, popel, oxidy síry a sírany kovů. Dále pak aerosoly tvořené mikrokapkami nespálených uhlovodíků, které mohou pocházet jak z paliva, tak i z motorového oleje a vodu. Na povrchu částic se mimo jiné usazují i polotěkavé frakce nespálených uhlovodíků. Vznik částic je podmíněn zejména technickým stavem motoru. Důležitou úlohu zde také sehrává způsob mazání motoru a spotřeba motorového oleje, opotřebení jednotlivých částí motoru, zejména pak těch, které se přímo účastní spalovacího procesu a v neposlední řadě také použité palivo. Velikost částic se z větší části pohybuje v rozmezí 0,3 – 1,0 µm. Vznik částic je s velkou účinností možné snížit důslednou konstrukcí spalovacích motorů, zejména pak opatřeními vedoucími ke snižování spotřeby motorového oleje. Dalším možným způsobem, jak vznik škodlivých částic omezit, je používání paliv s malým obsahem síry. -27-

4.3 Mechanické Zejména pak vibrace a hluk vznikající v důsledku provozu spalovacích motorů, které nemalou měrou působí na životní pohodu zejména v oblastech s hustou dopravní sítí.

4.4 Tepelné Tepelné záření může působit buď přímo, jako odpadní teplo produkované spalovacím motorem, nebo nepřímo. Nepřímo na životní prostředí působí zejména oxid uhličitý, vznikající v důsledku dokonalého hoření, který nemalou měrou přispívá ke globálnímu oteplování planety, způsobenému zesilováním tzv. skleníkového efektu.

-28-

5 PŘEHLED METOD MĚŘENÍ EMISÍ 5.1 Filtrační metoda Tato metoda slouží ke zjištění kouřivosti motoru pomocí zachycení pevných částic na filtrační papírek, přes který se prosaje vzorek spalin o určitém množství a určitou rychlostí, které jsou dány velikostí použité sondy. Takto kontaminovaný filtrační papírek se vyhodnotí fotoelektrickým měřícím přístrojem, který je citlivý na množství světla odraženého od plochy kontaminovaného filtračního papíru zčernalé v důsledku pohlcení množství sazí. Vyhodnocení probíhá tak, že se porovnává množství světla odraženého od kontaminovaného papírku s množstvím světla odraženého od papírku nepoužitého a výsledná hodnota je pak označována jako stupeň zčernání SZ (Schwarzungszahl, někdy též BSZ – Bosh Schwarzungszahl nebo Bn – Bosh Number) v jednotkách Bosh. Postup při měření kouřivosti pomocí filtrační metody je znárodněn na obr. 11.

Obr. 11: Postup při měření kouřivosti pomocí filtračního kouřoměru [16] Pístek měřící sondy posuneme zcela doleva, kde jej zajistíme a do příslušné štěrbiny umístíme čistý nekontaminovaný filtrační papírek. Poté nátrubek sondy zavedeme do výfukového potrubí a odblokujeme stlačenou pružinu, která uvede do pohybu pístek a ten provede sací zdvih, čímž nasaje množství výfukových plynů o objemu odpovídajícímu velikosti sondy rychlostí, která je nastavitelná pomocí škrtícího ventilu umístěného v zadní části sondy.

-29-

5.2 Gravimetrická metoda Metoda stanovení množství obsahu pevných částic pomocí gravimetrie je velice jednoduchá. Princip (znázorněný na obr. 12) spočívá v prosátí množství spalin přes filtrační element ze skleněných vláken potažených teflonem (Pallflex). Čistý nepoužitý filtrační element se nejprve zváží na přesných laboratorních vahách, poté se umístí do speciálního držáku a pumpou se přes něj prosává množství výfukových spalin. Po ukončení měření se filtrační element i se vzorkem spalin vyjme z držáku a opět se zváží na laboratorních vahách.

Obr. 12: Stanovení hmotnostní koncentrace pevných částic pomocí Gravimetrické metody[16] Výsledná hmotnostní koncentrace pevných částic v měřeném vzorku se stanoví pomocí následující jednoduché rovnice:

cM,PE = (m2 – m1) / VVZOR

(4)

Kde je: − m1 hmotnost nového filtru, − m2 hmotnost kontaminovaného filtru − VVZOR objem celkového prosátého množství spalin

5.3 Opacimetrie Opacimetrie neboli přímé zjišťování pohltivosti světla sloupcem výfukových plynů definované délky (zpravidla 430 mm) je jediná podle vyhlášky přípustná metoda

-30-

měření emisí u vznětových motorů. Při opacimetrii se používá zvláště k tomu určených přístrojů, tzv. opacimetrů a měřenou veličinou je opacita (někdy se též uvádí jako pohltivost světla, její převrácená hodnota se nazývá průhlednost nebo též transparence). Pro opacitu se někdy též používá opisné označení emise viditelného kouře (nebo též emise viditelných znečišťujících látek), a to zejména v nadnárodních emisních předpisech. Vlastní měření opacity nepředstavuje nijak zvlášť velký problém a je v podstatě velice jednoduché. Jedná se zde o pouhé prosvícení definovaného sloupce spalin viditelným světlem a zaznamenání propuštěného světla pomocí fotonky na konci měřicí trubice. Problém ovšem je, jak se vypořádat s nebezpečím znečištění povrchu zdroje světelného záření a čidla povlakem pevných částic, což má za následek nesprávné fungování opacimetru a zkreslování údajů. Tento problém je vyřešen tak (obr. 13), že se do opacimetru montuje tzv. vzduchová trubice, která je souběžná s trubicí měřící a v které je pomocí ventilátoru udržován neustále proud čistého vzduchu.

Obr. 13: Princip fungování opacimetru [16] Optická dráha opacimetru je za běžného provozu zpravidla souosá s touto vzduchovou trubicí a zdroj světelného záření i čidlo opacimetru jsou intenzivně omývány proudem čistého vzduchu, což zabraňuje usazování povlaku pevných částic na zdroji i čidle. Dále je uzavřen přívod spalin do měřicí trubice. Teprve při provedení vlastního měření se otevře přístup spalin do měřicí trubice a držák se zdrojem světla a

-31-

čidlem se překlopí tak, že optická osa je koaxiální s osou měřicí trubice. Pronikání vzduchu do měřicí trubice při provedení vlastního měření je zabezpečeno pouze dostatečným tlakem spalin. Po ukončení vlastního měření je držák se zdrojem světla a čidlem překlopen zpět do vzduchové trubice, kde z nich intenzivní proud vzduchu očistí případné ulpělé povlaky pevných částí. Stupnice ukazovacího přístroje opacinetru je rozdělena na 100 dílků HSU (Hartridge Smoke Unit) s lineárním dělením. Z údaje na stupnici vypočteme podle rovnice 5 koeficient absorbce v m-1.

k = -(1/L) ln (1 – N/100)

(5)

Kde je: − L délka optické dráhy – vzdálenost mezi zdrojem světla (žárovky) a čidla (fotonky) − N údaj opacimetru v HSU

-32-

6 LEGISLATIVNÍ PŘEDPISY Pro motory silničních vozidel jsou ve většině zemí Evropy rozšířeny tzv. předpisy EHK (respektive ECE) Jedná se o směrnice EHK vydávané pro motory spalující běžná kapalná paliva (benzín a motorová nafta). Předpisy EHK rozlišují vozidla podle kategorie a jejich hmotnosti, dále podle zdvihového objemu motoru a typu motoru. Předpisy EHK mimo jiné nařizují plnění emisních limitů na stejné úrovni jako u původního motoru i po úpravách či přestavbě motoru na plynné palivo (CNG, LPG). Podle § č. 51 zák. č. 102/95 Sb. musí zážehové motory splňovat předpis EHK 15 nebo přísnější EHK 83 a vznětové motory předpis EHK 49. Předpis EHK 49 platí i v případě, že dojde k přestavbě vznětového motoru, spalujícího naftu, na zážehový motor plynový.

