Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Redukce škodlivin spalovacích motorů Bakalářská práce
Vedoucí práce: Ing. Jiří Čupera, Ph.D.
Vypracoval: Radomír Kocáb Brno 2009
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Redukce škodlivin spalovacích 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 MZLU v Brně.
dne………………………………………. podpis...………………………………….
2
PODĚKOVÁNÍ
Děkuji panu Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D., vedoucímu bakalářské práce, za odborné vedení, připomínky a rady během vypracovávání mé bakalářské práce na téma Redukce škodlivin spalovacích motorů.
3
ANOTACE Ve své bakalářské práci jsem se zabýval především problematikou snižování škodlivých vlivů provozu spalovacích motorů na životní prostředí a lidský organismus. V první části se práce zabývá konkrétními dopady automobilové dopravy, jako jsou především skleníkový efekt, smog, atd. Další část mapuje složení výfukových plynů. Každá ze škodlivých složek je zde alespoň obecně popsána. Dále je uvedeno, v čem spočívá její škodlivost a princip, jakým daná škodlivina vzniká. V této části je také uveden postup měření automobilních emisí a stručně popsány evropské emisní předpisy. Závěrečná a nejrozsáhlejší kapitola je věnována technickým, konstrukčním opatřením pro snížení produkce škodlivých emisí. Ať už vlastní konstrukcí motoru, tak zařízením pro dodatečnou úpravu výfukových plynů za motorem. Klíčová slova: emise, spalovací motor, katalyzátor, EGR, SCR, EOBD, alternativní paliva
ANNOTATION This Bachelor thesis concerns an issue of reducing a noxious influence of an activity of an internal combustion engines on the environment and mankind. The first part deals particularly with affects of car traffic such as global warming effect, smog, etc. The second part describes a structure of exhaust gas. Each of the noxious elements is at least generally described, moreover, there is explained the origination of each element and its bad impacts. In this part is as well described a process of emission analysis and briefly given European emission regulations. The last and the most thorough part is devoted to technical and structural arrangements of reducing a noxious emissions. There are considered two main groups of arrangements, the structure of the engine itself and external gadgets.
Key words: emission, engine, catalyser, EGR, SCR, EOBD, alternative fuel
4
Obsah 1.
ÚVOD........................................................................................................................ 7
2.
CÍL PRÁCE............................................................................................................... 8
3.
DOPADY AUTOMOBILOVÉ DOPRAVY NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ .............. 9 3.1.
3.1.1.
Skleníkový efekt, globální oteplování ........................................................ 9
3.1.2.
Kyselý déšť ............................................................................................... 10
3.1.3.
Smog ......................................................................................................... 11
3.2. 4.
5.
Znečištění ovzduší.............................................................................................. 9
Hluk.................................................................................................................. 11
SLOŽENÍ VÝFUKOVÝCH PLYNŮ ..................................................................... 12 4.1.
Měření automobilových emisí.......................................................................... 12
4.2.
Emisní předpisy v Evropě ................................................................................ 13
4.3.
Popis jednotlivých složek výfukových plynů .................................................. 16
4.3.1.
Oxid uhelnatý (CO) .................................................................................. 16
4.3.2.
Oxidy dusíku (NOx) .................................................................................. 17
4.3.3.
Nespálené uhlovodíky (HC) ..................................................................... 18
4.3.4.
Pevné částice (PM) ................................................................................... 20
4.3.5.
Oxid siřičitý (SO2) .................................................................................... 20
4.3.6.
Olovo ........................................................................................................ 21
4.3.7.
Oxid uhličitý (CO2)................................................................................... 21
4.3.8.
Přízemní ozón (O3) ................................................................................... 22
KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ A ÚPRAVY SPALOVACÍCH MOTORŮ PRO
SNÍŽENÍ OBSAHU ŠKODLIVIN VE VÝFUKOVÝCH PLYNECH.......................... 23 5.1.
Konstrukce a úpravy zážehových motorů ........................................................ 23
5.1.1.
Tvar spalovacího prostoru ........................................................................ 23
5.1.2.
Kompresní poměr ..................................................................................... 24
5.1.3.
Způsob přípravy směsi.............................................................................. 25
5
5.1.4. 5.2.
Sekundární vzduchové systémy................................................................ 28
5.2.2.
Oxidační (dvojčinný) katalyzátor ............................................................. 28
5.2.3.
Oxidačně – redukční (třícestný, trojčinný) katalyzátor ............................ 28
5.2.4.
Zásobníkový (sběrný) katalyzátor ............................................................ 31
Konstrukce a úpravy vznětových motorů ........................................................ 32
5.3.1.
Vstřikovací systémy vznětových motorů.................................................. 33
5.3.2.
Zpětné vedení výfukových plynů ............................................................. 36
5.4.
Dodatečná úprava výfukových plynů za vznětovým motorem........................ 37
5.4.1.
Oxidační (dvojčinný) katalyzátor ............................................................. 37
5.4.2.
Filtr pevných částic (FAP)........................................................................ 38
5.4.3.
Selektivní katalytická redukce (SCR)....................................................... 39
5.5.
Evropská palubní diagnostika EOBD .............................................................. 41
ALTERNATIVNÍ PALIVA PRO SPALOVACÍ MOTORY ................................. 43 6.1.
Zemní plyn (CNG, LNG)................................................................................. 43
6.2.
Zkapalněný propan – butan (LPG)................................................................... 43
6.3.
Vodík................................................................................................................ 44
6.4.
Alkoholy........................................................................................................... 44
6.4.1.
Metanol ..................................................................................................... 44
6.4.2.
Etanol ........................................................................................................ 45
6.5.
7.
Dodatečná úprava výfukových plynů za zážehovým motorem ....................... 27
5.2.1.
5.3.
6.
Předstih zážehu ......................................................................................... 27
Bionafta ............................................................................................................ 45
6.5.1.
Bionafta 1. generace ................................................................................. 45
6.5.2.
Bionafta 2. generace ................................................................................. 46
ZÁVĚR.................................................................................................................... 47
6
1. ÚVOD Automobily se staly běžnou součástí našeho života. Provázejí nás na každém kroku. Na automobilové dopravě je závislé celosvětové hospodářství. Nákladní silniční doprava se rozvíjí mnohem rychleji než například železniční doprava. Velmi bouřlivě se rozšiřuje také individuální osobní doprava. Je běžné, že některé rodiny vlastní dva i více automobilů. Automobil se stal nástrojem vlastní prezentace a pro mnoho lidí také zálibou. Proto není divu, že intenzita automobilové dopravy v období od roku 1990 do roku 2000 vzrostla tolik, jako za předešlých 60 let. Automobilová doprava s sebou však přináší také negativní vlivy. Tím nejvýznamnějším je znečišťování ovzduší škodlivinami ve výfukových plynech. Až donedávna nebylo nutné problém škodlivých emisí řešit. Díky nízkému počtu automobilů nebylo znečištění ovzduší z dopravy tak vysoké, aby ovlivňovalo životní prostředí nebo lidské zdraví. S masivním rozvojem automobilové dopravy však začalo narůstat také znečištění, a tak bylo nutné začít problém s emisemi řešit. Proto byly zavedeny emisní normy, což jsou vlastně limity maximálního množství produkovaných škodlivin při provozu vozidla. Ty jsou postupně zpřísňovány. V Evropě je používána norma EURO. Ta je rozdílná pro osobní automobily (značená arabskými číslicemi) a nákladní automobily (značená římskými číslicemi).
7
2. CÍL PRÁCE Cílem mé práce na téma „Redukce škodlivin spalovacích motorů“ je jednak uvést škodlivé vlivy emisí spalovacích motorů na životní prostředí a zdraví lidí, jednak vyjmenovat a popsat jednotlivé škodliviny ve výfukových plynech a především představit konstrukční řešení a úpravy spalovacích motorů snižující obsah škodlivin ve výfukových plynech automobilů.
8
3. DOPADY AUTOMOBILOVÉ DOPRAVY NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ 3.1.
Znečištění ovzduší Emise spalovacích motorů, které pohánějí silniční vozidla a samojízdné pracovní
stroje, mají velký podíl na znečištění ovzduší. Samozřejmě to není jediné odvětví hospodářství, které při svém provozu produkuje škodlivé látky, ale například emise z průmyslové výroby jsou ve velké míře soustředěny v průmyslových zónách a mimo obytné aglomerace, zatímco emise z dopravy mají vysokou koncentraci především v hustě obydlených oblastech a v okolí hlavních dopravních tepen. Exhalace Exhalace u spalovacích motorů vznikají vlivem nedokonalého spalovacího procesu. Pokud bychom byly schopni zkonstruovat ideální motor s dokonalým spalováním paliva, žádné škodlivé látky by nevypouštěl a veškeré složky paliva by byly spáleny. Výfukové plyny se skládají z více než 200 převážně škodlivých látek, jako například oxid uhelnatý, oxidy dusíku, oxidy síry, nespálené uhlovodíky, atd. Podrobnému popisu chemického složení výfukových plynu bude věnována další část této práce. Tyto látky mimo jiné škodí lidskému zdraví, způsobují tzv. skleníkový efekt, globální oteplování, kyselé deště a také tvorbu smogu. Poškozují lesy, zemědělskou půdu a historické budovy. [6] [10] 3.1.1. Skleníkový efekt, globální oteplování Skleníkový efekt způsobuje ohřívání planety. Atmosféra Země absorbuje sluneční záření, avšak zároveň brání jeho zpětnému odrazu. Přírodní skleníkový efekt se na Zemi vyskytuje naprosto běžně a umožňuje život. Bez jeho působení by se totiž průměrná teplota na Zemi pohybovala okolo -18°C. Daleko problematičtější je tzv. Antropogenní skleníkový efekt. Ten je způsoben lidskou činností a to především vypouštěním tzv. skleníkových plynů do ovzduší (spalování fosilních paliv, atd.) a masivním kácením lesů. S největší pravděpodobností je také původcem globálního oteplování.
