Emise zážehových motorů

Transkript

1 Emise zážehových motorů

2 Složení výfukových plynů zážehového motoru 1. Plynné složky: - oxid uhličitý CO 2 - oxid uhelnatý CO - oxidy dusíku NO x (majorita NO) - nespálené uhlovodíky HC (CH x ) Nejvýznamnější složkou je N 2 a vodní pára, ve spalinách se vyskytuje také O 2 i H 2.

3 2. Pevné částice - Produkty tepelné degradace oleje - Prach - Popel - Části koroze - Otěrové částice Ostatní - Kondenzáty HC

4 Vznik škodlivin v exhalátech Použité palivo Typ spalování Volba nastavení systému přípravy směsi Předstih zapalování či vznětu Homogenita směsi Konstrukce motoru (wankel)

5 Typ spalování - laminární

6 Typ spalování - turbulentní

7 Příprava směsi

8 Vznik CO Oxid uhelnatý je produktem nedokonalé uhlovodíkovém palivu. oxidace uhlíku obsaženého v Prioritní příčinou jeho výskytu ve spalinách je tedy nedostatek kyslíku ve spalované směsi, tedy provoz při součiniteli přebytku vzduchu λ < 1. Koncentrace oxidu uhelnatého při spalování bohaté směsi v zážehovém motoru dosahuje řádově jednotky %, výjimečně (při spalování extrémně bohaté směsi) může překročit 10%. Nedostatek kyslíku může být místní (v některých válcích víceválcového motoru, nebo v některých oblastech spalovacího prostoru), nebo časový (při průměrné hodnotě součinitele přebytku vzduchu v okolí hodnoty λ = 1 se spaluje v některých pracovních obězích bohatá směs jako důsledek časové fluktuace směšovacího poměru). Oxid uhelnatý je pak přítomen ve spalinách společně s kyslíkem. Globální, nebo lokální nedostatek kyslíku lze označit za hmotově - bilanční příčinu emise CO.

9 Vznik CO V některých případech se ovšem naměří ve spalinách koncentrace CO vyšší než jaká vychází z výpočtu rovnovážného složení pro maximální teplotu při spalování. Zde je příčinou nedostatečná reakční rychlost jednotlivých dílčích reakcí oxidace uhlovodíkového paliva, ve kterých figuruje oxid uhelnatý jako produkt počátečních etap reakčního řetězce. Zpomalení reakcí ve fázi, kdy má dojít k oxidaci CO na CO 2 je pak reakčněkinetickou příčinou výskytu CO ve spalinách. Tento mechanizmus se uplatňuje při spalování s vysokou hodnotou λ (o dostatku kyslíku tedy nemůže být pochyb), dále v oblastech spalovacího prostoru s extrémně nízkou teplotou reakce (v úzkých štěrbinách, v blízkostí studených stěn). Koncentrace CO, která se objevuje ve spalinách z důvodů chemicko -termodynamických a reakčně-kinetických je výrazně (řádově) nižší ve srovnání s koncentracemi uvedenými v popisu hmotově- bilančního mechanizmu.

10 Vznik CH x V otázce příčin emisí nespálených uhlovodíků, které jsou rovněž produktem nedokonalého průběhu oxidační reakce (resp. totální absence průběhu této reakce) platí analogicky úvahy, odvozené v popisu mechanizmů emise CO s jistými odchylkami. Mechanizmy hmotově - bilanční a reakčně - kinetické jsou srovnatelně účinné. Prakticky to znamená, že emise uhlovodíků při spalování extrémně chudé směsi (s nízkou reakční rychlosti) je (co do množství emitované složky) srovnatelná s emisí uhlovodíků při spalování bohaté směsi. Zvýrazňuje se vliv oblastí s nízkou teplotou hoření (v blízkostí stěn, úzké štěrbiny) a v souvislosti s emisí uhlovodíků se pro tyto oblasti používá někdy název zhášecí zóny. Výpočtem lze prokázat, že příspěvek chemicko - termodynamického mechanismu k celkové emisi uhlovodíků je bezvýznamný, protože koncentrace běžných uhlovodíků (např. těch, které jsou součástí původního paliva) v rovnovážné směsi je zanedbatelná (např. řádu ppm). Na rozdíl od oxidu uhelnatého jsou ovšem palivové uhlovodíky přítomny v čerstvé směsi (před zahájením spalovacího procesu). Jejich výskyt ve spalinách v nadrovnovážné koncentraci tedy není v rozporu s logikou popisu jednotlivých mechanismů.

