MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA DIPLOMOVÁ PRÁCE

Transkript

1 MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA DIPLOMOVÁ PRÁCE BRNO 2014 VÍT MAREK

2 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Vliv jízdního režimu nákladního vozidla na spotřebu vodného roztoku močoviny v systému selektivní katalytické redukce Diplomová práce Vedoucí práce: Ing. et Ing. Petr Dostál, Ph.D. Vypracoval: Bc. Vít Marek Brno 2014

3 Čestné prohlášení Prohlašuji, že jsem práci na téma Vliv jízdního režimu nákladního vozidla na spotřebu vodného roztoku močoviny v systému selektivní katalytické redukce vypracoval samostatně a veškeré použité prameny a informace uvádím v seznamu použité literatury. Souhlasím, aby moje práce byla zveřejněna v souladu s 47b zákona č. 111/1998 Sb., o vysokých školách ve znění pozdějších předpisů a v souladu s platnou Směrnicí o zveřejňování vysokoškolských závěrečných prací. Jsem si vědom/a, že se na moji práci vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., autorský zákon, a že Mendelova univerzita v Brně má právo na uzavření licenční smlouvy a užití této práce jako školního díla podle 60 odst. 1 autorského zákona. Dále se zavazuji, že před sepsáním licenční smlouvy o využití díla jinou osobou (subjektem) si vyžádám písemné stanovisko univerzity, že předmětná licenční smlouva není v rozporu s oprávněnými zájmy univerzity, a zavazuji se uhradit případný příspěvek na úhradu nákladů spojených se vznikem díla, a to až do jejich skutečné výše. V Brně dne:.... podpis

4 PODĚKOVÁNÍ Tímto bych chtěl poděkovat všem, kteří se podíleli jakýmkoliv způsobem na tvorbě této diplomové práce. Hlavní poděkování bych chtěl věnovat panu doc. Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za přípravu vybavení na praktickou část měření, poskytnutí odborné literatury a kvalitní přístup po celou dobu zpracovávání práce. Poděkování patří také doktorandům z Ústavu automobilové techniky. Panu Ing. Michalu Juklovi bych chtěl poděkovat za pomoc při terénním měření nákladního vozidla a odborné rady v oblasti nákladních vozidel. Poděkování bych rád věnoval dále panu Ing. Adamovi Polcarovi, Ph.D. za kontrolu praktické části měření, odborný a důrazný přístup v části zpracovávaných dat a v poslední řadě precizní přístup při zpracování naměřených dat. Společnostem FTL a.s., Volvo Truck Czech Olomouc, Brno za pomoc a poskytnutí měření jednotlivých parametrů nákladních vozidel. Rád bych poděkoval profesionálním řidičům Ondřeji Valentovi a Martinu Kardinálovi za terénní jízdy s nákladním vozidlem, které bylo zapůjčeno v rámci studijních měření od společnost BODOS Czechia a.s. na zodpovědnost dispečera Tomáše Sovíka. Za pomoc při terénních jízdách bych chtěl poděkovat svému kamarádovi Janu Pitákovi, bez kterého bych praktickou část nemohl provést. Vedoucímu diplomové práce Ing. et Ing. Petru Dostálovi, Ph.D. bych chtěl poděkovat za cenné rady a kvalitní připomínky v průběhu zpracovávání práce. Na závěr bych chtěl poděkovat své rodině, která při mně stála po celou dobu tvorby celé diplomové práce. Svému strýci Martinu Markovi bych chtěl hlavně poděkovat za praktické měření nákladního vozidla IVECO ve firmě FTL a.s. a svému otci Vítu Markovi za možnost ověření některých parametrů na nákladních vozidlech Volvo.

5 ABSTRAKT Tato diplomová práce s názvem Vliv jízdního režimu nákladního vozidla na spotřebu vodného roztoku močoviny v systému selektivní katalytické redukce popisuje různé jízdní režimy nákladního vozidla, při kterých docházelo k aktivaci dávkování vodného roztoku močoviny (AdBlue) do systému selektivní katalytické redukce. První polovina diplomové práce se věnuje teoretické části. Zde patří 4 kapitoly, které se věnují způsobu vzniku škodlivin spalovacího motoru, následkům škodlivin a legislativním předpisům. Dále jsou zde vysvětleny funkce a popisy konstrukčních prvků jednotlivých systémů redukce škodlivých složek výfukových plynů. Hlavní důraz je kladen zejména na selektivní katalytickou redukci. Další kapitoly se věnují metodice, kde jsou detailně popsány testovací postupy. Cílem této části diplomové práce je prezentovat chování systému selektivní katalytické redukce v závislosti na různých režimech nákladního vozidla. Klíčová slova: emise, SCR, močovina, katalyzátor, Denoxtronic This thesis titled Impact of driving mode on urea consumption describes the influence between different drive modes and conditions of urea injection into the selective catalytic reduction system. The first half of the thesis deals with the theoretical part. Introduction deals with the theory of formation of harmful pollution in exhaust emissions, the effects of pollutants and legislative regulations. There are also explained key parts of different systems, reduction of harmful exhaust gas components. The main emphasis is put on the selective catalytic reduction. Other chapters are devoted to the methodology and testing procedures. The aim of this thesis is a presentation of the system regulation, its pros and cons under various operational modes. Keywords: emissions, SCR, urea, catalyst, Denoxtronic

6 OBSAH 1 Úvod Emise ve výfukových plynech spalovacího motoru Vznik škodlivin spalovacího motoru Složení výfukových plynů Význam složek výfukových plynů Dusík Kyslík Voda Oxid uhličitý Oxid uhelnatý Oxid dusíku Oxidy síry Uhlovodíky Pevné částice a saze Legislativní nařízení v oblasti emisí výfukových plynů vozidel v Evropě Technické systémy ke snížení škodlivin ve výfukových plynech Systém zpětného vedení výfukových plynů Vnitřní recirkulace u traktorových motorů Oxidační katalyzátor vznětových motorů Filtry pevných částic Systémy filtrů pevných částic Konstrukce filtru pevných částic Selektivní katalytická redukce SCR Vlastnosti AdBlue Aplikace systému SCR v mobilních prostředcích Funkce systému Denoxtronic Chemická reakce Komponenty systému SCR Snímač teploty - vlhkosti vzduchu... 33