9
Tab. 1 Skleníkové plyny Skleníkový plyn Podíl na skleníkovém efektu Vodní páry (H2O) asi 60% Oxid uhličitý (CO2) asi 26% Ozón (O3) asi 8% Metan (CH4) Oxid dusný (N2O) Freony (CFC) -
Skleníkový efekt vzniká skutečně podobně jako v zahradnickém skleníku. Zatímco viditelné sluneční záření proniká zemskou atmosférou jednoduše, dlouhovlnné infračervené záření absorbuje a tím dochází k oteplování. [6] [10]
Obr. 1 Skleníkový efekt
3.1.2. Kyselý déšť Za kyselý je považován déšť, který má pH nižší než 5,6. Mírná kyselost deště je naprosto běžná a způsobuje ji oxid uhličitý, ze kterého s vodou vzniká velmi slabá kyselina uhličitá. Zvýšenou kyselost způsobují především oxidy dusíku a oxidy síry, které jsou produkovány spalovacími motory, průmyslovou výrobou, ale také například sopečnou činností. Kyselé deště způsobují znečištění vodních ploch, půdy a degradaci vnějších částí staveb. Mají také negativní vliv na lesní porosty. Kyseliny působí na listy a stromy i ostatní rostliny tak ztrácejí možnost dýchat a získávat živiny. 10
Vysoká
kyselost vody se pak projevuje úhynem ryb a jiných vodních živočichů, kteří nesnášejí pH nižší než 4,5. Kyselé deště mohou mít také vliv na výnosnost zemědělských ploch. [6] [10] 3.1.3. Smog Jedná se o chemické znečištění ovzduší, způsobené převážně lidskou činností. Vzniká při inverzním počasí. Teplý vzduch v tomto případě nestoupá vzhůru a neodnáší s sebou škodlivé látky. Jejich koncentrace tak v místě vzniku neustále stoupá. Existují dva typy smogu : Redukční smog : (někdy také nazývaný londýnský nebo zimní) vzniká za vysoké vzdušné vlhkosti při spalování uhlí. Je složen především z oxidu siřičitého (SO2) a dalších látek, které snadno oxidují (mají redukční účinky na okolí). Oxidační smog : (fotochemický, letní) znečištění vznikající reakcí slunečního záření a některých složek výfukových plynů. Jedná se převážně o velmi koncentrovaný přízemní ozón (směs uhlovodíků, oxidů dusíku (NOx) a uhlíku (CO, CO2)). Tento smog má velmi silné oxidační a toxické účinky. Dráždí sliznice, oči, dýchací cesty, atd. [6] [7] [10]
3.2.
Hluk Je to vlastně zvuk, který není lidskému uchu příjemný. Vysokému hluku
z dopravy je podle odhadů vystavena až jedna pětina obyvatelstva. Hluk z dopravy pochází především od pohonné soustavy motorových vozidel. Snižování škodlivých vlivů hluku spalovacího motoru silničních vozidel je dosahováno především neustálým zdokonalováním hlukové izolace motorového prostoru. [6] [10]
11
4. SLOŽENÍ VÝFUKOVÝCH PLYNŮ Na složení výfukových plynů má nejvýznamnější vliv konstrukce spalovacího motoru, režim spalování, ale také složení paliva. Neustále zpřísňování emisních norem a ostatní legislativy nutí výrobce automobilů ale i rafinerie k využívání nejnovějších technologií pro snižování ekologické zátěže. Kromě škodlivých látek obsahují výfukové plyny i poměrně neškodné složky.
4.1.
Měření automobilových emisí Každý automobil, který je uváděn na evropský trh musí být homologován.
Součástí homologace je také kontrolní měření emisí. Měření se provádí na válcovém dynamometru, kde je simulována jízda automobilu. Měřící zařízení plyny jímá a vyhodnocuje podle jednotné metody CVS (Constant Volume Sampling), která se používá na celém světě. V průběhu měření jsou výfukové plyny odsávány hlavním dmychadlem spolu s filtrovaným vzduchem, aby byl proud směsi výfukových plynů a vzduchu stále stejný a rovnoměrný (jestliže vozidlo produkuje více výfukových plynů, je přisáváno méně vzduchu a když je výfukových plynů méně, přisává se vzduchu více). Část této směsi je odváděna do zásobníku. Poté probíhá vlastní vyhodnocení. Stanovuje se množství CO, CO2, HC, NOx, O2. Výsledky se uvádějí v gramech na ujetý kilometr (g/km). Měřicí přístroje se kalibrují plyny o známém složení. [5] [11]
Obr. 2 Měření emisí pro homologaci osobních vozidel 12
4.2.
Emisní předpisy v Evropě Kvůli neustále se rozvíjející silniční dopravě bylo potřeba legislativně řešit
množství emisí spalovacích motorů. Proto byly v Evropě zavedeny emisní předpisy, které omezovaly množství škodlivin ve výfukových plynech u nově homologovaných vozidel. Evropský standard pro automobilní motory je vytvářen Evropskou hospodářskou komisí (EHK). Tyto předpisy jsou platné ve všech státech Evropské unie. Prvním platným evropským emisním předpisem byla směrnice EHK 15 zavedená v již v roce 1971. Ta zahrnovala měření množství oxidu uhelnatého, nespálených uhlovodíků a oxidů dusíku. Ta prošla mnoha přepracováními a v roce 1989 byla nahrazena vyhláškou EHK 83, která také prošla několika úpravami (zpřísnění limitních hodnot) a na začátku devadesátých let se stala základem nových emisních předpisů známých jako EURO (plus číslice označující revizi předpisu). Tyto předpisy začali přijímat i mimoevropské státy, avšak pod označením EHK 83 (plus příslušná verze, např.: 83.02). Dnem uvedení nového předpisu v platnost musí být ukončena výroba a dovoz vozidel, která příslušnému předpisu nevyhovují. Výjimečně se tato nová vozidla mohou po určitou dobu prodávat (nejdéle jeden rok od zavedení daného předpisu) např. z důvodu vyprodání vozů ze skladových zásob. Některé země podporují provoz vozidel splňujících emisní normy např. daňovými úlevami (v České republice snížení sazby silniční daně). [12]
13
Tab. 2 Emisní standardy pro osobní vozidla do 3,5 tuny (kategorie M1) Norma Platnost od CO HC NOx HC+NOx PM Vznětové motory [g/km] Euro 1
Červenec 1992
2.72
-
-
0.97
0.14
Euro 2
Leden 1996
1.0
-
-
0.7
0.08
Euro 3
Leden 2000
0.64
-
0.5
0.56
0.05
Euro 4
Leden2005
0.5
-
0.25
0.3
0.025
Euro 5
Září 2009
0.5
-
0.18
0.23
0.005
Euro 6
Září 2014
0.5
-
0.08
0.17
0.005
Zážehové motory [g/km] Euro 1
Červenec 1992
2.72
-
-
0.97
-
Euro 2
Leden 1996
2.2
-
-
0.5
-
Euro 3
Leden 2000
2.3
0.2
0.15
-
-
Euro 4
Leden2005
1.0
0.1
0.08
-
-
Euro 5
Září 2009
1.0
0.1
0.06
-
0.005*
Euro 6
Září 2014
1.0
0.1
0.06
-
0.005*
* platí pouze pro vozy s motory s přímým vstřikem
Tab. 3 Emisní standardy pro lehká užitková vozidla do 1305 kg (kategorie N1-I) Norma Platnost od CO HC NOx HC+NOx PM Vznětové motory [g/km] Euro 1 Říjen 1994 2.72 0.97 0.14 Euro 2 Leden 1998 1.0 0.7 0.08 Euro 3 Leden 2000 0.64 0.5 0.56 0.05 Euro 4 Leden 2005 0.5 0.25 0.3 0.025 Euro 5
Září 2009
0.5
-
0.18
0.23
0.005
Euro 6
Září 2014
0.5
-
0.08
0.17
0.005
2.72 2.2 2.3
0.2
0.15
0.97 0.5 -
-
1.0 1.0 1.0
0.1 0.1 0.1
0.08 0.06 0.06
-
0.005* 0.005*
Zážehové motory [g/km] Euro 1 Říjen 1994 Euro 2 Leden 1998 Euro 3 Leden 2000 Euro 4 Euro 5 Euro 6
Leden 2005 Září 2009 Září 2014
* platí pouze pro vozy s motory s přímým vstřikem 14
Tab. 4 Emisní standardy pro lehká užitková vozidla 1305 kg –1760 kg (kategorie N1-II) Norma Platnost od CO HC NOx HC+NOx PM Vznětové motory [g/km] Euro 1 Říjen 1994 5.17 1.4 0.19 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Euro 5
Leden 1998 Leden 2001 Leden 2006 Září 2010
1.25 0.8 0.63 0.63
-
0.65 0.33 0.235
1.0 0.72 0.39 0.295
0.12 0.07 0.04 0.005
Euro 6
Září 2015
0.63
-
0.105
0.195
0.005
5.17 4.0
-
-
1.4 0.65
-
4.17 1.81 1.81
0.25 0.13 0.13
0.180 0.1 0.075
-
0.005*
Euro 6 Září 2015 1.81 0.13 0.075 * platí pouze pro vozy s motory s přímým vstřikem
-
0.005*
Zážehové motory [g/km] Euro 1 Říjen 1994 Euro 2 Leden 1998 Euro 3 Euro 4 Euro 5
Leden 2001 Leden 2006 Září 2010
Tab. 5 Emisní standardy pro lehká užitková vozidla 1760 - 3500 kg (kategorie N1-III) Norma Platnost od CO HC NOx HC+NOx PM Vznětové motory [g/km] Euro 1 Říjen 1994 6.9 4.9 0.25 Euro 2 Leden 1998 1.5 0.96 0.17 Euro 3 Euro 4 Euro 5 Euro 6
Leden 2001 Leden 2006 Září 2010 Září 2015
0.95 0.95 0.74 0.74
-
0.780 0.39 0.28 0.125
0.86 0.46 0.35 0.215
0.1 0.06 0.005 0.005
Zážehové motory [g/km] Euro 1 Říjen 1994
6.9
-
-
1.7
-
5.0 5.22 2.27
0.29 0.16
0.210 0.110
0.8 -
-
-
0.005* 0.005*
Euro 2 Euro 3 Euro 4
Leden 1998 Leden 2001 Leden 2006
Euro 5 Září 2010 2.27 0.16 0.082 Euro 6 Září 2015 2.27 0.16 0.082 * platí pouze pro vozy s motory s přímým vstřikem
15
Tab. 6 Emisní standardy pro nákladní automobily a autobusy [g/km] (kouřivost v m-1) Norma Platnost od CO HC NOx PM Kouřivost 1992 (< 85 kW) 4.5 1.1 8.0 0.612 Euro I 1992 ( > 85 kW) 4.5 1.1 8.0 0.36 Euro II Euro III
Říjen 1996 Říjen 1998 Říjen 1999 (EEV) Říjen 2000
4.0 4.0 1.0 2.1
1.1 1.1 0.25 0.66
7.0 7.0 2.0 5.0
0.25 0.15 0.02 0.10
0.15 0.8
Euro IV Říjen 2005 1.5 0.46 3.5 0.02 0.5 Euro V Říjen 2008 1.5 0.46 2.0 0.02 0.5 EEV (Enhanced environmentally friendly vehicle) – vozidlo zvláště šetřící životní prostředí, nebo vozidlo velmi přátelské k životnímu prostředí je termín, užívaný pro označení velmi ekologických nákladních vozidel nad 3,5 tuny (kategorie M2, M3)
4.3.
