Název práce: Vliv produkce oxidů dusíku z dopravních prostředků na životní prostředí

Transkript

1 Dopravní fakulta Jana Pernera, Univerzita Pardubice šk. rok 2003/2004, letní semestr III. ročník (obor DMML ) Beskydová Eva Název práce: Vliv produkce oxidů dusíku z dopravních prostředků na životní prostředí Prohlášení: Prohlašuji, že předložená práce je mým původním autorským dílem, které jsem vypracovala samostatně. Literaturu a další zdroje, z nichž jsem při zpracování čerpala, v práci řádně cituji. Anotace: Tato semestrální práce se zabývá vznikem a zdroji oxidu dusíku, jeho chemickými vlastnostmi. Charakteristikou oxidu dusíku z hlediska dopravy. Jsou zde uvedeny i ostatní výfukové plyny negativně působící na životní prostředí. Tato práce také popisuje katalyzátory, které mají nemalý podíl na jeho ochraně. Zmiňuje i legislativní předpisy v České republice a Evropské unii, které upravují obsah výfukových plynů v ovzduší a ukazatele kvality ovzduší. Konkrétně se zabývá měřením oxidů dusíku v letech 2002 a 2001 v Ústí nad Orlicí. Klíčová slova: doprava, životní prostředí, znečištění ovzduší, emise výfukových plynů, oxid uhličitý, oxid uhelnatý, znečištění půdy a vody, hluk, nehody, zábor půdy, oxidy dusíku, oxid dusnatý, oxid dusičitý, oxid dusný, oxid dusitý, oxid dusičný, těkavé organické látky, aromatické uhlovodíky, aldehydy, ozón, oxid siřičitý, olovo, prachové částice, kyselé deště, sluneční záření, ultrafialové světlo, atmosféra, inverzní vrstva, mobilní zdroje, stacionární zdroje, zážehové a vznětové motory, uhlovodíkové palivo, vodík, dusík, škodliviny, letní smog, nespálené uhlovodíky, pevné částice, zimní smog, saze, koncentrace, skleníkový efekt, globální oteplování, studený start, akcelerace, brždění, řazení, součinitel přebytku vzduchu lambda, palivo, zážeh směsi, přeskok jiskry, zapalovací svíčka, katalyzátor, filtry, Evropská hospodářská komise, Evropská unie, silniční daň, daňové úlevy, emisní norma, legislativa, legislativní normy, dieselový motor, mimosilniční stroje, analytické metody, manuální měření, venkovní ovzduší, měření, gravimetrické stanovení, prašný aerosol, automatická měřící stanice, analyzátor, monitoring, detekční limity, mobilní měřící stanice, polycyklické aromatické uhlovodíky, těkavé organické látky, monitorovací stanice, chemiluminiscence, dopravní špička, četnost, lokalita, aritmetický průměr, geometrický průměr, kvantil, imisní limit. 1

2 Obsah 1. ÚVOD VZNIK A ZDROJE OXIDŮ DUSÍKU NOX JAKO ŠKODLIVINA SKLADBA ZDROJŮ OXIDU DUSÍKU CHEMICKÉ VLASTNOSTI OXIDŮ DUSÍKU CHARAKTERISTIKA OXIDŮ DUSÍKU I JINÝCH VÝFUKOVÝCH PLYNŮ Z HLEDISKA DOPRAVY PROCES SPALOVÁNÍ ZÁŽEHOVÝCH A VZNĚTOVÝCH MOTORŮ SLOŽENÍ SPALIN - ŠKODLIVÉ SLOŽKY SNIŽOVÁNÍ EMISÍ SPALOVACÍCH MOTORŮ OPATŘENÍ U ZÁŽEHOVÝCH MOTORŮ OPATŘENÍ U VZNĚTOVÝCH MOTORŮ EMISNÍ PŘEDPISY VÝVOJ EMISNÍCH PŘEDPISŮ DAŇOVÉ ÚLEVY MOTORY VE VOZECH ŠKODA BUDOUCNOST LEGISLATIVA LEGISLATIVA V ČESKÉ REPUBLICE LEGISLATIVA V EVROPSKÉ UNII UKAZATELE KVALITY OVZDUŠÍ POUŽÍVANÉ ANALYTICKÉ METODY PRO MANUÁLNÍ MĚŘENÍ MĚŘENÍ AUTOMATICKÝMI MĚŘÍCÍMI STANICEMI MĚŘENÍ MOBILNÍMI MĚŘÍCÍMI JEDNOTKAMI ANALYTICKÉ METODY PRO OSTATNÍ SLEDOVANÉ ŠKODLIVINY MĚŘENÍ OXIDŮ DUSÍKU V ÚSTÍ NAD ORLICÍ V LETECH 2001 A ZÁVĚR POUŽITÉ INFORMAČNÍ ZDROJE