7 Nádrž na AdBlue Zařízení na ohřev AdBlue Jednotka čerpadla Skříň filtru Řídicí jednotka SCR Dávkovací jednotka Katalyzátor SCR Snímač teploty výfukových plynů Snímač NO x Vstřikovací fáze systému SCR Běžný provoz nákladního vozidla Nízká hladina AdBlue v nádrži Běžné vypnutí vstřikování AdBlue zastaveno Cíl práce Experimentální měření nákladního vozidla Parametry nákladního vozidla a přívěsu Popis testovacích tras Popis první testovací trasy Profil první testovací trasy Popis druhé testovací trasy Měřicí řetězec pro první typ měření Notebook Acer Aspire One Měřicí karta USB Komunikační kabel Programové prostředí LabVIEW Měřicí řetězec pro druhý typ měření Metodika ve všech případech měření Kontrola datových sběrnic před experimentálními měřeními Připojení měřicích řetězců na datovou sběrnici ECB Výsledky měření z první trasy Vliv teploty výfukových plynů na dávkování AdBlue... 62

8 7.2 Vyhodnocení vstřikování AdBlue v jízdním režimu Nízké zatížení soupravy městský provoz Střední zatížení soupravy rychlostní komunikace R Vysoké zatížení rychlostní komunikace R Snížení / zvýšení rychlostního stupně Výsledky měření v servisním centru Testovací jízda v autorizovaném centru IVECO Režim studeného motoru Aktivace snímání koncentrace NO x (SAE J1939) a množství NO x Aktivace vstřikování AdBlue Test složení katalyzátoru SCR Diskuze Závěr Seznam literatury Seznam obrázků Seznam grafů Seznam tabulek... 92

9 1 ÚVOD S pojmem emise se setkáváme v oblasti mobilních prostředků na každém kroku. V současnosti se emise dají sledovat u jednotlivých kategorií mobilních prostředků mnoha způsoby. Mezi hlavní představitele mobilních prostředků patří osobní, nákladní vozidla, traktory a autobusy. Každá kategorie má svoje specifické předpisy emisních limitů, na které jsou v dnešní době kladeny velice přísné nároky a požadavky. U mobilních prostředků patří ochrana životního prostředí k prvotním požadavkům, jež jsou přesně uvedeny v mezinárodních předpisech, které musí konkrétní mobilní prostředky splňovat. Je z nich zřejmé postupné zpřísňování emisních limitů. U vznětových motorů, jejichž nejčastějším palivem je pořád motorová nafta fosilního původu, jsou nejzávažnějšími, a také nejhůře odstranitelnými, plynné oxidy dusíku (NO x ) a pevné částice (PM). Snížení obsahu škodlivin ve výfukových plynech je možné zajistit aktivními opatřeními na motoru při jeho spalování. To znamená omezením tvorby škodlivin přímo ve zdroji. Vzhledem k současným požadavkům na produkované škodliviny z výfukových plynů lze konstatovat, že ke splnění uvedených limitů musí být používány pasivní prostředky. Kromě oxidačních katalyzátorů a filtrů pevných částic se k likvidaci škodlivin ve výfukovém traktu motoru používají SCR systémy, které využívají vstřikování vodného roztoku močoviny (AdBlue) do výfukového potrubí. V dnešní době je používání vodného roztoku močoviny u většiny typů nákladních automobilů běžnou praxí. Dopravci i samotní řidiči si s AdBlue dovedou poradit. Na jedné straně je to pro dopravce výdaj z hlediska tankování, ale na druhé straně se jedná o výdaj z hlediska servisních činností. Řidič tento vodný roztok tankuje do vozidla, aby splnil emisní předpisy. Z tohoto pohledu mu v podstatě nehrozí žádný problém. Je však nutné dbát na čistotu při tankování. Pokud se prokáže, že řidič znečistil systém SCR, tak je to problém jak pro majitele vozidla, tak pro řidiče. Oprava systému SCR není levná záležitost a dokázat, kdo znečištění zavinil, není problém např. vizuální kontrolou mastných skvrn, nebo pomocí metody indexu lomu různých vzorků AdBlue. 9

10 2 EMISE VE VÝFUKOVÝCH PLYNECH SPALOVACÍHO MOTORU V posledním desetiletí se stala součástí základních požadavků na vývoj nových typů automobilů snaha omezovat nepříznivé účinky automobilů na životní prostředí. Ve skutečnosti má tato snaha však časovou posloupnost. V první řadě se jedná zejména o odstraňování nadměrného hluku, který se řeší už od počátku 20. století. Následuje snižování kouřivosti vznětových motorů z důvodu bezpečnosti, až po dnešní komplexní přístup, který je formulovaný v řadě předpisů nebo norem. Tyto normy a předpisy omezují nejen vlastní produkci škodlivin při provozu vozidla, ale i ve výrobním procesu a v poslední době už stanovují pravidla nutná pro ekologicky přijatelnou likvidaci starých vozidel, které už nesplňují požadavky podle aktuálních norem a předpisů. (Jan Z., Žďánský B., 2010) Spalovací motory jsou tepelné hnací stroje, ve kterých se tepelná energie, získaná spalováním vhodných plynných nebo kapalných paliv, mění na mechanickou práci. Spalování probíhá přímo v pracovním prostoru motoru při tlaku vyšším než atmosférickém a má být pokud možno ovládané. Pracovní látka je u spalovacích motorů nositelem tepelné energie. Za pracovní látku můžeme označit například plyn nebo páru. (Jan Z., Žďánský B., 2004) Spalovací motor je součástí vývoje více než jedno století. V poslední době se jedná o využití tohoto tepelného stroje při stále rozmanitějších, a tím také náročnějších podmínkách. Tyto podmínky byly po větší část této doby koncentrovány především na provozní vlastnosti a spolehlivost. Ovšem nebyl kladen velký důraz na negativní a nepříznivé projevy činnosti spalovacího motoru, které jsou především ekologické povahy. Zejména se jedná o škodliviny ve výfukových plynech, hluk, úniky provozních kapalin, spotřebování surovin pro výrobu komponentů, produkce odpadů. Výše vyjmenované skutečnosti jsou v posledních 20 letech stále více sledovány jak veřejností, tak i státy a společenskými institucemi. Právě tyto instituce vymezují jednotlivé úrovně již zmíněných emisí spalovacího motoru. (Šmerda T., Čupera J., Fajman M., 2013), (Čupera J., 2011) 10