Popis jednotlivých složek výfukových plynů
4.3.1. Oxid uhelnatý (CO) Je to jedna z nejběžnějších znečišťujících látek. V přírodě se běžně vyskytuje v koncentracích 0,01 – 0,2 mg.m3. V městských oblastech s vysokou intenzitou dopravy může koncentrace dosahovat hodnot 20 – 60 mg.m3. Oxid uhelnatý se velmi dobře váže na hemoglobin a brání tak přenosu kyslíku krví, proto představuje největší riziko především pro orgány nejvíce závislé na dostatečném přísunu kyslíku tj. mozek a srdce. Velké riziko představuje také pro cévy a nervový systém. Za zdraví škodlivou se považuje průměrná osmihodinová koncentrace vyšší než 10 mg.m3. Prvotními příznaky otravy oxidem uhelnatým je bolest hlavy, malátnost a závrať.
Graf 1 Působení CO na lidský organismus 16
Vzniká nedokonalým spalováním při nedostatku vzduchu (bohaté směsi, součinitel přebytku vzduchu λ ˂ 1) především u zážehových motorů. Při spalování za přebytku vzduchu (chudých směsí) ve vznětových motorech je obsah CO nízký (proti zážehovým motorům jen asi 10%). Obsah CO závisí především na způsobu spalování a proto lze množství výrazně snížit správným seřízením motoru. Nedostatek vzduchu (kyslíku) totiž může být jen v některých místech spalovacího prostoru, nebo jen v některém válci motoru – oxid uhelnatý tak může vznikat i u motorů spalujících chudou směs. Při snížení teploty částečně oxiduje na CO2. Nedostatečná doba pro průběh této reakce je další příčinou přítomnosti CO ve spalinách. Dále je možné CO velmi dobře redukovat využitím katalyzátorů, ve kterých dochází k oxidaci. Emise oxidu uhelnatého způsobují podle odhadů asi jednu třetinu okyselení dešťů. Přitom 93% z celkového množství CO je produkováno právě silniční dopravou. [7] [9] 4.3.2. Oxidy dusíku (NOx) Do skupiny oxidů dusíku patří především oxid dusnatý (NO), oxid dusičitý (NO2) a oxid dusný (N2O). Ten se ve výfukových plynech vyskytuje jen v malém množství. Ročně je na světě vyprodukováno více než 50 milionů tun oxidů dusíku. V městském ovzduší koncentrace NO2 dosahuje až 100 µg.m-3 , což je limit pro celodenní koncentraci v České republice. Krátkodobě však může dosahovat až 1300 µg.m-3. Mají velký podíl na tvorbě smogu. Oxid dusičitý je dráždivý plyn a způsobuje záněty sliznic, hrtanu, průdušek a plic. Při velmi vysoké koncentraci může dokonce přivodit plicní otok a následně smrt. Všechny oxidy dusíku jsou i v nižších koncentracích příčinou poškození imunity (obranyschopnosti organizmu) a respiračních onemocnění. Nebezpečné jsou především pro astmatiky, alergiky a děti. Je to také významný zdroj kyselých dešťů, které napadají nejen lesy a rostlinstvo, ale také stavby. Oxidy dusíku vznikají oxidací vzdušného dusíku dodávaného do spalovacího prostoru s kyslíkem pro oxidaci paliv. Množství Nox je velmi závislé na spalovací teplotě. Pro vznik je zapotřebí vysoké teploty 1900-2000°C , kdy dochází k oxidaci vzdušného dusíku. Při teplotách nižších než 1900°C tyto reakce ustávají. Nejvyšší spalovací teploty vznikají u mírně bohatých směsí. U zážehových motorů je při velkém zatížení (na plný plyn) koncentrace NOx 8 g.m-3. U vznětových motorů je nižší asi 1,8 g.m-3. Způsobuje to spalování s přebytkem vzduchu. S rostoucím přebytkem vzduchu 17
koncentrace klesá vlivem zředění přebytečným vzduchem a poklesem spalovacích teplot. [7] [9] Tab. 7 Podíl jednotlivých druhů silniční dopravy na produkci oxidů dusíku (NOx) Doprava Emise (t) Podíl (%) Silniční individuální osobní 58 798 66,1 veřejná osobní 5 744 6,5 nákladní 24 367 27,4 Celkem 88 909 100
4.3.3. Nespálené uhlovodíky (HC) Jedná se o nespálené uhlovodíky z paliva, částečně oxidované uhlovodíky a nově vzniklé uhlovodíky, které vznikají během spalovacího procesu. Jejich výskyt ve spalinách znamená nejen ekologickou zátěž, ale také ztrátu energie (snížení účinnosti motoru). Jejich reakcí ve válci by mohlo vzniknou další teplo, které je v motoru převáděno na mechanickou energii. Ve výfukových plynech může být obsaženo až 200 různých uhlovodíků, které mají různou nebezpečnost. Způsobují fotochemický smog, působí dráždivě a některé jsou dokonce karcinogenní. Nejmenší vliv na organizmus mají uhlovodíky z paliva, které nebylo spáleno. Tyto látky vznikají při nedokonalém spalování. Tvoří se v místech s nízkou spalovací teplotou a pomalým hořením (u stěn spalovacího prostoru). Kromě nedokonalého hoření paliva je příčinou obsahu nespálených uhlovodíků i pronikání motorového oleje do spalovacího prostoru. Vznik uhlovodíků je tedy výrazně ovlivňován způsobem tvorby směsi, tvarem a teplotou spalovacího prostoru a průběhem hoření. Nespálené uhlovodíky mohou dohořívat ještě ve výfuku. Podmínkou je dostatek kyslíku. Vznětové motory pracují s velkým přebytkem vzduchu, a proto při provozní teplotě produkují mnohem méně uhlovodíků než motory zážehové. [7] [9] Tab. 8 Podíl jednotlivých druhů silniční dopravy na produkci nespálených uhlovodíků Doprava Silniční individuální osobní veřejná osobní nákladní Celkem
Emise (t)
Podíl (%)
315 608 2 577 3 500
51,7 9,2 39,1 100 18
Polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH) Jsou produkovány zejména vznětovými motory, protože jsou obsaženy převážně v naftě. Jsou absorbovány v tuhých částicích. Nejznámější z těchto látek je benzo-apyren. Ze spalovacích motorů pochází asi 15% celkové produkce PAH. Koncentrace těchto látek v městských aglomeracích se pohybují v rozmezí 1 – 10 µg.m-3. Všechny tyto látky jsou silně rakovinotvorné. [7] [9]
Nitrované polycyklické aromatické uhlovodíky (NPAH) Jsou obsaženy ve výfukových plynech vznětových i zážehových motorů. Naftové motory však produkují asi desetinásobek NPAH proti motorům benzinovým. Tyto látky se tvoří buď při spalování, nebo druhotnými reakcemi ve výfukovém systému vozidla. Jednou ze součástí je 3-nitrobenzanthron, což je nejsilnější mutagen (poškozuje buňky a narušuje DNA), jaký byl na světě objeven. Všechny NPAH však vykazují široké spektrum mutagenních, genotoxických a karcinogenních vlastností. Koncentrace těchto látek je sice mnohem nižší nežli koncentrace PAH, ale jejich škodlivost je naopak mnohem vyšší. [7] [9]
Aldehydy Jsou vstřebávány sliznicemi a trávicím ústrojím. Dráždí oči a sliznice, způsobují nevolnost, poruchy dýchání, alergie, astma. Nejnebezpečnější je formaldehyd, u kterého byly zjištěny karcinogenní a mutagenní účinky. [7] [9]
Těkavé organické látky (VOCs) Někdy se také používá zkrácený název uhlovodíky (CxHy). Ze silniční dopravy u nás pochází až 97,4 % emisí těchto látek. Nárůst produkce těchto látek je způsoben především omezováním emisí olova zaváděním bezolovnatých benzínů. Zážehové motory produkují výrazně vyšší množství VOCs než motory vznětové. Mezi nejškodlivější těkavé látky obsažené v benzínu patří benzen. Kromě výfukových plynů spalovacích motorů je velkým zdrojem emisí benzenu odpařování z motorových paliv při nesprávné manipulaci. Je silně karcinogenní, způsobuje záněty dýchacích cest, krvácení do plic, leukémii a poškozuje nervový systém. Lidský organizmus absorbuje až 50% benzenu obsaženého ve vzduchu, který vdechuje. Koncentrace benzenu v hustě obydlených městech je 3 – 30 µg.m-3, krátkodobě však 19
může dosahovat až 150 µg.m-3. Další VOCs jsou například toluen a xylen. Ty jsou ale emitovány pouze zanedbatelně. [7] [9] 4.3.4. Pevné částice (PM) Pevné částice tvoří především saze, dále karbon, popel, sloučeniny síry a vody. Mohou se vyskytovat také v kapalné formě (kapénky uhlovodíků z paliva nebo oleje). Pevné částice jako takové nemají téměř žádné toxické účinky. Velká nebezpečnost spočívá v tom, že jsou na pevných částicích sorbované polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH), olovo, kadmium a další škodlivé látky. Ty jsou pomocí polétavého prachu zanášeny do plic a na nejmenších částech dokonce až do krve. Prach se navíc v plících usazuje a umožňuje tak dlouhodobé působení karcinogenních látek. Prachové částice také způsobují vznik zimního smogu. Saze se tvoří při spalování neodpařených kapek paliva za vysoké teploty při nedostatku vzduchu (kyslíku). U starých naftových motorů se pevné částice ve -3
výfukových plynech vyskytují v koncentracích kolem 1,1 g.m
(tj. 17 kg na 1 t
spotřebovaného paliva). Při výstupu spalin do ovzduší dochází důsledkem rychlého ochlazení výfukových plynů ke spojování částic a jejich výsledný rozměr tak převyšuje rozměr ve spalinách. Množství pevných částic lze snižovat zpřesňováním plnění a vstřikování paliva, správným seřízením palivové soustavy, nebo snižováním spotřeby mazacího oleje. Další snížení těchto emisí je možné ve výfukové soustavě používáním filtrů pevných částic. [7] [9]
Tab. 9 Podíl jednotlivých druhů silniční dopravy na produkci pevných částic Doprava Silniční individuální osobní veřejná osobní nákladní Celkem
Emise (t)
Podíl (%)
315 608 2 577 3 500
9 17,4 73,6 100
4.3.5. Oxid siřičitý (SO2) Oxid siřičitý vzniká při spalování fosilních, především tuhých, paliv. Limit v ČR pro průměrné denní koncentrace je 60 µg/m3. Podíl spalovacích motorů na celkových emisích SO2 je velmi malý (asi 1%). Vyskytuje se ve výfukových plynech vznětových
20
motorů, protože síra je obsažena především v naftě. Množství síry v motorové naftě je průběžně snižováno. SO2 působí dráždivě na plíce a nosní sliznice. Ve vysokých koncentracích může způsobit otok hrtanu, nebo plic. Je to jedna z látek způsobující kyselé deště. [7] [9] Tab. 10 Podíl jednotlivých druhů silniční dopravy na produkci oxidu siřičitého Doprava Silniční individuální osobní veřejná osobní nákladní Celkem
Emise (t)
Podíl (%)
763 520 2 205 3 488
21,9 14,9 63,2 100
4.3.6. Olovo Tetraethylolova byl až do nedávné doby přidáván do automobilových benzínů jako antidetonační přísada (zvýšení oktanového čísla – zpomalení hoření benzínu). Výfukové plyny tak způsobovaly až 90% veškerých emisí olova. Proto byla v roce 1992 určena maximální povolená koncentrace olova v benzínu 0,15 g.l-1. Díky tomu klesly emise olova v ČR z původních 405 tun za rok (1989) na 128 tun v roce 1992. Velká část olova z benzínu (asi 80%) se do spalin a následně do ovzduší dostává díky vynašečům olova, které zabraňují usazování olova ve spalovacím prostoru. Od počátku roku 2001 je u nás výroba a distribuce olovnatých benzínů zakázána. Tetraethylolova se vstřebává velmi rychle plícemi a je v játrech přeměněn na triethylolovo. To je ještě jedovatější. V plících dospělé osoby se zachycuje 20 – 60% vdechnutého olova. U dětí je to ještě víc. Olovo způsobuje poruchy funkce žláz, snižuje plodnost, napadá tvorbu hemoglobinu. Napadá nervový systém, což se projevuje snižováním soustředění, změnami chování, snižováním inteligence atd. [7] [9]
4.3.7. Oxid uhličitý (CO2) Oxid uhličitý není považován za škodlivinu, a proto také není jeho emitované množství legislativně omezeno. Obsah CO2 v atmosféře však neustále vzrůstá. Je to velmi stabilní a poměrně málo reaktivní látka. Jeho výskyt ve výfukových plynech je známkou kvalitního spalovacího procesu.