6.1 Předpis EHK 15, EHK 83 Stanovení emisních vlastností vozidel spadajících do kategorie N1 a M1 (dle zák. č. 102/95 Sb. - osobní a užitkové automobily se zážehovými motory s celkovou hmotností do 3,5 t) probíhá podle předpisu EHK 15. Předpis nařizuje provedení jízdního testu simulovaného na zkušebně vozidel vybavené válcovým dynamometrem, systémem odběru vzorku výfukových plynů a analyzátory výfukových plynů. Automobil je nejprve koly poháněné nápravy ustaven na válce zkušebny a poté spolehlivě zajištěn proti volnému pohybu. Následně dojde k simulaci jízdy podle předpisu emisního testu. Bržděním válců dynamometru dochází k simulaci jízdního odporu. Jízdní test předpisu EHK 15 simuloval jízdu v režimu městského provozu na vzdálenost 4 052 m. Od roku 1993 platí předpis EHK 83, který zpřísňuje simulovaný jízdní test. Celková vzdálenost se zvětšila na 11 007 m a do testu byl po ujetí původních 4 052 metrů městského provozu přidán režim jízdy na volné silnici. Střídání jízdních režimů podle předpisu EHK 83 ukazuje obr. 14.

Obr. 14: Simulace jízdních režimů [2] -33-

Zastoupení škodlivin ve výfukových plynech se vyjadřuje jako průměrné buď na celý test nebo se přepočítávají na ujetou vzdálenost 1 km. Zhruba ve tříletých intervalech dochází k postupnému zpřísňování přípustných hodnot. Celkový vývoj předpisu EHK 15 od roku 1973 do roku 1997 je zaznamenán v tabulce 1.

Tab. 1: Postupný vývoj předpisu EHK 15 v letech 1973 až 1997 [2] Předpis

Platný od

EHK 15.00 EHK 15.01 EHK 15.02 EHK 15.03 EHK 15.04 EHK 15.05 EHK 83.01 EHK 83.02 EHK 83.03

1973 1977 1979 1981 1984/86 1990/91 1992 1995 1997

CO 28,90 23,20 23,20 18,80 14,30 11,10 2,72 2,72 1,00

Limity měrných emisí [g/km] HC NOx HC+NOx 2,15 1,83 1,83 2,47 1,60 2,10 4,69 1,48 3,70 0,97 0,97 0,70

PM 0,14 0,14 0,08

Poznámky k předpisu EHK 15: 1. Všechny hodnoty uvedené v tabulce jsou v g . km-1, hodnoty se vztahují na vozidla se zdvihovým objemem 1,4 litru. 2. Zavedením předpisu EHK 83 se výrazně zpřísnily emisní limity. Odstupňování podle zdvihového objemu se nahradilo jednotným limitem v g . km-1. 3. Do r.1996 byl pro vozidla ze sériové výroby emisní limit vyšší o cca 10%. Od r. 1996 jsou jednotné limity pro schvalovací typovou zkoušku i pro sériovou výrobu stejné. 4. Pro vozidla vybavená vznětovými motory s přímým vstřikem platily do 30. 9. 1999 limity HC + NOx = 0,9 g . km-1 a PM = 0,19 g . km-1.

6.2 Předpis EHK 49 Předpis EHK 49 platí pro vozidla spadající do kategorií M2, M3, N2 a N3 (autobusy a nákladní automobily). Tato vozidla jsou poháněna zpravidla vznětovými motory (v poslední době i plynovými zážehovými motory). Emisní test probíhá pouze na motoru demontovaném z vozidla a připojeném k dynamometru. Původní předpis EHK 49 nařizoval sledování emisních vlastností motoru ve 13 ustálených provozních režimech, každý režim měl předepsanou důležitost a výsledek testu se počítal jako vážený průměr všech měrných emisí jednotlivých složek škodlivin v g . kWh-1.

-34-

Vysoká úroveň moderních technologií ve vybavení a řízení dnešních vznětových motorů a stále se zpřísňující požadavky na snižování emisí motorů si vyžádaly postupné snižování emisních limitů, což se projevilo výraznou změnou výše zmiňovaného předpisu EHK 49. Nově zavedený předpis přikazuje hodnocení emisních vlastností motoru i v přechodových režimech. Motor je zkoušen simulovanou zkouškou zahrnující především dynamicky se měnící provozní podmínky jako je start, volnoběh, akcelerace, ustálený stav a decelerace. Zkouška známá pod názvem TRANSIENT TEST v modifikaci pro Evropu obsahuje 3 emisní testy: 1. Test ESC složený ze 13 ustálených provozních režimů motoru, kterým se zjišťují všechny výfukové škodliviny. 2. Test ELR sestávající z přechodových stavů různých provozních režimů a sloužící k ověření kouřivosti motoru. 3. Test ETC složený ze sekundových sekvencí přechodových režimů. Test simuluje dynamiku specifických provozních režimů motorů nákladních automobilů a autobusů.

V tabulce 2 je postupně ukázán pohled na celkový vývoj zpřísňování předpisu EHK 49 od začátku jeho platnosti až po emisní test ESC s limity EURO 4 a EURO 5 (od r. 2001 test ESC platí pouze pro vznětové motory).

Tab. 2: Vývoj předpisu EHK 49[2] Pře dpis

Platný od

EHK 49.00 (EC E R 49.00) EHK 49.01 EHK 49.02 (EURO 1) EHK 49.03 (EURO 2) EHK 49.04 (EURO 3) EURO 4 - ES C EURO 5 - ES C

1983 1990 1993 1996 2001 2005 2008

Limity mě rných e mis í [g/k W h] CO 14,00 11,20 4,50 4,00 2,10 1,50 1,50

HC 3,50 2,40 1,10 1,10 0,66 0,46 0,46

N Ox 18,00 17,40 8,00 7,00 5,00 3,50 2,00

PM 0,36 0,15 0,10 0,02 0,02

Zavedení emisního testu TRANSIENT si vyžádalo výrazně odlišnou a technicky složitější zkušebnickou technologii. Technologie postačující pro měření emisí podle testu EHK 49.03 již nevyhovuje. Jedná se zejména o použití dynamometrů. K provedení emisního testu ESC lze použít běžných dynamometrů. Pro testy ELR a ETC musí být ovšem použito asynchronních dynamometrů s plně automatizovaným řízením provozu a

-35-

automatizovaným sběrem všech dat, tj. jak výkonových, tak i emisních. Nejjednodušší emisní test ESC – EHK 49 (pro kategorie vozidel M2, M3, N2 a N3) pokrývá ve 13 bodech většinu provozních oblastí motoru. Obr. 15 ukazuje jednotlivé režimy emisního testu (ve kterých je motor měřen 2 minuty v každém režimu) a jejich jednotlivé váhy pro celkový výsledek.