3 1. ÚVOD Doprava má řadu negativních vlivů na zdraví lidí a zvířat a na rostliny nebo na kvalitu životního prostředí vůbec. Mezi tyto vlivy patří: znečištění ovzduší emisemi výfukových plynů, emise oxidu uhličitého, znečištění půdy a vody, hluk, nehody, zábor půdy a parcelování krajiny a spotřeba energie. Výfukové plyny motorových vozidel jsou směsí chemických látek, jejíchž složení závisí na druhu paliva, typu a stavu motoru a případném užití zařízení na snížení emisí (filtrů u aut na naftu nebo katalyzátorů u aut na benzín). Citlivějšími skupinami lidí vůči negativním účinkům výfukových plynů jsou zejména děti a staří lidé, stejně tak jako osoby s dýchacími nebo srdečními chorobami. Mezi hlavní výfukové plyny patří: oxid uhličitý a uhelnatý, oxidy dusíku, těkavé organická látky, aromatické uhlovodíky, aldehydy, oxid siřičitý, olovo a prachové částice. Chemickými reakcemi těchto látek za účasti slunečního záření vzniká tzv. fotochemický smog, jehož hlavní součástí je přízemní ozón. Tato práce se zabývá především negativními vlivy oxidů dusíku na životní prostředí a měřením jejich koncentrací v ovzduší. V dnešní době se věnuje velká pozornost sledování koncentrací oxidů dusíku a ostatních výfukových plynů v ovzduší. V České republice je 50 monitorovacích stanic, které sledují stav těchto škodlivin. Tyto stanice hodnotí stav ovzduší pomocí různých ukazatelů. Výsledky těchto měření pak publikují ve svých výročních zprávách, na internetových stránkách a v médiích. Informace o těchto měřeních jsou pro lidskou společnost velice důležité, aby měla přehled o skutečném stavu životního prostředí a nehleděla jen na spotřební stránku života. V České republice i v okolním světě byla vytvořena řada legislativních norem, které určují únosnou míru emisních limitů, jejichž překročení je pro zdraví člověka škodlivé. Mělo by být pro společnost prioritní stále tuto legislativu zdokonalovat a vytvářet nové a dokonalejší programy pro ochranu životního prostředí. 3

4 2.Vznik a zdroje oxidů dusíku Po dosti dlouhou dobu byl za hlavní škodlivinu, obsaženou ve spalinách ze spalování sirnatých paliv považován výhradně oxid siřičitý. Obsahu oxidu siřičitého v ovzduší a kyselým dešťům byly připisovány škody pozorované v přírodě jejichž rozsah narůstal [1] NOx jako škodlivina Výzkum během posledních 10 až 15 let postupně prokázal, že škody vznikají mnohem složitějším mechanismem, v němž oxid siřičitý je pouze jednou z možných škodlivin. Tyto závěry byly potvrzeny řadou experimentů prováděných ve sklenících. Za další škodlivinu, jejíž důsledky na přírodu jsou podle některých vědců ještě výraznější, byly označeny oxidy dusíku, zejména oxid dusnatý (NO) a dusičitý (NO 2 ). Oxid dusnatý vzniká přímo při spalování paliv a oxid dusičitý jeho další oxidací. Mechanismus škod na rostlinách je v poslední době vysvětlován jako spolupůsobení tří hlavních složek: oxidu dusičitého,ozónu a oxidu siřičitého.podle této hypotézy tvoří oxid dusičitý za spolupůsobení slunečního záření, ozón (O 3 ), který narušuje buňky listů a jehličí. Kyselé deště vymývají z narušené tkáně důležité živiny, jako jsou dusík, draslík, fosfor, vápník, sodík a další. Rostliny se snaží úbytek řešit zvýšeným přísunem živin rozvětvováním drobných kořenů. Tím postupně dojde k narušení tvorby chlorofylu a rostlina odumírá. Vliv oxidů dusíku na živé organismy nebyl zatím beze zbytku objasněn, zdá se však, že by mohlo jít o určité analogie s říší rostlin. Hypotéza tím vysvětluje i výskyt narušených lesů v nadmořské výšce 600 až 800 m a zejména na úbočích přivrácených k jihu. Vyšší podíl ultrafialového světla na horách totiž podporuje intenzivnější tvorbu ozónu. Ten se v přízemní vrstvě atmosféry, kde se večer a v noci vytvoří inverzní vrstva, reakcí s oxidy dusíku spotřebuje. Nad inverzní vrstvou, kam je přenos oxidů dusíku omezen, zůstává koncentrace ozónu stálá i v noci. Proto jsou od nadmořské výšky 600 až 800 m škody na lesích zřetelně vyšší. Poznání škodlivosti NO x vedlo v řadě zemí k omezování jejich emise. Protože mechanismus tvorby těchto oxidů je podstatně složitější, než je tomu u oxidu siřičitého, je boj s nimi technicky složitější a jeho možnosti pestřejší [1] Skladba zdrojů oxidu dusíku Na emisích NO x se podílejí jak zdroje mobilní ( automobilová doprava, motorová trakce, lodě, letectví), tak stacionární (domácí topeniště, výtopny, teplárny, elektrárny, ale i drobné plynové spotřebiče, jako jsou sporáky, průtokové ohřívače užitkové vody, pečící trouby a grily apod.) [1]. 4

5 3. Chemické vlastnosti oxidů dusíku Zde je přehled všech oxidů dusíků s jejich chemickými vlastnostmi. Doprava, ale především produkuje oxid dusnatý (NO) a oxid dusičitý (NO 2 ). a, Oxid dusný N 2 O. Připravuje se opatrným zahříváním směsí dusičnanu sodného a síranu amonného, kterou se nahrazuje explozívní dusičnan amonný: NH 4 NO 3 (s) N 2 O (g) + 2 H 2 O (l) Vznikající plyn se jímá nad horkou vodou. Rozkládá se na dusík a kyslík při teplotě asi 600 C podle reakce 2 N 2 O 2 N 2 + O 2 G 298 = -208,4 kj mol -1 takže v něm mnohé prvky za horka hoří nebo reagují za vzniku oxidů, např. 2 N 2 O (g) +C (s) 2 N 2 (g) + CO 2 (g) N 2 O (g) + Cu (s) N 2 (g) + CuO (s) Doutnající špejle má dostatečnou teplotu k vyvolání rozkladu, takže v oxidu dusném vzplane sejně jako v kyslíku. Od kyslíku lze oxid dusný odlišit podle toho, že uvolňuje dusík při průchodu nad žhavou mědí. Oxid dusný se užívá jako mírné anestetikum. Jeho anestetické vlastnosti, pro které bývá nazýván rajský plyn, objevil před více než stopadesáti lety Davy, který na sobě pozoroval po jeho jistých dávkách mírnou euforii. Strukturu molekuly N 2 O je možno dobře vyjádřit jako rezonanční hybrid nebo pomocí delokalizovaných elektronů: N w N = O N N O nebo N & = && N && & O b, Oxid dusnatý NO. Je hlavním produktem při působení mírně zředěné kyseliny dusičné na měď: 3 Cu (s) + 8 HNO 3 (aq) 3 Cu (NO 3 ) 2 (aq) + 2 NO (g) + 4 H 2 O (l) Při jímání vznikajícího plynu nad vodou se rozpouštějí ostatní oxidy dusíku, vznikající jako vedlejší produkty, takže je možno získat poměrně čistý oxid dusnatý. Vznikající oxid dusnatý je možno též absorbovat v roztoku síranu železnatého, se kterým tvoří hnědou sloučeninu, jejímž tepelným rozkladem za nepřístupu vzduchu se uvolňuje čistý oxid dusnatý. Může se připravit též katalytickou oxidací amoniaku a v malém výtěžku i přímým slučováním dusíku s kyslíkem při 2000 o C. Je to bezbarvý nerozpustný plyn, který již při laboratorní tepelně reaguje se vzdušným kyslíkem za vzniku barevného oxidu dusičitého: 2 NO (g) + O 2 (g) 2 NO 2 (g) G o 298 = -70,4 kj mol -1 5