11 Vznik NO x Společnou vlastností oxidu uhelnatého a nespálených uhlovodíků je skutečnost, že tyto složky jsou palivy. Jejich výskyt ve spalinách tedy kromě nežádoucího vlivu na životní prostředí znamená energetickou ztrátu, protože jejich oxidací by bylo možno zvýšit množství tepla přivedeného pracovní látce a následně využito přeměnou na mechanickou energii (v souladu s účelem použití spalovacích motorů). Oxidy dusíku vznikají oxidací vzdušného dusíku dodávaného do válce motoru společně s kyslíkem potřebným pro oxidaci paliva. Oxidace dusíku je endotermická, nastává tedy jako součást mechanismu, jimž přírodní síly vzdorují zvýšení teplot. Klíčovým procesem z hlediska přítomnosti oxidů dusíku ve výfukových plynech při spalování přibližně stechiometrické směsi je výskyt poměrně vysoké rovnovážné koncentrace NO ve fázi pracovního oběhu s vysokou teplotou následovaný dramatickým snížením reakční rychlosti dekompozice NO po poklesu teploty náplně válce v průběhu expanzního zdvihu pístu. Zpomalení (exotermické) reakce rozpadu oxidu dusnatého je tak markantní, že se pro jeho popis používá termín zmrazení koncentrace NO.

12 Složení směsi si a výsledných produktů hoření zážehových motorů

13 Hodnocení škodlivosti exhalátů - CO Na krevní barvivo se váže intenzívněji než kyslík za vzniku karboxyl-hemoglobinu. Tím je funkce dýchacích barviv (tedy distribuce kyslíku) bloko-vána a jednotlivé orgány jsou poškozovány nedostatkem kyslíku, i když by tento byl obsažen v dýchaném vzduchu v dostatečném množství. Nejcitlivějším orgánem na dodávku kyslíku je mozek, proto je oxid uhelnatý vlastně nervovým jedem.

14 Hodnocení škodlivosti exhalátů - NOx Přímá škodlivost oxidu dusnatého na živý organizmus je vcelku nízká. Všeobecně se uznává, že při dalším pobytu v atmosféře dochází k oxidaci NO na oxid dusičitý jehož škodlivost je klasifikována jako závažnější než u oxidu uhelnatého. Mechanizmus účinku na živý organizmus působí prostřednictvím dezinformace regulační soustavy, která na přítomnost NOx ve vdechovaném vzduchu (resp. na přítomnost kyseliny dusičné, která vzniká pohlcením NOx ve vodě na stěnách sliznice) reaguje jako na začínající hoření a automaticky přivírá přístup vzduchu do plic. Důsledkem je pocit dušení a nucení ke kašli. Tento nežádoucí jev nastává již při velmi nízkých koncentracích, resp. při krátkých expozičních dobách. Křivka minimálních účinků je tedy blíže k počátku souřadného systému, než jak je uvedeno pro CO. Na černou listinu sledovaných škodlivin se ovšem oxidy dusíku dostaly zejména kvůli významnému podílu na tvorbě letního smogu.

15 Hodnocení škodlivosti exhalátů - CHx Skupina škodlivin souhrnně označována jako nespálené uhlovodíky je ve skutečnosti směsí individuálních komponent jejichž přímá i zprostředkovaná škodlivost je různá. Nejmenší přímý vliv na organizmus mají uhlovodíky, které jsou obsaženy v palivech a ve spalinách se objevují zejména v důsledku přímé ztráty paliva zkratovým vyplachováním. Hygienicky přípustná koncentrace těchto složek (např. alifatických uhlovodíků) se určuje podle čichového prahu, nikoli podle toxických účinků. Silně dráždivě na sliznice a oči působí už při malé koncentraci a při krátkých expozičních dobách nenasycené aldehydy (např. akrolein) a vyšší aldehydy všeobecně. U formaldehydu byly prokázány mutagenní účinky a je podezírán z karcinogennosti. Nejnebezpečnější (ze všech složek spalin) jsou polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH), které mají (podle stávající úrovně znalostí problematiky) rakovinotvorný účinek.

