Produkce emisních složek výfukových plynů zážehové a vznětové motory
Složky výfukových zplodin ►
►
►
►
►
CO – oxid uhelnatý – Jedná se o bezbarvý jedovatý plyn, který je bez zápachu a již 0,5 objemového procenta ve vzduchu je během 30 minut smrtelná. Váže se na krevní barvivo intenzivněji než kyslík a tak jsou jednotlivé orgány poškozovány nedostatkem kyslíku. Nejdříve je poškozován mozek a proto je označován jako nervový plyn. Jeho koncentraci ve spalinách lze snížit větším přebytkem vzduchu. HC – uhlovodíky – Uhlovodíky jsou produktem nedokonalého spalování stejně jako CO. Podle jejich povahy jsou narkotické, rakovinotvorné, dráždí sliznice, způsobují zápach a v některých případech jsou mutagenní. Jejich nejnižší obsah je při součiniteli přebytku vzduchu λ = 1,1. NOx – oxidy dusíku – Kromě N2O jsou zootoxické i fytotoxické. Jejich množství ve výfukových plynech je závislé zejména na teplotě a čase působení vysoké teploty. saze – Saze jsou formou čistého uhlíku a samy o sobě nejsou toxické. Mají však výborné sorpční vlastnosti a jsou nositelem dalších znečišťujících faktorů (oxid siřičitý je toxický ve větších koncentracích, olovo a jeho sloučeniny jsou zootoxické i fytotoxické) kromě svého působení na zhoršení dýchatelnosti. CO2 – oxid uhličitý – Svou podstatou je neškodlivý, ale přispívá ke skleníkovému efektu. Je ukazatelem dokonalosti spalovacího procesu a také těsnosti výfukové soustavy.
1
Škodlivost složek v motorech Z hlediska škodlivosti se rozdělují složky výfukových plynů na škodlivé a neškodlivé. Mezi neškodlivé se počítá N2, H2O, CO2, O2 a další. Neškodlivost je pouze relativní, protože přestože CO2 se uvádí v této kategorii, tak patří k plynům, které vytvářejí skleníkový efekt. Mezi škodlivé patří CO, NOx, HC a pevné částice. Zážehový motor Složka
Obsah
N2
72,3 %
H2O
12,7 %
CO2
12,3 %
Vznětový motor Škodlivost
neškodlivé
Složka
Obsah
N2
76 %
H2O
7%
CO2
neškodlivé
7%
O2
0,7 %
O2
9,7 %
Argon atd.
1,0 %
NOx
0,15 %
CO
0,85 %
CO
0,05 %
NOx
0,085 %
saze
0,05 %
HC
0,05 %
HC
0,03 %
saze
0,006%
SO2
0,02 %
škodlivé
Škodlivost
škodlivé
K 1.1. 2008 je v ČR 6.788.165 vozidel. Roční přírůstek činí 2-3 %.
7000000 6000000 5000000 4000000 3000000 2000000 1000000 0 19 88 19 89 19 90 19 91 19 92 19 93 19 94 19 95 19 96 19 97 19 98 19 99 20 00 20 01 20 02 20 03 20 04 20 05 20 06 20 07 20 08
K 1. lednu uvedeného roku
4000
350
3500
300
3000
250
Benzín natural
2500 200
Benzín olovnatý
150
Motorová nafta
2000 1500
LPG 100
1000
50
500
20 08
20 06
20 04
20 02
20 00
19 98
19 96
19 94
0
19 92
0
19 90
Celkový počet vozidel v ČR
Spotřebované palivo
2
Složky na něž se vztahují emisní limity (tuna)
Složky vytvářející skleníkový efekt (tuna, CO2 – tis. tun)
Látky nelimitované s toxickým účinkem (tuna)
Závislost složek na součiniteli přebytku vzduchu
Závislost jednotlivých složek výfukových plynů zážehového vznětového motoru jsou na uvedeném příkladu. Hranicí pro běh zážehového motoru je součinitel přebytku vzduchu λ v rozmezí 0,7 až 1,3. U moderních motorů se vstřikováním a elektronickým řízením udržuje mírně chudá směs okolo hodnoty λ = 1,05 a u starších motorů s karburátorem mírně bohatá směs kolem hodnoty λ=0,95.
