Vliv emisí v automobilové dopravě na životní prostředí a způsoby jejich snižování

Dopravní fakulta Jana Pernera, Univerzita Pardubice II. ročník (obor DP-SV), st. skupina 27 Zrzavý Aleš, Svoboda Tomáš pracovní skupina 2

Vliv emisí v automobilové dopravě na životní prostředí a způsoby jejich snižování Prohlášení: Prohlašujeme, že předložená práce je naším původním autorským dílem, které jsme vypracovali samostatně. Literaturu a další zdroje, z nichž jsme při zpracování čerpali, v práci řádně citujeme. Anotace V naší semestrální práci jsme se zabývali problémem vlivu emisí z dopravy, vlivem výfukových plynů na člověka a snižování těchto škodlivých látek u zážehových motorů přídavnými zařízeními – katalyzátory a lambda sondou, jejíž pomocí se dbá na správnou činnost motoru (katalyzátoru). Klíčová slova – výfukové plyny, emise, katalyzátor, lambda sonda. Úvod Motory jsou hnací stroje přeměňující dodávanou energii na mechanickou energii schopnou konat práci. Zdrojem energie tepelných motorů je teplo vznikající spalováním paliv – ropy, benzinu, plynu nebo uhlí. Práce vykonávaná motorem se využívá mnoha různými způsoby: pohání jiné zdroje, vyrábí elektrický proud, čerpá vodu nebo pohání vozidla jako automobily, lokomotivy, lodě či letadla. První použitelné tepelné motory se objevily v 18. století a vyráběly spalováním uhlí páru v kotli. V tomto typu motoru se zdroj tepla nacházel mimo motor a je znám jako motor s vnějším spalováním (parní stroj a parní turbína). První spalovací motory se objevily již na počátku 19. století. V roce 1801 zahájil Francouz Philippe Lebon pokus se spalovacím motorem na svítiplyn. Patent na spalovací motor obdržel již roku 1807 Švýcar Isaac de Rivaz. Od 2. poloviny 19. století můžeme sledovat praktické uplatnění spalovacích motorů s pozitivními i negativními důsledky pro člověka [3]. V současné době dochází ke stále většímu zpřísňování zákonných předpisů o imisních a emisních hodnotách škodlivých látek a hluku. Vzhledem k širokému použiti spalovacích motorů jako zdrojů mechanické energie se předpisy o emisích škodlivin zaměřuji s velkým důrazem právě na tuto oblast. Kromě toho je kladen důraz i na sníženi spotřeby ušlechtilých paliv. Zákonodárce svými předpisy nutí výrobce spalovacích motorů a jejich příslušenství ke značnému úsilí, pokud chtějí splnit kladené požadavky. Příslušenství spalovacích motorů výraznou měrou ovlivňuje nepříznivé dopady provozu spalovacích motorů na životní prostředí. Je to však oblast značně široká, která zahrnuje řadu vědních oborů. Prudký rozvoj palivových systémů a likvidaci škodlivých exhalací ve výfukových plynech spalovacích motorů umožnil nástup elektroniky a dalších vědních oborů. Svými výfuky vypouští auta do ovzduší velké množství jedovatých plynů, které s rostoucím počtem vozidel stále více ohrožují lidské zdraví.To i v případě, že automobil má katalyzátor,

1

neboť ten začne fungovat až po určitém počtu ujetých kilometrů a tohoto počtu mnozí řidiči při své cestě po městě vůbec nedosáhnou. Přesto jedním z významných prostředků jak tyto emise snižovat a být šetrnější k životnímu prostředí je právě již zmiňovaný katalyzátor. V dnešní době je to nejúčinnější cesta k čištění výfukových plynů produkovaných spalovacími motory. Poprvé byl katalyzátor zaveden v USA a Japonsku koncem sedmdesátých let. V dnešní době jsou všechny moderní automobily se zážehovými motory vybaveny regulovaným třícestným katalyzátorem. Při dnešním způsobu života zajišťuje z velké části nutnou mobilitu. Teoreticky to vše lze nahradit veřejnou dopravou, ale jen teoreticky. V praxi to znamená neúnosně zvýšenou fyzickou a časovou zátěž, hlavně pro starší lidi. Radikální zákaz, navíc bez podstatného kladného efektu pro životní prostředí, by pro většinu těchto lidí znamenal výrazné, a zároveň zbytečné, zhoršení kvality života. 2. Spalovací motory a spalování 2.1. Palivo a spalování Palivo pro zážehové motory se skládá ze sloučenin uhlovodíků, které obsahují přísady organických komponentů a aditiv, zlepšujících vlastnosti paliva. Při spalování dojde k rozdělení uhlovodíků na uhlík a vodík a jejich následnému sloučení s kyslíkem z nasávaného vzduchu. Při běžných podmínkách obsahuje vzduch 21 % kyslíku. Při ideálním spalování je se vzduchem smícháno přesně potřebné množství paliva tak, aby došlo k jeho oxidaci kyslíkem, který je obsažen v nasávaném vzduchu. Při ideálním, úplném spalování by nevznikly žádné škodlivé látky, nýbrž oxid uhličitý a vodní páry (obr. 1).

Dusík N2 14,7 kg vzduchu

Uhlovodíky C 1 kg benzínu

Dusik N2 15,7 kg emisí

Obr. 1 Sloučeniny vznikající při spalování [2]

V reálném procesu spalování však kromě neškodlivých látek – dusíku (N2), vodní páry (H2O) a oxidu uhličitého (CO2) vznikají produkty neúplného spalování – oxid uhelnatý (CO), částečně nespálené uhlovodíky (HC), oxidy dusíku (NOx), oxid siřičitý (SO2) a saze. Škodlivé látky tvoří ve výfukových plynech objemově přibližně 1 % (obr.2).

Obr. 2 Složení výfukových plynů u zážehových motorů (v %) [2]

2

Vznik škodlivých látek souvisí výrazně s procesem spalování a použitým palivem. Teplota směsi vzniklá při kompresi nesmí být tak vysoká, aby došlo k samozapálení směsi. Náklonnost paliva k samozapálení charakterizuje oktanové číslo. Čím vyšší je oktanové číslo paliva, tím vyšší je zároveň jeho odolnost proti klepání. Základní charakteristické veličiny a prvky procesu spalování zážehového motoru jsou uvedeny v tab. 1. Příprava směsi Zapalování Spalování Kompresní poměr Kompresní tlak Nejvyšší tlak při hoření Nejvyšší teplota při hoření Teplota při kompresi Teplota výfukových plynů Odevzdaná užitečná práce Spotřeba paliva Bod zápalnosti paliva Teplota samovznícení Běžné otáčky

vnější cizí při konst.objemu 7 – 12:1 cca.18 bar cca.60 bar cca. 2 000 °C cca. 400 °C cca. 1 000 °C cca.do 25 % 300 – 380 g/kWh min. -21 °C cca. 500 °C 4 500-6 500 /min

Tab.1 Charakteristické veličiny při spalování zážehového motoru [2]

2.2. Stechiometrický směšovací poměr Zážehový spalovací motor potřebuje ke svému provozu určitý poměr paliva a vzduchu. Ideální teoretické spalování probíhá při hmotnostním poměru vzduchu a paliva 14,7 : 1. Ten je označován jako Stechiometrický směšovací poměr. Při různých provozních podmínkách motoru je ale nutné provádět korekci směšovacího poměru. Jestliže se Stechiometrický poměr přepočte z hmotnostního na objemový, pak je třeba ke spálení 1 litru paliva asi 10 000 litrů vzduchu, což je 10 m3. 2.3. Součinitel přebytku vzduchu Hodnota λ (lambda) určuje odchylku skutečného poměru vzduchu a paliva od ideálního teoretického poměru (14,7 : 1). Bezrozměrné číslo lambda (hodnota lambda) charakterizuje složení směsi a je dáno poměrem přivedené hmoty vzduchu k teoreticky potřebné hmotě vzduchu pro stechiometrické spalování (obr.3). λ = 1: přiváděná hmota vzduchu odpovídá teoretické potřebě λ < 1: bohatá směs s přebytkem paliva, při maximálním výkonu se hodnota λ rovná přibližně 0,85 až 0,95 λ > 1: chudá směs s přebytkem vzduchu, λ = 1,05 až 1,3 charakterizuje sníženou spotřebu paliva a nižší výkon λ > 1,3: směs již není schopna zapálení, dochází ke značně neklidnému chodu motoru s vynecháváním zápalů [2]