6 Podobně jako oxid dusný se rozkládá na prvky: 2 NO (g) N 2 (g) + O 2 (g) G o 298 = 172,4 kj mol -1 K rozkladu je však nutná vyšší teplota (kolem 1000 o C), takže něm vzplanou jen snadno hořlavé látky jako hořčík nebo fosfor. Žahavými kovy je však redukován na dusík. Oxid dusnatý reaguje s roztoky železnatých solí, tj. s hydratovanými ionty [Fe(H 2 O) 6 ] 2+, za vzniku hnědého komplexního iontu [ Fe(H 2 O) 5 (NO)] 2+. Na vzniku tohoto iontu je založena známá prstencová reakce, sloužící k důkazu dusičnanů. Oxid dusnatý vystupuje jako ligand i v jiných komplexech, např. [Fe (CN) 5(NO)] 2-. Strukturu molekuly NO je možno dobře znázornit jako rezonanční hybrid nebo pomocí delokalizovaných elektronů: N O Rezonanční hybrid obsahuje atomy se sedmi elektrony; molekuly s podobnými strukturami se nazývají liché nebo elektronově deficitní. c, Oxid dusitý N 2 O 3. Připravuje se ochlazením ekvimolární směsi oxidu dusnatého a oxidu dusičitého. Existuje pouze v tuhém nebo kapalném stavu při teplotě nižší než -25 C; nad touto teplotou se rozkládá na výchozí oxidy. Je anhydritem kyseliny dusité, na kterou se s vodou slučuje; s alkáliemi reaguje za vzniku dusitanů. d, Oxid dusičitý NO 2, N 2 O 4. Vzniká při tepelném rozkladu dusičnanu olovnatého, při redukci koncentrované kyseliny dusičné mědí nebo smíšením oxidu dusnatého s kyslíkem: 2 Pb(NO 3 ) 2 (s) 2 PbO (s) + 4 NO 2 (g) + O 2 (g) Cu (s) + 4HNO 3 (ag) Cu(NO 3 ) 2 (ag) + 2 NO 2 (g) + 2 H 2 O (l) 2 NO (g) + O 2 (g) 2 NO 2 (g) Vznikající oxid dusičitý se nejlépe zachycuje zkapalněním v trubici U ponořené do parní lázně. Oxid dusičitý je červenohnědý jedovatý plyn odporného zápachu; při 21 C kondenzuje na žlutou kapalinu a při -11,2 C tuhne na světle žlutou látku složenou z molekul N 2 O 4. V kapalném stavu při teplotě blízké bodu tání je také složen převážně z molekul N 2 O 4, ty však se stoupající teplotou postupně disociují na NO 2, což je spojeno se zvyšováním intenzity červenohnědého zabarvení kapaliny. Disociace molekul N 2 O 4 pokračuje i v plynném stavu se zvyšováním teploty nad 21 C; zastoupení molekul N 2 O 4 a NO 2 v plynu při dané teplotě je možno zjistit měřením hustoty. Disociace je úplná při teplotě 140 C, kdy je plyn velmi intenzívně barevný. Nad touto teplotou se již molekuly NO 2 začínají rozkládat na NO a O 2, takže barva plynu opět postupně bledne, a asi při 600 C, kdy je rozklad úplný, je směs plynů bezbarvá. Při ochlazování pak dochází reverzibilně k opačným změnám: N 2 O 4 (l) 2 NO 2 (g) 2 NO (g) + O 2 (g) 6

7 Stejně jako ostatní oxidy dusíku je i oxid dusičitý redukován žhavými kovy na dusík a podporuje hoření snadno hořlavých prvků jako síry, fosforu a hořčíku, je-li zahřát na teplotu potřebnou k rozkladu: 2 NO 2 (g) N 2 (g) + 2 O 2 (g) G o 298 = -102,6 kj mol -1 Je smíšeným anhydritem, chovajícím se jako směs N 2 O 3 a N 2 O 5 ; s vodou dává směs kyseliny dusité a dusičné, s alkáliemi směs dusitanů a dusičnanů: 2 NO 2 (g) + H 2 O (l) HNO 2 (ag) + HNO 3 (ag) 2 NO 2 (g) + 2 NaOH (ag) NaNO 2 (ag) + NaNO 3 (ag) + H 2 O (l) Molekuly N 2 O 4 a NO 2 mohou být znázorněny jako rezonanční hybrid nebo pomocí delokalizovaných elektronů: Rezonanční struktury molekuly NO 2 mají lichý elektron na atomu dusíku. e, Oxid dusičný N 2 O 5. Připravuje se dehydratací kyseliny dusičné oxidem fosforečným. Je anhydritem kyseliny dusičné, na kterou se s vodou slučuje. Je tepelně nestálý a při teplotě kolem 0 C se rozkládá na oxid dusičitý a kyslík: 2 N 2 O 5 (g) 4 NO 2 (g) + O 2 (g) G o 298 = -11,2 kj mol -1 V plynném stavu se skládá z molekul N 2 O 5, v tuhém stavu je iontový (NO 2 )+(NO 3 ) - [2]. 7