11 2.1 Vznik škodlivin spalovacího motoru Činnost spalovacího motoru má negativní vlivy na stav našeho okolí, které se dají shrnout do několika základních bodů: - škodlivé plynné emise - hluk - vibrace - kontaminace vody a půdy Na produkci škodlivin má vliv: - konstrukce motoru - technický stav vozidla - uspořádání motoru - technika a technologie činnosti Škodlivé emise vznikají hlavně ve formě výfukových plynů v důsledku netěsnosti například mezi pístem a válcem odvětrání klikové skříně (20 %), z vypařování paliva a motorového oleje (12 %). Při spalování směsi paliva a vzduchu, který obsahuje kromě potřebného kyslíku i velké množství dusíku (78,03 %), vznikají kromě produktů ze spáleného paliva díky vysoké teplotě i sloučeniny dusíku (NO x ). Velký obsah sloučenin dusíku (NO x ) vzniká při spalování chudých směsí (λ > 1). Největší podíl NO x vzniká při = 1,1 1,2. (Hlavňa V., Kučuka P., 2000) V následujících grafech je znázorněno, které složky vznikají při různém součiniteli přebytku vzduchu. Zobrazeny jsou zde jak benzinové, tak vznětové motory. 11

12 Obr. 1 Poměr spalovacího vzduchu a škodlivé emise u benzinového motoru (AUTOEXPERT, 2009) Obr. 2 Vliv součinitele přebytku vzduchu na složení emisí vznětového motoru (AUTOEXPERT, 2009) Pro spalování uhlovodíkového paliva za přítomnosti dusíku platí chemická rovnice: (1) (2) Výsledné produkty mohou obsahovat i další látky. Mezi nejčastější patří například N 2 O (oxid dusný), NO 2 (oxid dusičitý), NH 3 (amoniak), HCN (kyanovodík), CH 4 (methan). (Hlavňa V., Kučuka P., 2000) 12

13 Pokud se zaměřím na proces hoření ve válci motoru, tak jej musím nejprve obecně charakterizovat. Hovořit o procesu hoření je velice spletité. Jedná se o fyzikálně chemický proces redukčních, ale i oxidačních dějů (reakcí), při kterých dochází ke spalování paliva za přítomnosti kyslíku obsaženého v okolním vzduchu, a to za rychle měnících se podmínek (teplota, tlak). Ovšem je nutné podotknout, že během těchto pochodů navíc probíhají vzájemné vedlejší reakce prvků, které jsou obsaženy ve vzduchu. Následkem jednotlivých reakcí dochází ke vzniku složek ve všech skupenstvích vystupujících ze spalovacího prostoru a některé složky spolu reagují a vznikají až ve výfukovém systému. Na celkový průběh spalování mají vliv zejména tyto vlastnosti: - tepelné sdílení tepla ve válci - tvarové tvar spalovacího prostoru - vírové způsob hoření směsi ve válci - způsob a kvalita vstřikování paliva - druh a čistota paliva Podle dosavadních analýz obsahují výfukové plyny pístových spalovacích motorů téměř 160 složek. (Bauer F., 2013) Dokonalou oxidaci hořlavých složek paliva a vznik produktů dokonalého hoření lze vyjádřit chemickou rovnicí: (3) (4) (5) Pro dokonalé spálení jednoho kilogramu uhlíku (C) je zapotřebí 2,66 kg kyslíku (O 2 ). To při 23% zastoupení kyslíku ve vzduchu znamená 11,6 kg vzduchu. Při dokonalém spalování 1 kg C je výsledným produktem 3,67 kg oxidu uhličitého (CO 2 ). Podobným způsobem lze postupovat i s vodíkem (H 2 ): 13

14 (6) (7) (8) Pro dokonalé spálení jednoho kilogramu H 2 je zapotřebí 8 kg kyslíku, což při 23% zastoupení kyslíku ve vzduchu znamená 34,78 kg vzduchu. Výsledným produktem dokonalého spálení H 2 je 9 kg H 2 O. (Bauer F., 2013) 2.2 Složení výfukových plynů V následujících obrázcích je znázorněno složení výfukových plynů zážehových a vznětových motorů. (ŠKODA AUTO a.s., 2002) Obr. 3 Složení výfukových plynů zážehových a vznětových motorů N 2 dusík, O 2 kyslík, H 2 O voda, CO 2 oxid uhličitý, CO oxid uhelnatý, NO x oxidy dusíku, SO 2 oxid siřičitý, HC uhlovodíky, PM částice sazí (Particulate Matter) (ŠKODA AUTO a.s., 2002) 2.3 Význam složek výfukových plynů Dusík Dusík (N 2 )je nehořlavý, bezbarvý nejedovatý plyn bez zápachu. Je hlavní součástí vzduchu, který nejen dýcháme, ale který je také nasáván motorem. Převážná část dusíku se po skončení spalovacího procesu vrací ve výfukových plynech zpět do ovzduší. Malá část reaguje s kyslíkem za vzniku oxidů dusíku NO x (N 2 O oxid dusný, NO oxid dusnatý, NO 2 oxid dusičitý). (ŠKODA AUTO a.s., 2002) 14