Obr. 15: Vnější otáčková charakteristika autobusového motoru s vyznačením provozních režimů v testu ESC (předpisu EHK 49 v úpravě od r. 2001) [2] Emisní testy ESC a ELR platí pro dodatečnou úpravu emisí vznětových motorů bez přídavných zařízení, emisní test ETC platí pro dodatečnou úpravu emisí u plynových a vznětových motorů s přídavnými zařízeními (katalyzátory, zachycovače

-36-

částic). Mírnější limity v testu ETC (tab. 3) oproti testu ESC jsou stanoveny vzhledem k dynamické povaze testu ETC.

Tab. 3: Emisní limity podle testu ETC [2] Emisní linity pro naftové a plynové motory podle testu ETC [g/kWh] Předpis Platný od CO NMHC CH4 NOx PM EURO 3 10.2000 5,45 0,78 1,60 5,00 0,16 EURO 4 10.2005 4,00 0,55 1,10 3,50 0,03 EURO 5 10.2008 4,00 0,55 1,10 2,00 0,03 V průběhu testu ETC jsou testovány pouze velmi rychlé přechodové změny otáček i zatížení motoru. Motor je těmto změnám podroben po dobu 30 min a každou sekundu motor pracuje při jiném režimu otáček a zatížení (Obr. 16). Test je dále složen ze třech částí, a to simulace městského, silničního a dálničního provozu.

Obr. 16: Emisní test ETC [2]

6.3 Předpis EPA a CARB Nejtvrdší požadavky na postupný vývoj škodlivin ve výfukových plynech jsou v USA, kde platí pro vozidla kategorie M1 a N1 předpisy EPA a CARB. Předpis EPA je platný ve 49 státech USA, v Kalifornii platí přísnější předpis, a to CARB. V předpisech EPA a CARB pro osobní automobily jsou uvedeny, narozdíl od evropských předpisů, emisní limity sloučenin organických látek. Tyto látky, až na test ETC udávající hodnotu

-37-

NMHC, nejsou v Evropě samostatně sledovány. Požadavky na postupné snižování limitních hodnot škodlivin ve výfukových plynech v USA naznačují trend i pro evropské země. Pravděpodobný možný vývoj předpisů EPA a CARB ukazují tabulky 4 a 5. Tab. 4: Předpis EPA [2] Kontrola NMHC OMHCE OMNMHCE NMOG CO NOx PM HCHO [mil] [g/míli] [g/míli] [g/míli] [g/míli] [g/míli] [g/míli] [g/míli] [g/míli] Benzin 50000 0,250 - 3,400 0,400 0,800 1.etapa 100000 0,310 4,200 0,600 0,100 Nafta 50000 0,250 - 3,400 1,000 0,800 1.etapa 100000 0,310 4,200 1,250 0,100 Alkoholy 50000 0,410 0,250 - 3,400 0,400 0,800 1.etapa 100000 0,410 0,310 4,200 0,600 0,100 Čisté p.1 50000 - 0,125 3,400 0,400 0,015 1.fáze* 100000 0,156 4,200 0,600 0,800 0,018 Čisté p.2 50000 - 0,075 3,400 0,200 0,015 2.fáze* 100000 0,090 4,200 0,300 0,800 0,018 Všechno 100000 0,125 - 1,700 0,200 2.etapa

Palivo

Tab. 5: Předpis CARB [2] Kontrola NMHC OMHCE OMNMHCE NMOG CO [mil] [g/míli] [g/míli] [g/míli] [g/míli] [g/míli] Benzin 50000 0,250 3,400 100000 0,310 4,200 Nafta 50000 0,250 3,400 100000 0,310 4,200 100000 0,310 4,200 Metanol 50000 0,250 3,400 100000 0,310 4,200 Etanol 100000 0,310 4,200 Všechna 50000 TLEV 0,125 3,400 paliva 100000 TLEV 0,156 4,200 50000 LEV 0,075 3,400 100000 LEV 0,090 4,200 50000 ULEV 0,040 1,700 100000 ULEV 0,055 2,100 120000 SULEV 0,001 1,000 Elektro Nedef. ZEV 0,000 0,000 0,000 0,000 Vodík Nedef. ZEV 0,000 0,000 0,000 0,000 Palivo

NOx [g/míli] 0,400 0,600 0,400 0,600 1,000 0,400 0,600 1,000 0,400 0,600 0,200 0,300 0,200 0,300 0,020 0,000 0,000

PM [g/míli]

0,080 0,080 0,080 0,080 0,080 0,080 0,040 0,010 0,000 0,000

HCHO [g/míli] -

0,015 0,015 0,015 0,018 0,015 0,018 0,008 0,011 0,000 0,000

Předpis CARB nařizuje výrobcům vozidel postupné snižování hodnoty sledovaného ukazatele NMOG a to pro nová vozidla vyrobená v období 1994 až 2003.

-38-

Tabulka 6 udává předepsané hodnoty NMOG v g . (míle)-1 pro vozidla nově uváděná do provozu jako průřez všemi novými modely jako průměrné hodnoty. Předpis CARB dále udává výrobcům vozidel podíly vozidel s jednotlivými emisními úrovněmi (TLEV, LEV, ULEV, SULEV, ZEV) v jejich výrobním programu.

Tab. 6: Postupný tlak na výrobce vozidel ve snižování hodnoty NMOG [2] NMOG

1994 0,250

1995 0,231

1996 0,225

1997 0,202

1998 0,157

1999 0,113

2000 0,073

2001 0,070

2002 0,068

2003 0,062

Legenda k tabulkám 4, 5 a 6: NMHC (Non Methan Hydrocarbon): standard pro emise nespálených uhlovodíků bez CH4 [2]. OMHCE (Organic Material Hydrocarbon Equivalent): standard pro organické uhlovodíkové emise z methanolového paliva [2]. OMNMHCE (Organic Material Non-Methan Hydrocarbon Equivalent): standard pro organické uhlovodíkové emise z methanolového paliva bez metanové části. NMOG (Non-Methan

Organic Gases):

suma uhlovodíků

(bezkyslíkových

i

s kyslíkovou vazbou) ve výfukových plynech: tj. všechny aldehydy, ketony, alkoholy a estery s 5 a méně atomy uhlíku a všechny alkany, alkeny, alkiny a aromaty s obsahem do 12 atomů uhlíku [2]. PM: částice - pevná i kapalná fáze: saze, karbon, popel, oxidy síry, sírany kovů, aerosoly - mikrokapky nespálených uhlovodíků z paliva i motorového oleje, voda [2]. Čisté p. (čisté palivo) se rozumí každé motorové palivo, které splňuje standardy „California Pilot Program“ a „Clean Vehicle Float Program“ (methanol, ethanol, jiná paliva s obsahem nejméně 85% alkoholů, zlepšená paliva typu benzin, nafta, stlačené a zkapalněné plyny, vodík, elektro…) [2]. TLEV – Transitional Low Emission Vehicle - tranzitní nízkoemisní vozidlo [17] LEV – Low Emission Vehicle - vozidlo s nízkými emisemi [17] ULEV – Ultra-Low Emission Vehicle - vozidlo ultralehkých emisí [17] SULEV – Super-Ultra Low Emission Vehicle - vozidlo se super ultra nízkými emisemi [17] ZEV – Zero Emission Vehicle - vozidlo s nulovými emisemi [17]

