Snížení emisí škodlivin u spalovacích motorů Semestrální práce z předmětu Životní prostředí

UNIVERZITA PARDUBICE Dopravní fakulta Jana Pernera školní rok 2003/2004, letní semestr I.ročník KS Pardubice (obor DI-EZD) Tomáš Vydržal Datum odevzdání: 16.3.2004

Snížení emisí škodlivin u spalovacích motorů Semestrální práce z předmětu Životní prostředí

Prohlášení: Prohlašuji, že předložená práce je mým původním autorským dílem, které jsem vypracoval samostatně. Literaturu a další zdroje, z nichž jsem při zpracování semestrální práce čerpal, v práci řádně cituji.

Anotace: Tato semestrální práce se zabývá problematikou snižování emisí škodlivin automobilových spalovacích motorů. Jsou zde uvedeny některé z mnoha alternativ umožňujících jak snížení spotřeby paliva, tak škodlivin obsažených ve výfukových plynech. Práce je zaměřena především na konstrukční provedení alternativ umožňujících snížení negativního dopadu na životní prostředí. Klíčová slova: výfukové plyny, emise, katalyzátory, automobily, vstřikování paliva, přeplňování, turbodmychadla, recirkulace.

1

Obsah: 1. Úvod .................................................................................................................. 3 2. Spalování zážehového motoru .......................................................................... 4 3. Emise výfukových plynů................................................................................... 5 3.1. CO - oxid uhelnatý..................................................................................... 5 3.2. HC - uhlovodíky......................................................................................... 5 3.3. NOX - oxidy dusíku.................................................................................... 6 3.4. SO2 - oxid siřičitý...................................................................................... 6 3.5. Pb - Olovo .................................................................................................. 6 3.6. CO2 - oxid uhličitý ..................................................................................... 6 3.7. O2 – kyslík .................................................................................................. 6 4. Zařízení a opatření určená ke snížení spotřeby a emisí škodlivin..................... 7 4.1. Aerodynamika vozidla ............................................................................... 7 4.2. Snížení hmotnosti vozidla .......................................................................... 7 4.3. Regenerace paliva ...................................................................................... 7 4.4. Škrtící klapka ............................................................................................. 7 4.5. Vstřikování paliva ...................................................................................... 8 4.5.1. Centrální vstřikování ....................................................................8-9 4.5.2. Vícebodové vstřikování paliva........................................................ 9 4.5.3. Přímé vstřikování paliva.............................................................9-10 4.6. Přeplňování motorů.................................................................................. 10 4.6.1. Dynamické přeplňování ...........................................................10-11 4.6.2. Mechanické přeplňování ............................................................... 11 4.6.3. Přeplňování turbodmychadlem ..................................................... 11 4.7. Recirkulace výfukových plynů ................................................................ 11 4.7.1. Interní recirkulace ....................................................................11-12 4.7.2. Externí recirkulace ........................................................................ 12 4.8. Katalyzátory ............................................................................................. 12 4.8.1. Oxidační katalyzátor ..................................................................... 13 4.8.2. Redukční katalyzátor..................................................................... 13 4.8.3. Třícestný katalyzátor ..................................................................... 13 4.9. Evropská palubní diagnostika EOBD ...................................................... 14 5. Závěr................................................................................................................ 15

2

1.

Úvod:

S nárůstem motorových vozidel je spojeno nejenom pohodlí a komfort, ale také nepříznivý dopad na životní prostředí. Aby mohlo dojít ke snížení zatížení životního prostředí, je nezbytně nutné dosáhnout poklesu škodlivých látek obsažených ve výfukových plynech spalovacích motorů. Všechna opatření zabývající se snížením negativního dopadu na životní prostředí, směřují k tomu aby s co možná nejmenší spotřebou paliva bylo dosaženo vysokých jízdních výkonů, příznivých jízdních vlastností a minimálních emisí škodlivých látek [1]. Součastní výrobci automobilů se snaží vyvíjet nová a zdokonalovat již dříve používaná zařízení, která mají velký vliv na obsah škodlivých látek ve výfukových plynech. Použitím jednotlivých zařízení dochází ke snižování určité složky nebo skupiny složek emisí obsažených ve výfukových plynech.To je ovšem nezřídka spojeno se zhoršením jiných vlastností motoru, např. snížení produkce jedné škodliviny může vyvolat výrazné zvýšení tvorby jiné škodlivé látky. Vzhledem k tomu je důležité hledat v otázce emisních parametrů optimální řešení. Pro stanovení priorit je nutné posoudit způsob a intenzitu působení jednotlivých složek na člověka a životní prostředí. Z hlediska správné funkce, je také nutné posuzovat vliv snížení jejich podílu ve spalinách na chod motoru [13].

3

2.

Spalování zážehového motoru

Palivo a spalování - spalovací motor je stroj, který proměňuje tepelnou energii v mechanickou práci. Tepelná energie se převážně získává přeměnou chemické energie akumulované ve vhodných palivech spalováním v teplo [6]. Palivo pro zážehové motory se skládá ze sloučenin uhlovodíků, které obsahují přísady organických komponentů a aditiv zlepšujících vlastnosti paliva. Při spalování dochází k rozdělování uhlovodíků na uhlík a vodík a jejich následnému sloučení s kyslíkem z nasávaného vzduchu. V běžných podmínkách je množství kyslíku obsažené v nasávaném vzduchu 21 %. Budeme-li uvažovat o ideálním spalování je se vzduchem smícháno přesně potřebné množství paliva tak, aby došlo k jeho oxidaci kyslíkem obsaženým v nasávaném vzduchu. Při ideálním úplném spalování by nevznikli žádné škodlivé látky, jenom oxid uhličitý a vodní páry. V reálném procesu spalování však kromě neškodných látek spalování – dusíku (N2), vodní páry (H2O) a oxidu uhličitého (CO2), jsou obsaženy také produkty neúplného spalování – oxid uhelnatý (CO), částečně nespálené uhlovodíky (HC), oxidy dusíku (NOx), oxid siřičitý (SO2) a saze. Škodlivé látky jsou ve výfukových plynech objemově obsaženy přibližně jedním procentem. Tvorba škodlivých látek souvisí výrazně s procesem spalování a použitým palivem [3].