15 2.3.2 Kyslík Kyslík (O 2 ) je bezbarvý, nejedovatý plyn bez chuti a zápachu. Je nejvýznamnější součástí naší atmosféry. Je nezbytně potřebný pro proces spalování v motoru. (ŠKODA AUTO a.s., 2002) Voda Voda (H 2 O) je jako vodní pára nasávána spolu se vzduchem. Kromě toho vzniká kondenzací vlivem studeného spalování během ohřevu motoru. (ŠKODA AUTO a.s., 2002) Oxid uhličitý Oxid uhličitý (CO 2 ) je bezbarvý, nehořlavý a nejedovatý plyn. Vzniká spalováním látek, které obsahují uhlík. CO 2 snižuje ochranné účinky ozonové vrstvy proti ultrafialovému záření slunce. (ŠKODA AUTO a.s., 2002) Oxid uhelnatý Oxid uhelnatý (CO) je bezbarvý, výbušný, jedovatý plyn bez zápachu. Již jeho malá koncentrace ve vzduchu je smrtelná. CO se váže místo kyslíku na krevní barvivo (hemoglobin) v červených krvinkách, čímž zcela zablokuje přísun kyslíku krví. Ze zdravotního hlediska patří k nejjedovatějším složkám výfukových plynů. V normálních koncentracích v ovzduší poměrně brzo oxiduje na CO 2. Vzniká nedokonalým spalováním při nedostatku kyslíku ve spalované směsi nebo ve spalovacím prostoru. (ŠKODA AUTO a.s., 2002), (Bauer F., 2013) Oxid dusíku Oxidy dusíku (NO x ) vznikají oxidací dusíku, který je dopraven do spalovacího prostoru v nasávaném vzduchu společně s kyslíkem určeným pro oxidaci paliva nebo kyslíkem obsaženým v palivu. Některé oxidy dusíku jsou zdraví škodlivé a tvoří je NO oxid dusnatý, N 2 O oxid dusný a NO 2 oxid dusičitý. Největší zastoupení (až 95 %) tvoří oxid dusnatý, který je také toxický. Ve spalovacím motoru vznikají oxidy dusíku za vysokých teplot a tlaků během hoření ve spalovacím prostoru. 15

16 Jejich tvorba je závislá na bohatosti směsi, a také na koncentraci kyslíku. Množství oxidů dusíku klesá u vznětových motorů s rostoucím součinitelem přebytku vzduchu. Největšího maxima dosahuje při hodnotách 1,6 1,8, kdy tato hranice odpovídá největší bohatosti směsi u vznětových motorů. (Bauer F., 2013) Oxidy síry Oxidy síry (SO x ) se již u dnešních moderních spalovacích motorů z velké části zanedbávají. Největší produkce pochází především od vznětových motorů. Je to dáno palivem, kterým je z velké části stále motorová nafta. Obsah síry je dnes redukován v motorové naftě na minimum, tudíž i výsledné emise oxidů síry jsou minimální (0,01 %). Hlavním představitelem je oxid siřičitý (SO 2 ), který je bezbarvý, štiplavě páchnoucí, nehořlavý plyn. Podporuje vznik onemocnění dýchacích cest. (ŠKODA AUTO a.s., 2002), (Bauer F., 2013) Uhlovodíky Uhlovodíky (HC) jsou ve výfukových plynech zastoupeny v různé formě, která se označuje HC. Vznikají za velmi nepříznivých oxidačních podmínek buď z paliva jako výsledek z předčasně zastavených reakcí v tzv. zhášecích zónách (vysoký součinitel přebytku vzduchu, nízká teplota hoření v blízkosti stěn), nebo jako produkt tepelných krakovacích a dalších chemických reakcí. Nejmenší škodlivost mají obvykle původní uhlovodíky z paliva. Naopak nejrizikovější jsou polycyklické aromatické uhlovodíky, které se tvoří při spalování v oblasti vysokých teplot s nedostatkem kyslíku. (Bauer F., 2013) 16

17 2.3.9 Pevné částice a saze Saze jsou z chemické podstaty téměř čistý uhlík a jsou nežádoucím produktem neúplného spalování uhlovodíků. Jejich tvorba při procesu spalování je zapříčiněna nedostatkem kyslíku při spalování nebo příliš rychlým ochlazováním spalin. Hlavním problémem je složení částic. Částice produkované vznětovými motory se neskládají jenom ze sazí, nýbrž také z nespálených zbytků paliva a motorového oleje a dále z vody, otěru, síranů a popela. Tvar a velikost těchto pevných částic se navzájem silně liší. Tabulka 1 ukazuje klasifikaci a uspořádání částic podle velikosti. Tabulka 1 Klasifikace částic (AUTOEXPERT, 2009) Označení částic TSP Hrubé částice PM10 PM2,5 PM1 UFP Nanočástice Velikost menší než 15 μm menší než 2,5 μm menší než 10 μm menší než 2,5 μm menší než 1 μm menší než 100 nm menší než 50 nm Z dosud provedených experimentů plyne, že minimální teplota pro tvorbu sazí je 1400 C. (Bauer F., 2013 str. 35) Jejich množství klesá s rostoucím součinitelem přebytku vzduchu. Nejčastější rozměry částic se pohybují v rozmezí 0,3 1 μm. (Bauer F., 2013) 17

18 3 LEGISLATIVNÍ NAŘÍZENÍ V OBLASTI EMISÍ VÝFUKOVÝCH PLYNŮ VOZIDEL V EVROPĚ Ustanovením předpisu EHK (ECE) byly v západní Evropě poprvé stanoveny limity pro emise výfukových plynů automobilů, a to na základě městského jízdního cyklu. Tyto mezní hodnoty se až do zavedení normy EHK 15.04, která vstoupila v platnost v roce 1982, postupně zpřísňovaly. Povinné používání katalyzátorů bylo nařízeno od roku 1992, kdy byla zavedena emisní norma EURO 1. Současně vstoupil v platnost nový evropský jízdní cyklus (NEFZ) pro osobní automobily. Tento jízdní cyklus se skládá z městského jízdního cyklu a cyklu jízdy mimo město. EURO 3 zpřísnilo limitní hodnoty škodlivých emisí výfukových plynů o požadavky na zkušební proces měření výfukových plynů. Odpadla zejména 40sekundová fáze běhu motoru naprázdno. Emisní norma EURO 4 platí povinně pro vozidla kategorie M1 a N1 od 1. ledna 2005 pro schvalování typu a od 1. ledna 2006 pro nové registrace vozidel. V porovnání s emisní normou EURO 3 předepisuje v podstatě poloviční emise škodlivin ve výfukových plynech. Stanovuje pro různé kategorie vozidel automobilů různé limitní hodnoty. Během životnosti vozidla je povoleno určité zhoršování emisního chování, vyjádřené faktorem zhoršení, který se liší podle typu škodlivé látky, s koeficientem obvykle 1,1. Při měření oxidu uhličitého se bere v úvahu, že nový automobil spotřebovává více paliva než automobil zaběhnutý (hodnoty produkce CO 2 a spotřeby paliva jsou spojené, vyšší CO 2 = vyšší spotřeba paliva). Proto se používá faktor náběhu s hodnotou 0,92. Aktuální jsou již také přísnější normy pro emise výfukových plynů EURO 5 (od 1. září 2009) a EURO 6 (povinně od r. 2014). Označení emisních limitů jako EURO je v podstatě slangovým výrazem, který se postupem doby rozšířil i do oficiálních dokumentů. Exaktní označení emisních norem využívá označení buď ženevskými předpisy EHK (ECE, součástí OSN), nebo bruselskými ES/EHS (EC/EEC, součástí EU). (AUTOEXPERT, 2009) V tabulce 2 na následující straně jsou shrnuty mezní hodnoty emisí výfukových plynů, stanovené ve směrnicích EU pro těžké užitkové automobily. 18