3

Obr. 3 Složení směsi zážehových motorů [2]

2.4. Spotřeba paliva a výkon Specifická spotřeba paliva zážehového motoru je významně ovlivněna směšovacím poměrem paliva a vzduchu. Pro reálné úplné spalování a zároveň co možná nejmenší spotřebu paliva je třeba určitého přebytku vzduchu. Tomu jsou ale stanoveny hranice, dané zápalností směsi a dobou hoření. Zážehové spalovací motory dosahují nejvyššího výkonu při 5 až 15 % přebytku paliva (λ = 0,95 až 0,85), nejnižší spotřeby paliva při 10 až 20 % přebytku vzduchu (λ = 1,1 až 1,2) a bezproblémový volnoběh při λ = 1. Z toho je patrné, že neexistuje žádná hodnota λ, při které by všechny faktory měly zároveň příznivou hodnotu [2]. U současných spalovacích motorů leží nejnižší spotřeba paliva při směšovacím poměru přibližně 15 až 18 kg vzduchu k 1 kg paliva. 2.5. Příprava směsi Motor vozidla běží většinu času v oblasti částečného zatížení a proto jsou motory konstruovány tak, aby v této oblasti dosáhly nejmenší spotřeby paliva. Pro další provozní oblasti, jako volnoběh nebo plné zatížení, je příznivější bohatší směs. Systém přípravy směsi musí být schopen splňovat tyto variabilní požadavky. Pro průběh spalování je rovněž důležitá homogenita směsi. Aby jí bylo dosaženo, musí dojít k dobrému rozprášení paliva s co možná nejmenšími kapičkami paliva. S přípravou směsi je rovněž spojeno její rozdělování. U motorů karburátorových dochází při plném zatížení velmi často k usazování větších kapiček paliva na stěnách sacího potrubí a plnění jednotlivých válců je potom velmi náhodné. To má negativní vliv na hodnoty škodlivých emisí, stoupá objemový obsah CO i hodnota HC. Kromě toho klesá výkon a zvyšuje se spotřeba paliva. Moderní vstřikovací systémy, které vstřikují palivo přímo před vstřikovací ventily, mají zvláště příznivé stejnoměrné rozdělování směsi. Sacím potrubím je dopravován pouze vzduch a palivo je odměřováno vstřikovacími ventily velmi přesně jednotlivým válcům. Kromě hodnoty poměru paliva se vzduchem jsou škodlivé emise výfukových plynů výrazně ovlivněny správným okamžikem zážehu.

4

3. Škodliviny ve výfukových plynech spalovacích motorů Celková míra znečištění ovzduší, vyvolaná civilizačním působením člověka, se stále více projevuje porušováním biologické rovnováhy. Zvýšené ekologické povědomí a zákonodárnými předpisy stanovené hraniční hodnoty zdraví škodlivých látek v ovzduší vyvolávají nutnost vývoje spalovacích motorů směrem ke snížení emisních hodnot jedovatých a mutagenních látek ve výfukových plynech. Jejich emise ve výfukových plynech spalovacích motorů (užívaných především v silniční dopravě) se významnou měrou podílí na zhoršení životního prostředí. Nebezpečnost a jedovatost škodlivých látek a jejich působení na člověka jsou rozhodující pro stanovení hraničních hodnot. Zde rozlišujeme maximální povolené obsahy škodlivin ve vzduchu, které např. při osmihodinové expozici (pracovní prostředí) nevyvolávají zdravotní potíže a maximální imisní koncentrace při dlouhodobé expozici. Příklad stejné škodlivosti v diagramu koncentrace – čas pro oxid uhelnatý je uveden (obr.4) s vyznačením maximálních přípustných koncentrací při osmihodinové expozici.

Obr. 4 [1]

Koncentrace škodlivých látek se udává v objemových % nebo v jednotkách ppm (parts per milion). Emise škodlivých látek ze zdroje se podle účelu a místních zvyklostí někdy udává v jednotkách [g/h], [g/km], [g/mile], [g/kWh], [g/kg paliva]. Při spalování uhlovodíkových paliv ve spalovacím motoru vlivem nemožnosti dokonalého spalování vznikají škodliviny, které jsou výfukovými plyny emitovány do ovzduší: oxid uhelnatý CO, oxidy dusíku – označované obecně NOx (oxid dusnatý NO, v malé míře oxid dusičitý NO2 a oxid dusný N2O), chemicky velmi různorodou skupinu nespálených uhlovodíků s rozdílným působením na organismus CmHn, oxid siřičitý SO2 (ve spojení s vodou vytváří kyseliny), halogenidy olova Pb, pevné částice velmi malých rozměrů (řádově µm) – saze a anorganické látky, které jsou nosiči nespálených uhlovodíků. Škodlivost je závislá na místě působení a nebezpečí vzniku vyšších lokálních koncentrací. Největší pozornost se věnuje emisím CO, NOx, CmHn, u vznětových motorů navíc tvorbě částic. Kromě toho se věnuje stále větší pozornost látkám, které nepůsobí přímo jako jedovaté látky, ale projevují se globálně – např. skleníkový efekt CO2, který navíc zesiluje působení CO. 5

Koncentrace škodlivin ve výfukových plynech jsou závislé především na součiniteli přebytku vzduchu λ. Typické průběhy hlavních škodlivin na λ u zážehového motoru jsou uvedeny na obr. 5. U zážehového motoru se současně vyskytují minima průběhů CO a CmHn a maximum NOx v poměrně úzkém rozsahu přebytku vzduchu. To je také důvodem nesnadného řešení škodlivých exhalací. U vznětových motorů jsou ve srovnání se zážehovými vyšší přebytky vzduchu, nižší teploty výfukových plynů a nižší emise hlavních škodlivin. S klesajícím λ však vlivem horší homogenizace směsi roste množství sazí.

Obr. 5 Složení emisí v závislosti na hodnotě lambda [2]

3.1. Mechanismus tvorby hlavních škodlivin Průběh spalování ve spalovacích motorech je velice složitý děj, který je v každém okamžiku ovlivňován právě existujícími koncentračními, teplotními a proudovými poli. Jednodušší je posouzení podmínek u motorů, spalujících homogenní jednofázové směsi. 3.1.1. Oxid uhelnatý CO - bezbarvý, jedovatý plyn, bez zápachu, těžší než vzduch (shromažďuje se u podlahy, což je velmi nebezpečné např. v montážních jámách) Vzniká především u zážehových motorů nedokonalým spalováním při nedostatku kyslíku (λ < l). C + 1/2 O2 → CO Při snížení teploty částečně oxiduje na CO2 (reakce vodní plyn) podle rovnice CO + H2O → CO2 + H2 Proběh reakcí závisí na molárních koncentracích látek, teplotě a úrovni aktivační energie. U chudých směsí (λ > l) vzniká CO především disociací CO2 při spalování.