4

3.

Emise výfukových plynů

3.1. CO - oxid uhelnatý Oxid uhelnatý vzniká především při bohaté směsi (λ<1), díky nedostatečnému obsahu kyslíku potřebnému pro oxidaci uhlíku na neškodlivý oxid uhličitý(CO2). V oblasti přebytku paliva (bohaté směsi) stoupá objemový obsah CO s klesající hodnotou λ lineárně. V oblasti přebytku vzduchu tzn. chudé směsi, je objemový obsah CO nízký a na hodnotě λ nezávislý. Při vyváženém složení směsi součinitel přebytku vzduchu λ =1, je objemový obsah CO přibližně 0,3 % až 05 % a je určen především nehomogenností rozdělování směsi pro jednotlivé válce a kolísáním složení směsi mezi jednotlivými cykly. Jeli směs v některých válcích chudší a některých bohatší, je průměrný obsah CO vyšší, než kdyby měla směs ve všech válcích stejnou hodnotu λ. Vlivem zapálení není hodnota CO výrazně ovlivněna, ale je možné ji označit jako závislou na poměru paliva a vzduchu. CO lze definovat jako bezbarvý jedovatý plyn bez zápachu. V krvi na sebe váže hemoglobin lépe než kyslík a už malé koncentrace mohou být při delším vdechování smrtelné. Jeho hmotnost je vyšší než hmotnost vzduchu a v důsledku toho je shromažďován u podlahy [3]. 3.2. HC –uhlovodíky Obdobně jako u emisí CO stoupá hodnota HC v oblasti bohaté směsi s klesající hodnotou λ. Důvodem je přebytek paliva a neúplné spalování, v důsledku toho dochází ke zvýšení hodnoty emisí nespálených a částečně spálených uhlovodíků. Minimum hodnoty HC bychom nalezli v oblasti λ = 1,1 až 1,2. Na rozdíl od CO se vzrůstající hodnotou λ obsah HC vlivem nedokonalého spalování dále stoupá. Výrazné zvýšení HC nastává především v důsledku vynechávajícího zapalování směsi. Vyjma tohoto má na hodnotu HC velmi významný vliv celkový stav motoru a jeho seřízení. Objemový obsah HC ve výfukových plynech je podstatně nižší než CO. Jeho hodnota se udává V jednotkách ppm (parts per milion).Výfukové plyny obsahují různé druhy nespálených uhlovodíků: • • •

Nasycené uhlovodíky (parafiny) jsou téměř bez zápachu, mají ale narkotický účinek a slabě dráždí pokožku. Nenasycené uhlovodíky (ofeliny, acetylény) mají lehce nasládlou vůni a slabě dráždí pokožku. Významně se podílí na tvorbě smogu a mají vliv na ozón. Aromatické uhlovodíky mají charakteristický zápach. Jsou to nervové jedy s narkotickým a karcinogenním účinkem [3].

5

3.3. NOX – oxidy dusíku Vysoká teplota a tlak při spalování směsi v motoru vedou k oxidaci dusíku obsaženého v nasávaném vzduchu. Kromě oxidu dusnatého (NO) vzniká v malém množství také oxid dusičitý (NO2) a oxid dusný (N2O). Závislost emisí oxidů dusíku na hodnotě součinitele přebytku vzduchu je přesně opačná než u CO a HC. V oblasti přebytku paliva stoupá s rostoucí hodnotou λ i hodnota emisí oxidů dusíku a to především díky zvyšující se koncentraci kyslíku. V oblasti chudé směsi emise oxidů dusíku klesají se zvyšující se hodnotou λ, protože s chudší směsí klesá teplota ve spalovacím prostoru a tím se omezují podmínky pro tvorbu NOx. Maximální hodnoty NOX bychom dosáhli v oblasti lehkého přebytku vzduchu s hodnotou λ=1,05 až 1,1. NO je bezbarvý plyn který ve spojení se vzduchem oxiduje na NO2. NO2 je hnědočervený plyn se silným zápachem. Způsobuje dráždění plic a pokožky, leptá tkáň, je velmi silně jedovatý a podílí se na tvorbě smogu [3]. 3.4. SO2 – oxid siřičitý V palivu obsažená síra reaguje se vzdušným kyslíkem na oxid siřičitý (SO2). Ve spojení s vodou vznikají kyseliny síry, které jsou známé jako „kyselí déšť“ a mají vysoce negativní dopad na životní prostředí [3]. 3.5. Olovo - Pb Je přidáváno do paliva jako antidetonátor. Sloučeniny olova jsou velmi jedovaté látky dostávající se do krve, kostní dřeně a nervového systému. Jejich účinek je velmi škodlivý zejména pro děti a těhotné ženy, zabraňují okysličování buněk. Emise olova z dopravy v ČR klesají. Je to způsobené zvýšením spotřeby bezolovnatého benzínu a snížením maximální koncentrace olova v benzínu. Přesto jde stále o vysoké koncentrace. V roce 1994 bylo v ČR spotřebováno 24 % bezolovnatého benzínu z celkové spotřeby 1 230 tisíc tun benzínu, oproti tomu v roce 1989 šlo pouze o 0,3 % z 1 205 tisíc tun benzínu [5]. 3.6. CO2 - oxid uhličitý Oxid uhličitý je nejedovatý produkt spalování. Při rovnovážném směšovacím poměru je hodnota CO2 maximální a dosahuje hodnoty cca 14,7 %. Toto množství odpovídá dokonalému spalování. Hodnota CO2 nám zároveň vypovídá o stavu motoru a jeho součástech. Je-li například hodnota CO2 nízká a přitom jsou nízké i hodnoty CO a HC, je zřejmé že výfukové potrubí automobilu není dostatečně těsné a dochází k naředění výfukových plynů. Hodnoty CO2 , CO a HC slouží k posouzení vlastností katalyzátoru. Oxid uhličitý vzniká rovněž oxidačním procesem v katalyzátoru, při kterých se redukuje obsah škodlivých složek výfukových plynů. V případě správné funkce katalyzátoru může být hodnota CO2 dokonce ještě vyšší něž při dokonalém spalování. Nárůst oxidu uhličitého v atmosféře je jednou z významných příčin skleníkového efektu. Podíl dopravy na zvyšování skleníkového efektu se odhaduje od 10% do 15 %.Kromě snižování škodlivých látek vzniká také úkol snižovat spotřebu paliva a tím držet emise CO2 na nejnižší možné hranici [3]. Spálením jednoho litru benzínu vznikne 2,4 kg CO2, a spálením jedno litru nafty vznikne 2,7 kg CO2. 3.7. O2 – kyslík Kyslík se vyskytuje ve výfukových plynech jenom při spalovaní chudé směsi s přebytkem vzduchu [3].