19 Tabulka 2 Mezní hodnoty emisí výfukových plynů (AUTOEXPERT, 2009) Mezní hodnoty emisí výfukových plynů pro EURO 6 vstoupily v platnost v červenci Výrazně se mj. snížily limity pro oxidy dusíku NO x. Bez použití drahých filtrů pevných částic, katalyzátorů nebo systémů SCR není možné tyto limity dodržet. Automobily se výrazně prodražují. Například u vznětových motorů automobilů se mluví o částce přibližně eur, což může vést k určitému snížení přijatelnosti dosud úspěšných naftových automobilů s nižší spotřebou u zákazníků. V některých případech se technická opatření pro snižování emisí pevných částic a oxidů dusíku dostávají do komplikovaného konfliktu cílů mezi technicky nezbytným a ekonomicky účelným. Nejpozději při zavádění normy EURO 6 se projeví, že se u limitních hodnot emisí výfukových plynů u osobních automobilů už nebude příliš rozlišovat mezi zážehovým a vznětovým motorem. (AUTOEXPERT, 2009) 19

20 4 TECHNICKÉ SYSTÉMY KE SNÍŽENÍ ŠKODLIVIN VE VÝFUKOVÝCH PLYNECH V dnešní době se nabízí řešení, která vychází jednak z konstrukce spalovacího prostoru uvnitř motoru, jeho spolehlivého a precizního řízení (vysoký nárůst vstřikovacích tlaků, několikanásobný vstřik paliva, regulace plnícího tlaku a rotace nasávaného vzduchu, regulace předvstřiku), a jednak z dodatečné úpravy a redukce emisí. Tyto úpravy probíhají mimo spalovací prostor ve výfukovém traktu spalovacího motoru. Do této skupiny patří zařízení typu: - recirkulace výfukových plynů - filtry pevných částic - katalyzátory - selektivní katalytická redukce - kombinace těchto variant dle emisních požadavků (Bauer F., 2013) 4.1 Systém zpětného vedení výfukových plynů Úkolem recirkulace spalin u vznětového motoru je sníženi emisí oxidů dusíku (NO x ) ve výfukových plynech. Emise oxidů dusíku vzrůstají s rostoucími spalovacími teplotami, které jsou zejména u motorů s přímým vstřikem velmi vysoké. Následující křivka zobrazuje teplotní hranici, od které se oxidy dusíku tvoří ve velkém množství, proto je nevhodné tuto hranici překračovat. Obr. 4 Vliv teploty spalování na tvorbu NO x (Centrum vzdělávání SCANIA CER, 2008) 20

21 Pokud je část výfukových plynů smíchána s nasávaným čerstvým vzduchem, dochází ke snížení obsahu kyslíku v nasávaném vzduchu a tím ke snížení spalovacích teplot. Při velkém objemu přisávaných spalin, nebo při velkém zatížení motoru by mohlo vlivem recirkulace spalin dojít ke zvýšení kouřivosti motoru. Proto je recirkulace spalin funkční jen při zahřátém motoru (teplota vyšší než 50 C) a to při volnoběhu, při nižších otáčkách (asi do 3000 min -1 ) a při částečném zatížení. (RŮŽIČKA A., 1998 str. 35) Rozsahy provozních režimů recirkulace spalin (teplota motoru, otáčky a zatížení) jsou zadány do datových polí recirkulace spalin v řídicí jednotce. Tato datová pole obsahují také nejmenší nutnou hmotnost vzduchu pro každý provozní stav motoru v závislosti na otáčkách, množství paliva a teplotě motoru (viz obr. 5). (RŮŽIČKA A., 1998) Obr. 5 Datového pole vznětového motoru 1.9 TDI AGR (ŠKODA AUTO a.s., 2000) Na obrázku 6 je zobrazen systém recirkulace spalin vznětového motoru s přímým vstřikováním paliva. 21

22 Obr. 6 Schéma zpětného vedení výfukových plynů (ŠKODA AUTO a.s., 2000) A chladič plnicího vzduchu, AGR mechanický ventil pro zpětné vedení výfukových plynů, G28 snímač otáček motoru, G62 čidlo teploty chladicí kapaliny, G70 snímač množství nasávaného vzduchu, G72 snímač teploty nasávaného vzduchu, J248 řídicí jednotka motoru 1,9 TDI, N18 elektromagnetický ventil pro zpětné vedení výfukových plynů, VP vakuová pumpa 4.2 Vnitřní recirkulace u traktorových motorů Princip vnitřní recirkulace je založen na změně časování ventilů. První způsob nabízí možnost pootevření sacího ventilu během fáze výfuku u čtyřválcových motorů. Druhý způsob spočívá v otevření výfukového ventilu během fáze sání u šestiválcových motorů. Tato varianta není tak finančně náročná vzhledem k nárokům na zástavbový prostor. Na obrázku 7 je znázorněno řešení, kdy během výfuku je na okamžik pootevřen sací ventil. Dochází tak k částečnému úniku spalin do sacího prostoru. 22