21
Na lidský organismus nemá přímé negativní účinky, ale životní prostředí ovlivňuje poměrně podstatně. Jedná se totiž o významný skleníkový plyn. Na celkové produkci CO2 se doprava podílí asi 20%. [7] [9]
4.3.8. Přízemní ozón (O3) Přízemní ozón se netvoří přímo při spalovacím procesu. Vzniká působením slunečního záření na škodlivé látky produkované spalovacími motory (smog). Smog je tvořen zejména oxidem dusičitým, PAH, polétavým prachem a benzenem. V přírodě se běžně vyskytuje do 30 µg /m3. V letních měsících ve městech s hustou dopravou může průměrná hodinová koncentrace dosahovat 300 – 500 µg /m3. Největší povolená osmihodinová koncentrace přízemního ozónu v České republice je 160 µg /m3. V lidském organizmu napadá především plíce. Projevuje se drážděním sliznic a očních spojivek, poruchami dýchání, bolestmi na hrudi, bolestí hlavy, únavou, malátností, nespavostí atd. [7] [9]
22
5. KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ A ÚPRAVY SPALOVACÍCH MOTORŮ PRO SNÍŽENÍ OBSAHU ŠKODLIVIN VE VÝFUKOVÝCH PLYNECH Podíl škodlivin ve výfukových plynech lze snižovat použitím vhodného paliva (bezolovnaté, s nízkým obsahem síry), vhodnými technickými opatřeními na motoru nebo dodatečnou úpravou výfukových plynů (katalyzátory,atd..). Na motoru se pro snížení produkce škodlivin provádějí tato opatření : - Přizpůsobení konstrukce motoru (tvar spalovacího prostoru, kompresní poměr, atd.) - Způsob a kvalita tvorby a složení směsi (karburátor × vstřikování paliva, el. řízení) - Řízení předstihu zážehu (vstřiku) - Odstavení dodávky paliva při brzdění motorem (při otáčkách vyšších než asi 1500ot) - Zpětné vedení výfukových plynů, recirkulace (pomocí tzv. EGR ventilu)
Účinnost spalovacího motoru Vyšší účinnost znamená, že pro vyprodukování stejné mechanické energie spotřebujeme méně paliva a tím pádem vyprodukujeme méně škodlivin. Současné zážehové motory využívají pouze 26% - 31% energie spalovaného paliva. 30% - 32% energie se ztratí chlazením motoru (tuto energii můžeme částečně využít např. pro výtápění automobilu), výfukem se ztratí 32% - 34% energie (také ji lze částečně využít např. turbodmychadlem), třecí ztráta je 5% - 7%. Část užitečné energie je dále spotřebována na pohon příslušenství motoru (alternátor, vodní pumpa, atd.) [1] [3]
5.1.
Konstrukce a úpravy zážehových motorů
5.1.1. Tvar spalovacího prostoru Tvar spalovacího prostoru a umístění zapalovací svíčky patři k nejdůležitějším konstrukčním činitelům, které ovlivňují průběh spalování v zážehovém motoru. Spalovací prostor musí svým tvarem umožnit co nejlepší promísení zápalné směsi (menší produkce CO a NOx), co nejúplnější spálení směsi (co nejméně nespálených uhlovodíků ve spalinách) a co největší využití tepla k přeměně na mechanickou práci (vyšší účinnost). [1] 23
5.1.1.1.
Klínový spalovací prostor
Používá se u motorů s dvouventilovým rozvodem (jeden sací a jeden výfukový ventil). Povrch spalovacího povrchu je poměrně malý. Antidetonační štěrbina mezi pístem a hlavou uvádí směs při kompresním zdvihu do prudkého víření, což zvyšuje rychlost spalování, dobře mísí směs a snižuje kompresní teplotu. Proto má tento spalovací prostor velmi dobré antidetonační účinky. Naopak příliš velké víření směsi způsobuje vysoké tepelné ztráty do stěn spalovacího prostoru. Ventily jsou umístěny vedle sebe, což je nebezpečné z hlediska úniku čerstvé směsi výfukovým kanálem během střihu (překrytí) ventilů. [1] [5] 5.1.1.2.
Střechovitý (půlkulový) spalovací prostor
Má nejmenší poměr povrchu k objemu, což je základní předpoklad dobré tepelné účinnosti. S tím je samozřejmě spojena nízká spotřeba paliva a nižší emise škodlivin. Větší plocha pro ventily umožňuje velmi dobré plnění válců. Tento spalovací prostor je náchylný na detonační spalování. Ventily jsou uspořádány ve dvou řadách proti sobě. Zapalovací svíčka se umisťuje v ose válce. Tento spalovací prostor umožňuje použití čtyř ventilů pro jeden válec (dva sací a dva výfukové). Při tomto uspořádání jsou ve spalovacím prostoru vytvořeny dvě antidetonační štěrbiny, které výrazně omezují citlivost na detonační spalování. [1] [4] 5.1.1.3.
Spalovací prostor v pístu (Heronův)
Téměř celý spalovací prostor je vytvořen v pístu. Ten je velmi dobře tepelně izolovaný, a proto má dobrou tepelnou účinnost (malé tepelné ztráty). Protože spalovací prostor nemůže samozřejmě zasahovat až ke kraji pístu, je po obvodu pístu hrana, která tvoří antidetonační štěrbinu. Výhodou je velký prostor pro ventily a jejich libovolné uspořádání. Rozvíření směsi je zde dosahováno tvarovaným sacím kanálem (tangenciální sací kanál). Píst má však větší hmotnost (větší setrvačnost) a je značně tepelně namáhán. [1] [4]
5.1.2. Kompresní poměr Čím vyšší je kompresní poměr, tím lepší je účinnost motoru a tím nižší emise zplodin. Zplodiny hoření se mohou rozpínat do většího objemu, výfukové plyny tak 24
odcházejí o menší teplotě a sníží se ztráta energie výfukem. Při menším kompresním objemu jsou spálené plyny lépe vytlačeny ze spalovacího prostoru. V neposlední řadě vyšší kompresní teplota znamená lepší odpaření paliva. Na druhou stranu je kompresní poměr omezen právě teplotou samovznícení paliva, aby nedocházelo k samozápalům a detonačnímu spalování. [1] [4] Detonační spalování vzniká, pokud se směs paliva a vzduchu kromě spalování, které zahajuje zážehová jiskra, zapaluje sama od sebe v několika zážehových jádrech současně vlivem vysoké teploty spalovacího prostoru (samovznícení). Hoření probíhá velmi rychle a čela plamene se pak pohybují proti sobě rychlostí 300 – 500 m.s-1. To vede k velmi rychlému nárůstu tlaku a následně k vyššímu mechanickému a tepelnému namáhání klikového mechanismu, válců a hlavy válců a tím ke snížení výkonu motoru. [1]
Graf 2 Závislost mpe(měrná spotřeba), HC, NOx na kompresním poměru
5.1.3. Způsob přípravy směsi Na kvalitě přípravy zápalné směsi velmi silně závisí složení výfukových plynů. Nastavením směšovacího poměru ale není možné snížit produkci všech škodlivin. Se snižováním koncentrace CO a HC totiž naopak roste obsah NOx. Volbou chudší směsi 25
lze snižovat obsah CO avšak nesmí docházet k vynechávání zápalů, které by způsobilo nárůst nespálených uhlovodíků (HC). Jedná se ale nejen o správné složení zápalné směsi, ale také její rozprášení, promísení a kvalitní odpaření.
Graf 3 Závislost množství škodlivin na součiniteli lambda u zážehových motorů Směšovací poměr Udává poměr mezi množstvím paliva a vzduchu ve směsi, která je nasávána do spalovacího prostoru. Stechiometrický směšovací poměr je poměr, při kterém je do válců motoru nasáváno množství
vzduchu
teoreticky
nutné
pro
spálení
daného
množství
paliva.