8 4. Charakteristika oxidů dusíku i jiných výfukových plynů z hlediska dopravy 4. 1 Proces spalování zážehových a vznětových motorů Vlastní hoření směsi ve spalovacích motorech je složitý děj, který je ovlivňován mnoha faktory. Při spalování uhlovodíkového paliva (benzin, nafta) se vzduchem vzniká při dokonalém hoření oxid uhličitý (CO2) a voda (H2O). Dokonalého spalování je však za běžných podmínek prakticky nemožné dosáhnout. Vlivem nedokonalého spalování a jiných faktorů je ve spalinách přítomný také oxid uhelnatý (CO), vodík (H2) a nespálené uhlovodíky (HC). Protože vzduch použitý při spalování obsahuje také dusík (N2), bude i on a jeho oxidy (NOx) produktem hoření.u vznětových motorů vznikají navíc nedokonalým shořením kapiček paliva saze [3] Složení spalin - škodlivé složky Již ze samotného označení příslušné složky spalin jako škodliviny je zřejmé, že její produkce by měla být co nejmenší. To je ovšem nezřídka spojeno se zhoršením jiných vlastností motoru, např. snížení produkce jedné škodliviny může vyvolat výrazné zvýšení tvorby jiné škodlivé látky. Proto je důležité v otázce emisních parametrů nalézt optimální řešení. Pro stanovení priorit je tedy nutné posoudit způsob a intenzitu působení jednotlivých složek na člověka a životní prostředí. Také je nutné posuzovat vliv snížení jejich podílu ve spalinách na chod motoru. Největší pozornost se věnuje emisím těchto plynů: Oxid uhelnatý (CO) - Váže se na krevní barvivo a blokuje přenos kyslíku krví. Nejcitlivějším orgánem na nedostatek kyslíku je mozek. Oxidy dusíku (NOx) - Některé z těchto oxidů způsobují již při malých koncentracích pocit dušení a nucení ke kašli. Na černou listinu sledovaných škodlivých látek se ovšem oxidy dusíku dostaly zejména kvůli významnému podílu na tvorbě tzv. letního smogu. Pro letní smog jsou typické především zvýšené koncentrace přízemního ozónu (O3), který je pro člověka jedovatý. Oxidy dusíku přispívají k chemické reakci, při níž ozón vzniká. Za jistých klimatických podmínek (teplé slunečné počasí a bezvětří) je tvorba tohoto smogu nejvýznamnějším negativním dopadem emisí na životní prostředí. Takové podmínky panují např. v Kalifornií, proto se někdy používá označení "kalifornský smog". Nespálené uhlovodíky (HC) - Některé skupiny uhlovodíků dráždí sliznici a oči. Také podporují tvorbu jedovatého ozónu.uhlovodíky jsou tedy významnou složkou při vzniku letního smogu. Navíc některé skupiny uhlovodíků mohou být karcinogenní. Pevné částice - Vznikají nejčastěji při provozu vznětových motorů. Jedná se zejména o pevný uhlík ve formě sazí. Saze mohou být nosičem rakovinotvorných látek, které se po vdechnutí usazují v plicních sklípcích. Pevné částice jsou též hlavní příčinou výskytu tzv. zimního smogu, typického pro inverzní charakter počasí v zimních měsících. Jedná se většinou o směs kouře a mlhy. Zimní smog se také projevuje zvýšenými koncentracemi oxidů dusíku. Oxid uhličitý (C02) - Není přímou škodlivinou, proto není legislativně omezen. Avšak přispívá k tvorbě tzv. skleníkového efektu, který má za následek globální oteplování Země [3]. 8

9 4. 3 Snižování emisí spalovacích motorů Na tvorbu škodlivin má vliv několik základních faktorů. Jedním z nich, který však nesouvisí s konstrukcí motoru, je provozní režim motoru. Rozdílné množství škodlivin lze sledovat v různých provozních stavech, jako jsou: studený start, akcelerace, brždění a řazení. Například pro studený start zážehových motorů jsou typické vysoké koncentrace oxidu uhelnatého a nespálených uhlovodíků a nízké koncentrace oxidů dusíku. Opatření, která vedou ke snížení produkce škodlivin, jsou pro zážehové a vznětové motory odlišná. Všechna však lze zahrnout do následujících kategorií: Ovlivnění součinitele přebytku vzduchu lambda a tvorby směsi. Vnitřní opatření v motoru k ovlivnění průběhu spalování. Dodatečná redukce škodlivin za motorem [3] Opatření u zážehových motorů Pouhou volbou součinitele přebytku vzduchu v obvyklých mezích nelze rozhodujícím způsobem snížit emise všech škodlivin současně. V oblasti minimálních koncentrací CO a HC jsou totiž maximální emise Nox (obr. 1) [3]. Obr.1 Závislost hlavních škodlivin na součiniteli přebytku vzduchu lambda u zážehových motorů [3]. Pro dosažení co nejlepších výsledků je důležité co nejlepší rozprášení a promíchání optimálního množství paliva se vzduchem a dodržování přesně stanoveného součinitele přebytku vzduchu xxx. Respektování těchto požadavků dnes umožňují moderní vícebodové vstřikovací systémy (MPI). 9