3
Měření kouřivosti vznětového motoru ►
►
►
Filtrační metoda – Tato metoda je založena na zachycení částeček kouře na filtrační papírek, přes který se prosaje definované množství výfukových plynů definovanou rychlostí. Množství částic se vyhodnocuje opticky podle zčernání filtračního papírku v porovnání s novým papírkem. Pro dynamické měření spalovacích motorů je tato metoda nevhodná. Hmotnostní měření koncentrace částic – Nejprve se provede zvážení filtračního elementu před měřením a poté následuje jeho opětovné zvážení po měření. Hmotnostní koncentrace částic v analyzovaném vzorku c se stanoví na základě vzorce, kde M představuje hmotnost buď nového M1 nebo použitého M2 filtračního elementu, V je objem prosátého množství spalin. Opacimetrie – Pomocí opacimetru se měří pohltivost světla při průchodu výfukovými plyny na principu Behr-Lambertova zákona , kde Φ je dopadající světelný tok, Φ0 je světelný tok vystupující ze zdroje, k je součinitel absorpce a L je účinná dráha světelných paprsků procházejících výfukovými plyny. Z výfukového potrubí jsou plyny vedeny do měřící trubice (2) opacimetru. Na jedné straně trubice je fotočlánek (4) a na druhé zdroj světla (1). Plyny procházejí trubicí a pohlcují část dopadajícího světla na fotočlánek. Vzniklý proud je indikován miliampérmetrem (5). Před vlastním měřením se nechá trubicí proudit čistý vzduch a potenciometrem (6) se nastaví N = 0. N je lineární stupeň absorpce světla a k součinitel absorpce. Toto jsou dvě nejčastější veličiny, přičemž je přesně definován jejich vztah. Měřený motor nelze zpravidla trvale zatěžovat a měření kouřivosti vyžaduje plnou dodávku paliva a proto se měření zpravidla provádí při rozběhu motoru na plnou dodávku paliva.
Opacimetrie
1) zdroj světla, 2) měřící trubice, 3) ventil, 4) fotočlánek, 5) miliampérmetr, 6) potenciometr, 7) ventilátor
4
Měření koncentrace plynných složek ►
Měření založené na principu absorpce infračerveného záření – Při průchodu elektromagnetického záření vrstvou plynu je část procházející energie pohlcena. Pro zjištění přítomnosti individuálního plynu v analyzované směsi se využívá skutečnosti, že závislost absorpčního koeficientu na vlnové délce záření je individuální vlastností plynů, které obsahují v molekule alespoň dva různé atomy. Infraanalyzátor je nejjednodušší a také nejlevnější analyzátor s vlastnostmi, které se hodí k nasazení do výzkumu a vývoje.
Měření koncentrace plynných složek ►
Měření založené na principu absorpce ultrafialového záření – Patří také do skupiny optických analyzátorů. Jako zářiče je zde použita plynová výbojka s dutou katodou. Ultrafialové záření prochází měřící kyvetou, kde dochází k pohlcení části záření absorpčně aktivními složkami přítomnými ve výfukových plynech, jimiž je kyveta kontinuálně proplachována. Referenční paprsek je veden přímo na korekční detektor. Selektivita přístroje je zajištěna volbou plynové náplně výbojky a náplně plynového filtru. V elektronických obvodech se generuje napětí, které je lineární funkcí koncentrace sledované složky plynu. Tento typ přístroje se užívá především na určování koncentrace oxidů dusíku ve výfukových plynech. Jejich životnost je omezena plynovou náplní výbojky, která se za provozu spotřebovává.
5
Měření koncentrace plynných složek ►
Měření s využitím chemické luminiscence – Chemická luminiscence je emise specifických energetických kvant (fotonů) provázející některé chemické procesy. V analýze výfukových plynů se tato metoda používá především pro stanovení koncentrace oxidů dusíku. Do chemické reakce kromě oxidů dusíku vstupuje také ozón, který je vyráběn v přístroji. Z oxidů dusíku je vstupní látkou pouze NO. Pro zjištění celkové emise NOx se přepnou elektromagnetické ventily tak, aby vzorek procházel vyhřívaným katalytickým reaktorem, ve kterém dochází k redukci oxidu dusičitého na oxid dusnatý. Koncentrace NO2 se zjistí rozdílem předchozích dvou hodnot. Pneumatický systém se vyznačuje poměrně velkou složitostí, protože jím jsou ovlivněny odezvy fotonásobiče.