-39-

7 PODMÍNKY MĚŘENÍ KOUŘIVOSTI U VOZIDEL POHÁNĚNÝCH VZNĚTOVÝM MOTOREM Pro provedení měření kouřivosti motoru vozidla musí být vozidlo vybavené vznětovým motorem zahřáto na provozní teplotu doporučenou výrobcem vozidla nebo motoru vozidla. V převodovém ústrojí vozidla musí být zařazen neutrál a nesmí být vypnuta spojka. Dále je nutné odpojit všechny pomocné agregáty pokud nejsou poháněny trvale a je možné je odpojit. Čistič vzduchu nesmí být znečištěn nad maximální hodnotu tlakové ztráty stanovenou výrobcem vozidla nebo výrobcem motoru vozidla. Totéž platí i pro výfukovou soustavu vozidla, jejíž tlaková ztráta způsobená v důsledku zanesení zplodinami hoření nesmí přesáhnout hodnotu stanovenou výrobcem vozidla nebo výrobcem motoru vozidla. Pro vozidla s automatickou převodovkou, nebo elektronickým řízením pracovního procesu je nutné postupovat podle pokynů výrobce vozidla. Vozidlo, na němž je prováděno měření, musí být řádně zabržděno. Dále se musí zajistit dostatečné odsávání výfukových zplodin, které ovšem nesmí ovlivňovat vlastnosti výfukové soustavy a při měření musí být dodrženy předpisy o bezpečnosti práce. Zároveň je nutné zajistit ochranu okolního prostředí před hlukem, zejména v případech, kdy se stanice měření emisí nachází v blízkosti bytové zástavby. Velikost odběrové sondy se volí podle velikosti výfukového potrubí. Odběrová sonda se nesmí žádným způsobem upravovat, prodlužovat nebo zkracovat. Měření emisí se nesmí provádět při teplotách nižších než je nejnižší teplota okolí stanovená výrobcem opacimetru, dle vyhlášky však nesmí být nižší než 5 °C (278 K).

7.1 Postup při měření emisí u vozidel poháněných vznětovým motorem Při převzetí vozidla stanicí měření emisí je nezbytné provést identifikaci vozidla a motoru vozidla podle jeho typové dokumentace a technického průkazu. Dále je nutné ověřit homologační štítky vozidla a motoru vozidla. V případě, kdy nelze identifikovat příslušný typ motoru z výrobního štítku postupuje se tak, že příslušný typ motoru vozidla se určí z platné vozidlové dokumentace. Jestliže se na vozidle provádí již druhé nebo další měření, je nutné ověřit také osvědčení o měření emisí.

-40-

Jestliže jsou při kontrole zjištěny závady nebo porušení výše uvedeného zajištění podle předpisu výrobce, kontrola je ukončena, protože takovéto vozidlo je nezpůsobilé k dalšímu provozu.

7.2 Postup při přípravě měření kouřivosti metodou volné akcelerace a vlastní provedení měření kouřivosti metodou volné akcelerace. Přípravné práce před vlastním měřením kouřivosti metodou volné akcelerace zahrnují několik dílčích operací. Provede se vizuální kontrola vozidla, motoru vozidla, zejména pak sací a výfukové soustavy a dalších dílů a skupin motoru, které mají vliv na vznik škodlivin. Je nutné provést kontrolu vstřikovacího zařízení, případně dalších dílů, u kterých je toto zajištění předepsáno výrobcem vozidla, dále těsnost palivové soustavy a neporušenost jejích spojů, těsnost proti unikání mazacího oleje a stav sací soustavy. U rozvodů poháněných rozvodovým řemenem se překontroluje jeho stav a napětí. Motor vozidla, na kterém je prováděno měření musí být prohřát na provozní teplotu, kterou udává výrobce motoru vozidla nebo výrobce vozidla [7]. Je nutné zkontrolovat volnoběžné otáčky motoru [7]. Při kontrole sacího a výfukového systému je nutné překontrolovat čistič vzduchu. Čistič vzduchu nesmí být znečištěn nad maximální hodnotu tlakové ztráty stanovenou výrobcem vozidla nebo výrobcem motoru vozidla. U výfukového systému je třeba zkontrolovat, aby neměl žádné otvory nebo netěsnosti, které by mohly způsobovat zřeďování výfukových plynů vzduchem. Případně u výfuků vybavených zařízením sloužícím ke zřeďováním výfukových plynů je třeba toto zařízení vyřadit z činnosti [7]. Zařízení sloužící ke snižování obsahu škodlivin ve výfukových plynech, pokud jsou schválena, se musí podrobit kontrole jejich funkce. Emise se měří při zapojení těchto zařízení. Jestliže jsou nalezeny neshody sací nebo výfukové soustavy na vozidle od soustavy odpovídající platné homologaci pro toto vozidlo, je třeba před vlastním měřením emisí takto neodpovídající sací i výfukovou soustavu uvést do stavu homologaci vozidla odpovídajícího. Toto platí zejména pro případy, kdy je vozidlo vybaveno neoriginální výfukovou soustavou, která příslušné homologaci vozidla neodpovídá a mohla by mít zásadní vliv na provedení měření emisí, případně pro případy, kdy je vozidlo vybaveno sice sériovým výfukem, který je ovšem vyveden neodpovídajícím způsobem (zejména nad kabinu vozidla). Takto vyvedený výfuk je -41-

nutno buďto uvést do původního stavu, nebo trubku za sériovým tlumičem odpojit a poté provést vlastní měření [7]. Dodatečný vývod může být maximálně 40% objemu výfuku [7]. V případě, že dojde k ochlazení spalovacího prostoru vozidla nebo jeho znečištění delší dobou setrvání na volnoběžných otáčkách, provede se pročištění a prohřátí spalovacího prostoru motoru opakovanou akcelerací. Jakmile dojde k prohřátí motoru na provozní teplotu doporučenou výrobcem vozidla, připojí se k výfukovému potrubí příslušná sonda opacimetru a zařízení sloužící ke snímání otáček motoru. Poté je možné přistoupit k vlastnímu měření kouřivosti metodou volné akcelerace. Vlastní měření kouřivosti metodou volné akcelerace se provádí podle následujícího postupu: Za volnoběžných otáček motoru se akcelerátor rychle ale nenásilně přestaví do polohy, ve které je dodávka paliva maximální (přestavení akcelerátoru motoru trvá cca 0,2 – 0,4 s) a takto nastavený akcelerátor se udržuje po dobu, dokud motor nedosáhne maximálních otáček omezovaných regulátorem [7] (tzv. přeběhové otáčky motoru). V okamžiku, kdy motor dosáhne přeběhových otáček, je nutné jej na těchto otáčkách udržovat po dobu 3 sekund. Po uplynutí stanoveného třísekundového intervalu se akcelerační pedál uvolní a otáčky se nechají klesnout na volnoběh. V průběhu třísekundového intervalu, kdy motor běží v režimu přeběhových otáček – tzv. volná akcelerace, opacimetr zaznamená maximální hodnotu kouřivosti v absolutních jednotkách m-1. Dále se motor ponechá na volnoběžných otáčkách po dobu 15 sekund a po uplynutí těchto 15 sekund je motor připraven k provedení dalšího cyklu měření volné akcelerace. Výše uvedené měření je nutné zopakovat nejméně pětkrát [7], přičemž první cyklus slouží k vyčištění spalovacího prostoru a výfukové soustavy motoru a další čtyři následující cykly měření jsou použity k zaznamenání hodnot kouřivosti a je z nich vypočítán aritmetický průměr, který je považován jako výsledná hodnota kouřivosti motoru. Další podmínka, kterou musí měření splňovat, je, že čtyři po sobě jdoucí hodnoty musí ležet v pásmu 0,25 m-1. Hodnoty udávané indikačním přístrojem opacimetru zaznamenané během režimu motoru ve volnoběžných otáčkách nejsou do výsledného aritmetického průměru zahrnuty.