6

4.

Zařízení a opatření určená ke snížení spotřeby a emisí škodlivin. 4.1. Aerodynamika vozidla

Dnešní výrobci automobilů se snaží snižovat odpor vzduchu, který má největší podíl na všech odporech vozidla. U běžných karosérií je odpor vzduchu roven hodnotám ostatních odporů vozidla již při rychlosti 60 km/h a narůstá s druhou mocninou rychlosti. K velkému snížení odporu vzduchu vozidel vede optimalizace jeho tvarů z hlediska aerodynamiky. Menší odpor vzduchu je předpokladem pro snížení spotřeby paliva [7].

4.2. Snížení hmotnosti vozidla Jedním z hlavních kritérií ovlivňujících spotřebu paliva je hmotnost vozidel. V současné době je kladen velký důraz na zařízení zvyšující bezpečnost a komfort vozidel, díky jejich standardním užitím dochází ke zvyšování hmotnosti. Výrobci automobilů se snaží optimalizovat hmotnost vozidel použitím lehkých slitin, plastů a jiných odlehčených matriálů [7].

4.3. Regenerace paliva Aby neunikali do ovzduší páry benzínu a tím nedocházelo k dalšímu zatěžování životního prostředí sloučeninami uhlovodíků, musí být dnešní palivové systémy vybaveny zařízením pro zadržení a regeneraci paliva. Palivová nádrž je propojena s nádobkou v níž je obsaženo aktivní uhlí. Aktivní uhlí se vyznačuje schopností zachycovat a shromažďovat palivo obsažené ve výparech, které se uvolňuje s palivové nádrže. Takto zachycené palivo je opětovně přiváděno do sacího potrubí motoru následujícím způsobem. Podtlakem ze sacího potrubí je přisáván vzduch přes nádobku s aktivním uhlím a elektromagnetický ventil. Ventil je v činnosti pouze při zapnutém zapalování, je-li ventil pod napětím nachází se ve stavu uzavřeném a naopak. Prostřednictvím regulačního ventilu, který je ovládán impulsy s řídící jednotky v závislosti na provozním stavu motoru se provádí přesné dávkování paliva obsaženého ve výparech. Jestliže dojde k otevření ventilu začne palivo, uvolňované proudem vzduchu z aktivního uhlí proudit do motoru. Není-li motor ještě zahřát na provozní teplotu, zůstává ventil uzavřen [4].

4.4. Škrtící klapka Škrtící klapka umístěná v průřezu sacího potrubí umožňuje měnit průchodnost sacího potrubí natáčením do minimální a maximální polohy. Není-li klapka zcela otevřena, je vzduch nasávaný motorem omezován a tím dochází ke snížení krouticího momentu motoru. Je-li klapka plně otevřena je dosaženo maximálního kroutícího momentu, díky tomu že průřez je největší. Plnění čerstvým vzduchem je ale závislé nejen na otevření škrticí klapky, ale také na otáčkách motoru [8]. V oblasti volnoběhu a částečném zatížení motoru je v sacím potrubí nízký tlak, palivo je téměř zcela v plynné formě a vytváří se jen velmi málo palivového filmu. Dojde-li k pootevření škrticí klapky, tlak stoupne a podíl palivového filmu se zvýší. Aby při zvyšování tvorby palivového filmu nedocházelo při otvírání škrticí klapky k ochuzení směsi, musí se zvýšit dodávka paliva prodloužením doby vstřiku. Jestliže dochází k uzavírání škrticí klapky nastává spotřebovávání palivového filmu a doba vstřiku se zkracuje aby nedocházelo k obohacování směsi [9].