Stechiometrický směšovací poměr (λ = 1) je 1 : 14,8. Součinitel přebytku vzduchu (λ – lambda)
vyjadřuje složení směsi poměrně
k stechiometrickému směšovacímu poměru. Udává kolikrát méně nebo více je vzduchu ve směsi proti teoreticky potřebnému množství. Výpočet : kde :
λ = Gvzd / (Lo . Gp)
Gvzg - množství nasátého vzduchu L0 - teoreticky nutné možství vzduchu ke spálení 1 kg paliva, Gp - množství nasátého paliva 26
λ<1
směs s nedostatkem vzduchu (bohatá směs)
λ=1
směs ve stechiometrickém poměru
λ>1
směs s přebytkem vzduchu (chudá směs)
Zápalná směs je u starých zážehových motorů připravována pomocí karburátoru. To je v současné době již nepřijatelné z hlediska emisí škodlivin. Palivo je přisáváno podtlakem ve zúženém průřezu vzduchového trychtýře (princip Venturiho trubice) a proto nelze s dostatečnou přesností řídit složení a kvalitu zápalné směsi. U novějších motorů je využíváno vstřikování paliva (v současnosti řízené již výlučně elektronicky). V tomto případě je palivo dodáváno v přesně odměřeném množství, které odpovídá okamžitému množství nasávaného vzduchu a díky vyššímu tlaku je kvalitně rozprášeno. Palivo může být vstřikováno do sacího potrubí (nepřímé vstřikování) buď jednou centrální vstřikovací jednotkou (jednobodové vstřikování), nebo je každému válci přiřazena jedna vstřikovací jednotka a palivo je vstřikováno přímo na sací ventil. Další možností je vstřikování benzinu přímo do válců (přímé vstřikování). Problémem těchto motorů je, že pracují s chudou vrstvenou směsí, což zapříčiňuje zvýšenou produkci NOx. [2] [4] 5.1.4. Předstih zážehu Zmenšováním předstihu zážehu lze snižovat především obsah NOx ve výfukových plynech, protože dochází ke snížení maximální teploty, ale zároveň ke zvýšení teploty výfukových plynů. Na druhou stranu se tím ale snižuje účinnost motoru a tím pádem roste spotřeba paliva. Velký vliv má také zapalovací energie (síla jiskry), která ovlivňuje množství HC. Při nedostatečné energii může docházet k vynechávání zápalů a produkci nespálených uhlovodíků (HC). [2]
5.2.
Dodatečná úprava výfukových plynů za zážehovým motorem Asi nejznámějším a v současnosti zřejmě také nejúčinnějším způsobem pro
snižování škodlivin ve výfukových plynech je využití katalyzátorů. I přes to, že se označení katalyzátor používá pro celé zařízení umístěné ve výfukovém systému vozidla (správný název je katalytický konvertor), v původním smyslu je to látka, která ovlivňuje 27
chemické reakce, aniž by se jich sama účastnila. Znamená to tedy, že katalyzátor umožňuje průběh reakcí, při kterých dochází k přeměně jedovatých látek na látky méně škodlivé nebo neškodné, aniž by se sám jakkoliv opotřebovával. 5.2.1. Sekundární vzduchové systémy Ke snižování emisí HC a CO je možné využívat také jejich dodatečné spalování ve výfukovém systému. K tomu je však nutná dostatečně vysoká teplota plynů (nad 600°C) a především dostatek kyslíků. Protože výfukové plyny obsahují jen velmi málo volného kyslíku, musí být do výfuku přiváděn přídavný vzduch. Přívod je řízen buď tlakovými pulzacemi ve výfukových kanálech, nebo elektromagnetickým ventilem. Další možností je nucené vhánění čerstvého vzduchu pomocí tzv. vzduchového čerpadla U těchto systémů se nejedná o katalyzační systémy a využívají se pouze u zážehových motorů. [2] [5]
5.2.2. Oxidační (dvojčinný) katalyzátor Tento katalyzátor vyžaduje ke své činnosti kyslík ve výfukových plynech. U motorů se vstřikováním benzinu je kyslík pro oxidaci získáván spalováním chudé směsi. U karburátorových motorů musí být oxidační katalyzátor doplněn o systém sekundárního vzduchu (přivádění čerstvého vzduchu do výfukového potrubí). V současné době se oxidační katalyzátory používají již pouze u vznětových motorů (snížení NOx se zde dosahuje pomocí recirkulace výfukových plynů). Proto bude podrobněji popsán v kapitole vznětových motorů. [2] [4]
5.2.3. Oxidačně – redukční (třícestný, trojčinný) katalyzátor Tento katalyzátor pomocí tří reakcí, které probíhají všechny v jednom konvertoru, odstraňuje všechny tři nejnebezpečnější složky výfukových plynů (CO, HC a NOx). Proto se někdy označuje jako třícestný, nebo trojčinný. Při použití lambda regulace může jeho účinnost dosahovat až 95%. U motorů bez lambda regulace je jeho účinnost podstatně nižší (asi 50%). Pro správnou činnost katalyzátoru je mimo jiné nutná dostatečná teplota katalyzátoru. Reakce odstraňující škodliviny začínají probíhat asi teploty 250°C. Pro dlouhodobou a co nejvyšší účinnost je však nutná teplota 400 – 800°C. Při teplotách u spodní hranice (do 600°C) se může projevovat zanášení aktivní vrstvy. Při teplotách 28
vyšších dochází samočištění avšak nad 1000°C dochází k tepelnému stárnutí katalyzátoru a při teplotě 1400°C je katalyzátor úplně zničen (spečení vzácných kovů a podkladové vrstvy). Pro dostatečně rychlé dosažení provozní teploty byly katalyzátory umisťovány co nejblíže za motorem (za sběrným potrubím). Při dlouhodobém vysokém zatížení motoru pak ale docházelo k přehřívání katalyzátoru a tím snižování jeho životnosti. Proto se v současné době katalyzátory umisťují dále od motoru a v první fázi po startu motoru jsou vyhřívány elektricky. Další nebezpečí pro katalyzátor představuje olovo, které zanáší póry v aktivní vrstvě a poté se usazuje i přímo na povrchu. Proto je nutné u vozidel vybavených katalyzátory používat pouze bezolovnaté benziny. [2] [4] 5.2.3.1.
Reakce probíhající v oxidačně – redukčním katalyzátoru :
1.) redukce : oxid dusnatý → dusík ,
oxidace : oxid uhelnatý → oxid uhličitý
2 CO + 2 NO → 2 CO2 + N2 2.) redukce : oxid dusnatý → dusík ,
oxidace : vodík → vodní pára
2 NO + 2 H2 → N2 + H2O 3.) redukce : oxid dusnatý → dusík , oxidace : nespálené uhlovodíky → oxid uhličitý a vodní pára HC + 2(m + n/4) NO → (m + n/4) N2 + n/2 H2O + m CO2 5.2.3.2.
Konstrukce katalyzátoru
Katalyzátor je tvořen aktivní katalytickou vrstvou, která je nanesena na nosiči. Obal je vyroben z nerezového plechu. Nosič aktivní vrstvy může být buďto keramický nebo kovový. Keramický nosič Je to keramický monolit válcového tvaru s podélnými kanálky, ve kterých jsou uloženy vzácné kovy a kterými proudí výfukové plyny. Keramické těleso je uloženo v kovovém pletivu z ocelových drátků, které chrání nosič před mechanickým poškozením a funguje částečně také jako tepelná izolace. Keramický nosič je velmi citlivý na nárazy a otřesy. Oproti kovovému má nižší teplotní odolnost, déle se zahřívá na provozní teplotu a vytváří větší protitlak ve výfukovém systému. Výhodou je snadné vytěžení vzácných kovů při recyklaci. 29
Kovový nosič Výhodou je možnost vytvoření větší plochy pro aktivní vrstvy a menší náchylnost k mechanickému poškození. Dříve se používaly u vysokoteplotně zatížených motorů a jako předkatalyzátory umístěné před hlavním katalyzátorem. Dosahují totiž daleko rychleji provozní teplotu, což je významné především po startu motoru. Dnes se již používají i jako hlavní. Aktivní vrstva katalyzátoru Na vnitřním povrchu kanálků nosiče je nejprve nanesena podkladní vrstvička z oxidu hlinitého, která díky své poréznosti zvětšuje pracovní povrch katalyzátoru až 7000×. Na tuto vrstvu je pomocí napařování nanesena katalyticky účinná velmi tenká vrstvička drahých kovů (platina, rhodium, paladium). Jeden katalyzátor obsahuje 2g 3g těchto vzácných kovů. Rhodium urychluje redukci oxidů dusíku, platina a paladium podporují oxidaci oxidu uhelnatého a uhlovodíků. [2] [4]
5.2.3.3.
Lambda regulace
K tomu, aby katalyzátor dosahoval vysoké účinnosti odstraňování škodlivin, je nutné dodržovat velmi malý rozsah složení zápalné směsi (λ=0,99 – 1). Toho se dosahuje elektronickým řízením vstřikování. Bohatost směsi se nejčastěji určuje délkou vstřiku paliva. Řídící jednotka tuto dobu určuje v závislosti na otáčkách, zatížení motoru a signálu kyslíkové sondy. Kyslíková sonda (lambda sonda) určuje složení směsi podle obsahu zbytkového kyslíku ve výfukových plynech. Je umístěna ve výfukovém systému před katalyzátorem, co nejblíže motoru (aby dosáhla co nejrychleji provozní teplotu). Kyslíková sonda vytváří napětí v závislosti na součiniteli λ. Při bohaté směsi je napětí asi 900mV, při chudé směsi asi 100mV. Napětí se skokově mění v oblasti λ = 1. Na základě napěťových signálů, které porovnává s přednastaveným referenčním napětím (obvykle 400 – 600mV), nastavuje řídící jednotka dobu vstřiku. Je-li napětí vyšší, musí být doba vstřiku zkrácena. Je-li nižší, doba vstřiku se prodlužuje (směs se obohacuje). Regulace probíhá až stokrát za sekundu. [2] [4]
30
Obr. 3 Okruh lambda regulace Kyslíková sonda je tvořena keramickým tělesem, na kterém je nanesena platina. Ta tvoří elektrody, na kterých se snímá napětí. Vnější je vystavena výfukovým plynům, a proto je navíc chráněna porézní vrstvou keramiky. Na vnitřní elektrodu je přiveden okolní vzduch. Díky rozdílu obsahu kyslíku na elektrodách vzniká elektrické napětí. Aktivní keramika sondy je chráněna kovovým pouzdrem. Pro správnou funkci lambda sondy je nutná teplota minimálně 350°C. Proto se v současnosti využívají vyhřívané sondy. Ty začínají pracovat již několik sekund po startu motoru. Vyhřívání aktivní keramiky je zajištěno elektrickým odporovým topným tělískem. Dalšího zpřesnění a zefektivnění regulačního systému je možné dosáhnout umístěním další (druhé) kyslíkové sondy za katalyzátor. Dosahuje se tak dlouhodobější stabilizace složení zápalné směsi. [2] [4]
5.2.4. Zásobníkový (sběrný) katalyzátor Tento druh katalyzátoru se používá pro motory s přímým vstřikováním benzinu. U těchto motorů probíhá spalování vrstvené směsi. To znamená, že směs je chudá a bohatší je pouze v oblasti zapalovací svíčky. Při spalování chudé směsi dochází 31
k nadměrné produkci NOx. Zásobníkový katalyzátor se ve výfukovém potrubí umisťuje za oxidačně – redukční katalyzátor. Je tvořen absorpčním materiálem (oxid barya), který při spalování chudé směsi váže NOx. Regenerace se provádí krátkodobým obohacením směsi (na asi λ = 0,8) a je spouštěna pomocí snímače NOx. Jejím spálením vznikne větší množství CO a HC, které uvolní absorbovaný NOx a reagují s ním jako ve třícestném katalyzátoru. Poté je absorpční materiál znovu připraven k zachycování NOx. Problémem je zanášení katalytické vrstvy sírou z paliva, které velmi rychle snižuje účinnost. Toto se odstraňuje delším obohacením směsi a zmenšením úhlu předstihu zážehu, při kterém dochází ke zvýšení teploty katalyzátoru až na 650°C. Při této teplotě již dochází i k odstranění síry. [2] [4]
Obr. 4 Systém zásobníkového katalyzátoru motoru VW FSI
5.3.