-42-

7.3 Vlastnosti přístrojů pro měření kouřivosti metodou volné akcelerace. Pro měření kouřivosti metodou volné akcelerace se používá výhradně přístrojů-opacimetrů pracujících na principu měření optické hustoty výfukových plynů [7]. Opacimetr musí být vybaven zařízením pro měření a registraci, případně tisk, volnoběžných a přeběhových otáček motoru a dále zařízením pro registraci naměřených veličin. Jestliže není pořízen záznam o volnoběžných a přeběhových otáčkách motoru a nejsou zaznamenány hodnoty kouřivosti, stává se měření neplatným. Opacimetry je nutné pravidelně kontrolovat a kalibrovat dle předpisů výrobce, nejméně však jednou za rok, kdy musí být provedena úplná servisní prohlídka opacimetru [7]. Dle vyhlášky je nutné kalibraci opacimetru dokládat kalibračním listem nebo písemně zaznamenávat v servisní knize opacimetru, kde se mimo kalibraci musí zaznamenávat i servisní prohlídky.

-43-

8 METODY SNIŽOVÁNÍ EMISÍ Škodlivé plyny produkované spalovacími motory je možné výrazně eliminovat použitím katalyzátorů montovaných do výfukového potrubí motoru. Pro vozidlové motory zážehové pracující v režimech blízkých stechiometrickému složení směsi paliva se vzduchem je možné použití tzv. třícestného katalyzátoru eliminujícího množství CO, CnHm, NOx. Pro motory provozované v režimech λ >> 1 (zpravidla zážehové plynové motory) je vhodné použití oxidačního dvoucestného katalyzátoru pro CO a CnHm. Vhodným seřízením těchto motorů lze zajistit i přijatelnou produkci NOx. V případě, že seřízením vznětového motoru nelze dosáhnout přijatelných hodnot NOx, přichází na řadu recirkulace spalin nebo tzv. selektivní katalyzátor, který se montuje za katalyzátor dvousložkový. Selektivních katalyzátorů bylo nejprve použito u velkých stacionárních motorů používaných v energetice.

8.1 Recirkulace spalin V důsledku ochrany životního prostředí byli výrobci vznětových spalovacích motorů donuceni ke snižování škodlivin ve výfukových plynech. Vznětové motory, jak již bylo několikrát zmíněno výše, pracující s velkým přebytkem vzduchu produkují emise NOx a pevné částice a právě recirkulace spalin pomáhá tyto znečišťující látky částečně odbourávat. Fungování recirkulace spalin popisuje obr. 17.

Obr. 17: Recirkulace spalin [1] 1 – čistič vzduchu, 2 – motor, 3 – plnící potrubí, 4 – ventil EGR, 5 – chladič plnicího vzduchu, 6 – chladič spalin, 7 – turbodmychadlo, 8 – výfukové potrubí -44-

Tento systém se již několik let s úspěchem používá u spalovacích motorů traktorů a jiné zemědělské techniky. Cca 10 % spalin je přivedeno zpět z výfukového potrubí přes chladič spalin do ventilu EGR (Exhaust Gas Recirculation) odkud pokračuje do sání. EGR ventil reguluje množství spalin, které propustí do sání podle obsahu kyslíku ve spalinách nebo podle aktuálního zatížení motoru. Část spalin, která je do sání přepuštěna má za vliv snížení přebytku kyslíku v pracovním prostoru válce, což má za následek snížení NOx ve výfukových plynech. Systém recirkulace spalin je schopen snížit emise NOx ve výfukových plynech až o 40 %. Recirkulaci spalin je také možné s úspěchem použít u motorů zážehových (většinou s přímým vstřikováním paliva), kde má kromě snižování množství produkovaného NOx za následek také snížení spotřeby paliva. Využití recirkulace spalin u jednotlivých typů motorů ukazuje tabulka 7.

Tab. 7: Využití recirkulace spalin u jednotlivých typů motorů [16]

8.2 Třícestný katalyzátor Principem činnosti třícestného katalyzátoru, někdy též (3w katalyzátor) je redukčně-oxidační chemická reakce probíhající při průchodu spalin úzkými průřezy s pórovitým povrchem. Tento materiál je nasycen vzácnými kovy jako je platina, paladium a rhodium (obr. 18). Tyto děje popisují následující rovníce:

2 NO + 2 CO → N2 + 2CO2 2 CO + O2 → 2 CO2 2 C2H6 + 7 O2 → 4 CO2 + 6 H2O

(6) (7) (8)

-45-

Obr. 18: Třísložkový katalyzátor moderního zážehového motoru [2] Účinnost čištění výfukových plynů u třícestného katalyzátoru dosahuje u čtyřdobých spalovacích motorů následujících hodnot: − 99 % u NOx, − 70 – 95 % u HC (nižší pro CH4) a − 95 – 98 % u CO. Nezbytné pro dosažení nejvyšší účinnosti katalyzátoru je udržení hodnoty λ v rozmezí 0,99 - 1,002. Jakákoliv odchylka složení směsi mimo uvedené rozmezí (tzv. λ okno) má za následek výrazné snížení účinnosti katalyzátoru (obr. 12) [2].

Obr. 19: Obsah jednotlivých složek ve výfukových plynech v závislosti na bohatosti směsi [2] Dále je pro dosažení maximální účinnosti katalyzátoru nezbytné, aby byl keramický nebo kovový nosič katalyzačního substrátu prohřát na teplotu min 300 °C. Teplota uvnitř katalyzátoru ovšem nesmí přesáhnout 1000 °C (např. v případě vniknutí nespáleného paliva do výfukového potrubí a jeho následného vznícení důsledkem vysoké teploty uvnitř katalyzátoru a výfukového potrubí), což by vedlo k jeho destrukci. -46-

Další podmínkou pro správné fungování 3w katalyzátoru je požadavek na vysokou čistotu paliva prostého síry, fosforu, chloru či těžkých kovů.