6

V průběhu expanze klesá koncentrace CO při reakci podle rovnice CO + 1/2 O2 → CO2 S klesající teplotou se reakce zpomalují a při teplotách pod ≈ 1700 °C „zamrzají“ s konzervací obsahu CO ve výfukových plynech [1]. Oxid uhelnatý se rychle vstřebává v plicích a přechází do krve, kde se váže na hemoglobin za vzniku karboxyhemoglobinu a tím znemožňuje okysličování krve v plicích. Schopnost hemoglobinu vázat se na oxid uhelnatý je asi 240x vyšší než schopnost vázat se na kyslík. Jestliže je karboxyhemoglobin přítomen v krvi, dále se zhoršuje zásobování tkání kyslíkem, protože je narušena schopnost hemoglobinu uvolňovat navázaný kyslík. Vstřebávání oxidu uhelnatého hlavně závisí na: množství CO ve vdechovaném vzduchu, intenzitě tělesné námahy, velikosti těla, stavu plic a barometrickém tlaku. Maximální doporučené přípustné koncentrace CO: 100 mg/m3 do max. 15 minut 60 mg/m3 do max. 30 minut 30 mg/m3 do max. 60 minut 10 mg/m3 do max. 8 hodin [3] Důsledkem účinku působení CO na člověka je snížení transportu kyslíku ke tkáním – tím jsou nejvíce postiženy na něm závislé orgány – srdce, centrální nervová soust., zárodek v děloze. Jsou známy tyto čtyři typy zdravotních vlivů při expozici CO: neuropsychické, srdečně-cévní, na srážlivost krve a na plod matky. Z těchto zdravotních vlivů jsou lidé se srdečně-cévní chorobou jedny z nejcitlivějších na působení CO. Příznaky otravy oxidem uhelnatým jsou bolesti hlavy a závrať (při hladině 10 – 30 % karboxyhemoglobinu) až silné bolesti hlavy, srdeční obtíže a malátnost (nad 30 %). Při hladině nad cca 40 % je značné riziko komatu a smrti. Působení oxidu uhelnatého na matku může rovněž poškodit plod vyvíjející se v jejím těle, snížit porodní hmotnost dítěte a zpomalit jeho vývoj po narození. 3.1.2. Nespálené uhlovodíky CmHn Nespálené uhlovodíky se tvoří v místech s nízkou teplotou plamene a s pomalou rychlostí hoření vlivem příliš bohaté nebo chudé směsi. Vznikají v lokálních místech spalovacího prostoru, především ve štěrbinách a v blízkosti stěn, kde jsou nízké teploty plamene. V těchto zónách vznikají částečně oxidované nebo krakované uhlovodíky. Lokální výskyt koncentrace CmHn v závislosti na vzdálenosti od stěny spalovacího prostoru má přibližně hyperbolický charakter. Kromě nedokonalého hoření paliva je příčinou obsahu nespálených uhlovodíků i pronikání motorového oleje do spalovacího prostoru netěsnostmi (typický modrý kouř při špatné funkci pístních kroužků). Při dostatku kyslíku a vysoké teplotě mohou nespálené uhlovodíky v průběhu expanze nebo ve výfuku dohořívat. Všechny škodliviny, ale především emise CmHn jsou rozhodujícím způsobem ovlivněny způsobem tvorby směsi, průběhem hoření, tvarem spalovacího prostoru, teplotou spalovacího prostoru (u CmHn příznivý vliv vyšší teploty). U zážehových motorů se zvyšuje koncentrace CmHn při přibližování směšovacího poměru k mezím zápalnosti v oblasti chudé směsi. U tzv. chudých koncepcí se posouvá do oblastí vyšších součinitelů přebytku vzduchu.

7

Výfukové plyny obsahují různé druhy nespálených uhlovodíků: - Nasycené uhlovodíky (parafiny) jsou téměř bez zápachu, mají ale narkotický účinek a slabě dráždí pokožku. - Nenasycené uhlovodíky (olefiny, acetylény) mají lehce nasládlou vůni a slabě dráždí pokožku. Významně se podílí na tvorbě smogu a mají vliv na ozón O3. - Aromatické uhlovodíky mají charakteristický zápach. Jsou to nervové jedy s narkotickým a rakovinotvorným účinkem. Vznětové motory vzhledem k vysokým přebytkům vzduchu nedosahují při provozní teplotě motoru tak vysokých hodnot koncentrací emisí CmHn jako zážehové. 3.1.3. Oxidy dusíku NOx Oxid dusnatý – NO – bezbarvý plyn, na vzduchu oxiduje na oxid dusičitý NO2. NO2 je hnědočervený plyn se silným zápachem, silně jedovatý, dráždí plíce a pokožku, leptá tkáň. Podílí se na tvorbě smogu. Vznik oxidu dusnatého NO je do značné míry závislý na výši teploty. Jeho tvorbu můžeme popsat Zeldovičovou řetězovou reakcí se zřejmou vazbou na oxidační reakce uhlovodíků se vznikem hydroxylového radikálu OH. Reakce mohou probíhat i obráceně v závislosti na okamžitých koncentracích volných radikálů N, O, H a teplotě reakce. K průběhu reakcí je zapotřebí vysokých teplot (1900 až 2000) °C. Naštěstí tato reakce probíhá tak pomalu, že se mnohdy nedosáhne rovnovážné koncentrace. Při teplotách okolo 1900 °C reakce „zamrzají“ [1]. Nejvyšších teplot spalování se dosahuje u mírně bohatých směsí, podmínkou vysokých hodnot NOx je však kromě teploty i dostatečně vysoký obsah kyslíku. Při stoupajícím součiniteli přebytku vzduchu λ je k dispozici více kyslíku, což z počátku převládá nad klesající teplotou. Proto je maximum výskytu NOx při λ = 1,1. Produkce NOx souvisí také s charakterem spalování – jednorázová homogenní směs, byť s lokálně se vyskytujícími rozdílnými koncentracemi, produkci významně zvyšuje. To je typické pro zážehové motory. Emise NO jsou vysoké a emise NO2 velmi nízké. U vznětových motorů je výskyt NOx nižší ve srovnání se zážehovými motory. Důvodem je větší přebytek vzduchu. S rostoucím přebytkem vzduchu jejich koncentrace klesá vlivem zředění přebytečným vzduchem a poklesem spalovacích teplot. Horní cesty dýchací zadrží NO2 jen minimálně, a tak se přes plíce dostává do krve a následně se vylučuje v moči. V krvi i v moči se NO2 zjišťuje ve formě dusitanů a dusičnanů. Nepříznivé účinky NOx v plicích sahají od mírných zánětlivých reakcí ve sliznici dýchacích cest přes záněty průdušek a plic při nízkých koncentracích až po akutní otok plic při vysokých koncentracích. Oxidy dusíku způsobují asi jednu třetinu okyselení dešťových srážek a jsou hlavním indikátorem znečištění ovzduší dopravou (spolu s oxidem uhelnatým). 3.1.4. Oxid siřičitý - SO2 - štiplavý, páchnoucí a bezbarvý plyn, představuje jen menší část automobilových emisí. Každé palivo ale obsahuje určité množství síry, proto se stále pracuje na jejím úplném odstranění, protože se při spalování přeměňuje na oxid siřičitý SO2. Ten tvoří kyselé deště, a tím poškozuje zejména lesní porosty.