7

4.5. Vstřikování paliva Pro přípravu směsi se dnes na místo karburátorů staví vstřikovací systémy, jejichž výhodou je vstřikování paliva v souvislosti s požadavky na hospodárnost, výkonové schopnosti, dokonalé jízdní vlastnosti, snížení spotřeby a nízký obsah škodlivých látek ve výfukových plynech. Elektronické vstřikování benzínu může být: • • •

simultánní vstřikování skupinové vstřikování sekvenční vstřikování

Simultánní vstřikování je charakteristické tím, že dochází ke vstřikování všech vstřikovacích ventilů ve stejný okamžik a to dvakrát za cyklus. Okamžik vstřiku paliva je přesně dán předem. U skupinového vstřikování jsou vytvořeny dvě skupiny vstřikovacích ventilů, kdy každá skupiny vstřikuje jednou za cyklus. Vzájemný časový posun obou skupin tvoří jedna otáčka klikového hřídele. Sekvenční vstřikování umožňuje největší volnost. Vstřikovací ventily jsou ovládány nezávisle na sobě, pro jednotlivé válce. Okamžiky vstřiku jsou volně programově stavitelné a lze je přizpůsobit na příslušná optimalizační kritéria. Zároveň je možno vstřikováním ovlivnit vrstvení paliva ve spalovacím prostoru vhodným umístěním vstřikovací trysky a tím zlepšit vlastní proces spalování a ovlivnit procento emisí ve spalinách. Vstřikování paliva umožňuje snadné spouštění motoru, vzhledem k možnosti nastavit libovolnou dávku paliva, potřebnou pro spuštění motoru. Nedochází tím ke kondenzaci paliva na stěnách sacího potrubí [1]. Existují tři způsoby vstřikování benzínu: • • •

centrální (bodové) vstřikování vícebodové vstřikování přímé vstřikování

4.5.1.

Centrální vstřikování

U centrálního (jednobodového) systému vstřikování je palivo vstřikováno pro všechny válce součastně z jednoho vstřikovače.Tryska centrálního vstřikování je umístěna na tělese škrticí klapky, kde není teplota příliš vysoká [3]. Pro vstřikování postačuje tlak paliva kolem 0.1 MPa i méně. Konstrukce vstřikovací trysky, díky tomu že nemusí odolávat velmi vysokým teplotám, je pak jednodušší. Aby mohlo být dosaženo homogenního složení směsi a rovnoměrného proudění pro jednotlivé válce, musí tryska vstřikovat palivo do proudu nasávaného vzduchu, tedy do prostoru mezi stěnu sacího potrubí a škrticí klapku. Vstřikovací tryska má malé rozměry a značnou rychlost spínání. Vstřikovaná dávka paliva je vytvářena šesti radiálně uspořádanými otvory, které jsou vedeny šikmo a tak vytvářejí kuželový tvar vstřikované dávky paliva. Úhel otvorů pro palivo je zvolen tak, aby palivo z výstupu trysky směřovalo do prostoru mezi sací potrubí a škrtící klapku. K rozprášení paliva se používá kombinace rázové a šroubové přípravy. Některé

8

motory s větším obsahem používají dvojité vstřikovací trysky nebo dvojice jednoduchých trysek [9]. Přizpůsobení množství směsi pro různé provozní stavy motoru se provádí pomocí ovládání a řízení doby vstřiku. Řídící jednotka zjišťuje v závislosti na otáčkách motoru, teplotě motoru, teplotě nasávaného vzduchu, poloze škrtící klapky, rychlosti změn nabíjení akumulátoru a porovnání v paměti uložených polí charakteristik , správnou dobu vstřikování paliva [3].

4.5.2.

Vícebodové vstřikování paliva

U vícebodových vstřikování je každému válci přiřazen jeden vstřikovací ventil. Palivo je vstřikováno přímo před sací ventil příslušného válce [1]. Tlak paliva vstřikovaného před sací ventil se pohybuje od 0.25 do 0.6 Mpa [6]. Sací potrubí pouze rozvádí nasávaný vzduch, takže jeho konstrukce může být jednodušší. Palivo je vstřikováno do jednotlivých větvení sacího potrubí , kdy vstřikované množství paliva je usměrněno do oblasti, kde se nachází sací ventil. Dojde-li ke vstříknutí paliva a následnému otevření sacího ventilu, proud nasávaného vzduchu strhává rozprášené palivo a následujícím vířením v prostoru kolem sacího ventilu, způsobuje tvorbu dobře zapálitelné směsi. Pomocí tohoto způsobu je zabezpečeno rovnoměrné naplnění jednotlivých válců motoru směsí a zároveň je odstraněna kondenzace paliva která vzniká za nízkých teplot [1]. Vícebodové vstřikování je možno rozdělit na: • •

Přerušované - L kontinuální (plynulé) - K

L - Jetronic je vstřikovací systém pracující přerušovaně, určení zatížení motoru se realizuje měřením množství, popř. hmotnosti vzduchu nasávaného motorem. Toto lze provádět buď pomocí měření množství protékajícího vzduchu měřící klapkou, kdy je množství vzduchu přepočítáváno v řídící jednotce. Při měření hmotnosti vzduchu se posuzuje pomocí vyhřívaného odporového drátu nebo filtru. Měření množství paliva je realizováno pomocí řídící jednotky v závislosti na zatížení, otáčkách a dalších signálech snímačů. Informace o otáčkách se snímají z ovládání zapalovací cívky nebo spínací jednotky zapalování. Řídící jednotka vypočítá z tohoto signálu a ze signálu zatížení základní dobu vstřiku paliva. Tento čas je rozdělen do dvou základních vstřikovacích impulsů v průběhu jednoho pracovního taktu. V závislosti na přídavných informacích, jako jsou napětí akumulátoru , teplota motoru a poloha snímače škrtící klapky je tento základní čas konfigurován. K – Jetronic je kontinuálně pracující vstřikovací systém, který provádí odměřování paliva mechanicko - hydraulicky. Nasávané množství vzduchu se měří pomocí měřící klapky která pracuje na principu plovoucího tělesa. Zařízení pro měření vzduchu spolu se zařízením pro rozdělování paliva tvoří jeden celek. V případě, že je nasáváno větší množství vzduchu mnění se poloha měřící klapky a součastně je pohybováno ovládacím pístem rozdělovače paliva. V důsledku toho se více otevřou řídící otvory v rozdělovači množství paliva a vstřikovací ventily mohou vstřikovat více paliva [3].