8.3 Oxidační katalyzátor Obdobou třícestného katalyzátoru používaného u zážehových motorů pracujících se směsí o složení blízkém stechiometrickému je oxidační katalyzátor (někdy též označovaný jako dvoucestný – 2w katalyzátor) u motorů vznětových pracujících v režimech λ >> 1. Princip činnosti oxidačního katalyzátoru vysvětlují následující dvě rovnice:

2CO + O2 → 2CO2

(9)

CnHm + (n + m/4) O2 → n CO2 + (m/2)H20

(10)

Podle rovnic 9 a 10 oxidační katalyzátor snižuje ve výfukových plynech koncentrace oxidu uhelnatého a nespálených uhlovodíků za přístupu kyslíku, který je důležitý pro uskutečnění oxidačních reakcí. Dodávka kyslíku je spolehlivě zajištěna díky složení směsi s výrazným přebytkem vzduchu. Spolehlivost, účinnost a životnost oxidačního katalyzátoru ovlivňují stejné faktory jako u třícestného katalyzátoru s výjimkou změny složení směsi paliva se vzduchem, kde je zpravidla λ >> 1.

8.4 SCR – Selektivní katalytická redukce Díky zavedení předpisu emisních limitů výfukových plynů EURO 4 v říjnu roku 2005 a následného zavedení přísnějšího předpisu EURO 5 v říjnu roku 2008 byli výrobci nákladních vozidel a vznětových spalovacích motorů nuceni přistoupit k ještě razantnějšímu snižování emisí těmito motory produkovaných. Zatímco limitní hodnoty emisí u předpisu EURO 4 bylo možné splnit zdokonalováním a úpravou konvenčních technologií pro snížení emisí výfukových plynů, popřípadě systémem recirkulace spalin. Splnění předpisu EURO 5 by konvenční cestou vedlo k velmi nehospodárným provozním podmínkám motorů, a proto se většina předních výrobců vznětových motorů rozhodla jít cestou přidávání látky, která přeměňuje škodlivé oxidy dusíku na neškodné látky - vodní páru a volný dusík - do výfukového traktu motoru.

-47-

Selektivní katalytická redukce pracuje na principu vstřikování vodního roztoku močoviny, známého pod obchodním názvem AdBlue do výfukových plynů mezi oxidačním katalyzátorem a selektivním katalyzátorem (obr. 20) . Roztok močoviny je dávkován ve velmi přesných dávkách závislých na koncentraci NOx ve spalinách, určených diagnostickým přístrojem. V selektivním katalyzátoru pak dochází k chemické reakci podle následující rovnice:

NO2 + NO + 2 NH3 → 2 N2 + 3 H2O

(11)

Při studeném startu vozidla dochází krátkodobě ke zvýšení hodnoty NOx, což je způsobeno tím, že katalyzátor dosahuje své maximální účinnosti při teplotě 200 oC. V praxi je tato teplota dosažena během několika málo minut i za extrémně nízkých teplot a katalyzátor tak dosahuje své maximální účinnosti velice rychle. Dále je nutná i kontrola zbytku NH3 za katalyzátorem.

Obr. 20: Katalyzátor výfuku moderního vznětového motoru [2] SCR technologie přináší kromě snížení produkce NOx řadu nesporných výhod, jako je například zvýšení výkonu vozidla v důsledku vyšších tlaků. Optimalizované spalování s vyššími tlaky má za následek, kromě nárůstu výkonu motoru, snižování pevných částic ve výfukových plynech a v neposlední řadě přináší úsporu paliva až o 6 % [15]. Další výhody zahrnují například vyšší výnos při prodeji ojetého vozidla

-48-

vybaveného technologií SCR a výhody závislé především na legislativě jednotlivých států a zahrnují zejména úspory nákladů na provoz motorového vozidla, které by provozovatel musel zaplatit například na mýtném při průjezdu méně ekologických vozidel zpoplatněnými úseky silnic a městských částí některých zemí EU. Používání technologie SCR nepřináší řidičům a provozovatelům žádné omezení v používání vozidla. Motory vybavené touto technologií mohou spalovat všechny schválené druhy nafty, bionaftu i paliva s obsahem síry. Zavedení technologie SCR nesnižuje životnost motoru a nepřináší omezení v důsledku zvýšených servisních prohlídek. SCR zařízení se skládá z několika málo komponentů, jako je třeba filtr AdBlue, který se opotřebovává a je při pravidelných servisních prohlídkách vyčištěn nebo vyměněn. AdBlue je možné tankovat ze stojanů podobných stojanům na pohonné hmoty u benzinových stanic do specielních nádrží, které vystačí zpravidla na několik set kilometrů. Spotřeba AdBlue činí zhruba 4 % spotřeby pohonných hmot.

8.5 Systém filtrace pevných částic ve výfukových plynech (FAP) Recirkulací spalin do sání vznětového motoru nebo zařazením selektivních katalyzátorů do výfukového traktu motoru je možné dosáhnout značného snížení produkce NOx v emisích motorem produkovaných. Tyto systémy ovšem nedovedou z výfukových plynů odstranit pevné částice sazí vzniklé v důsledku hoření směsi paliva se vzduchem. Proto automobilky Peugeot a Citroen přišly v roce 2000 u nové generace motorů HDi se systémem filtrace pevných částic ve výfukových plynech, tzv. systém FAP (obr. 21). Webový portál auto.cz uvádí, že systém filtrace pevných částic umožňuje dosáhnout snížení emisí uhlíkových mikročástic o více než 95 %. Filtr pevných částic je umístěn podobně jako oxidační katalyzátor ve výfukovém traktu motoru a jeho funkce by se dala zjednodušeně přirovnat k funkci molekulového síta. Filtr je tvořen porézní strukturou oxidu křemičitého, který při průchodu výfukových plynů mechanicky zachycuje pevné částice produkované motorem. Tento princip se proto někomu může jevit na první pohled jednoduchý, ale existuje zde i velké množství značně limitujících faktorů, jako je třeba potřeba regenerace filtru, která slouží k zajištění jeho několikanásobně delší životnosti.

-49-

Obr. 21: Systém filtrace pevných částic ve výfukových plynech pro vznětový motor Peugeot DV 12 TED4 – HDi [16] Systém je vybaven tlakovými senzory před i za filtrem a na základě rozdílu tlaků v pravidelných intervalech (po 400 – 500 km) dochází k regeneraci filtru krátkodobým zvýšením teploty filtru nad 550 °C. Udávaná životnost filtru je 80 000 km [16] u prvních modelů, u motoru 2,7 V6 HDi je udávaná životnost filtru dokonce 240 000 km. Po uplynutí životnosti je filtr jednoduše vyměněn za nový. Jak uvádí portál auto.cz, celý proces regenerace trvá přibližně 2 – 3 minuty a zvýšení teploty na požadovanou hodnotu je možné u vysokotlakých systémů (Common-Rail) dosáhnout dodatečným vstřiknutím dávky paliva do válce motoru, což má za následek zvýšení teploty spalin o 200 – 250 °C. Dalšího potřebného zvýšení teploty zhruba o 100 °C je zajištěno spalováním nespálených uhlovodíků v oxidačním katalyzátoru. Systém je dále vybaven nádrží na aditivum PSA-ELOYS, které je vstřikováno tryskou k palivu ještě před vstupem do motoru. Nádrž má objem 5 l a vystačí na ujetí cca 80 000 km [16]. Aditivum PSA-ELOYS slouží ke snižování teploty, nutné ke spalování částic a následné regeneraci filtru.