Konstrukce a úpravy vznětových motorů Produkci škodlivin ovlivňuje také u vznětových motorů především způsob
tvorby směsi. V tomto případě se jedná především o rozprášení paliva a předstih vstřiku. Také tvar spalovacího prostoru má významný vliv především na tvorbu NOx. U komůrkových motorů je nižší produkce oxidů dusíku způsobena především nižší rychlostí hoření.
32
Graf 4 Emise NOx v závislosti na λ pro komůrkový motor a přímý vstřik
Nadměrnou produkci NOx u motorů s přímým vstřikem paliva je možné omezit zmenšením předstihu vstřiku. Tím však vzroste spotřeba paliva a zaniká výhoda nižší spotřeby přímovstřikových motorů. Navíc se zvyšuje produkce CO a kouřivost. U přeplňovaných motorů se množství oxidů dusíku snižuje chlazením plnícího vzduchu v mezichladiči (intercooleru). Kouřivost motoru je ovlivněna především rozprášením paliva a přebytkem vzduchu. Lepší rozprášení způsobuje výrazné snížení kouřivosti a dosahuje se ho zvyšováním vstřikovacího tlaku. Dnešní moderní elektronicky řízené vstřikovací systémy umožňují dosahovat tlaků 250 MPa. [2] [5] 5.3.1. Vstřikovací systémy vznětových motorů Palivové systémy vznětových motorů se rozdělují podle způsobu tvorby tlaku a rozdělování paliva (vstřikovacího čerpadla). Palivové soustavy s mechanickým řízením se v současnosti používají velmi málo právě z důvodů obtížného plnění emisních norem. Proto zde budou pouze vyjmenovány. Téměř všechny současné vznětové motory využívají pro přípravu zápalné směsi elektronicky řízené vstřikovací systémy. • Palivové soustavy s jednou vstřik. jednotkou na válec - řadová vstřikovací čerpadla - samostatné vstřikovací jednotky, řízené mechanicky ( ! nejedná se o sdružené vstřikovací jednotky) • Palivové soustavy s rozdělovačem paliva (s rotačním čerpadlem) - jednopístová vstřikovací čerpadla s rozdělovačem paliva (axiální) 33
- vícepístová vstřikovací čerpadla s rozdělovačem paliva (radiální) Téměř všechny současné vznětové motory využívají pro přípravu zápalné směsi elektronicky řízené vstřikovací systémy (výjimkou je například automobilka Tatra, jejíž motory splňují dokonce i normu EURO IV pouze s pístovým vstřikovacím čerpadlem). 5.3.1.1.
Samostatné vstřikovací jednotky (PLD)
Zkratka PLD pochází z německého označení „Pumpe – Leitung – Düse“, což lze přeložit jako „čerpadlo – potrubí – tryska“. U těchto systému je možné dosahovat vstřikovacích tlaků až 180MPa. Jedná se o systém s jednopístovými vstřikovacími jednotkami, poháněnými vačkovým hřídelem motoru. Ty jsou se vstřikovači spojeny krátkým vysokotlakým potrubím. Pístky vstřikovacích jednotek pracují se stále stejným pracovním zdvihem. Vstřikované množství a předstih vstřiku jsou řízeny otevíráním a zavíráním zpětného vedení, které ovládá elektromagnetický ventil na základě pokynů řídící jednotky. [2] Sdružené vstřikovací jednotky (PD)
5.3.1.2.
Tato vstřikovací soustava je u nás známá jako systém „čerpadlo – tryska“. V tomto případě je vstřikovací jednotka integrovaná přímo ve vstřikovači a odpadá tak vysokotlaké potrubí, které může způsobovat problémy. I velmi malá rezonance totiž může velmi zhoršit kvalitu rozprášení paliva. Vstřikovací jednotka je opět poháněna vačkovým hřídelem ventilového rozvodu motoru. Průběh vstřiku a vstřikované množství
je
opět
řízeno
elektromagnetickým
ventilem.
Rychlé
otevření
elektromagnetického ventilu, a tím prudký pokles tlaku a rychlé ukončení vstřiku, je velmi pozitivní pro kvalitní spalování a snížení produkce škodlivých emisí. Systém čerpadlo – tryska dosahuje vstřikovacích tlaků 200MPa. Navíc umožňuje využít předstřik (pilotní vstřik), při kterém je před hlavním vstřikem do spalovacího prostoru vstříknuto malé množství paliva. Díky tomu dochází k plynulejšímu nárůstu tlaku ve spalovacím prostoru, a tím k „změkčení“ chodu, snížení hlučnosti motoru a snížení obsahu oxidů dusíku ve výfukových plynech. [2]
34
5.3.1.3.
Common Rail (systém s tlakovým zásobníkem)
U tohoto systému je vstřikovací tlak vytvářen trvale, nezávisle na otáčkách motoru a je ukládán v zásobníku tlaku (railu). Odtud je palivo vysokotlakým potrubím vedeno k elektronicky řízeným vstřikovačům. Vstřikovací čerpadlo tvoří nejčastěji tři radiálně umístěné pístové jednotky pootočené o 120°. Výtlačný zdvih je způsoben otáčením výstředníkového mechanismu. Je mazáno a chlazeno palivem a poháněno přes převod od klikového hřídele. V zásobníku tlaku je pomocí regulátoru tlaku udržován vstřikovací tlak. Na Railu je umístěn ještě snímač tlaku paliva, který tuto informaci sděluje řídící jednotce. Předstih vstřiku a vstřikované množství je řízeno elektrohydraulicky přímo ve vstřikovači pomocí elektromagnetických ventilů. Systém Common Rail je zřejmě nejpoužívanější, protože má spoustu výhod. Velmi vysoký vstřikovací tlak zajišťuje kvalitní jemné rozprášení, a tím vynikající odpaření a promísení směsi. Použití vícefázového vstřiku zajišťuje měkčí a tišší chod motoru. Nárůst tlaku ve spalovacím prostoru je totiž pozvolnější. V neposlední řadě se výrazně snižuje obsah škodlivin ve výfukových plynech. Oproti jiným systémům je možné snížení pro CO až o 40%, pro HC o 50%, pro pevné částice o 60%. Navíc dochází ke snížení spotřeby a tím i produkce CO2. V současné době je k dispozici již 4. generace systému. Jde především o inovaci vlastního vstřikovače. Ten je u 4. generace vybaven hydraulickým multiplikátorem, který zvyšuje tlak v poměru 1 : 2. [2]
Tab. 11 Vývoj systému Common Rail Vlastnosti
Generace 1.
Vstřikovací tlak až 135MPa, dva vstřiky během jednoho cyklu
2.
Vstřikovací tlak až 160MPa, tři vstřiky během jednoho cyklu
3.
4.
Vstřikovací tlak až 200MPa, systém piezo-inline, pět vstřiků během jednoho cyklu Vstřikovací tlak až 250MPa, systémový tlak 135MPa, lineárně rostoucí průběh tlaku, zvyšování tlaku pomocí hydraulického multiplikátoru
35
5.3.2. Zpětné vedení výfukových plynů
Je to velmi účinné technické opatření snižující obsah oxidů dusíku (NOx) ve výfukových plynech. Spočívá ve zpětném přivedení části výfukových plynů do nasávaného vzduchu. Smísením vzduchu se zplodinami se sníží obsah kyslíku a výfukové plyny zároveň částečně pohlcují teplo. Tím dojde ke snížení špičkové teploty ve válci, která je hlavní příčinou vzniku oxidů dusíku. Na výkon motoru nemá zpětné vedení výfukových plynů významný vliv, protože se využívá převážně při částečném zatížení. Dále se řídí podle teploty a otáček motoru. Používá se jak u zážehových, tak především u vznětových motorů. V potrubí, které spojuje výfukové a sací potrubí je umístěn ventil recirkulace spalin (EGR ventil- Exhaust Gas Recirculation). Ten reguluje množství spalin. V současné době se používají především pneumatické EGR ventily, které jsou ovládány podtlakem. V klidové poloze je EGR ventil uzavřen vinutou pružinou. Po přivedení podtlaku dojde k částečnému otevření ventilu. Se zvyšováním podtlaku se zvětšuje zdvih membrány a přivádí se více spalin. Čím dál více se využívají elektromagnetické EGR ventily a to především kvůli větší rychlosti reakce a přesnějšímu ovládání řídící jednotkou. [2]
Obr. 5 Schéma recirkulace výfukových plynů
36
Další možností přivádění výfukových plynů do zápalné směsi je překrytí (střih) ventilů u variabilního časování ventilů, kdy jsou oba ventily současně otevřeny. Při výfuku dochází díky dříve otevřenému sacímu ventilu část spalin do sacího potrubí, nebo naopak při sacím zdvihu dochází k přisávání zplodin z výfuku déle otevřeným výfukovým ventilem. Nevýhodou je nemožnost chlazení recirkulačních výfukových plynů a potíže působí také při volnoběhu.
5.4.
Dodatečná úprava výfukových plynů za vznětovým motorem
Vznětové motory pracují s přebytkem vzduchu, a proto se u nich používají oxidační katalyzátory. Ty snižují obsah CO a nespálených uhlovodíků. Dále je potřeba odstraňovat pevné částice. K tomu se používá filtr pevných částic. V současnosti se začínají zavádět selektivní katalyzátory, ke snížení produkce NOx. Jako redukční činidlo se zde používá amoniak nebo močovina.