4.5.3.

Přímé vstřikování paliva

Konstrukce je tvořena tak že palivo je vstřikováno přímo do spalovacího prostoru. Do prostoru spalování proudí sacím potrubím pouze čistý vzduch. Převážná část spalovacího prostoru je obdobná jako u systému s nepřímím vstřikováním, až na dva rozdíly. Jedním z nich je půlkulovité vybrání dna pístu umístěné proti sacímu kanálu. Druhou odlišností je umístění vstřikovače přímo ve spalovacím prostoru, který směřuje pod úhlem 70 % do vybrání v pístu [10].

9

Ve srovnání s obvyklým vstřikováním pliva do sacího potrubí, lze u přímého vstřikování dosáhnout v závislosti na otáčkách a zatížení, snížení spotřeby paliva o 5 % až 40 % a součastně trvale snížit CO2. Tímto způsobem je možno uspořit až 30 % paliva. Dřívějšímu zavedení tohoto způsobu bránila chybějící schopnost katalytického zpracování NOx v režimech s velmi chudou směsí. Tento problém byl odstraněn a přímé vstřikování získalo velmi dobré předpoklady pro široké použití v zážehových motorech [1]. I když v celém objemu spalovací komory není po zapálení směsi ve vzduchu obsažené dostatečné množství paliva, tak v okolí elektrody svíčky je koncentrace paliva podstatně vyšší - „bohatá směs“. Vstřikovačem pod tlakem 30 až 100 barů rozprášené palivo rotuje a tím se snadno smísí se vzduchem, toto smíchání probíhá pouze v prostoru vybrání pístu - odtud termín „plnění vrstvenou směsí“. Tímto způsobem vznikne objemově malé množství bohaté směsi, které je díky kulovému vybrání dna pístu, při stlačování směřováno k elektrodám svíčky. Po vytvoření jiskry se bohatá směs snadno vznítí a pro své hoření spotřebovává okolní vzduch ve spalovacím prostoru. K úplnému shoření vzduchu obsaženého ve spalovacím prostoru dochází pouze při plném zatížení - „spalování s přebytkem vzduchu“ [10].

4.6. Přeplňování motorů Účelem přeplňování spalovacích motorů je dopravit do válců více vzduchu, a tím umožnit i vyšší dodávku paliva. Přeplňované motory mají vyšší výkon při srovnatelně nižší spotřebě paliva. Vykazují také nižší podíl škodlivin ve výfukových plynech [1]. Podle způsobu přeplňování rozeznáváme spalovací motory: • • •

dynamicky přeplňované s mechanicky poháněným dmychadlem (kompresorové) turbodmychadlem (dmychadlem na výfukové plyny)

4.6.1.

Dynamické přeplňování

Při zavedení dynamického přeplňování je využíváno periodického kolísání tlaku, vznikajícího v sacím potrubí během zdvihu válce. Toto kolísání umožňuje zvětšit plnění směsí nebo vzduchem a tak dosáhnout nejvyššího možného kroutícího momentu, úspory paliva a snížení emisí [8]. Podle konstrukce sacího potrubí je možno rozlišovat dva způsoby dynamického přeplňování: • •

pulzační přeplňování (kmity v potrubí) rezonanční přeplňování

Při použití přeplňování s kmity v sacím potrubí , je každý válec opatřen samostatným sacím potrubím. V okamžiku sání pístu dochází k rozkmitání sloupce proudícího plynu. Volbou vhodné délky sacího potrubí se dosáhne toho, že se tlaková vlna pohybuje otevřeným sacím ventilem dovnitř motoru a tím zlepší naplnění válce. V případě, že motor pracuje na nízkých otáčkách je vhodné aby sací potrubí bylo dlouhé a mělo malou světlost. Pracuje-li motor ve vysokých otáčkách pak je dobré, aby sací porubí bylo krátké a mělo velkou dimenzi. Tohoto lze dosáhnout použitím sacího potrubí s proměnou délkou kanálů. Přeplňování rezonanční soustavou pro více válců, je tvořeno propojením válců krátkým potrubím s rezonanční komorou, která je pomocí potrubí propojena s okolní atmosférou. V případě, že je frekvence sání daná otáčkami stejná s frekvencí kmitů vln ve sloupci plynu,

10

dochází k rezonanci. Vlivem rezonance je zajištěno další zvýšení tlaku plnění. K přeplňování je využíváno tlakové pulsace v sacím potrubí. Rezonanční kmit vzniká pomocí impulsu vyvolaného uzavřením sacího ventilu. Oba způsoby dynamického přeplňování zvyšují dosažitelné plnění především v dolní oblasti otáček [1].

4.6.2.

Mechanické přeplňování

U mechanicky přeplňovaných motorů je dmychadlo poháněno přímo spalovacím motorem. Tím, že dmychadlo není zařazeno do výfukového potrubí, ale je na"studené" straně motoru, může být použito i pro velmi vysoké plnicí tlaky. Díky tomu, že je mechanicky spojeno s motorem reaguje na změny otáček bez zjevného zpoždění [11]. Nevýhodou je příkon dmychadla, který snižuje účinnost motoru [9].