-50-

9 ZÁVĚR Cílem bakalářské práce bylo podat přehled metod měření a analýzy emisí vznětových motorů, rozvést problematiku fungování vznětových motorů a vznik emisí při jejich práci. Práce si dále kladla za cíl poukázat na postupný vývoj emisních limitů a porovnat legislativní předpisy zemí EU. Závěrem mohu konstatovat, že metodika měření emisí v ČR a EU je a bude v neustálém vývoji zejména kvůli divergentním požadavkům kladeným na parametry stávajících a moderních vznětových motorů. Na jedné straně je tendence neustálého snižování škodlivin produkovaných vznětovými motory, na druhé straně pomyslné bariéry stojí výrobci motorů se stále výkonnějšími modely, které aby splňovaly požadavky na produkci emisí, musí být vybaveny složitými a komplikovanými elektronickými systémy pokročilého řízení motoru. Jako jedno z mála řešení snižování emisí do budoucna se jeví zvyšování celkové účinnosti sestavy motoru, následných zařízení sloužících k pohonu vozidla či jiného stroje a jeho pomocných prvků spolu se zaváděním kombinovaných systémů katalýzy a filtrace výfukových plynů produkovaných motorem tak, aby byla zajištěna minimalizace negativního dopadu a zároveň maximalizace výkonu. Z dlouhodobého hlediska se pak jako účelné jeví hledat nové, v dnešní době alternativní, zdroje paliv, která by při stejné nebo vyšší výhřevnosti produkovala méně škodlivin. Zde se nám nabízí možnost použití jako „alternativního“ paliva pro vznětové motory v podobě rostlinných olejů, které sloužily jako původní palivo do vznětových motorů, namísto dnešní motorové nafty. Myšlenka využití rostlinných olejů pro pohon vznětových motorů vznikla již v roce 1912, kdy Rudolf Diesel napsal, že „ačkoliv je použití rostlinných olejů v současnosti bezvýznamné, v budoucnosti budou tyto oleje stejně důležité jako petrolej nebo uhlí“ [5]. Ani po 98 letech se ovšem slova Rudolfa Diesela nenaplnila a jako nejdůležitější paliva nadále zůstávají nafta a benzín spolu s v dnešní době čím dál více oblíbenějším stlačeným zemním plynem. Výhodu použití rostlinných olejů spatřuji zejména v jejich obnovitelnosti a příznivé bilanci emisí oxidu uhličitého, kdy CO2 produkovaný vznětovým motorem je spotřebován olejninou k produkci paliva. Další možností, která se ovšem nezabývá snižováním emisí, ale pouze problematikou obnovitelných zdrojů energie je použití a následná recyklace olejů používaných v závodních kuchyních, řetězcích restaurací a stravovacích zařízeních, které je možné po přefiltrování použít jako palivo pro upravené

-51-

vznětové motory. Problémy spojené s využitím rostlinných olejů je možné eliminovat tzv. esterifikací, kdy se řepkový olej nechává reagovat spolu s metanolem za vzniku metylesteru řepkového oleje tzv. MEŘO. Čisté MEŘO je jako palivo ve velké míře využíváno např. v Německu a Rakousku. U nás bylo v minulosti běžnější využití bionafty druhé generace, tzv. směsné nafty, kde byl přídavek minimálně 30 % metilesteru řepkového oleje [5]. V současnosti vzhledem k cenové dostupnosti složky organického původu a podmínkám evropských směrnic dochází k míchání výrazně menšího podílu (do roku 2010 to má být 5,75 % bioložek ze spotřeby všech paliv a 10 % do roku 2020). Také se zde nabízí otázka využití alkoholů jako paliva pro vznětové motory. Nutné je ovšem zabezpečit vyšší dodávku paliva do motoru v důsledku nižší výhřevnosti etanolu oproti motorové naftě a do etanolu přidat aditiva na bázi organických nitrátů pro zvýšení cetanového čísla. „Pro dosažení cetanového čísla 50 je však nutno přidávat aditiva v množství, které se pohybuje v řádu procent“ [5]. Pro spalování etanolu je vznětový motor vozidla nutné vybavit pomocným zapalovacím systémem. Nutnost pomocného zapalovacího systému odpadá při použití směsi etanolu s motorovou naftou (Brazílie), či přidáním 2 % již zmiňovaných aditiv (Švédsko). Jako příklad uvádím šestiválcový motor Scania o objemu 9000 cm3 používaný v autobusech Blue Bus. Motor je v důsledku špatných mazacích schopností etanolu vybaven samostatným mazáním palivového i vstřikovacího čerpadla. Dále jsou zde použity větší vstřikovače a je zvýšen kompresní poměr motoru [5]. V dnešní době populární myšlenkou, je zavádění hybridních pohonů vozidel, kdy je vozidlo vybavené spalovacím motorem a elektromotorem. Vozidla s hybridním pohonem jsou velmi populární zejména mezi osobními automobily. Nabízí se nám zde několik různých možností, jak využít kombinaci obou motorů pro pohon vozidla. První možnost je, že vozidlo se rozjíždí na elektromotor, který je také využíván k jízdě ve městech a spalovací motor je využíván pro dobíjení akumulátorů, jízdu na dálnici, prudkou akceleraci a všude tam, kde elektromotor nedostačuje. Energie potřebná pro provoz elektromotoru je odebírána z akumulátorů, které jsou dobíjeny pomocí spalovacího motoru a během brždění vozidla. Další možností jsou hybridní vozidla druhé generace, kde je k provozu používán čistě jen elektromotor odebírající energii z akumulátorů určených na krátký dojezd řádově v desítkách kilometrů a spalovací motor je využíván čistě jen k dodávání energie elektromotoru při dlouhých jízdách a dobíjení akumulátorů. Výhodou tohoto systému je, že při popojíždění ve městech a na -52-

křižovatkách odpadá nutnost řazení, elektromotor použitý ve vozidle má ideální momentovou charakteristiku, kdy se vzrůstajícím zatížením motoru automaticky roste točivý moment a v neposlední řadě spalovací motor pracuje v ideálních podmínkách, kdy má nejnižší spotřebu paliva. Další možností, která by mohla v budoucnu nalézt uplatnění je využívání vodíkových technologií, které mají tu výhodu, že emise vycházející z motoru jsou tvořeny pouze čistou vodní párou. Zde se nám nabízí dva možné způsoby. První z nich je využití vodíku jako paliva pro spalovací motory, které by spalovaly směs vodíku a vzdušného kyslíku. Druhou možností, alternativou ke spalovacímu motoru na vodík, je využití tzv. palivových článků, které jsou z vodíku a kyslíku schopné produkovat elektrickou energii a vodu. V nejbližší budoucnosti by se trend snižování emisí měl ubírat na základě různých omezení, která zakazují vjezd vozidel do center měst, popřípadě nějakým způsobem vjezd vozidel do center měst regulují vybíráním vysokého mýtného pro vozidla konvenční a slevami na tomto mýtném pro vozidla ekologická (tj. hybridní, s plynovými motory atd.). Vhodné je také využití městských autobusů s motory upravenými ke spalování stlačeného zemního plynu, rozšiřování trolejbusových linek namísto autobusů, použití hybridních pohonů u prostředků městské hromadné dopravy a vozidel zásobování apod.