23 Obr. 7 Vnitřní recirkulace výfukových plynů (CASE IH) (Šmerda T., Čupera J., Fajman M., 2013) 4.3 Oxidační katalyzátor vznětových motorů Vznětové motory pracují s přebytkem vzduchu a z toho také vyplývají nízké emise CO a HC. U vznětových motorů proto chybí oxid uhelnatý pro redukci oxidů dusíku v běžných katalyzátorech. Z tohoto důvodu nejsou u vznětových motorů trojcestné katalyzátory dostatečně účinné. Pro vznětové motory proto musely být vyvinuty zcela nové koncepce následného ošetřování výfukových plynů, protože samotné snížení škodlivých emisí opatřeními na motoru už nestačí. Běžný katalyzátor pro vznětové motory je normální oxidační katalyzátor pro přeměnu oxidu uhelnatého a uhlovodíků. Jako drahé kovy se pro oxidaci používají platina a částečně palladium. V důsledku vysokého obsahu kyslíku ve výfukových plynech probíhají oxidační procesy v tomto katalyzátoru velmi účinně. HC i CO oxidují už při teplotách nad 160 C. Protože oxid uhelnatý a uhlovodíky ulpívají také na pevných částicích, přeměňují se i tyto škodlivé látky. Při použití oxidačního katalyzátoru však nemohou být významně sníženy emise pevných částic. Účinkem katalyzátoru se však pevné částice stávají asi o 30 % lehčími, protože se na nich přemění usazené uhlovodíky a oxid uhelnatý. Jádra sazí však zůstávají zachována. Pro dodržení limitních hodnot stanovených normami EURO 2 až EURO 3 to bylo ještě dostatečné, pro dosahování hodnot normy EURO 4 a vyšších to však už nestačí. Proto je nutné používat u vyšších norem EURO filtr pevných částic. (AUTOEXPERT, 2009) 23

24 Chemické reakce v oxidačním katalyzátoru: (9) (10) (11) Obr. 8 Schéma systému s oxidačním katalyzátorem (AUTOEXPERT, 2009) 4.4 Filtry pevných částic Jako dodatečných prostředků pro snížení emisí pevných částic u vznětových motorů se v současné době používá zejména filtračních systémů. Objem filtru pevných částic činí asi 1,5 až 2,5 násobek zdvihového objemu motoru. Materiálem pro výrobu těchto filtrů bývá cordierit (tj. pěnová keramika z karbidu křemíku), titaničitan hlinitý, karbid křemíku, speciální pěnové kovy nebo spékané materiály. Hustota buněk činí v závislosti na typu filtru 230 až 300 cpsi (cell per square inch buněk na čtvereční palec). Obrázek 9 ukazuje dvě varianty filtru pevných částic. Jako nejvýhodnější geometrický tvar pro rovnoměrné rozložení částic ve filtru se ukázal tvar kruhového průřezu. Škodlivé složky výfukových plynů (oxid uhelnatý CO, nespálené uhlovodíky HC, oxidy dusíku NO x a případně oxidy síry SO x ) procházejí tímto filtračním systémem beze změny. Pro jejich přeměnu je i nadále zařazen do výfukového systému katalyzátor. Funkce katalyzátoru a filtru pevných částic je zcela odlišná, třebaže u některých moderních systémů je nutná jejich vzájemně sladěná spolupráce a oba systémy mohou být zabudovány v jednom pouzdře. (AUTOEXPERT, 2009) 24

25 Obr. 9 Příklad filtru ze spékaných kovů a filtru keramického (AUTOEXPERT, 2009) Uhlík je velmi málo reaktivní a má velmi dlouhou dobu hoření, která v motoru z pravidla není k dispozici. Složky sazí a pevných částic se musí z výfukových plynů odfiltrovat a dodatečně spálit. Pro toto spalování jsou nutné teploty vyšší než 600 C. Na obrázku 10 a 11 je znázorněná teplotní závislost pravděpodobnosti regenerace ve filtru bez a s podporou regenerace. (AUTOEXPERT, 2009) Obr. 10 Oblast regenerace filtru pevných částic bez podpory regenerace (AUTOEXPERT, 2009) 25

26 Obr. 11 Oblast regenerace filtru pevných částic s podporou regenerace (AUTOEXPERT, 2009) Z teplotní závislosti na obrázku 10 plyne, že teplota výfukových plynů se musí uměle zvýšit, nebo v případě obrázku 11 se naopak musí snížit teplota potřebná ke vznícení pevných částic. V oblasti stochastické regenerace se jedná o náhodnou aktivaci regenerace filtru pevných částic, která může a nemusí být podporována aditivem. Tento princip je naprogramován dle typu vozidla z výroby. (AUTOEXPERT, 2009) Systémy filtrů pevných částic Systémy filtrů pevných částic řadíme do dvou základních skupin. První skupina se označuje zkratkou FBC (Fuel Burn Catalyst). U těchto systémů se do paliva přidává speciální přísada, která snižuje teplotu zapálení odfiltrovaných pevných částic asi na 400 C. Vozidla Peugeot používala nejprve aditivum na bázi oxidu ceru a v novějších systémech na bázi oxidu železa s obchodním názvem Eolys. Skupina Volkswagen používá přísadu na bázi oxidu železa s obchodním názvem Satacen 25. (AUTOEXPERT, 2009) Vzhledem k některým konstrukcím vozidel (obr. 12) je nutné umístit filtr pevných částic dále od motoru. Z důvodu dlouhé cesty výfukových plynů od motoru k filtru nedochází k tak rapidnímu ohřevu, a proto je nutné pro spalování částic použít aditivum. (ŠKODA AUTO a.s., 2001) 26