10 Dalším důležitým faktorem je okamžik zážehu směsi.okamžik přeskoku jiskry na zapalovací svíčce je také optimalizován elektronickou řídicí jednotkou. V neposlední řadě je důležitá také pracovní teplota motoru a její rychlé dosažení po studeném startu. Katalyzátor Asi nejznámějším a jedním z nejúčinnějších opatření ke snížení škodlivin ve výfukových plynech je řízený třícestný katalyzátor. První katalyzátory se v automobilech začaly objevovat koncem sedmdesátých let (obr.2). Obr. 2 Schéma katalyzátoru [3] 1 - příruba ke sběrnému potrubí, 2 - lambda sonda, 3 - třícestný katalyzátor, 4 - naznačení chemické činnosti katalyzátoru, 5 - expanzní komora prvního (předního) tlumiče, 6 - dvojitý plášť s izolační vrstvou, 7 - tlumicí prvky druhého (zadního tlumiče), 8 - dvojitý plášť s izolační vrstvou, 9 - vyústění výfuku Chemicky je katalyzátor látka, která ovlivňuje průběh reakce, aniž se jí zúčastňuje. Katalyzátor není tedy žádný filtr, který zachycuje nečistoty, ale působí svojí přítomností. Katalyzátorem jsou v našem případě slabé vrstvičky drahých kovů (např. paladia a rhodia) nanesené na mřížce katalyzátoru, které vyvolávají reakce produktů nedokonalého hoření a jejich rozklad na méně nebezpečné látky. Optimální pracovní teplota uvnitř katalyzátoru je mezi 300 až 600 C, při vyšších teplotách by mohlo dojít k jeho poškození. Označení "třícestný" se používá pro typ katalyzátoru, který snižuje obsah tří nejnebezpečnějších složek výfukových plynů, tj. CO, NOx, HC. Někdy se také používá název oxidačně-redukční katalyzátor. V tomto názvu se vyskytují pojmenování obou chemických reakcí, které probíhají uvnitř tohoto katalyzátoru (oxidace a redukce). Třícestný katalyzátor dosahuje nejvyšší účinnosti tehdy, má-li spalovaná směs součinitel přebytku vzduchu lambda roven jedné. Aby byl tento poměr co nejvíce zachován, používá se před katalyzátorem lambda sonda, která měří množství kyslíku ve výfukových plynech, podle jeho obsahu nastavuje řídicí elektronika množství dodávaného paliva. Takto pracující systém se nazývá řízený katalyzátor (obr.3) [3]. 10

11 Obr. 3 Vliv součinitele přebytku vzduchu lambda na účinnost katalyzátoru [3]. Hlavní nevýhodou katalyzátoru je zvýšení protitlaku ve výfukovém systému a tím snížení výkonu motoru. V motorech vybavených katalyzátorem se nesmí používat olovnatý benzín, protože by došlo k zanášení aktivních ploch katalyzátoru a tím ke snížení jeho účinku, tzv. "otrávení' katalyzátoru [3] Opatření u vznětových motorů Složení škodlivin u vznětových motorů je možné ovlivnit především vhodnou tvorbou spalované směsi ve válci. Značný vliv na emise má okamžik vstřiku paliva. U přeplňovaných motorů lze snížení emisí NOx dosáhnout mezichlazením plnicího vzduchu (intercooler). Na kouřivost motoru má vliv především přebytek vzduchu při spalování a kvalita rozprášení paliva při vstřiku do válce. Jemnějšího rozprášení se dociluje většími vstřikovacími tlaky, např. použitím vysokotlakého systému čerpadlo-tryska. Použití klasického třícestného katalyzátoru je u vznětových motorů nevhodné, a proto se používá pouze tzv. oxidačního katalyzátoru, který snižuje obsah oxidu uhelnatého (CO) a nespálených uhlovodíků (HC). Důležitým prvkem jsou zde filtry, které snižují obsah pevných látek ve výfukových plynech (obr.4) [3]. Obr. 4 Závislost hlavních škodlivin na součiniteli přebytku vzduchu lambda u vznětového motoru [3]. 11

12 4. 6 Emisní předpisy Každé nově vyráběné vozidlo, které se dostane na trh, musí splňovat příslušné homologační předpisy. Proto jsou ještě před zahájením prodeje uskutečňovány náročná schvalovací měření - tzv. homologační zkoušky. Ve většině zemí jsou součástí těchto předpisů i ustanovení týkající se množství škodlivin ve výfukových plynech. Evropský standard pro automobilové motory je vytvářen Evropskou hospodářskou komisí (EHK) v rámci Dohody o přijetí jednotných podmínek pro homologaci a vzájemné uznávaní homologace výbavy dílů motorových vozidel. Tyto předpisy EHK jsou platné ve většině evropských států. V rámci Evropské unie je navíc kompetentním orgánem v oblasti předpisové báze, vztahující se k emisnímu hodnocení automobilů, Motor Vehicle Emmission Group (MVEG), která je součásti administrativy EU [3] Vývoj emisních předpisů Prvním předpisem platným v Evropě byla směrnice EHK 15 zavedená v roce Ta obsahovala v původní verzi 4 jízdní cykly a počítala s měřením obsahu oxidu uhelnatého (CO) a nespálených uhlovodíků (HC). Později přibylo měření oxidů dusíku (NOx). Test se během let měnil a doplňoval. Po mnoha přepracováních bylo EHK 15 koncem osmdesátých let nahrazeno novou vyhláškou EHK 83. Ta se stala základem i pro dnes platné předpisy. Původní znění vstoupilo v platnost v roce 1989 (v ČR od 1991 ). Předpis specifikuje 3 typy hodnocení: Typ A je určen pro hodnocení vozidel se zážehovým motorem bez dodatečné úpravy spalin (dnes se již uplatňuje pouze na přezkušování emisních vlastností starších typů vozidel při jejich individuálním dovozu nebo při jejich přestavbě na použití alternativních paliv.). Typ B se používá pro hodnocení vozidel se zážehovým motorem s katalyzátorem (používajících bezolovnatý benzin). Typ C je určen pro hodnocení vozidel se vznětovými motory (používajících motorovou naftu). Předpis EHK 83 prošel od roku 1989 několika úpravami, které se většinou týkaly zpřísnění limitních hodnot. Na počátku devadesátých let v rámci jednotné legislativy ve státech Evropské unie vychází nové emisní předpisy, jejichž základem je právě EHK 83, ale nesou již název podle zvyklostí EU. Tyto emisní předpisy jsou spíše známější pod názvem EURO (někdy se používá jenom zkratka EU) plus číslo revize předpisu. V rámci sjednocování legislativy jsou tyto předpisy přijímány i v ostatních státech mimo Evropskou unii. Zde nesou označení jako příslušná verze EHK 83 (např. EHK 83.03). EURO 1 (EUI) V roce 1992 začal ve státech Evropské unie platit předpis 91 /441 /EG, známější spíše jako EURO 1, tento předpis začal platit v roce 1995 i jako druhá revize EHK 83 (označení EHK 83.02) v ostatních státech. EURO 2 (EU2) Od platily ve státech Evropské unie předpisy 94/12/EG a 96/69/EG, označované jako EURO 2. Tyto normy zavedly opět přísnější limity a ve státech řídících se podle předpisů 12