-53-

SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1: Ottův výbušný cyklus v p-v a T-S diagramu [3] ................................................. 14 Obr. 2: Základní fáze čtyřdobého zážehového motoru [2] ............................................. 15 Obr. 3: Dieselův rovnotlaký cyklus v p-v a T-S diagramu [3] ........................................ 16 Obr. 4: Sabatův smíšený cyklus v p-v a T-S diagramu [3] ............................................. 17 Obr. 5: Vznětový motor s vírovou komůrkou [2] ............................................................ 18 Obr. 6: "Swirl" víření a vstřik paliva u motorů s přímým vtřikem [2]............................ 19 Obr. 7: Common-Rail a elektronická řídící jednotka BOSH [16] .................................. 21 Obr. 8: Schéma systému Common-Rail a palivové soustavy moderního vznětového motoru [16]............................................................................................................. 22 Obr. 9: Princip činnosti turbodmychadla [12] ............................................................... 23 Obr. 10: Závislost koncentrace plynných emisí na součiniteli přebytku vzduchu [2] .... 26 Obr. 11: Postup při měření kouřivosti pomocí filtračního kouřoměru [16] ................... 29 Obr. 12: Stanovení hmotnostní koncentrace pevných částic pomocí Gravimetrické metody[16].............................................................................................................. 30 Obr. 13: Princip fungování opacimetru [16].................................................................. 31 Obr. 14: Simulace jízdních režimů [2]............................................................................ 33 Obr. 15: Vnější otáčková charakteristika autobusového motoru s vyznačením provozních režimů v testu ESC (předpisu EHK 49 v úpravě od r. 2001) [2] ......... 36 Obr. 16: Emisní test ETC [2] .......................................................................................... 37 Obr. 17: Recirkulace spalin [1] ...................................................................................... 44 Obr. 18: Třísložkový katalyzátor moderního zážehového motoru [2] ............................ 46 Obr. 19: Obsah jednotlivých složek ve výfukových plynech v závislosti na bohatosti směsi [2] ................................................................................................................. 46 Obr. 20: Katalyzátor výfuku moderního vznětového motoru [2] .................................... 48 Obr. 21: Systém filtrace pevných částic ve výfukových plynech pro vznětový motor Peugeot DV 12 TED4 – Hdi [16] ........................................................................... 50

-54-

SEZNAM TABULEK Tab. 1: Postupný vývoj předpisu EHK 15 v letech 1973 až 1997 [2]............................. 34 Tab. 2: Vývoj předpisu EHK 49[2] ................................................................................. 35 Tab. 3: Emisní limity podle testu ETC [2] ...................................................................... 37 Tab. 4: Předpis EPA [2] ................................................................................................. 38 Tab. 5: Předpis CARB [2]............................................................................................... 38 Tab. 6: Postupný tlak na výrobce vozidel ve snižování hodnoty NMOG [2].................. 39 Tab. 7: Využití recirkulace spalin u jednotlivých typů motorů [16] ............................... 45

-55-

SEZNAM ZKRATEK Bn – Bosh Number BSZ – Bosh Schwarzungszahl CARB - California Air Resources Board Čisté p. - Čisté palivo CNG - Stlačený zemní plyn CO - Oxid uhelnatý CO2 - Oxid uhličitý CnHm - Souhrnný název pro uhlovodíky DÚ - Dolní úvrať pístu EGR - Exhaust Gas Recirculation EHK - Evropská hospodářská komise EPA - Environmental Protection Agency ESC - European Stationary Cycle ETC - European Transient Cycle FAP - Systém filtrace pevných částic HC - Nespálené uhlovodíky HDi - Označení vznětových motorů se systémem Common-Rail a vybavených turbodmychadlem u značek Peugeot a Citroen. HSU - Hartridge Smoke Unit HÚ - Horní úvrať pístu LEV – Low Emission Vehicle LPG - Směs kapalného propanu a butanu MEŘO – Metilester rěpkového oleje NMHC - Non Methan Hydrocarbon NO - Oxid dusnatý NO2 - Oxid dusičitý N2O - Oxid dusný NOx – Souhrnný název pro oxidy dusíku OMHCE - Organic Material Hydrocarbon Equivalent OMNMHCE - Organic Material Non-Methan Hydrocarbon Equivalent PM - Částice SCR - Selektivní katalitická redukce

-56-

SULEV – Super-Ultra Low Emission Vehicle SZ - Schwarzungszahl TLEV – Transitional Low Emission Vehicle ULEV – Ultra-Low Emission Vehicle ZEV – Zero Emission Vehicle

-57-

SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY [1]

BAUER, F. SEDLÁK, P. ŠMERDA, T.: Traktory, 1. vydání, Profi Press, Praha, 2006, ISBN 80-86726-15-0

[2]

BEROUN, S.: Vozidlové motory, Technická univerzita v Liberci, fakulta strojní, katedra strojů průmyslové dopravy, Studijní materiály k předmětu „Motorová vozidla“, 2005

[3]

GRODA, B.: Termomechanika, ES MZLU v Brně, 2001

[4]

RODA, A.: Spalovací motory, 2. vydání, Ústav pro učebné pomůcky průmyslových a odborných škol, Praha, 1947

[5]

VLK, F.: Alternativní pohony motorových vozidel, 1. vydání, Prof. Ing. František Vlk, DrSc., nakladatelství a vydavatelství, Brno, 2004, ISBN 80-239-1602-5

[6]

Výtah z věstníků dopravy pro stanice měření emisí, Odbor silniční dopravy, Praha 1995

[7]

Věstník dopravy, Ministerstvo dopravy ČR, Praha, 2004

[8]

Webový portál Auto. CZ [online] [cit. 17. 1. 2010] Dostupné z:

[9]

Webový portál Auto. CZ [online] [cit. 17. 1. 2010] Dostupné z:

[10] Webový portál Auto. CZ [online] [cit. 17. 1. 2010] Dostupné z: [11] Webový portál Auto. CZ [online] [cit. 17. 1. 2010] Dostupné z: [12] Webový portál Auto. CZ [online] [cit. 17. 1. 2010] Dostupné z:

-58-

[13] Oficiální webové stránky společnosti Mercedes-Benz [online] [cit. 20. 8. 2009] Dostupné z: [14] Oficiální webové stránky společnosti Mercedes-Benz [online] [cit. 20. 8. 2009] Dostupné z: [15] Oficiální webové stránky společnosti Mercedes-Benz [online] [cit. 20. 8. 2009] Dostupné z: [16] Webová prezentace Ústavu techniky a automobilové dopravy AF MENDELU v Brně [online] [cit. 17. 3. 2009] Dostupné z: [17] Portál otevřené encyklopedie Wikipedia [online] [cit. 6. 4. 2009] Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Low_Emission_Vehicle

-59-