4.6.3.

Přeplňování turbodmychadlem

Nejpoužívanějším způsobem přeplňování je použití odstředivého dmychadla poháněného turbínou výfukovými plyny motoru. K pohonu se tedy používá energie odcházejících výfukových plynů, která by jinak odcházela bez dalšího využití. Turbína s dobrou termodynamickou účinností pokryje potřebný příkon plnícího dmychadla [9]. Spojení turbodmychadla se spalovacím motorem je výhodné také proto, že s rostoucím zatížením motoru se zvětší i množství, tlak a teplota výfukových plynů. Tím se automaticky zvýší otáčky turbodmychadla a stoupne plnicí tlak, tedy množství dodávaného vzduchu [8]. Srovnáváme-li motor s atmosférickým plněním, s motorem přeplňovaným turbodmychadlem jejichž výkon je stejný, je motor s přeplňováním stavebně menší a má proto vyšší výkonovou hmotnost. Pozorováním bylo zjištěno, že při stejných jízdních výkonech vykazuje přeplňovaný motor s menším objemem válců a elektronickou regulací plnícího tlaku, úsporu paliva [1].

4.7. Recirkulace výfukových plynů Recirkulací výfukových plynů nazýváme řízené vracení poměrné části výfukových plynů zpět do spalovacího prostoru. Díky tomu, že výfukové plyny jsou inertní, dochází při smíchání tohoto plynu se směsí ke snížení teploty hoření a také k snížení množství oxidů dusíku (NOx) již v motoru. Proces je velmi účinný, jelikož obsah oxidů dusíku se při vzrůstající teplotě spalování výrazně zvyšuje [11]. Existují dvě metody recirkulace spalin: • •

interní recirkulace spalin v okamžiku současného otevření sacích i spalovacích ventilů externí recirkulace prostřednictvím zpětných ventilů a speciálního vedení

4.7.1.

Interní recirkulace

Interní recirkulace spalin je založena na překrytí ventilů, které je možno ovlivňovat variabilním časováním (přestavováním ventilového rozvodu) [1]. K tomuto jevu dochází tím, že sací ventil se otevře v době, kdy výfukový ještě není úplně uzavřen. Na době překrytí závisí podíl zbytku plynů, který může být zpětně do válce nasát spolu s čerstvou směsí. Převážně motory s vyšším výkonem mívají díky většímu objemu, lepší plnící účinek a tedy mohou mít větší překrytí. Tím mají relativně nižší emise oxidů. Překrytí ventilů však nelze libovolně zvětšovat, protože by nebyl zajištěn stabilní chod motoru bez vynechávání. Rovněž

11

by vzrostly emise HC. Nepostačí-li interní recirkulace snížit v potřebné míře emise NOX, používá se recirkulace externí [12].

4.7.2.

Externí recirkulace

Externí recirkulace je děj, při kterém se již vytlačený plyn přivádí pomocí potrubí zpět k sacímu potrubí a je přiváděn do čerstvé směsi [1]. Podle množství recirkulovaných výfukových plynů je možno snížit emise kysličníků až o 60 %. To je ale díky velkému snižování teploty spojeno s nadměrným zvyšováním uhlovodíků, spotřeby paliva a neklidnému chodu motoru. Pokud bude množství recirkulovaných plynů omezeno na 10 % až 15 %, není třeba uvažovat o zvýšení spotřeby. Předpokladem je ale současná optimalizace předstihu, což platí v podstatě pro všechna opatření zasahující do průběhu spalovacího procesu. Mez přípustného množství recirkulovaných plynů je určována přírůstkem emisí HC, dále zvýšením spotřeby a zhoršením rovnoměrnosti chodu motoru. Proto se recirkulace při volnoběhu odpojuje, jelikož zde prakticky žádné emise NOX nevznikají. Je odpojována i při studeném motoru, aby neprodlužovala dobu zahřátí motoru a systému pro potlačení emisí. Také při plném zatížení, kdy se směs obohacuje a koncentrace oxidů jsou nízké, je recirkulace odpojována. Nedochází tak ke snížení výkonu motoru. K řízení recirkulace výfukových plynů se dnes používají převážně elektronických systémů, jejichž řídící jednotka ovládá elektropneumatický ventil, kterým je přesně určováno vratné množství výfukových plynů podle signálů z různých snímačů. U motorů s regulovaným časováním ventilů je možno dosahovat 30% i větší recirkulace bez patrného zhoršení parametrů motoru. Přitom je množství optimalizováno pro každý provozní bod motoru [12].

4.8. Katalyzátory Katalyzátory jsou zařízení určená ke snížení obsahu škodlivin ve výfukových plynech. Tato zařízení jsou určena k tomu, aby se vkládala do výfukového potrubí, obdobně jako výfukové tlumiče. Při průchodu výfukových plynů přes těleso katalyzátoru se škodlivé složky přemění na jiné méně škodlivé (CO2, NH3 apod.). Ty jsou pak vypouštěny pomocí výfukového potrubí a tlumiče do ovzduší. Katalyzátory jsou sestaveny ze tří částí: • • •

Monolitu neboli nosiče, což je těleso které je opatřeno tisíce drobnými kanály, kterými proudí výfukové plyny. Reaktivní vrstvy, kterou je monolit potažen. Tato nosná vrstva z oxidu hlinitého zvětšuje výrazně účinnou plochu katalyzátoru. Katalyticky účinného materiálu naneseného na reaktivní vrstvě. Jsou složeny z vzácných kovů - platiny, paladia nebo rhodia. Tyto kovy z platinové skupiny mohou být použity v samotné nebo kombinované podobě.