16 Hodnocení škodlivosti exhalátů pevné částice Částice emitované vznětovými motory obsahují zejména pevný uhlík ve formě sazí (proto se též někdy tato skupina škodlivin nazývá pevnéčástice). Tato látka samotná není toxická. Na pevných částicích jsou ovšem sorbovány látky s vysokou zdravotní závadností (např. zmíněné polycyklické aromáty). Kontaminovanéčástice se mohou usazovat v plicních sklípcích organizmů a umožňovat tak dlouhodobé působení karcinogenů. Funkce nosiče rakovinotvorných látek je hlavním důvodem k výrazně negativnímu hygienickému hodnocení emitovaných částic. Částice jsou též hlavní příčinou výskytu zimního smogu, typického pro stav teplotní inverze. Částice emitované automobilovými motory mohou snížením viditelnosti v exponovaných dopravných situacích (při předjíždění kouřícího vozidla) vytvářet předpoklady ke vzniku dopravních nehod.

17 Hodnocení škodlivosti exhalátů CO 2 Oxid uhličitý není hodnocen jako škodlivina s přímým vlivem na živé organismy. V současnosti není emise této složky administrativně limitována. Po chemické stránce se jedná o produkt dokonalé oxidace a jeho přítomnost ve spalinách je tedy důsledkem kvalitně uskutečněného spalovacího procesu. Jedná se o látku vcelku velmi stabilní a všeobecně málo reaktivní. Toxicita je nevýznamná pokud koncentrace nedosáhne úrovně ovlivňující koncentraci kyslíku ve vdecho-vaném vzduchu jeho vytěsňováním. Negativně působí CO 2 na životní prostředí vytvářením radiační clony omezující sdílení tepla ze zeměkoule sáláním. To má vést k průběžnému zvyšování teploty a posunu klimatických poměrů s celou řadou fatálních důsledků (tání ledovců = zvýšení hladiny oceánů). Obecně vžitý název pro popsaný jev je skleníkový efekt a intenzita jednotlivých vlivů na jeho vznik se vyhodnocuje jako příspěvek k celkovému ohřívacímu potenciálu.

18

19 Vývoj snižování emisí v Kalifornii Normativy evropské legislativy

20 Legislativní předpisy (os. vozidla, g/km)

21 Snižování škodlivin ve spalinách zážehových motorů katalytické systémy J. J. Mooney C. D. Keith 1970 První použití ve Volvu v roce 1973, komerční nasazení od roku 1976 ve Volvu s regulací lambda-sondou. Katalyzátor je látka, vstupující do chemické reakce, urychluje ji, a přitom z ní vystupuje nezměněná. Katalyzátor tvoří s reaktanty málo stabilní komplex, který se v dalším kroku rozpadá na požadované produkty a katalyzátor. Aktivační energie těchto procesů jsou zpravidla nižší (v některých případech, ale mohou být vyšší) než aktivační energie nekatalyzované reakce.

22 Konstrukce katalyzátoru Monolit katalyzátoru: - keramický monolit silikáty magnézia a aluminia - mezi monolitem a ochranným obalem se nachází pružná ocelová výplň namáhání mechanické, tepelné, tlak plynů - kovový monolit drahé, používané u vysokoteplotně zatížených motorů, předkatalyzátory

23 Konstrukce katalyzátoru Aktivní vrstva: Na monolit je z důvodu zvětšení reakční plochy nanesen Al2O3, který plochu zvětšuje cca 7000x. Na této vrstvě je nanesena katalytická vrstva platiny a rhodia (platina a palladium u oxidačních katalyzátorů, stopově Ce- Zr oxid). Platina urychluje oxidační reakce (HC a CO). Rhodium urychluje redukci NOx. Hmotnost ušlechtilých kovů je cca 2 3 g/ katalyzátor. Provozní podmínky: Bezolovnatý benzin (!), optimální teplota 400 C až 80 0 C, životnost nad km. Teplota nad 1000 C vede ke termické degradaci kataly zátoru, 1400 C k destrukci.