5.4.1. Oxidační (dvojčinný) katalyzátor Aktivní vrstva je u těchto katalyzátorů tvořena platinou a paladiem. Je vhodný pro motory pracující s chudou směsí, tedy s přebytkem vzduchu. Ten je nutný pro průběh oxidace, při které se oxid uhelnatý (CO) a nespálené uhlovodíky (HC) přeměňují na vodní páru (H2O) a oxid uhličitý (CO2). Množství oxidu dusíku (NOx) není téměř vůbec ovlivňováno. Také u těchto katalyzátorů jsou využívány keramické nebo kovové nosiče. Plocha pokrytá drahými kovy je velká asi jako fotbalové hřiště. [2] Reakce probíhající v oxidačním katalyzátoru : 2 CO + O2 → 2 CO2 CnHm + (n + m/4) O2 → n CO2 + (m/2) H2O
37
Obr. 6 Oxidační katalyzátor
5.4.2. Filtr pevných částic (FAP) Filtr pevných částic zajišťuje snížení emisí karcinogenních uhlíkových mikročástic o více než 95 procent. Je umístěn ve výfukovém systému za oxidačním katalyzátorem a velmi často je s ním ve společném tělese. Zjednodušeně je možné říci, že se jedná o molekulové síto, jehož porézní struktura zachytává pevné částečky při průchodu výfukových plynů. Porézní struktura je tvořena oxidem křemičitým. Pro správnou činnost filtru je důležité, aby se zachycené saze po určité době „vypálily“ a aby nedocházelo k zanášení filtru. Doba, za kterou je nutné provést regeneraci je závislá na způsobu provozování vozidla. Při vyšším zatížení motoru (např. jízda po dálnici) mají plyny dostatečnou teplotu a dochází k tzv. pasivní regeneraci. Při dlouhodobém částečném zatížení motoru (městský provoz) je nutné provést tzv. aktivní regeneraci. Ta probíhá bez jakéhokoli zásahu řidiče po 500 – 1000km a trvá asi 2 – 3 minuty. Zanesení filtru je vyhodnoceno řídící jednotkou z rozdílu tlaků před a za filtrem. Regenerace probíhá zvýšením teploty výfukových plynů nad 550°C. Zvýšení teploty se dosáhne dodatečným vstřikem po základním vstřiku, což umožňuje systém Common-Rail. Následné hoření paliva a zvýšená produkce HC, které dohořívají v oxidačním katalyzátoru, způsobí právě zvýšení teploty nad 550°C. Další možností je přidávání aditiva (Eolys) pomocí trysky v palivové nádrži. Toto aditivum snižuje teplotu potřebnou pro spálení sazí na 450°C. Je automaticky dávkováno ze spaciální nádržky po natankování paliva (dle signálu snímače stavu paliva). Na jedno naplnění 38
nádržky lze ujet více než 100 000 km. Poté je řidič vyzván palubním počítačem k návštěvě servisu. Životnost filtru pevných částic je přibližně 200 000 km. Někteří výrobci však uvádějí životnost shodnou s životností celého vozidla. Drobnou nevýhodou je snížení výkonu motoru o několik kW zvýšením odporu ve výfuku. Stejný efekt má ale každý katalyzátor. [2] [4]
Obr. 7 Systém filtrace pevných částic
5.4.3. Selektivní katalytická redukce (SCR) Systémy selektivní katalytické redukce (SCR) začali vyvíjet výrobci nákladních automobilů proto, aby jejich motory splňovaly velmi náročné emisní normy Euro IV a především Euro V. Zatímco pro plnění normy Euro IV se využívají dvě technologie, a to buď již zmíněná selektivní katalytická redukce, nebo recirkulace výfukových plynů (EGR) doplněná o filtr pevných částic, pro splnění normy Euro V již vyhovuje pouze SCR, popřípadě kombinace obou předchozích. SCR odstraňují NOx redukcí ve 39
výfukovém potrubí. Výhodou je, že nevyžadují filtr pevných částic jako všechny ostatní systémy, protože saze jsou odstraněny vhodným seřízením vstřikování paliva. Při tom sice vzniká nadměrné množství NOx. Protože platí, že při snižování produkce pevných částic roste produkce NOx a naopak. To je však účinně odstraňováno ve výfukovém systému. Navíc se tímto seřízením dosáhne snížení spotřeby paliva. Odstraňování ostatních nebezpečných látek zajišťuje předřazený oxidační katalyzátor. Snižování obsahu NOx je u systému SCR dosahováno redukcí na dusík pomocí amoniaku. Ten vzniká hydrolýzou roztoku močoviny ve vodě (AdBlue), který je spolu se stlačeným vzduchem vstřikován před selektivní katalyzátor. Dávkování močoviny musí být velice pečlivě řízeno. Její nedostatek by způsoboval snížení účinnosti katalyzátoru a naopak nadbytek by vyvolal emise jedovatého amoniaku. Pro průběh redukce je nutná teplota výfukových plynů 300 – 420°C, a proto se před dosažením této teploty roztok močoviny nevstřikuje. To však není zásadní problém, protože produkce oxidů dusíku při studeném motoru je velmi malá a zvyšuje se až při vysokých teplotách. [8] Reakce probíhající v SCR katalyzátoru: NO + NO2 + 2 NH3 → 2 N2 + 3 H2O
Obr. 8 Systém SCR AdBlue AdBlue je ochrannou známkou pro 32,5% vodný roztok močoviny. Standardizace koncentrace 32,5% je velmi důležitá z hlediska logistiky a dostupnosti
40
prostředku. Jinak by se mohlo stát, že by každý výrobce motorů s SCR vyžadoval pro svůj systém roztok o jiné koncentraci, což by činilo značné potíže zejména uživatelům. AdBlue je nejedovatá avšak velmi silně korozívní kapalina. Tomu musí být uzpůsobena nádrž a celý systém. Nádrž je nejčastěji vyráběna z nerezové oceli a má objem okolo 100 litrů, což vystačí na 5000 – 8000 km. Navíc je bod tuhnutí AdBlue asi – 11,5°C a proto musí být nádrž vybavena zařízením pro vyhřívání. Spotřeba roztoku močoviny se pohybuje okolo 4 – 7% spotřeby nafty a její cena je oproti naftě přibližně poloviční. Spotřeba se mění s vlhkostí vzduchu (nízká vlhkost – vyšší spotřeba), teplotou vzduchu (vysoká teplota – vyšší spotřeba) a zatížením motoru (vysoké zatížení – vyšší spotřeba). Navíc se při použití technologie SCR snižuje spotřeba paliva a to až o 7% proti výkonově shodným motorům splňujícím normu Euro III. AdBlue lze tankovat z výdejních stojanů ať už u benzinových pump nebo z kontejneru přímo u provozovatele techniky, nebo je k dispozici v kanystrech. [8] Některé evropské státy zvýhodňují dopravce, kteří provozují vozidla splňující normu Euro V, a proto již nyní, kdy Euro V ještě není v platnosti, mnoho autodopravců zavádí do provozu pouze vozidla splňující tuto normu. Technologie SCR se v současné době uvažuje pouze pro nákladní automobily a autobusy.
5.5.
Evropská palubní diagnostika EOBD EOBD je diagnostický systém v elektronickém palubním systému vozidla, který
neustále provádí kontrolu emisí a případně indikuje závady a jejich příčiny. EOBD je povinná pro vozidla v Evropské unii od roku 2001. Systémy EOBD jsou odvozeny od systémů OBD I a OBD II používaných v USA již od roku 1988. Systém EOBD ve vozidle musí pracovat po celou dobu životnosti vozidla.
Diagnostický systém EOBD kontroluje: -
činnost katalyzátoru
-
přípravu zápalné směsi
-
zapalování (výpadky zapalování)
-
funkci kyslíkové sondy (lambda)
-
systém sekundárního (přídavného) vzduchu
-
recirkulaci výfukových plynů (EGR) 41
-
odvzdušnění palivové nádrže
Významnou součástí je kontrolka emisí MIL (Malfunction Indicator Light) umístěná na přístrojové desce, která má normovaný symbol. Její rozsvícení během provozu vozidla signalizuje závadu na součástech ovlivňujících emise vozidla. Provozovatel poté navštíví servis, kde je připojen diagnostický přístroj, který zobrazí závadu a ta může být odstraněna. [3] [5]
Obr. 9 Kontrolka emisí MIL
42
6.
ALTERNATIVNÍ PALIVA PRO SPALOVACÍ MOTORY
Jedná se o náhradní (alternativní) paliva za motorovou naftu a automobilní benzin. Jsou zaváděny jednak z důvodů ztenčujících se ropných zásob, jednak snižování produkce škodlivin.
6.1.
Zemní plyn (CNG, LNG) Hlavní složkou je metan (CH4, až 99%), dále obsahuje propan, butan, sirovodík
(H2S), oxid uhličitý, dusík, argon a další. Zemní plyn má dobré antidetonační vlastnosti a je tedy vhodný pro motory s kompresním poměrem až 13:1. Motory provozované na zemní plyn produkují výrazně méně oxidů dusíku (NOx), oxidu uhelnatého (CO), pevných částic a nespálených uhlovodíků. Pro uživatele je důležitá především ekonomická výhodnost provozu na zemní plyn (až 3×levnější než klasická paliva). Nevýhodou je velmi malý počet čerpacích stanic umožňujících plnění CNG nebo LNG a vysoké náklady na úpravu vozidla pro provoz na zemní plyn. CNG (Compressed Natural Gas) – stlačený zemní plyn, v automobilech uložen v tlakových lahvích stlačen na 20MPa, v kompozitových lahvích na 35MPa. LNG (Liquified Natural Gas) – zkapalněný zemní plyn, pro zkapalňování se používá teplota – 162°C, odstraňuje se dusík, éter a zbytkové uhlovodíky. [2] [3]
6.2.
Zkapalněný propan – butan (LPG) LPG (Liquified Petroleum Gas) je směsí uhlovodíkových plynů, zejména
propanu (C3H8) a butanu (C4H10). Dále může obsahovat izobutan, propen a etan. Obsahuje jen velmi málo síry a žádné olovo. Nejkvalitnější složkou je propan. V ČR je obsah propanu v LPG 40 – 60%, ale např. v Německu je LPG tvořeno pouze propanem. Tuto plynnou směs lze poměrně nízkým tlakem zkapalnit a zmenšit tak její objem zmenšit až 250×. Motory provozované na čistý propan vykazují ve srovnání s benzinovými motory zanedbatelné emise škodlivin. Pro uživatele jsou výhodou nižší náklady na provoz, méně nákladná přestavba vozidla (oproti přestavbě CNG), nižší hlučnost motoru a v neposlední řadě vyšší životnost motoru a olejové náplně. Navíc je v ČR poměrně rozvinutá síť čerpacích stanic LPG, což usnadňuje provoz těchto vozidel. Nevýhodami je snížení výkonu motoru asi o 5%, zvýšení spotřeby o 10%, revize systému každý rok, zmenšení objemu zavazadlového prostoru o plynovou nádrž (u 43
některých vozidel možno použít toroidní nádrž místo rezervního kola) a zákaz vjezdu do některých objektů a podzemních garáží. [2] [3]
6.3.
Vodík Pro spalování vodíku musí být zážehový motor vybaven elektronickou
směšovací jednotkou, která řídí směšovací poměr vodíku a vzduchu. To však není žádný závažný zásah do techniky vozidla. Hlavní a největší výhodou vodíku je to, že při spalování nevznikají žádné emise CO, HC, a jen zanedbatelné množství NOx. Umožňuje spalování velmi chudé směsi (stechiometrický poměr je 34 : 1). Hmotnostní výhřevnost je asi trojnásobná oproti automobilnímu benzinu. Hlavním problémem, který brání masivnímu využití vodíku pro spalovací motory, je skladování a uchovávání ve vozidlech. Je to nejen problém s vysokotlakými nádržemi, které jsou příliš těžké. Druhým problémem je těsnění spojů, kvůli velmi malým molekulám vodíku, a tím pádem úniky a nebezpečí výbuchu. Jako jediná současná možnost je absorpce vodíku ve formě hydridu železa nebo titanu a jeho následné uvolňování v závislosti na aktuální spotřebě. [2] [3]
6.4.