8

Vdechovaný SO2 je vysoce rozpustný ve vodním povrchu dýchacího systému, a proto se vstřebává v nose a v horních cestách dýchacích, kde se projevuje jeho dráždivý vliv. Částečně se dostává do plic. Z dýchacího ústrojí vstupuje do krve a vylučuje se převážně močí. Vysoké koncentrace mohou vedle dráždění horních cest dýchacích způsobovat otok hrtanu a plic. 3.1.5. Sloučeniny olova Obsah olova ve výfukových plynech je dán jeho množstvím v palivu – takže i bezolovnaté benziny obsahují olovo, ale norma dovoluje maximálně 0,013 g/l. Sloučeniny olova jsou velmi jedovaté látky, které se dostávají do krve, kostní dřeně a nervového systému. Zabraňují okysličování buněk. Když se přidával tetraethylolova jako antidetonátor do autobenzínů, byl z 80 – 90 % zdrojem olova ve vzduchu. Přibližně 1 % olova z benzínu se dostávalo do vzduchu nezměněno jako tetraethylolovo, především odpařováním z motorů a z nádrží paliva. Plícemi se vstřebává rychle, prakticky 100 %, a je přeměňováno zejména játry na triethylolovo, které je ještě jedovatější. Většina olova ve vzduchu se vyskytuje v jemných částečkách (menších než 10 tisícin milimetru). V plicích dospělé osoby se zachytí 20 – 60 % vdechnutých částic. Dětský organismus vstřebá až 2,7x více olova na kilogram své váhy než dospělý, a proto jsou děti více ohroženy. Z potravy se u dospělých do těla vstřebává 10 – 15 % olova, kdežto u dětí 40 – 50 %. 3.1.6. Emise částic Částicemi rozumíme jednak pevné částice – saze a popel (v malé míře prach, rez, otěr), a jednak kapalné částice – uhlovodíky a sulfáty. Saze se tvoří při spalování neodpařených kapek paliva v prostředí s vysokou teplotou a při extrémně nízkých lokálních hodnotách přebytku vzduchu. Dochází k polymerizaci uhlovodíků odštěpením makromolekul bohatých na uhlík. Tvorba sazí se zvětšuje s klesajícím přebytkem vzduchu. Znalosti o chemických pochodech při tvorbě sazí a částic jsou doposud neúplné a jednoznačná definice dosud neexistuje. Snižování emise částic je zatím věcí měření jejich výskytu a analýzy měření. Pro lepší představu je uveden příklad jejich typického složení: 41 % - uhlík, 25 % - nespálený olej, 14 % - sulfáty a voda, 7 % - nespálené palivo, 13 % - zbytek. U motorů pracujících s homogenní směsí je produkce částic nevýznamná, nejvíce se podílí popel ze spalovaného mazacího oleje. Největší nebezpečí při vdechování prachových částic představují různorodé nebezpečné látky, jenž se s těmito částicemi spojují – např. polyaromatické uhlovodíky, těžké kovy apod. 4. Katalytické reaktory Již řadu let se používají v různých technologických zařízeních v chemickém průmyslu. Chemicky je katalyzátor látka, která ovlivňuje průběh reakce aniž se jí zúčastňuje. Katalyzátor není tedy žádný filtr, který zachycuje nečistoty, ale působí svojí přítomností. Od prvního nasazení oxidačních katalyzátorů pro automobily v USA asi před 20 lety se technika katalyzátorů silně změnila. Katalyzátorem jsou vrstvy drahých kovů, které vyvolávají reakci nedokonalých produktů hoření se zbytkovým kyslíkem a oxidy dusíku. Pro urychlení oxidačního procesu se nejčastěji používá platina, příp. paladium, redukční proces urychluje rhodium, příp. ruthenium nebo osmium. Kromě uvedených kovů je možno použít

9

podle požadované reakce oxid měďnatý (CuO), oxid nikelnatý (NiO) aj., – málo se používají, neboť ve srovnání se vzácnými kovy vykazují nižší trvanlivost za vysokých teplot a pomalejší reakci. Selektivnost katalyzátoru ve vztahu k procesu neutralizace škodlivin je schopnost urychlit určitou reakci tak, aby výsledkem reakce byly netoxické látky. Platina i paladium mají dostatečně vysokou selektivitu, selektivita rhodia je ještě vyšší. Katalyzátory jsou poměrně efektivní metodou ke snížení škodlivých látek ve výfukových plynech. Na začátku 80. let byl podíl automobilů s katalyzátorem zanedbatelný, dnes již prakticky ve všech vyspělých zemích je výroba automobilů bez katalyzátoru nemyslitelná. Důvodem je stále přísnější emisní zákonodárství. Hlavní výhody katalytických reaktorů, které vedly k jejich většímu uplatnění jsou: - snížení reakční teploty, s tím souvisí nižší tepelné zatížení a skutečnost, že účinek probíhajících reakcí v reaktoru není již tak rozhodujícím způsobem závislý na teplotě, - zvýšení reakční rychlosti při srovnatelné teplotě, - činnost reaktoru v širším rozmezí provozních režimů motoru, - do jisté míry méně náročné připojení katalyzátoru k motoru. Snižování emisí jednotlivých základních škodlivin je závislé na provedení katalyzátoru a na podmínkách, za kterých je provozován. Podle provedení rozlišujeme katalyzátory: - oxidační, snižování CO a CmHn - redukční, snižování NOx - kombinované, snižování všech základních tří škodlivin. Probíhající reakce jsou prakticky všechny exotermické a mohou za optimálních podmínek po překročení aktivační hranice proběhnout na konečné produkty. 4.1. Oxidační katalyzátor Dále uvedené reakce mohou probíhat pouze při dostatku kyslíku ve výfukových plynech. Buď spalujeme chudou směs se součinitelem přebytku vzduchu λ > l, nebo je třeba před katalyzátor vefukovat přídavný vzduch. 2 CO + O2 → 2 CO2 CmHn + (m + n/4) O2 → m CO2 + n/2 H2O 2 H2 + O2 → 2 H2O [1] Rychlost průběhu skutečné reakce je ovlivněna přítomností H2O, CO2, CO ve výchozím stavu. Výrazný vliv na průběh reakcí mají koncentrace reagujících složek, teplota a prostorová rychlost výfukových plynů. Značný vliv má vzdálenost komory od výfukových ventilů. Z hlediska rychlého náběhu činnosti komory je výhodné umístění co nejblíže k ventilům. Zvyšuje se tím však riziko přehřátí při vyšším obsahu CO ve výfukových plynech a při vysoké teplotě spalin za motorem. Rozhodující je náběh na pracovní teplotu katalyzátoru po startu studeného motoru. Např. po pěti minutách od zahájení předepsaného testu je při umístění katalyzátoru bezprostředně za sběrným potrubím vnitřní teplota katalyzátoru ≈ 900 °C, při běžném podpodlahovém umístění (70 až 80 cm dále) ≈ 400 °C.

10

4.2. Redukční katalyzátor Redukční reakce mohou probíhat naopak pouze při nedostatku kyslíku ve výfukových plynech. To znamená při spalování bohaté směsi a za přítomnosti redukčních komponent CO a H2. 2 NO + 2 CO → N2 + 2 CO2 2 NO + 2 H2 → N2 + 2 H2O Při redukci může v případě nedostatečné aktivity katalyzátoru docházet k vývoji nežádoucího jedovatého čpavku při reakci s nedokonalým produktem spalování H2 (výskyt reakce závisí také na katalyzačním materiálu). 2 NO + 5 H2 → 2 NH3 + 2 H2O U dvoulůžkového katalyzátoru (obr. 6 C) může docházet k následné oxidaci čpavku ovšem se zpětným tvořením NO. Čpavek však za určitých podmínek může rovněž redukovat NO podle rovnic: 4 NO + 4 NH3 + O2 → 4 N2 + 6 H2O 6 NO2 + 8 NH3 → 7 N2 + 12 H2O [1] - tedy vždy za přítomnosti kyslíku. Toho se někdy využívá u stacionárních motorů s přesným dávkováním čpavku, vstřikovaného např. do válce na konci expanze těsně před otevřením výfukového ventilu nebo do výfukového traktu. Tento princip se nazývá selektivní katalytická redukce – SCR. Je zřejmé, že u chudých směsí při λ > l není možná redukce oxidu dusnatého, neboť ve výfukových plynech je k dispozici volný kyslík. Dochází k oxidaci vzdušným kyslíkem na oxidy dusíku. Při zajištění velmi úzkého rozsahu součinitele přebytku vzduchu v okolí λ = l je možno neutralizovat všechny tři základní škodliviny. To je princip tzv. trojcestných katalyzátorů s regulací směšovacího poměru pomocí elektrického signálu z čidla obsahu kyslíku ve výfukových plynech ( λ-sonda). Základní principy katalytického čištění výfukových plynů jsou uvedeny na obr.6. První katalyzátory byly jednokomorové oxidační – obr. A. V případě spalování bohatých směsí bylo nutné přivádět přídavný vzduch před komoru katalyzátoru v množství podle bohatosti směsi. Emise oxidů dusíku zůstávali neovlivněny. Pro splnění zákonných emisních limitů je nutná kombinace oxidačního katalyzátoru s recirkulací výfukových plynů – obr. B. Na obr. C je schéma neřízeného dvoulůžkového katalyzátoru se sériovým řazením redukčního a oxidačního katalyzátoru. Tento systém pracuje s bohatou směsí. V prvním katalyzátoru dochází především k redukci NOx (může být použit i třícestný katalyzátor), před druhý katalyzátor se přivádí přídavný vzduch, a tím je zajištěn vzdušný kyslík pro proběhnutí oxidace CO a CmHn ve druhém katalyzátoru. V současné době se stále více upřednostňují řízené jednokomorové třícestné katalyzátory s oxidačně-redukčním účinkem. Používaný název třícestný není příliš vhodný, protože se nejedná o tři oddělené cesty, ale znamená neutralizaci všech tří hlavních škodlivin. Rovněž je možno se setkat s nesprávným označením oxidačního katalyzátoru jako dvoucestného (eliminace CO a CmHn). Škodliviny u třícestného katalyzátoru jsou silně závislé na součiniteli přebytku vzduchu a na vytvoření aktivní hmoty.