13 EHK vstoupily v platnost jako třetí a čtvrtá revize EHK 83 (EHK a EHK 83.04) v roce 1996, resp. v roce EURO 3 (EU3) Od platí ve státech Evropské unie předpis 98/69EG - A (EURO 3) a od jako předpis EHK platí i v ČR. Tento předpis již počítá s odděleným vyhodnocováním emisí oxidů dusíku (NOx) a nespálených uhlovodíků (HC), které byly dříve vyhodnocovány společně. Změny se též částečně týkají uspořádání jízdního cyklu. EURO 4 (EU4) V současné době je již zveřejněn předpis 98/69/EG - B (EUR04), který by měl začít platit od roku A již dnes někteří výrobci, mezi nimi i Škoda Auto, nabízejí motory, které splňují požadavky tohoto předpisu (obr. 5) [3]. Obr. 5 Vývoj emisních předpisů [3]. Státy mimo EU se co do platnosti jednotlivých revizí předpisu EHK mohou lišit. V Německé spolkové republice platil po jistou dobu předpis označovaný jako EURO 3D. Jeho limity byly přísnější než norma EURO 2 a vozy, které jej splňovaly, měly jisté daňové zvýhodnění. Všeobecně platí, že s datem začátku platnosti nového předpisu musí skončit výroba nebo dovoz vozů nesplňujících zpřísněné požadavky nového předpisu. Pro prodej nových vozů většinou platí, že jejich prodej musí skončit jeden rok od data začátku platnosti předpisu [3] Daňové úlevy V některých státech platí na vozy, které splňují vybrané emisní limity, daňové úlevy. v České republice tyto úlevy uplatňuje zákon o silniční dani. U vozidel splňujících emisní normu EURO 2 je snížení sazby daně o 25% (platí do ) a u vozidel vyhovujícím normě EURO 3 snížení sazby daně o 50% ( do ) a počínaje dnem o 25% [3]. 13

14 4. 9 Motory ve vozech Škoda Škoda Auto dnes nabízí širokou paletu motorů pro obě modelové řady Škoda Octavia a Škoda Fabia. Mnohé z motorů jsou prodávány v provedeních plnících různé emisní limity (tabulky1,2,3), podle požadavků legislativy státu, do kterého je automobil vyvážen. Některé z těchto motorů již dnes s předstihem splňují emisní předpisy EURO 4, které začnou platit až v roce Tyto motory jsou vybaveny dvěma katalyzátory, mají dvě sondy lambda a disponují samočinnou palubní diagnostikou všech řídicích funkcí EOBD. První katalyzátor je umístěn hned za vývodem výfukového potrubí z motoru, aby došlo k jeho rychlému ohřátí na pracovní teplotu. Slouží pouze ke snižování emisí při studeném startu motoru, kdy je účinnost klasického třícestného katalyzátoru nižší z důvodů jeho nedostatečné teploty. Funkce druhého katalyzátoru zůstává stejná jako u vozů s jedním katalyzátorem. První lambda sonda je umístěna před vstupem do katalyzátorů a má řídicí funkci. Druhá sonda je součástí systému a je situována až za oběma katalyzátory, kde kontroluje jejich funkčnost X [3]. Tab. 1 Motory Škoda Fabia (Combi, Sedan) a jejich emisní limity [3]. Škoda Fabia (Combi,Sedan) EURO 2 EURO 3 EURO 4 Poznámka 1.0 MPI / 37 kw X X pouze pro Škoda Fabia 1.4 MPI / 44 kw X X pouze pro Škoda Fabia 1.4 MPI / 50 kw X X 1.4 MPI 16V / 55 kw X s mechanicky řazenou převodovkou 1.4 MPI 16V / 55 kw X s automatickou převodovkou 1.4 MPI 16V / 74 kw X 2.0 MPI / 85 kw X 1.9 SDI / 47 kw X 1.9 TDI / 74 kw X 14

15 Tab. 2 Motory Škoda Octavia (Combi) a jejich emisní limity [3]. Škoda Octavia (Combi) EURO 2 EURO 3 EURO 4 Poznámka V MPI / 55 kw X 1.6 MPI / 55 kw X 1.6 MPI / 74 kw X s mechanicky řazenou převodovkou 1.6 MPI / 74 kw X s automatickou převodovkou 1.6 MPI / 75 kw X 2.0 MPI / 85 kw X V Turbo / 110 kw X X V Turbo / 132 kw X 1.9 SDI / 50 kw X 1.9 TDI / 66 kw X X 1.9 TDI / 81 kw X X Tab. 3 Motory Škoda Octavia (Combi) 4x4 a jejich emisní limity[3]. Škoda Octavia (Combi) 4x4 EURO 2 EURO 3 EURO 4 Poznámka 2.0 MPI / 85 kw X V Turbo / 110 kw X 1.9 TDI / 66 kw X 1.9 TDI / 74 kw X Budoucnost Protože emisní požadavky na nové motory se neustále zpřísňují, je nutné již dnes vyvíjet nové a dokonalejší motory, které se budou vyznačovat nízkou spotřebou a ještě nižší produkcí škodlivin. Neustále také pokračuje vývoj nových alternativních druhů pohonů, při jejichž provozu nevznikají žádné škodlivé látky [3]. 15