Měření koncentrace plynných složek ►
Měření založené na principu změny elektrické vodivosti vodíkového plamene – Po připojení elektrického potenciálu na vodíko-vzduchový plamen vzniká velmi malý proud iontů. Přivedením organicky vázaného uhlíku do zóny hoření proud iontů narůstá úměrně množství uhlovodíků. Difúzní vodíkový plamen se zapaluje při spuštění přístroje žhavící svíčkou. Část vzduchu se mísí s vodíkem před vstupem do hořáku, aby se podle koncentrace kyslíku ve vzorku neměnil příliš tvar plamene. Tlak vodíku se reguluje v závislosti na tlaku spalovacího vzduchu, aby se zajistil trvale přiměřený směšovací poměr. Proud iontů se snímá dvojicí elektrod, z nichž jedna je obvykle tvořena samotným ělesem hořáku, druhá je umístěna na plameni a má tvar šroubovice s proměnlivým průměrem, nebo jen jednoduchý rovný drát či těleso trubkového tvaru.
6
Měření koncentrace plynných složek ►
Analyzátory pracující na principu měření magnetických vlastností – Paramagnetické látky mají vysokou permeabilitu a jsou vtahovány do magnetického pole. Z plynů má nejvyšší permeabilitu kyslík a proto se princip měření magnetických vlastností používá pro stanovení koncentrace kyslíku. Klíčovou součástí je permanentní magnet nebo elektromagnet, jehož pole přitahuje molekuly kyslíku. Podle průtoku vzorku se rozlišují přístroje magnetomechanické, magnetopneumatické a termomagnetické. Kyslík vtažený do magnetického pole z levé větve prstence ztrácí při zvýšení teploty magnetismus a je vytlačován přísunem studeného kyslíku. Strháváním okolních nemagnetických molekul vzniká stabilní průtok příčným kanálem. Levé vinutí se chladí stálým ofukováním studeným proudem vzorku. Ochlazování pravého vinutí je méně intenzivní, protože magnetický vítr je již zahřátý. Rozdíl teplot vinutí je úměrný koncentraci kyslíku ve vzorku.
Schéma měření založeného na principu změny elektrické vodivosti vodíkového plamene
Schéma měření založeného na principu měření magnetických vlastností
7
Přechodové jevy analyzátorů Koncentrace v komoře nikdy nedosáhne hodnoty c1. Proto se pro hodnocení přechodových vlastností používá hodnota t90, která je definována jako doba, za kterou dosáhne údaj přístroje 90 % hodnoty skokové změny na vstupu. Průtok Q bývá u analyzátorů popsaných v předchozích bodech přibližně v rozmezí 0,5 – 2 dm3.min-1. Čas t90 bývá obvykle dlouhý pouze několik sekund. V praxi se však vyskytují také přístroje bez pracovní komory, na hodnotě t90 se vůbec nepodílí vyplachovací část a na charakteru výchylky ručičky je to poznat (např. skoky při vysazení jiskry u zážehového motoru). Tento typ přístrojů je vhodný pro dynamická měření.