11

Obr. 6 Základní principy čištění výfukových plynů [1]

Příznivého účinku je dosaženo v rozsahu λ = (0,98 až l). Vyžaduje se však ještě užší rozsah, což lze docílit pouze při uzavřeném regulačním okruhu s řízením směšovacího poměru prostřednictvím λ-sondy. Takto přísný požadavek lze splnit u vstřikových motorů, u elektronicky řízených karburátorů s tvořením směsi v difuzoru obvykle nelze tak úzké λ-okno docílit. Výsledek působení třícestného katalyzátoru je zřejmý z obr. 7. Křivky „a“ znázorňují koncentraci emisí základních škodlivin před katalyzátorem, křivky „b“ za katalyzátorem. To je ovšem idealizovaný případ činnosti katalyzátoru. Stupeň konverze je závislý rovněž na pracovní teplotě katalyzátoru. Pracovní rozsah katalyzátoru uvádíme na obr. 8. Až do dosažení teploty 250 °C neprobíhá žádná reakce a katalyzátor je neúčinný. To odpovídá stavu krátce po startu studeného motoru v délce trvání (30 až 90) s. Pracovní rozsah je v rozmezí teplot (250 až 800) °C. Při nižších teplotách, přibližně do 600 °C, se silněji projevuje zanášení aktivní hmoty katalyzátoru – tzv. „otrávení“ – s pomalým termickým stárnutím. V rozsahu teplot (600 až 800) °C se snižuje zanášení katalyzátoru, ale zvyšuje se termické stárnutí. V přechodové oblasti se termické stárnutí zesiluje a s dalším zvyšováním teploty dochází k postupné destrukci katalyzátoru podle obr. 8 [1].

Obr. 7. Snížení škodlivin působením třícestného katalyzátoru [1]

12

Obr. 8. Tepelný rozsah činnosti katalyzátoru [1]

Katalyzátor je tedy neúčinný po studeném startu a méně účinný s rychlejším zanášením aktivní hmoty v městském provozu při stop-start systému, kdy dochází k podstatnému snížení teploty výfukových plynů. Rychlost ohřevu katalyzátoru je tedy velmi důležitá. Kromě množství a teploty protékajících výfukových plynů lze ovlivnit ohřev použitým materiálem a konstrukcí (tepelná kapacita, tepelná vodivost, tloušťka stěny). Při provozu katalytických reaktorů se setkáváme s následujícími problémy: - snížení účinnosti zanesením aktivní hmoty, tzv. „otrávení“ katalyzátoru např. přísadami olovnatých sloučenin do benzinu, - prodleva činnosti v závislosti na rychlosti ohřevu katalyzátoru na provozní teplotu, - výrazné tepelné stárnutí při teplotách okolo 1000 °C, v extrémních případech může dojít k propálení katalyzátoru, - zvýšený protitlak ve výfuku, zvýšená spotřeba paliva, - vysoká cena, která např. souvisí i s požadavkem na vyšší bezpečnost zapalování. V souvislosti se zavedením oxidačních katalyzátorů vznikl nový problém. Jedná se o emise malých částic při použití dmychadla přídavného vzduchu. Dochází k výraznějšímu nárůstu emisí malých částic ve srovnání s vozidly bez katalyzátorů – hlavně aerosol H2SO4. To vede k nutnosti minimalizovat množství přídavného vzduchu na nejmenší možnou míru, nutnou pro oxidaci CO a CmHn. 5. Technické provedení katalyzátorů Rychlost požadovaných reakcí v katalyzátoru je závislá na velikosti styku aktivní hmoty s reagujícími látkami a na prostorové rychlosti průtoku výfukových plynů katalytickou komorou. Ta se mění v širokém rozmezí v závislosti na velikosti obsahu komory, objemu motoru a provozním režimu motoru. Velikost katalyzátoru se určuje individuálně pro daný typ motoru. Nejprve shrneme základní požadavky na katalyzátory: 1) Vysoká chemická aktivita již při nižších teplotách výfukových plynů. Tento požadavek je zajištěn použitím ušlechtilých kovů – platiny, paladia a rhodia. V průběhu stárnutí dochází k zanášení pórů aktivní plochy. Nepříznivé působení olova v benzinu je tak významné, že si vynutilo používání benzinu bez olovnatých přísad. Maximálně přípustné množství olova je stanoveno hodnotou 0,0132 g/l benzinu (podle amerických předpisů 0,05 g/galon). Provoz s olovnatým benzinem již v množství odpovídající obsahu palivové nádrže může vést k výraznému snížení účinnosti katalyzátoru. Případnému omylu při tankování se zabraňuje menšími rozměry uzávěru palivové nádrže s odpovídajícím rozměrem tankovací pistole u čerpacích stanic. Při dodatečné montáži katalyzátoru na vozidlo se doporučuje provoz na 13

bezolovnatý benzin před vlastní montáží v množství odpovídající dvěma obsahům palivové nádrže k odstranění olovnatých přísad z palivového systému. Přísady olova zvyšují antidetonační vlastnosti benzinu. Důsledkem jejich absence bylo při zavádění katalyzátorů snížení kompresních poměrů u zážehových motorů. V současné době se již vyrábí benzin s dostatečně vysokým oktanovým číslem s přísadami, nezávadnými pro provoz katalyzátorů. Kromě olova se nepříznivě projevují nežádoucí příměsi fosforu a síry. Podobně se projevují rovněž přísady do mazacích olejů, jako jsou sloučeniny manganu, baria, zinku a vápníku. 2) Malý hydraulický odpor při velké činné ploše katalyzátoru. 3) Mechanická odolnost proti rázům a vibracím. 4) Vysoká tepelná odolnost, katalyzátor by měl pracovat s maximální stálou pracovní teplotou do 850 °C a vydržet krátkodobé tepelné špičky do 1050 °C. 5) Odolnost vůči náhlým změnám pracovní teploty. 6) Zachování chemické aktivity po dobu provozu 80 000 km. Katalytický reaktor je tvořen z plechového obalu a vlastní aktivní katalytické hmoty. S ohledem na vytvoření co největší plochy se aktivní hmota nanáší na vnější povrch chemicky inertních materiálů, které nazýváme nosiči. Podle provedení nosiče rozlišujeme sypané katalyzátory a monolitické keramické nebo kovové katalyzátory. 5.1. Sypané katalyzátory Tento typ se rozšířil především v USA a Japonsku, ale jejich význam klesá. V současné době mohou být ještě v provozu starší automobily s těmito katalyzátory. V Evropě se s ohledem na pozdější zavádění jednoznačně prosadily monolitické konstrukce. Příklad provedení sypaného katalyzátoru je uveden na obr. 9.