16 5. Legislativa 5.1 Legislativa v České republice Výfukové plyny spalovacích motorů obsahují množství látek škodlivých pro člověka i životní prostředí. Existují proto legislativní normy, jejichž účelem se snížit jejich množství těchto škodlivin nebo jejich negativní vliv na lidské zdraví. V současné době je v České republice stanoven Zákaz použití zařízení se spalovacím motorem bez katalyzátoru v uzavřených prostorech a pracovištích zaměstnavatele a to v Nařízení vlády č. 378/2001sb. (příloha 3, odst. 8). To však neznamená, že lze provozovat spalovací motor s katalyzátorem v uzavřených prostorách bez dalšího omezení. Dalším předpisem je Nařízení vlády č. 178/2001, kde jsou v paragrafu 14 a v příloze č. 2 uvedeny přípustné expoziční limity a nejvyšší přípustné koncentrace chemických látek v ovzduší na pracovišti a způsob jejich posuzování. Samozřejmě zde zasahuje i Zákoník práce, který v paragrafu 132, odst 3 stanovuje, že za plnění úkolů zaměstnavatele v péči o bezpečnost a ochranu zdraví při práci odpovídají vedoucí zaměstnanci zaměstnavatele na všech stupních řízení v rozsahu svých funkcí. Tyto úkoly jsou rovnocennou a neoddělitelnou součástí jejich pracovních povinností. Dále je v paragrafu 74, odst. 1 stanovena pro vedoucí zaměstnance povinnost vytvářet příznivé pracovní podmínky a zajišťovat bezpečnost a ochranu zdraví při práci. A konečně paragraf 132a ukládá zaměstnavateli povinnost vyhledávat rizika, zjišťovat jejich příčiny a zdroje a přijímat opatření k jejich odstranění. Naše právní normy zatím neposuzují škodlivý vliv výfukových plynů na životní prostředí u mimosilničních mobilních strojních zařízení. Mezi tyto zařízení patří zejména stavební stroje, manipulační a přepravní technika, ale také např. motorové lokomotivy [4] Legislativa v Evropské unii Regulační úřady v EU, USA a Japonsku postupují společně v harmonizaci emisních standardů, aby usměrňovaly vývoj a emisní certifikaci výrobců motorů. V EU jsou emisní standardy rozděleny do 3 etap 1 až III. Etapy I a II evropských standardů byly částečně harmonizovány a americkými standardy. Navrhované limity v etapě III jsou harmonizovány s americkými standardy TIER 3. Evropské direktivy musí být přeneseny do národních legislativ všech členských států EU. Pro zařízení vyrobená před datem implementace těchto nařízení je povolena lhůta pro jejich výprodej v délce 2 let. Přesný časový rámec implementace se může v jednotlivých členských státech EU lišit [4]. Etapa I a II První evropská legislativa regulující emise mimosilničních strojů s dieslovým motorem byla vyhlášena (direktiva 97/68/EC). Toto nařízení bylo připraveno ve dvou etapách: Etapa I implementována v r a Etapa II implementována v r v závislosti na výkonu motoru. Nařízení zahrnovalo vrtací stroje, kompresory, stavební kolové nakladače, buldozery, finišéry, vysokozdvižné vozíky, zařízení k údržbě silnic, sněhové pluhy, pozemní letištní techniku, zdvihací plošiny a mobilní jeřáby. Zemědělské a lesní stroje měly stejné emisní standardy, ale jiná data implementace (viz. direktiva 2000/25/EC z , Official 16

17 journal L173, ). Stroje používané v lodích, lokomotivách, letadlech a generátorech nejsou v etapách I a II zahrnuty navrhla Evropská komise novelu direktivy 97/68/EC přidáním emisních standardů také pro malá benzínová zařízení s výkonem do 19 kw. Tento návrh, publikovaný v dokumentu COM(2000)840, byl do značné míry v souladu s obdobnou směrnicí platnou v USA. Emise dle standardů etapy I a II nesmí překročit hodnoty uvedené v tabulce 4. Emisní limity etapy I jsou určeny za motorem, před jakýmkoliv zařízením pro následné snížení emisí. Emise jsou měřeny podle normy ISO 8178 C1 v 8 režimovém cyklu a jsou vyjádřeny v g/kwh [4]. Tab. 4 Evropské emisní limity pro mimosilniční dieslové motory etapa I a II [4]. čistý výkon motoru termín emise CO emise HC emise NOx emise DPM kw g / kwh Etapa I Etapa II / / / / / / / ,0 1,3 9,2 0,54 5,0 1,3 9,2 0,70 6,5 1,3 9,2 0,85 3,5 1,0 6,0 0,2 5,0 1,0 6,0 0,3 5,0 1,3 7,0 0,4 5,5 1,5 8,0 0,8 Etapa III dokončila Evropská komise návrh etapy III emisních standardů pro mimosilniční stroje (dokument COM(2002)765). Standardy etapy III by měly být implementovány ve dvou fázích. První fáze III A zahrnuje pouze plynné látky a vstupuje v platnost mezi a Druhá fáze III B zahrnuje také pevné částice (DPM) a vstupuje v platnost mezi a Standardy etapy III zahrnují kromě zařízení regulovaných v etapách I a II také lodní stroje pro vnitrozemskou lodní dopravu. Navrhované emisní limity etapy III jsou uvedeny v tabulkách 5 a 6. Ve srovnání s limity etapy II jsou limity NOx nižší o 30% [4]. 17