Alkoholy Z alkoholů se v současnosti pro pohon motorových vozidel uvažuje o metanolu
a etanol. Mají velmi podobné vlastnosti jako benzin. Alkoholy mohou být vyráběny buď fermentací z obnovitelných zdrojů, nebo synteticky z fosilních paliv. Protože molekuly alkoholů obsahují kyslík, jsou ekologicky šetrnější. Navíc mají vysoké oktanové číslo i bez aditiv a lze tedy využívat vyšší kompresní tlaky. [2] [3] 6.4.1. Metanol Je výrobně nejlevnější. Získává se především ze zemního plynu a uhlí. Je možné jej vyrábět i z biomasy, což je ale dražší. Používá se buď čistý, nebo jako směs s benzinem. Z hlediska ekologie je důležité, že neobsahuje síru, díky obsahu kyslíku produkuje výrazně méně CO, spalování probíhá za nízkých teplot a proto je i produkce NOx téměř nulová. Dále vysoké oktanové číslo umožňuje vyšší kompresní poměr (až 18:1). K nevýhodám patří nižší výhřevnost (poloviční vzhledem k benzinu), omezená rozpustnost v benzinu a prudká jedovatost. [2] [3] 44
6.4.2. Etanol Vyrábí se především fermentací z biomasy obsahující cukr, celulózu nebo škrob (cukrová třtina, řepa, kukuřice, obilí, atd.). Na rozdíl od metanolu není pro člověka jedovatý. Jeho výhřevnost je sice vyšší než metanolu, ale ve srovnání s benzinem stále nízká. V současné době se používá pouze ve směsi s klasickými palivy a to zejména v Brazílii. Nevýhodami je hydroskopičnost, kdy při dlouhodobějším skladování v nádrži vozidla může způsobit poruchy motoru. Způsobuje korozi kovů, agresivně působí na plasty a odstraňuje mazací olej. Oproti metanolu je dražší. Vyšší zápalná teplota může činit problémy při startování motoru. [2] [3]
6.5.
Bionafta Jedná se o metylestery nejčastěji rostlinných olejů. Vyrábí se esterifikací, při
které dochází k reakci oleje a metanolu. 6.5.1. Bionafta 1. generace V angličtině označovaná jako Biodiesel, v němčině Ekodiesel. Je to čistý metylester rostlinného oleje bez dalších složek. Výhodou je nízká produkce CO a snížení kouřivosti motoru. Neobsahuje síru ani PAH. Problémem je především to, že způsobuje bobtnání pryžových součástí (těsnění,atd.) a částečně také korozi. MEŘO má nižší výhřevnost, což způsobuje zvýšení spotřeby (asi o 8%). Způsobuje degradaci (želatinizaci) motorového oleje (zkrácení výměnného intervalu až o polovinu). [2] [3] Používané metylestery : -
RME (Rape-Methyl-Ester) – metylester řepkového oleje, u nás se používá název MEŘO, je nejpoužívanější v Evropě a Kanadě
-
SME (Sunflower-Methyl-Ester) – metylester slunečnicového oleje, Itálie
-
SOME (SOya-Methyl-Ester) – metylester sojového oleje, především USA
-
FAME (FattAcid-Methyl-Ester) – metylester živočišného tuku
-
VUOME (Vaste Used Oil-Methyl-Ester) – ester vyrobený z použitých fritovacích olejů
45
6.5.2. Bionafta 2. generace Byla zavedena z důvodů problematického využívání bionafty 1. generace. Nazývá se někdy směsná nafta, protože již nejde o čistý metylester oleje ale o vícesložkové palivo, které musí obsahovat minimálně 30% MEŘO. Složky : MEŘO Způsobuje tvorbu úsad v motoru a v palivovém systému, postupné snižování výkonu a zvyšování spotřeby motoru. Ekologickým přínosem je snížení emisí SO2, HC, CO a kouřivosti. Navíc má pro motor výhodné mazací schopnosti. Lehké a těžké alkany Jsou rovněž biologicky odbouratelné a snižují produkci všech škodlivin. Na druhou stranu snižují mazací schopnost paliva a zvyšují spotřebu (mají malou hustotu). Střední bezmírný destilát Způsobují zlepšení provozních vlastností paliva. Zvyšují výhřevnost a tím výkon a snižují spotřebu. Obsahují však aromatické uhlovodíky, což není z hlediska ekologie vhodné. Alkoholy Snižují emise škodlivin, především NOx, díky vysokému výparnému teplu. Jsou také poměrně dobře biologicky odbouratelné. Nevýhodou je opět nízká výhřevnost a nízké cetanové číslo, což způsobuje tvrdší chod motoru. [2] [3]
46
7.
ZÁVĚR Konstrukce spalovacích motorů je dnes již na takové úrovni, že další snižování
produkce emisí pouhými úpravami konstrukčních celků motoru je téměř nemožné. Další vývoj je tedy možný třemi směry a jejich kombinacemi. Buď pokračovat ve využívání spalovacích motorů a zkvalitňovat systémy na snižování obsahu škodlivin ve spalinách, spalovat ekologická paliva, nebo pro provoz vozidel využít jiné způsoby pohonu. Prozatím vývoj směřuje spíše k první a druhé možnosti, avšak i třetí je věnována velká pozornost a uvažuje se s ní pro blízkou budoucnost. Vývoj systémů pro čištění výfukových plynů již probíhá velmi dlouhou dobu a je intenzivně zaváděn do sériové výroby. V současnosti je reprezentován především technologií SCR a filtrací pevných částic. Pro zanedlouho zaváděnou normu EURO VI je již připravována kombinace systému SCR a recirkulace výfukových plynů (EGR). Spalování ekologických paliv řeší nejen problém emisí, ale také ztenčující se zásoby ropy. Nejznámější jsou biopaliva, jejichž spalováním se sice radikálněji nesnižuje produkce škodlivin oproti ropným palivům, avšak velmi problematický CO2 je spotřebován při růstu plodin pro výrobu biopaliv. Další možností je vodík, jehož spalování neprodukuje téměř žádné škodlivé látky. Velmi perspektivní se jeví pohon automobilů elektromotory. Sériovou výrobu brzdí především problematické uchovávání dostatečného množství elektrické energie. Mezistupněm je hybridní pohon, který kombinuje dva různé způsoby pohonu vozidla. Nejčastěji je to spalovací motor a elektromotor. Jakým směrem se snižování emisí bude skutečně ubírat, je velmi těžké posoudit. Jasné ale je, že neustále se zvyšující potřeba přepravy a zvyšování počtu automobilů si žádá další zdokonalování a zefektivňování pohonů automobilů.
47
Seznam použité literatury 1. JAN, Z. -- ŽDÁNSKÝ, B. Automobily : Motory. 3. vyd. Brno: Nakladatelství Avid, s.r.o., 2004. 165 s. 2. JAN, Z. -- ŽDÁNSKÝ, B. Automobily : Příslušenství. 2. vyd. Brno: Nakladatelství Avid, s.r.o., 2003. 305 s. 3. VLK, F. Alternativní pohony motorových vozidel. 1. vyd. Brno: František Vlk, 2004. 234 s. ISBN 80-239-1602-5. 4. GSCHEIDLE R. a kol. Příručka pro automechanika. 2. vyd. Praha, Sobotales 2002, 649 s. 5. MACEK J. – SUK B. Spalovací motory. 2.vyd. Praha, skriptum ČVUT, 2003 , 244 s. 6. ADAMEC V. a kol. Doprava, zdraví a životní prostředí. Praha, Grada, 2007, 176 s. 7. KOHOUTEK J. – HOLOUBEK I. Vývoj složení emisí z automobilové dopravy v závislosti na technickém pokroku v konstrukci vozidel. Brno, Tocoen 1996, 21 s. 8. ČUMPELÍK J. Snižování emisí ve výfukových plynech. MM Průmyslové spektrum č. 10, str. 72, 9.10.2007, dostupné na: http://www.mmspektrum.com/clanek/snizovani-emisi-ve-vyfukovych-plynech 9. BAREK J. – BENCKO V. – CVAČKA J. – ŠUTA M. Znečištění životního prostředí automobilovými emisemi. Chem. listy 92, 794 – 798 (1998) 10. MACH A. Škodliviny v automobilové dopravě. článek předsedy dopravní sekce strany zelených, 2001 11. VÉMOLA A. Diagnostická zařízení II. díl. 4. neupravené vyd. Brno, ISŠA Brno, 2001 12. European emission standards, dostupné na: http://en.wikipedia.org/wiki/European_emission_standards
48
Seznam obrázků Obr. 1 Skleníkový efekt.................................................................................................... 10 Obr. 2 Měření emisí pro homologaci osobních vozidel .................................................. 12 Obr. 3 Okruh lambda regulace ....................................................................................... 31 Obr. 4 Systém zásobníkového katalyzátoru motoru VW FSI .......................................... 32 Obr. 5 Schéma recirkulace výfukových plynů ................................................................. 36 Obr. 6 Oxidační katalyzátor........................................................................................... 38 Obr. 7 Systém filtrace pevných částic ............................................................................. 39 Obr. 8 Systém SCR .......................................................................................................... 40 Obr. 9 Kontrolka emisí MIL............................................................................................ 42
49
Seznam tabulek Tab. 1 Skleníkové plyny .................................................................................................. 10 Tab. 2 Emisní standardy pro osobní vozidla do 3,5 tuny (kategorie M1) ...................... 14 Tab. 3 Emisní standardy pro lehká užitková vozidla do 1305 kg (kategorie N1-I) ........ 14 Tab. 4 Emisní standardy pro lehká užitková vozidla 1305 kg –1760 kg (kategorie N1-II) ........................................................................................................................................ 15 Tab. 5 Emisní standardy pro lehká užitková vozidla 1760 - 3500 kg (kategorie N1-III)15 Tab. 6 Emisní standardy pro nákladní automobily a autobusy [g/km] (kouřivost v m-1) ........................................................................................................................................ 16 Tab. 7 Podíl jednotlivých druhů silniční dopravy na produkci oxidů dusíku (NOx)....... 18 Tab. 8 Podíl jednotlivých druhů silniční dopravy na produkci nespálených uhlovodíků18 Tab. 9 Podíl jednotlivých druhů silniční dopravy na produkci pevných částic.............. 20 Tab. 10 Podíl jednotlivých druhů silniční dopravy na produkci oxidu siřičitého .......... 21 Tab. 11 Vývoj systému Common Rail ............................................................................. 35
50