Přeměna škodlivých látek na méně škodlivé vyžaduje prostředí s vysokou teplotou. Účinnost se začíná projevovat přibližně od 250°C. Nejvhodnější tepelné podmínky podporující vysoký stupeň přeměny a dlouhou životnost jsou v rozmezí teplot 400 až 800°C. Je-li teplota 800 až 1 000°C dochází k sinitrování vzácných kovů a nosné vrstvy Al2O3, což podporuje zmenšování aktivní plochy povrchové vrstvy. Katalyzátor rychle stárne. Velký vliv na poškození katalyzátoru má přitom doba provozu v této oblasti. Není vhodné motor dlouhodobě provozovat v oblasti vysokých otáček a velkém zatížení [12]. Podle provedení je možno katalyzátory rozdělit:

12

4.8.1.

Oxidační katalyzátor

Oxidační katalyzátor pracuje s přebytkem vzduchu a přeměňuje pomocí oxidace (spalování) oxid uhelnatý a uhlovodíky na vodní páru a oxid uhličitý. Ke snížení oxidů dusíku oxidačními katalyzátory prakticky nedochází. U motorů kde je použito vstřikování paliva se získává kyslík potřebný k oxidaci většinou prostřednictvím chudé směsi s přebytku vzduchu. Dosud používané oxidační katalyzátory potlačují CO a HC [3]. Účinnost potlačení těchto škodlivých látek se pohybuje kolem 90 až 95 % za předpokladu, že do motoru je přiváděna směs se vzduchovým číslem lambda rovno přibližně jedné. Je tedy možno směs ochudit až na hranici přijatelnou z hlediska výkonu motoru. Ke snížení obsahu NOx u těchto katalyzátorů prakticky nedochází, proto je nutné použít recirkulace výfukových plynů. V sacím potrubí je umístěn systém tvorby směsi. Ve výfukovém systému je osazen oxidační katalyzátor. Vzhledem k tomu že v některých provozních podmínkách motoru, např. při akceleraci nebo zahřívání motoru po studeném startu, dochází k obohacení směsi, je nutné přidávat do výfukového potrubí sekundární vzduch. Tím se dosáhne zvýšení obsahu kyslíku ve výfukových plynech potřebného ke správné činnosti katalyzátoru. Množství sekundárního vzduchu je závislé na době zapínání pumpy.[12]

4.8.2.

Redukční katalyzátor

U redukčních katalyzátorů se používá jako aktivní vrstvy platiny a rhodia. Účinnost takového katalyzátoru je přijatelná pouze pro bohaté směsi s maximem při lambda rovno jedné. Redukční katalyzátor potlačuje pouze emise NOX, takže pro potlačení všech tří složek škodlivin musí být spojen s oxidačním katalyzátorem. Systém tvorby směsi v sacím potrubí dodává přiměřeně obohacenou směs. Výfukové plyny prochází nejprve redukčním katalyzátorem, který potlačí emise NOx. Za ním je do výfukového potrubí vháněn sekundární vzduch, čímž se vytvoří podmínky pro potlačení emisí CO a HC v následně zařazeném oxidačním katalyzátoru. Tento systém, nazývaný dvoulůžkovým nebo také dvoukomorovým katalyzátorem, je nevýhodný převážně proto, že motor musí pracovat s bohatou směsí, což zvyšuje spotřebu i emise CO2, to přispívá k tvorbě skleníkového efektu. Dalším znevýhodněním je vznik čpavku (NH3) při redukci NOX za nedostatku vzduchu a následná produkce NOX zapříčiněná přidáváním sekundárního vzduchu a oxidaci v oxidačním katalyzátoru [12].

4.8.3.

Třícestný katalyzátor

Vlastností třícestného katalyzátoru je schopnost redukovat všechny tři škodlivé složky (CO, HC, NO3) zároveň. Dnes je třícestný katalyzátor používaný ve spojení s regulací lambda (třícestný řízený katalyzátor) považován za nejúčinnější systém regulace škodlivých emisí ve výfukových plynech [3]. Třícestný katalyzátor dosahuje nejvyšší účinnosti právě tehdy, má-li spalovaná směs součinitel přebytku vzduchu lambda roven jedné. Aby mohl být tento poměr zachován s co nejmenším rozdílem, používá se před katalyzátorem lambda sonda, která měří množství kyslíku ve výfukových plynech. Podle obsahu kyslíky ve spalinách nastavuje řídicí elektronika množství dodávaného paliva. Systém pracující v tomto režimu se nazývá řízený katalyzátor. Převážná většina výrobců vozidel používá pro regulaci emisí škodlivin právě tento způsob [13].

13

4.9. Evropská palubní diagnostika EOBD EOBD je označení používané pro diagnostický systém instalovaný tvůrci automobilů do řídícího systému vozidla. Elektronický diagnostický systém umožňuje měření emisí výfukových plynů při běžném provozu vozidla. V případě zjištění odchylky emisí škodlivin indikuje příčinu závady pomocí kódů uložených v paměti počítače. Při výskytu závady v systému je řidič informován opticky. Tento systém je schopen zajišťovat během provozu především správnou funkci katalyzátoru a palivové soustavy. OBD musí být opatřen kontrolní svítilnou specifických tvarů umístěnou na dobře viditelném místě v přístrojové desce. Optická signalizace musí indikovat poruchy systémů řízení podílejících se na složení výfukových plynů, jsou-li u těchto výfukových plynů emise škodlivin zvýšeny nad limit. U vozidel pracujících se zážehovými motory musí být systém EOBD schopen zajišťovat kontrolu následujících procesů: • • • • • • •

vynechávání pracovních oběhů válců správnou účinnost katalyzátoru zapalování směsi správnou funkci lambda-sondy odvzdušnění palivové nádrže neporušenost elektrických připojení dalších kontrolních komponentů správnou funkci všech dalších komponentů ovlivňujících emise výfukových plynů