27 . Obr. 12 Systém filtru pevných částic s aditivem (ŠKODA AUTO a.s., 2001) Druhou skupinu tvoří systémy bez aditiva. Tyto systémy pracují často s katalytickou vrstvou na povrchu filtru. Pro zvýšení teploty výfukových plynů ve fázi regenerace je zapotřebí značných zásahů elektronické regulace zásobování palivem (motorovou naftou) a kombinace s oxidačním katalyzátorem. (AUTOEXPERT, 2009) Umístění těchto filtrů je z konstrukčního hlediska vyřešeno tak, že filtr pevných částic je umístěn hned za turbodmýchadlem. Takové konstrukční řešení umožňuje dosáhnout vysokých spalovacích teplot pro odstranění částic z filtru. Tato teplota může být ještě pomocí řídicí jednotky motoru zvýšena. (ŠKODA AUTO a.s., 2001) Obr. 13 Systém filtru pevných částic bez aditiva (ŠKODA AUTO a.s., 2001) Konstrukce filtru pevných částic Konstrukce filtru pevných částic je zobrazena na obrázku 14. Filtr je složen z voštinového keramického tělesa, které je vytvořeno z karbidu křemíku uzavřeného v kovovém pouzdře. Keramické těleso je rozděleno na velké množství rovnoběžně uspořádaných mikroskopických kanálků s porézními stěnami, které jsou střídavě vždy z jedné strany zaslepeny. 27

28 Karbid křemíku se jako materiál na filtry hodí pro své následující vlastnosti: - velmi dobrá odolnost vůči změnám teploty - teplotní zatížitelnost a vodivost - vysoká odolnost proti opotřebení (ŠKODA AUTO a.s., 2001) Obr. 14 Schéma filtru pevných částic (ŠKODA AUTO a.s., 2001) 4.5 Selektivní katalytická redukce SCR S cílem přizpůsobit spalovací motory novým emisním limitům mají konstruktéři při přechodu z normy EURO 3 na EURO 4/5, popřípadě aktuální EURO 6, tři možnosti. První řešení je systém EGR a druhým řešením je SCR. Jako třetí řešení se nabízí kombinace těchto variant. Například společnost IVECO zvolila systém EGR pro lehkou řadu a systém SCR pro střední a těžkou řadu vozidel. Společnosti Mercedes, Daf, Volvo a Renault se rozhodly pro stejné řešení, zatímco společnosti Scania a MAN původně vsadily na systém EGR na celou výrobní řadu, avšak později musely svá rozhodnutí přehodnotit. Zejména společnost Scania nejdříve zvolila systém EGR pro motor V8 EURO 4 (368 kw a 455 kw), následně pak přešla k řešení SCR a pro EURO 5/6 bude tento systém aplikovat i na motor s výkonem 309 kw, jenž v roce 2007 nabízela s EGR. Společnost MAN následně také přešla k systému SCR, aby splnila limity EURO 5/6. (PRODUCT ADACEMY IVECO, 2007) 28

29 Od 1. října 2006 musí všechna lehká, středně těžká (jejichž celková hmotnost odpovídá 6 až 16 t) a těžká (jejichž celková hmotnost převyšuje 16 t) vozidla pro registraci odpovídat požadavkům norem EURO 4 a EURO 5. Od roku 2014 je povinná norma EURO 6. (PRODUCT ADACEMY IVECO, 2007) Vlastnosti AdBlue Světoví výrobci nákladních vozidel Volvo a IVECO předepisují k použití v systému SCR pouze roztok AdBlue, který splňuje požadavky normy ISO (dříve DIN 70070). Používání roztoku AdBlue, který není schválen dle této uvedené normy, může trvale poškodit systém SCR. Také dojde k negativnímu ovlivnění výkonu motoru a současně hrozí riziko poškození dalších součástí motoru. (Impact Online, 2014), (PRODUCT ADACEMY IVECO, 2007) AdBlue obsahuje 32,5 % močovinových krystalů a 67,5 % deionizované vody. Jde o čirou kapalinu se slabým zápachem po amoniaku. Kapalina je nehořlavá a při běžné manipulaci je nezávadná. Má však vysoce korozivní účinky na kovy, zejména měď a hliník. (Impact Online, 2014) Tabulka 3 Charakteristika AdBlue ISO (dříve DIN-70070) (Impact Online, 2014) Složení Roztok močoviny v deionizované vodě (destilované) Koncentrace 32,5 % 0,8 % Vlastnosti Bezbarvá kapalina. Nehořlavá. Nezávadná při běžné manipulaci. Močovina obsažená v roztoku se pomalu rozkládá na amoniak a oxid uhličitý. Rozklad probíhá rychleji při vyšších teplotách. Fyzikální údaje Bod mrznutí: 11 C Hustota (20 C) kg m -3 ph ~ 9 x Rozklad na čpavek v plynné podobě při 200 C 29

30 4.5.2 Aplikace systému SCR v mobilních prostředcích Selektivní katalytická redukce je vzhledem k aktuálním emisním předpisům instalována do většiny mobilních prostředků. Hlavním výrobcem systému selektivní katalytické redukce s název Denoxtronic je světový výrobce Robert Bosch GmbH (Gesellschaft mit beschränkter Haftung), která aplikuje tyto systémy v několika variantách: - osobní vozidla - střední a těžká řada vozidel - zemědělství, těžební a stavební vozidla - velké motory lokomotivy, lodě (Robert Bosch GmbH, 2014) Obr. 15 Hlavní části systému Denoxtronic 2 u nákladních vozidel (Impact Online, 2014) 1 nádrž AdBlue, 2 jednotka čerpadla, 3 dávkovací jednotka, 4 tlumič výfuku s katalyzátorem SCR, 5 výfukové plyny s AdBlue 30

31 4.5.3 Funkce systému Denoxtronic 2.0 Systém SCR je elektronicky ovládán z řídicí jednotky, která reguluje množství dodávaného roztoku AdBlue v závislosti na: - otáčkách motoru - dodávaném momentu - teplotě výfukových plynů - množství oxidů dusíku - vlhkosti nasávaného vzduchu Ke vstřikování AdBlue v systému SCR dojde za několika současně splněných podmínek (aktivačních parametrů): - teplota motoru musí být vyšší než 45 C - teplota katalyzátoru musí být vyšší než 180 C - otáčky motoru musí být nad 1000 min -1 - požadavek na moment motoru musí být vyšší než 20 % Provoz zařízení je garantován, pokud nejsou aktivní závady v systémech řídicí jednotky pro SCR a řídicí jednotky motoru. Konkrétně jde o poruchy: - vstřikovacích jednotek - tlaku při přeplňování - vstřikovacího tlaku - čidel otáček motoru - čidla vlhkosti vzduchu - čidla teploty vzduchu (PRODUCT ADACEMY IVECO, 2007) 31