Obr. 9. Sypaný katalyzátor [1]

Jako nosič katalytické hmoty se nejčastěji používají kuličky o průměru (2 až 5) mm, případně slupky, granule nebo válcová tělíska. Tato keramická tělíska s nanesenou aktivní substancí na povrchu jsou vrstvena do nádobky z ocelového žáruvzdorného plechu s perforovaným povrchem. Nádobka je zavařena do výfukového potrubí. Se zmenšováním rozměrů tělísek se zvětšuje plocha aktivního povrchu a tím i stupeň neutralizace škodlivin. Rostou ovšem úměrně hydraulické odpory. Nevýhodou těchto katalyzátorů jsou materiálové ztráty otěrem, relativně vysoký hydraulický odpor a pomalý náběh na pracovní teplotu po studeném startu. Perspektivnější jsou katalyzátory s monolitickým nosičem, neboť vykazují menší tlakové ztráty, větší rychlost nárůstu teploty a vyšší odolnost vůči vibracím. 5.2. Keramický monolitický katalyzátor Zatím častější provedení monolitu jako nosiče aktivní hmoty je z keramického materiálu, který musí být přizpůsoben provozním podmínkám motoru. Nejčastěji se používá materiál s vysokou tepelnou odolností Magnesium-Aluminium-Silikát. Výfukové plyny procházejí kanálky, vytvořenými tenkými stěnami monolitického bloku. V příčném průřezu mají kanálky různý tvar, nejčastěji čtvercový nebo obdélníkový, jak je znázorněno na obr. 10. Hydraulický rozměr kanálků je (1 až 2) mm při tloušťce stěny ≈ 0,3 mm. Monolit se vyrábí v

14

kruhové, oválné nebo obdélníkové formě. V současné době mají katalyzátory 62 až 65 kanálků/cm2. To představuje podle velikosti katalyzátoru okolo 5 000 kanálků v příčném průřezu. Opět platí, že hydraulický odpor roste se zmenšováním rozměrů kanálků. Ani toto však ještě nestačí pro vytvoření dostatečně velkého vnitřního povrchu. Na nosič se nanáší další vrstva s obsahem ušlechtilých kovů pro urychlení redukce i oxidace. Tato vrstva je obvykle z porézního oxidu hliníku (Al2O3) a zvětšuje aktivní plochu až 7 000 krát (v literatuře se často označuje převzatým pojmenováním „wash-coat“). Teprve vzácné kovy, rozptýlené v nanesené vrstvě zaručují vlastní činnost katalyzátoru.

Obr. 10. Kanálky keramického monolitu [1]

Konkrétní provedení katalyzátoru je uvedeno na obr. 11 s monolitem kruhového tvaru.

Obr. 11. [1]

Keramický monolit je krajně citlivý na umístění v ocelovém obalu (podobného provedení jako tlumič výfuku). Proto se obaluje keramické těleso mezivrstvou, tvořenou nejčastěji drátěným nerezovým pletivem. Komora katalyzátoru je rovněž vyrobena z vysoce legovaného ocelového plechu. Výrobní tolerance musí počítat s rozdílnou dilatací nosiče a obalu, kterou vyrovnává právě zmíněná mezivrstva. Pro snížení tepelných ztrát je použita izolace z hliníku a silikátu. Je třeba věnovat značnou pozornost dokonalému utěsnění, aby co nejvíce výfukových plynů procházelo vlastní katalytickou hmotou. Vymezení axiální polohy keramického tělesa je zajištěno buď tvarováním pláště nebo případně vymezovacími kovovými kroužky. Velmi důležité je věnovat patřičnou pozornost přivádění výfukových plynů do katalyzátoru. Navedení proudu by mělo zajistit průtok nosičem tak, aby byl zatopen celý příčný průřez.

15

5.3. Kovový monolitický katalyzátor Až doposud se uplatňují v poměrně malé míře, přestože mají řadu výhod. Jejich širší zavedení je zatím limitováno vyšší cenou. Kovové monolity se od začátku 60.let začaly vyrábět obvykle jako spirální. Nosič je vyroben ve tvaru voštinového tělesa nejčastěji prostřídáním vlnitého a hladkého plechu tloušťky (0,05 až 0,07) mm se stálou snahou tloušťku ještě dále zmenšovat. Používá se materiálu s vysokou odolností vůči vysokým teplotám a korozí. Podobně jako u keramických nosičů se nanáší mezivrstva, obvykle z Al2O3, pro zvětšení povrchu. Toto zvětšení umožňuje dosáhnout velikost povrchové stykové plochy až 18 000 m2 na 1 l objemu monolitu. Výrazné zvětšení povrchu umožňuje mezivrstva, napékaná na nosič s hloubkovým nanesením aktivního materiálu. Vlastní katalyzátorový materiál – platina a rhodium se nanášejí v optimálním poměru 5 : 1. Celková potřebná hmota pro katalyzátor je (1 – 3 ) g. Ve srovnání s keramickými mají ocelové monolity tyto přednosti: → menší hydraulickou ztrátu ⇒ menší protitlak při srovnatelné účinnosti, a tedy menší negativní ovlivnění výkonu a spotřeby motoru → dosažení velké aktivní plochy při menším objemu, to zlepšuje při menších rozměrech zástavbové možnosti → přibližně poloviční tepelná kapacita a 10x větší tepelná vodivost kovu oproti keramice umožňují rychlejší dosažení pracovní teploty katalyzátoru a zmenšují nebezpečí roztavení → menší citlivost na mechanické rázy (keramika je křehká) Mají i své nevýhody, pro které zatím nedošlo k jejich výraznějšímu prosazení: → vyšší cena (dražší surovina) → tepelná koroze při teplotách nad 1100 °C → vysoká tepelná vodivost a nízká tepelná kapacita jsou oproti uvedené výhodě nevýhodné při městském stop-start provozu = rychlé ochlazování se zhoršenou účinností neutralizace škodlivin. Vzhledem k rychlejšímu ohřevu na pracovní teplotu se zkracuje doba náběhu činnosti po studeném startu motoru, a tím se významně snižují emise škodlivin v průběhu ohřevu motoru. Výsledky měření škodlivých exhalací podle certifikačních testů (např. FTP 75) ukazují na to, že v době ohřevu motoru je emitováno více než 80 % celkových emisí CO a CmHn, naměřených v celém testu. Výhodnějších vlastností kovových katalyzátorů se využívá u tzv. startovacích katalyzátorů, které jsou umístěny blízko u motoru, doplňkově k hlavnímu katalyzátoru, pro dosažení rychlého účinku po studeném startu. Hlavní katalyzátor je obvykle keramický. Nový vývoj zvyšuje konkurenceschopnost kovových nosičů oproti keramickým. Rovněž se hledají nové materiály, které by snížily cenu katalyzátorů a přitom rovnocenně nahradily ušlechtilé drahé kovy platinu a rhodium. V současné době se na výrobu katalyzátorů celosvětově zpracuje stovky tun. Předpokládá se podstatné zvýšení v nejbližších letech. Místo platiny by bylo možno použít levnější paladium. To má stejnou neutralizační účinnost, ale je podstatně citlivější na olovo. Může být použito pouze tehdy, pokud je zaručena absolutní nepřítomnost olova v benzinu. Umístění katalyzátoru ve výfukovém systému motoru je podmíněno zajištěním jeho dlouhé životnosti. Tomu odpovídá pracovní teplota (400 až 800) °C. V případě klasického podpodlahového výfukového systému (motor vpředu) často nahrazuje hlavní katalyzátor přední tlumič výfuku. Řešení umístění katalyzátoru je však individuální podle konstrukce vozu. Podle dosavadních zkušeností se náhradou tlumiče výfuku nezhoršují podmínky pro tlumení hluku.