24

25

26 Chemické reakce 2 CO + O 2 2 CO 2 2 C 2 H 6 + 7O 2 4 CO H 2 O 2 NO + 2 CO N CO 2 2 NO CO N CO 2 + O 2

27 Technická opatření ke snížení škodlivin v exhalátech - katalyzátory

28 Snížení emitovaných škodlivin u zážehových motorů s přímým vstřikem benzinu - provoz nad hodnotou λ = 1 zavdává ke zvýšení NO x ve spalinách - vysoké emise NO x si vynutily začlenění zásobníkového NO x katalyzátoru, protože redukce v katalyzátoru je neúčinná a recirkulace výfukových plynů nepřináší požadovaný účinek - jímavou vrstvou je BaO 2 BaO + 4 NO 2 + O 2 2 Ba(NO 3 ) 2 2 Ba(NO 3 ) 2 + 3CO 3 CO 2 + BaO + 2 NO 2 NO + 2 CO N CO 2 V zásobníkovém katalyzátoru dochází při regeneraci navíc k oxidaci síry obsažené v palivu.

29 Snížení emitovaných škodlivin u zážehových motorů s přímým vstřikem benzinu

30 Snížení emitovaných škodlivin u zážehových motorů s přímým vstřikem

31 TWC (třícestný katalyzátor) řízený, neřízený SCR selektivní katalýza

32 Měřící zařízení - analyzátory Infraanalyzátory založeny na Lambert-Beerově zákonu

33 Analyzátor pracující na principu absorpce ultrafialového záření

34 Chemiluminiscenční analyzátor

35 Měření založené na princip změny elektrické vodivosti vodíkového plamene

36 Soustava analyzátorů pro exaktní zjištění emitovaných plynů

37 Emisní systémov mová analýza BOSCH ESA Přístroje ESA (Emisní Systémová Analýza) je zařízení vyvinuté zejména pro pracoviště zabývající se měřením emisí. Současně také umožňuje diagnostiku a základní seřízení motoru. Měřit lze i motory poháněné alternativními palivy (LPG, CNG, metanol) s tím, že součinitel lambda je vypočítán podle zvoleného druhu paliva (pouze v některých verzích analyzátoru). ESA kromě plynných emisí, případně kouřivosti, zajišťuje nejen potřebné měření otáček a teploty oleje, ale umožňuje provádět i jednoduché funkce motortesteru. Dokáže změřit předstih a dynamický předvstřik pomocí stroboskopické lampy nebo snímače HÚ, úhel sepnutí má možnost zobrazit i signály (např. napětí lambda sondy, doba vstřiku,..) a nabízí i funkci multimetru. Jedná se o modulárně řešený systém, ve kterém je modul analyzátoru ETT 8.70/ETT 8.71, opacimetru RTM 430 i měřící modul MTM plus řízen počítačem.

38 Emisní systémov mová analýza BOSCH ESA Monitor 2 Dálkové ovládání 3 Inkoustová tiskárna 4 Měřící modul MTM Plus 5 Modul opacimetru RTM Klávesnice 7 PC modul 8 Modul analyzátoru ETT Dílenský vozík Modul analyzátoru ETT CO CO 2 HC O 2 Lambda Splňuje požadavky normy OIML třídy 1 Modul opacimetru RTM 430 Kouřivost Opacita Měřící rozsah 0,000-10,00 % obj. 0,00-18,00 % obj ppm obj. 0,00-22 % obj. 0,500-1,800 Měřící rozsah % /m Rozlišení 0,001 % obj. 0,01 % obj. 1 ppm obj. 0,01 % obj. 0,001 Rozlišení 0,10% 0,01 1/m