18 Tab. 5 Navrhované evropské emisní limity pro mimosilniční dieslové motory etapa III A [4]. kategori e čistý výkon motoru emise CO emise HC + NOx emise DPM termín kw g / kwh H ,5 4,0 0,2 I ,0 4,0 0,3 J ,0 4,7 0,4 K ,5 7,5 0, Tab. 6 Navrhované evropské emisní limity pro mimosilniční dieslové motory etapa III B [4]. kategori e čistý výkon motoru emise CO emise HC + NOx emise DPM * termín kw g / kwh L ,5 4,0 0,025 M ,0 4,0 0,025 N ,0 4,7 0, * 0,15 0,20 a 0,25 g/kwh pokud není možno použít filtr pevných částic Standardy etapy III B zahrnují také omezení množství pevných částic (DPM) 0,025 g / kwh pro všechny kategorie motorů. Aby byly splněny tyto limity, které znamenají snížení oproti etapě II o 90%, předpokládá se, že motory budou muset být vybaveny filtry pevných částic (sazí). Navíc, aby byly výsledky skutečně odpovídající reálným podmínkám, budou se emise pevných částic měřit podle metody Nonroad Transient Cycle (NRTC), což je testovací procedura vytvořena ve spolupráci s americkou organizací EPA. Referenční palivo pro schválení typu motoru v etapě III A má obsahovat ppm síry. Palivo pro etapu III B bude vyžadovat ultra nízký obsah síry ppm. Předpokládá se, že Evropská komise navrhne dodatek k direktivě 98/70/EC, aby zajistila celoevropské používání vhodného paliva. Na rozdíl od etap I a II jsou v etapě III zahrnuty také vnitrozemské lodní motory, ale s volnějšími požadavky na emise (viz. tabulka 7). Motory jsou rozděleny do kategorií podle obsahu motoru na jeden válec a čistého výkonu. Tyto kategorie jsou harmonizovány s americkými standardy pro lodní motory [4]. 18

19 Tab. 7 Navrhované evropské emisní limity pro vnitrozemské lodní motory etapa III [4]. kategorie obsah motoru emise CO emise HC + NOx emise DPM termín dm3 / 1 válec g / kwh V1:1 do 0,9 a výkon do 37kW 5,0 7,5 0,40 V1:2 0,9-1,2 5,0 7,2 0, V1:3 1,2-2,5 5,0 7,2 0,20 V1:4 2,5 5 3,5 7,2 0,20 V2: ,0 7,8 0,27 V2:2 V2: , výkon do 3300 kw 15-20, výkon od 3300 kw 5,0 8,7 0,50 5,0 9,8 0, V2: ,0 9,8 0,50 Č ,0 11,0 0,50 19

20 6. Ukazatele kvality ovzduší 6.1 Používané analytické metody pro manuální měření Analytické a odběrové postupy pro základní sledované škodliviny ve venkovním ovzduší tj. oxid siřičitý, suma oxidů dusíku, polétavý prach a oxid uhelnatý jsou uvedeny v platných Hygienických předpisech č. 60 / Tento předpis uvádí další analytické metody, a to pro stanovení anorganických sloučenin arzénu a pro stanovení olova. Novým platným předpisem je Soubor metodických předpisů pro měření základních znečišťujících látek ve venkovním ovzduší, Praha 1997, ČHMÚ. Manuální metody jsou pokryty předpisy č. 2 stanovení SO 2 podle West-Gaeke, metodický předpis č. 5 stanovení sumy oxidů dusíku a metodický předpis č. 11 gravimetrické stanovení celkového prašného aerosolu TSP včetně postupů AAS pro stanovení olova a kadmia v prašném aerosolu metodické předpisy č. 12 a 13 (tabulka 8) [5]. Tab.8 Detekční limity používaných aspiračních postupů a gravimetrické metody [5]. Látka metoda detekční limit oxid siřičitý (West-Gaeke - spektrofotometrie) 4 µg/m 3 suma oxidů dusíku (Saltzmann - spektrofotometrie) 8 µg/m 3 polétavý prach (gravimetrie) 10 µg/m 3 Pokud je výsledek stanovení pod mezí detekce příslušné metody, vkládá se jako reálná hodnota/výsledek hodnota rovná polovině intervalu mezi mezí detekce a nulou [5] Měření automatickými měřícími stanicemi a) Stanice provozované hygienickou službou. Patnáct instalovaných měřících stanic je výrobkem firmy MLU. Vybaveny jsou vždy čtyřmi analyzátory ve dvou variantách. Všechny jsou osazeny analyzátorem oxidu siřičitého, oxidů dusíku a prašného aerosolu, frakce do 10 µm. Čtvrtým analyzátorem je alternativně buď analyzátor oxidu uhelnatého (Plzeň, Sokolov, Ústí nad Orlicí, Svitavy, České Budějovice, Havlíčkův Brod a Kolín) nebo ozónu (Hradec Králové, Žďár nad Sázavou, Klatovy, Hodonín, Olomouc). Mezi automatické stanice lze zařadit i další stanice provozované hygienickou službou, které jsou vybaveny jedním či více automatickými analyzátory a systémem sběru, archivace a přenosu dat (tabulka 9). Sem lze zařadit měřící síť v Děčíně, Praze, Ostravě, jednotlivé stanice v Mostě a Ústí nad Labem [5]. Tab. 9 Detekční limity instalovaných analyzátorů [5]. Látka detekční limit analyzátor SO 2 1 ppb (2,86 µg/m 3 ) analyzátor NO/NO 2 /NO X 1 ppb (1,35/2,05/2,05 µg/m 3 ) analyzátor CO 100 ppb (134 µg/m 3 ) analyzátor O 3 1 ppb (2,00 µg/m 3 ) analyzátor pr. aerosolu - měřená frakce PM µg/m 3 20