16

Katalyzátorový systém s hlavním a dvěma startovacími katalyzátory samozřejmě prodražuje neutralizaci škodlivin, a proto se hledají méně nákladná řešení pro zkrácení náběhu činnosti katalyzátoru. Jednou z možností je elektrické vyhřívání kovových nosičů katalyzátorů. Další řešení nabízela např. firma Pierburg. Bezprostředně před katalyzátor je umístěna spalovací komora s nízkými vlastními emisemi. Je uváděna do provozu teplotním čidlem před vlastním nastartováním motoru s krátkým časovým předstihem. K ohřátí standardního katalyzátoru je zapotřebí spalování s výkonem (13 až 15) kW. Po (15 až 20) sekundách je katalyzátor zahřát na pracovní teplotu a spalování je automaticky přerušeno. Stačí k tomu (5 až 9) cm3 paliva. Při srovnání s jinými používanými prostředky, např. zvýšení teploty výfukových plynů v době ohřevu motoru pozdějším zapalováním směsi, tento systém nezvyšuje celkovou spotřebu paliva. Výhodou je rovněž současný ohřev λ-sondy, umístěné před vlastním katalyzátorem, s rychlým náběhem její činnosti. Nevýhodou jsou zvýšené prostorové nároky. Zrychlení náběhu činnosti lze v budoucnu očekávat zlepšením termické stability mezivrstvy (dosud je kritická teplota cca 950 °C) a umístěním katalyzátoru blíže k motoru. Životnost katalyzátoru se požaduje 80 000 km, za příznivých podmínek lze dosáhnout přijatelné chemické aktivity až do ujetí 100 000 km. Špatnou funkcí motoru se životnost výrazně zkracuje. Například vynecháním zápalu může dohořívání nespáleného paliva v katalyzátoru zvýšit pracovní teplotu přes 1400 °C. Taková teplota vede k jeho úplnému zničení. Především zapalovací systém musí proto pracovat s vysokou spolehlivostí (zvýšení bezpečného zapálení je dosahováno vyšší intenzitou přeskokové jiskry a elektronickým řízením zapalování). 6. Řízení směšovacího poměru paliva se vzduchem λ-sondou Řízení směšovacího poměru λ-sondou ve spojení s katalyzátorem je hlavním prostředkem pro snižování škodlivin ve výfukových plynech. Zatím není znám žádný alternativní systém, který by umožňoval dosažení stejných výsledků. λ-sonda může řídit směšovací poměr i u elektronicky řízených karburátorů (např. firma Zenith/Stromberg). V režimu volnoběhu je elektronicky regulován obtok kolem škrtící klapky, v ostatních režimech je použita regulace vzdušníkem v hlavním systému. Nejlepších výsledků je však dosahováno u systémů s elektronicky řízeným zapalováním a vstřikováním paliva. λ-sonda je umístěna buď do společného sběrného potrubí výfukového systému nebo častěji přímo před katalyzátor. Jedná se vlastně o čidlo kyslíku se speciálním, plynem neprostupným, keramickým tělesem s vlastností tuhého elektrolytu (oxid zirkoničitý ZrO2). Pracuje na principu galvanického článku, který se stává vodivým působením kyslíkových iontů. Povrch keramického tělesa je ze strany vzduchu i výfuku pokryt elektrodami – slabá porézní platinová vrstva. Keramické těleso sondy je chráněno kovovým pouzdrem s četnými výřezy proti mechanickému poškození, znečištění zbytky spalování a tepelným šokům. Vnější povrch je vystaven účinkům výfukových plynů (prakticky stejná reakce jako u katalyzátoru), vnitřní povrch působení okolního vzduchu (referenční plyn). Rozdílné vlastnosti parciálních tlaků kyslíku na elektrodách vyvolávají rozdílné chování použitého materiálu – mezi elektrodami vzniká napěťový signál. Při spalování bohaté směsi dává sonda napěťový signál Us ≈ 900 mV. Tento signál je měřítkem zbytkového množství kyslíku ve výfuku – při λ = 0,95 je to (0,2 až 0,3) objemových procent.

17

Obr.12 Provedení lambda sondy a funkční schéma [1]

Na obr. 13 je uveden průběh napěťového signálu λ-sondy. Je zřejmá strmě klesající charakteristika při přechodu z bohaté do chudé směsi (hodnotě λ = 1 odpovídá teoreticky 14,7 kg vzduchu na l kg benzinu). Přechod leží v rozsahu napětí Us = (450 až 500) mV. Porovnávací signál je stanoven pro hodnotu Us = 500 mV. Parciální tlak kyslíku je úměrný jeho obsahu podle údajů na obrázku. Charakteristika sondy je silně závislá na teplotě, neboť na té závisí vodivost kyslíkových iontů.

Obr. 13 a-bohatá směs, b-chudá směs [1]

6.1. Činnost λ-sondy Do teploty ≈ 250 °C není použitý materiál pro kyslíkové ionty vodivý. Je to přibližně stejná hranice teploty jako pro zahájení činnosti katalyzátoru. Neprobíhá tedy regulace směšovacího poměru, ale ani neutralizace škodlivin. Rovněž časová změna signálu sondy je silně závislá na teplotě. Pod teploty 300 °C je v sekundovém rozsahu, při optimální pracovní teplotě ≈ 600 °C se zkracuje pod 50 ms. Vysoká teplota zkracuje λ-sondě životnost. Proto musí být sonda umístěna tak, aby při dlouhodobém plném výkonu motoru nebyla překročena teplota 850 °C a krátkodobě 930 °C. Tím je podmíněna vzdálenost umístění sondy od motoru. Životnost sondy je rovněž ovlivněna vysokým mechanickým zatížením a nerovnoměrným pulsujícím průtokem výfukových plynů od jednotlivých válců. Na keramickém tělese se usazují zbytky hoření, sloučeniny olova (benzin), částice zinku a fosforu (motorový olej). Tyto usazeniny mohou způsobit nefunkčnost sondy. Stárnutí λ-sondy je obdobné jako u katalyzátorů. Pro udržení katalyticky aktivní vnější platinové elektrody musí být rovněž používán bezolovnatý benzin.

18

Činnost λ-sondy je možno urychlit ohříváním sondy topným elementem, a tím dosáhnout zkrácení náběhu činnosti. Sonda pak vykazuje stabilizovaný signál již krátce po startu studeného motoru. Provedení takové sondy je zobrazeno na obr. 14.