Schopnost elektronického diagnostického systému indikovat a signalizovat závady vzniklé na zařízeních podílejících se na tvorbě výfukových plynů, musí být zajištěna po celou dobu životnosti vozidla. Zjistí-li jednotka EOBD vynechávání některého z válců, je tato závada diagnostikována prostřednictvím snímače polohy klikového hřídele a porovnáním emisí výfukových plynů. Monitorovací systém porovnává prostřednictvím snímače polohy klikového hřídele, otáčivý pohyb a zrychlení otáčení klikového hřídele a díky tomu dokáže lokalizovat válec který vynechává. Zjišťování poruchy systému vynechávání válců, jejichž příčinou je závada způsobená na zapalovacím systému, vstřikování paliva, palivem nebo mechanickým ústrojím motoru se provádí nezávisle na jiných monitorovacích systémech. Pro určování a kontrolu správné funkce katalyzátoru je využíváno hmotnosti nasávaného vzduchu. Hmotnosti vzduchu je využíváno z důvodu přímé souvislosti z rychlostí proudění výfukových plynů. Při vysoké rychlosti výfukových plynů tyto nezůstávají dostatečně dlouho v katalyzátoru a dochází ke snížení jeho účinnosti. Zatížení motoru je sledováno prostřednictvím měřiče hmotnosti vzduchu. V systému je nutno zařadit ještě jednu lambdasondu, která je potřebná pro zjištění převodu složek výfukových plynů procházejících katalyzátorem. Snímač diferenčního tlaku sleduje tlak v palivové soustavě a detekuje případné úniky spojené s poklesem tlaku. Přifukováním sekundárního vzduchu lze případně zvýšit oxidační výkon katalyzátoru. NOX lze redukovat v určité oblasti výkonu pomocí přivádění výfukových plynů do sacího traktu. Indikace chybové kontroly upozorňuje řidiče na závady relativní pro emise [1].

14

5.

Závěr:

Je zřejmé že výrobci současných automobilů již dnes vyvíjejí dokonalejší motory, které se vyznačují nízkou spotřebou a ještě nižší produkcí škodlivin obsažených ve výfukových plynech [13]. Současně také dochází ke zlepšování jízdního chování, především v teplém chodu a přechodových stavech motoru [2]. Všechna současně používaná opatření, jsou díky neustálému snižování předepsaných hodnot škodlivých látek modernizována a zdokonalována.

15

Seznam použitých informačních zdrojů: [1] Vlk, F. Automobilová technická příručka. Brno: Nakladatelství a vydavatelství VLK, 2003. 791 s. ISBN 80-238-9681-4. [2] Vlk, F. Elektronické systémy motorových vozidel 1. Brno: Nakladatelství a vydavatelství VLK, 2002. 298 s. ISBN 80-238-7282-6. [3] Petrás, Z., Růžička, A. Měření emisí. Praha: Robert Bosch, 1997. 62 s. [4] Petrás, Z., Troníček, J., Růžička, A. Mono-Monotronic. Praha: Robert Bosch, 1996. 30 s. [5] Patrik, M. Účinky dopravy na životní prostředí a zdraví obyvatel v ČR [online]. c1995, [cit 2004-03-10]. Dostupné z: . [6] Ferenc, B. Směs a její spalování [online]. c2000, [cit. 2004-03-10]. Dostupné z: . [7] Aerodynamika vozidel [online]. [cit. 2004-03-10]. Dostupné z: . [8] Frenc, B. Snížení spotřeby a emisí CO2 - přeplňované motory [online]. c2001, [cit. 200403-10]. Dostupné z: . [9] Frenc, B. Elektronika a zážehové motory II vyd. [online]. c1999, [cit. 2004-03-10]. Dostupné z: . [10] Vaculík, M. Přímé vstřikování benzínu [online]. c2000, [cit. 2004-03-10]. Dostupné z: . [11]Audi lexikon, Recirkulace výfukových plynů [onlline]. [cit. 2004-03-10]. Dostupné z: . [12] Ferenc, B. Elektronika a zážehové motory [online]. c1998, [cit. 2004-03-10]. Dostupné z: . [13] Proces spalování zážehových a vznětových motorů [online]. [cit. 2004-03-10]. Dostupné z: .

16

Připomínky: Předmět zprávy ani název souboru nejsou podle pokynů Chybí souhlas se zveřejněním Drobné formální chyby (ofeliny (CO) Jeho hmotnost je vyšší než hmotnost vzduchu a v důsledku toho je shromažďován u podlahy??? „kyselí déšť“ Zastaralé údaje! Olovo – Pb Je přidáváno do paliva jako antidetonátor. V roce 1994 bylo v ČR spotřebováno 24 % bezolovnatého benzínu z celkové spotřeby 1 230 tisíc tun benzínu, oproti tomu v roce 1989 šlo pouze o 0,3 % z 1 205 tisíc tun benzínu [5] Jednotky! (30 až 100 barů) Chybně použité odborné termíny ( sinitrování vzácných kovů) neopravené překlepy, prohřešky proti pravidlům počítačové typografie Nevhodné formulace, které neodpovídají odbornému stylu Práce po obsahové stránce vcelku dobrá, obsahuje mnoho formálních chyb hodnocení: nezveřejňuje se 21. 4. 04 JM

17