Zvýšená hladina CO
Podmínky měření ►
motor ohřátý jízdou na provozní teplotu
►
emise CO jsou nezávislé na úhlu předstihu
►
těsná výfuková soustava
►
příliš bohatá směs v karburátoru
►
správně nastavené volnoběžné otáčky
►
znečištěný vzduchový filtr
►
špatná funkce jehlového ventilu
►
při měření nesmí být v činnosti obohacovač pro studený start (sytič)
►
špatná funkce termostatu
►
sytič v činnosti i při zahřátém motoru
►
vadná lambda sonda a jiné snímače
►
v případě automatických převodovek je třeba zařadit N
►
správná funkce zapalovací soustavy (předstih, kontakty, …)
►
plně funkční palivová soustava (vzduchový filtr, správně nastavená hladina plovákem, vstřikovací a pracovní tlaky, volné trysky v karburátoru …)
8
Opatření pro snížení produkce emisí u zážehových motorů • Ovlivnění směšovacího poměru a tvorby směsi • Vnitřní opatření motoru k ovlivnění průběhu hoření • Dodatečná opatření, redukce škodlivých emisí za motorem Opatření před motorem ►
Dokonalé rozprášení paliva a dokonalé odpaření do vzduchu
►
NOx poklesne se snížením komprese (klesne i teplota), sníží se i HC
►
HC závisí na tvaru spalovacího prostoru, existence štěrbin
►
Obohacením směsi (λ<0,8) klesne teplota, zpomalí se hoření, klesne NOx a termická účinnost
►
Emise HC klesá s vrstvením směsi s rozdílným přebytkem vzduchu
►
Recirkulace výfukových plynů sníží teplotu hoření a tím NOx
Opatření za motorem ►
Dodatečné reakce (oxidace) – dostatečná teplota a kyslíku ve výfukových plynech (dodatečná reakce CO a HC)
►
Termické reaktory – stejný princip, ale plyn se nechává v uzavřené a izolované nádobě pro větší účinnost
►
Katalytické reaktory – Jeho schopností je urychlovat reakci tak, aby výsledkem byly netoxické látky. Používanými prvky jsou platina, paládium a rhodium
Katalytické reaktory Výhody katalyzátoru ► snížení reakční doby ► zvýšení reakční rychlosti při srovnatelné teplotě ► činnost reaktoru při širším rozmezí teplot ► jednodušší připojení katalyzátoru k motoru
Typy katalyzátoru ► Oxidační (CO, HC) ► Redukční (NOx) ► kombinované
Oxidace 2CO + O2 → 2CO2 HnCm + (m + n/4) . O2 → mCO2 + n/2 . H2O 2H2 + O2 → 2H2O
Redukce 2NO + 2CO → N2 + 2CO2 2NO + 2H2 → N2 + 2H2O HnCm + 2. (m + n/4).NO → (m + n/4).N2 + n/2. H2O + mCO2
9
Konstrukce katalyzátoru Katalyzátor je vytvořen jako ocelový tubus obsahující porézní vložku, na které je nanesena aktivní hmota. Tubus se montuje asi 0,5m za sběrné potrubí do výfuku. Jako katalytický materiál je používána platina a rhodium v poměru 5:1. Na jeden katalyzátor je použito 1 až 3 gramy směsi. Tato směs je výrazně poškozována zbylým nespáleným palivem.
Porézní vložka ►
Volně sypané kuličky nebo tělíska s nanesenou aktivní vrstvou
►
Monolitický keramický katalyzátor je tvořen porézním keramickým blokem (magnesium-aluminiumsilikát). Vyžadovaná pórivotst je 5000 kanálků na cm2
►
Kovový katalyzátor je vytvořen střídáním hladkého a vlnitého plechu. Jeho výhodou je odolnost proti otřesům a teplotám
Snižování škodlivin u vznětových motorů ►
Aplikace filtrů pro snížení obsahu pevných částic (obdoba katalyzátoru)
►
Vstřikování močoviny do výfuku
►
Ocelová nebo keramická konstrukce
►
Na materiál jsou kladeny nároky malých hydraulických odporů a nízké ceny
►
Kanálky jsou střídavě zaslepeny keramickými zátkami
►
Částice se v uzavřených kanálcích hromadí
►
Nastává regenerace katalyzátoru spálením sazí při teplotě 600 °C
►
Vzniká CO2
►
K udržení teploty je třeba filtr důkladně izolovat
►
Používá se také aktivní vrstva manganu, který sníží teplotu až na 200 °C
►
Keramika je náchylnější na otřesy a svou velkou tepelnou kapacitou je předurčena k tomu, že potřebuje delší dobu ohřevu
10
Tvorba emisních map ►
►
Emisní mapa je plocha v níž je zobrazena produkce konkrétní složky složky v závislosti na otáčkách a zatížení motoru (městský x mimoměstský provoz) Čím více bodů je měřeno, tím je plocha přesnější
Emisní plochy
11
Porovnání spotřeby paliva z palivoměru a z emisí Dodávka paliva podle palivoměru (kg/h)
Dodávka paliva podle emisí (kg/h)
Porovnání spotřeby paliva z palivoměru a z emisí Přesnost v těsné blízkosti měřených bodů (%)
Přesnost v celé pracovní oblasti (%)
12
Produkce emisních složek výfukových plynů zážehové a vznětové motory
13