Obr. 14. [2]

Při nízké teplotě výfukových plynů je teplota keramiky udržována elektrickým topením, při vyšším zatížení motoru teplotou výfukových plynů. Topným tělesem je zajištěno ohřátí sondy na provozní teplotu během (20 až 30) sekund. Vytápěnou sondu můžeme umístit ve větší vzdálenosti od motoru, a tím není ohrožena přehřátím při delší době provozu motoru na plný výkon. Současně vyráběné sondy mohou za optimálních podmínek dosáhnout životnosti i přes ujetých 100 000 km. λ-sonda dodává napěťový signál elektronické řídící jednotce. Jeho velikost je závislá na výskytu kyslíku ve výfukových plynech. V programové jednotce je naprogramována prahová referenční hodnota 500 mV. Jestliže je napěťový signál z λ-sondy větší, řídící jednotka dává signál ke vstřikovacím ventilům ke zmenšení dávky paliva, pro Us < 500 mV je dávka paliva zvětšena. Změny směšovacího poměru nesmí být skokové, protože by vedly k nepravidelnému chodu motoru. Proto je elektronická jednotka vybavena integrátorem s časovou funkcí, který mění směšovací poměr pozvolně. Od okamžiku tvorby čerstvé směsi v plnícím potrubí k identifikaci výsledku spalování λ-sondou proběhne určitý čas (přívod směsi do válce, doba trvání pracovního cyklu, doprava výfukových plynů k λ-sondě). Vzhledem k tomu není možné dodržet exaktně směšovací poměr, který tedy pravidelně kolísá v rozmezí několika procent okolo hodnoty λ = 1. Při správném vyladění integrátoru zůstává střední hodnota v úzkém λ-okně, tedy v rozsahu vysoké účinnosti katalyzátoru. Kromě toho je charakteristika integrátoru měněna v závislosti na zatížení a otáčkách tak, aby se neměnila regulační amplituda (odchylky od střední hodnoty). V literatuře se uvádí účinnost neutralizace škodlivin ve výfukových plynech 90 % (při vyhřívaných nebo startovacích katalyzátorech až 95 %). Není-li motor vybaven elektronickým řízením směšovacího poměru, je možno použít „neřízený“ katalyzátor. Tento název není příliš vhodný, neboť regulace se týká směšovacího poměru a ne katalyzátoru. Katalyzátor pracuje méně efektivně, dosahuje se snížení emisí škodlivin asi o 50 %. Uváděná konkrétní čísla neutralizace škodlivin jsou spíše maximálními hodnotami za optimálních provozních podmínek. Složení směsi je třeba přizpůsobovat provozním stavům motoru jako je start studeného motoru, obohacení nebo plný výkon. Tyto režimy vyžadují

19

tvorbu směsi odlišnou od stechiometrické s odpovídajícím snížením účinnosti katalyzátoru. Řídicí jednotka má tyto změny naprogramovány a snaží se o minimalizaci času, po který je regulace mimo optimální požadovaný režim z hlediska účinnosti katalyzátoru. Velmi nepříznivě, podle posledních výzkumů, se projevuje plný výkon motoru, pokud se obohatí směs. Při tomto režimu λ-sonda přestává plnit svojí funkci a dramaticky rostou především emise CO a CmHn. Ve výfuku se vyskytuje třikrát více škodlivin než za normálních podmínek. V extrémních případech jsou naměřeny stejné hodnoty škodlivin jako u auta bez katalyzátoru. Řidič tedy způsobem jízdy může výrazně ovlivnit škodlivé exhalace ve výfukových plynech. Přesto zůstává třícestný katalyzátor zatím nejefektivnějším prostředkem ke snížení emisí jedovatých látek. Nový vývoj směřuje ke zpřesnění činnosti katalyzátoru kontinuální regulací složení směsi s tzv. „vodící“ sondou za katalyzátorem. Elektronická řídící jednotka dostává napěťové signály od sond před a za katalyzátorem. Signál za katalyzátorem je srovnáván s referenčním napětím a podle okamžitého stavu je korigována hodnota napěťového signálu sondy před katalyzátorem. Ověřuje se i regulace s tzv. „chudou“ λ-sondou, která by umožňovala regulaci při hodnotách cca 1,25. Emise škodlivin je snížena, CO a CmHn můžeme neutralizovat oxidačním katalyzátorem. Nevýhodou je plochý průběh napěťového signálu pro λ > 1,05, což ztěžuje přesnou regulaci. Kromě toho jsou při tomto směšovacím poměru ještě dosti vysoké emise NOx. Výhodnější řešení je tzv. chudá koncepce motoru, kdy spalujeme výrazně chudou směs. Je třeba ovšem použít prostředky pro zajištění spolehlivého zapálení směsi a pro dostatečně velké rychlosti hoření. Průběžně se zavádějí stále přísnější limity obsahu škodlivých látek ve výfukových plynech. Jejich plnění nebude možné zajistit jednotlivými opatřeními, ale cílevědomou optimalizací všech parametrů a všech prostředků, které mají vliv na obsah škodlivin ve výfukových plynech. Očekává se zavedení nových regulačních systémů se strukturální adaptací – automatická identifikace a kompenzace systematických chyb. 7. Závěr V současné době se snaží mnozí automobiloví světoví výrobci zkoušet a postupně zavádět do praxe motory, které jsou poháněny např. elektromotorem, hybridním pohonem, motorem na zemní plyn, palivovými články. Tímto přístupem by se měly řídit i ostatní automobilky. Je to jedna z cest, jež může vést ke snížení zatížení životního prostředí, ale je závislá na ekonomických a technických možnostech naší civilizace. Většina těchto projektů je více v rovině experimentu s určitými drobnými provozními výstupy. V horizontu cca 20 let nelze zřejmě zatím počítat s tím, že se tyto vynálezy projeví radikálnějším způsobem v silniční dopravě. Za této situace bude stále ještě důležitý technický vývoj v oblasti spalovacích motorů s těžištěm na další snižování emisí a spotřeby paliva, jak je stále sledují normy EU uplatňované i u nás. Důležitým faktorem, který ovlivňuje zatížení životního prostředí je složení paliva spalovacích motorů. V ČR se v současné době již nepoužívají olovnaté benziny, s nimiž byl spojen únik olova a s nebezpečnými dopady na zdraví člověka. Olovnaté benziny byly nahrazeny aditivy, které se přidávají do benzinu přímo u výrobce nebo u čerpacích stanic. Zpřísňování těchto technických parametrů u nových vozidel se neobejde bez paralelních opatření v oblasti ekonomické tak, aby se urychlila obměna vozového parku. Tato sféra závisí na celkovém zvyšování ekonomického potenciálu země, životní úrovně obyvatelstva,

20

tedy faktorů, jež by vedly k odstranění starých vozidel s technicky nevhodnými spalovacími motory za modernější a k životnímu prostředí šetrnější automobily. Použitá literatura: 1. Baumruk, P. Příslušenství spalovacích motorů. Praha: Vydavatelství ČVUT, 1999. 241 s. ISBN 80-01-02062-2. 2. Petrás, Z., Růžička, A. Měření emisí. Praha: Robert Bosch, 1997. 63s. 3. Štěpán, Daniel. Spalovací motory a jejich vliv na životní prostředí. c2001, [cit.2002-11-05]. Dostupné z 4. Ferenc, Bohumil. Elektronika a zážehové motory. c2000, [cit.2002-11-11]. Dostupné z: . Obsah: 1 Úvod ..................................................................................................................................................1 2 Spalovací motory...............................................................................................................................2 2.1 Palivo a spalování .......................................................................................................................2 2.2 Stechiometrický směšovací poměr..............................................................................................3 2.3 Součinitel přebytku vzduchu.......................................................................................................3 2.4 Spotřeba paliva a výkon..............................................................................................................4 2.5 Příprava směsi.............................................................................................................................4 3 Škodliviny ve výfukových plynech...................................................................................................5 3.1 Mechanismus tvorby hlavních škodlivin ....................................................................................6 3.1.1 Oxid uhelnatý...........................................................................................................................6 3.1.2 Nespálené uhlivodíky...............................................................................................................7 3.1.3 Oxidy dusíku............................................................................................................................8 3.1.4 Oxid siřičitý ..........................................................................................................................8 3.1.5 Sloučeniny olova .................................................................................................................9 3.1.6 Emise částic .........................................................................................................................9 4 Katalytické reaktory ..........................................................................................................................9 4.1 Oxidační katalyzátor. ................................................................................................................10 4.2 Redukční katalyzátor.................................................................................................................11 5 Technické provedení katalyzátoru. .................................................................................................13 5.1 Sypané katalyzátory ..................................................................................................................14 5.2 Keramický monolitický kat.......................................................................................................14 5.3 Kovový monolit. kat. ................................................................................................................16 6 Řízení směšovacího poměru paliva se vzduchem ...........................................................................17 6.1 Činnost lambda sondy ...............................................................................................................18 7 Závěr................................................................................................................................................20

21