32 4.5.4 Chemická reakce Obr. 16 Průběh chemické reakce SCR (PRODUCT ADACEMY IVECO, 2007) močovina, voda, čpavek, oxid uhličitý, čpavek, oxid dusný, oxid dusičitý, dusík, voda V první části katalyzátoru probíhá počáteční (první) fáze procesu. Činidlo v důsledku teploty výfukových plynů se odpaří a pomocí hydrolýzy se promění na čpavek (2NH 3 ) a oxid uhličitý (CO 2 ). Odpařování roztoku současně způsobuje snížení teploty výfukových plynů na úroveň blížící se optimálním podmínkám pro proces. Výfukové plyny s přísadou čpavku proudí při teplotě reakce do katalyzátoru, kde dochází k druhé fázi procesu. Čpavek (2NH 3 ) reagující s oxidy dusíku (NO a NO x ) ve výfukových plynech se přeměňuje na volný dusík (N 2 ) a vodní páru (H 2 O). Hydrolýza je chemická reakce, při které je jedna molekula rozštěpena na dvě nebo více částí v důsledku vložení jedné molekuly vody. (PRODUCT ADACEMY IVECO, 2007) 32

33 4.5.5 Komponenty systému SCR Snímač teploty vlhkosti vzduchu Snímač je umístěn na výstupním potrubí vzduchového filtru sání motoru a je použit z důvodu informování řídicí jednotky motoru o procentuální hodnotě vlhkosti obsažené v nasávaném vzduchu. Umožňuje tedy následný výpočet obsahu dusíku ve výfukových plynech. Obr. 17 Snímač teploty vlhkosti vzduchu (PRODUCT ADACEMY IVECO, 2007) Nádrž na AdBlue Plastová nádrž na obrázku 18 je vybavena sítem (1) v plnicím hrdle a plovákem (2). Sací potrubí nádrže je rovněž opatřeno sítem (3), aby se zabránilo vniknutí částic do systému a vzniku závady. Toto síto se musí odpovídajícím způsobem kontrolovat a čistit. Hadice (4) je připojena k jednotce kombinované nádrže z důvodu odvětrání / vyrovnání rozdílů tlaků. Pod nádrží je vypouštěcí zátka (5), takže roztok AdBlue lze podle potřeby vypustit. Nádrž se vyrábí v různých objemech (40, 55 a 100 litrů), dle typu vozidla a požadavků zákazníků. (Impact Online, 2014) Vozidla IVECO, která splňují emisní normu EURO 6, jsou již vybavena snímačem kvality AdBlue. Tento snímač má za úkol kontrolovat kvalitu vodného roztoku močoviny. Pomocí tohoto snímače již nedochází k tak častému poškozování systému SCR, které je způsobeno špatnou kvalitou AdBlue. 33

34 Obr. 18 Plastová nádrž s příslušenstvím pro AdBlue (Impact Online, 2014) Zařízení na ohřev AdBlue Protože roztok AdBlue zamrzá při teplotě 11 C, je nádrž opatřena topným tělesem s chladicí kapalinou z motoru a na rámu v blízkosti nádrže je elektromagnetický ventil, který slouží k regulaci přítoku chladicí kapaliny. Také hadice mezi nádrží a jednotkou čerpadla jsou elektricky vyhřívané. (Impact Online, 2014) Obr. 19 Schéma chladicího okruhu pro AdBlue (PRODUCT ADACEMY IVECO, 2007) ECU řídicí jednotka motoru, DCU (Dosing Control Unit) řídicí jednotka SCR 34

35 Jednotka čerpadla Jednotka čerpadla sestává z čerpadla, skříně filtru, ventilu regulace chlazení, snímače tlaku, snímače teploty a řídicí jednotky. Elektrické čerpadlo je čerpadlo membránového typu. Čerpadlo se spustí, pokud jsou splněny všechny podmínky pro jeho spuštění. Pracovní tlak čerpadla je 0,5 MPa. Při vypnutí motoru čerpadlo vypumpuje roztok AdBlue ze soustavy a vrátí jej zpět do nádrže. Tento proces trvá přibližně 90 vteřin. (Impact Online, 2014) Obr. 20 Jednotka čerpadla (Impact Online, 2014) 1 sání AdBlue čerpadlo, 2 vypouštěcí zátka, 3 sání zpětného toku AdBlue dávkovací jednotka, 4 výstup čerpadla AdBlue dávkovací jednotka, 5 výstup zpětného toku čerpadlo kapaliny AdBlue, kabeláž, 6 ventil pro testování tlaku, 7 připojení řídicí jednotky, 8 vyhřívání vnějšího filtru 35

36 Skříň filtru Po průchodu čerpadlem roztok AdBlue prochází skříní filtru, která se nachází ve skříni čerpadla na výstupu čerpadla. Filtr obsahuje papírovou vložku (1), která z roztoku AdBlue odstraňuje částice nečistot. Na filtru jsou dva kroužky z porézní pryže (2), které jej chrání v případě, že by vlhká papírová vložka v extrémních mrazech zamrzla. Filtr je těsněn O kroužkem (3). Víčko skříně filtru (4) obsahuje vyjímatelnou elektrickou vyhřívací vložku (6). Před výměnou filtru je nutno ze skříně filtru vypustit AdBlue vypouštěcí zátkou (5). (Impact Online, 2014) Obr. 21 Skříň filtru (Impact Online, 2014) 36

37 Řídicí jednotka SCR Obr. 22 Řídicí jednotka SCR Řídicí jednotka dávkování (DECU Dosage Electronic Control Unit) AdBlue obsahuje procesor, který komunikuje s řídicí jednotkou motoru. Vstřikované množství roztoku AdBlue reguluje řídicí jednotka motoru podle informací z řídicí jednotky dávkování, tj. výsledné hodnoty z kombinovaného snímače hladiny a teploty v nádrži, ze snímače tlaku a snímače teploty v jednotce čerpadla a z dávkovacího ventilu umístěného před katalyzátorem. (Impact Online, 2014) Dávkovací jednotka Dávkování roztoku AdBlue zajišťuje dávkovací jednotka natočená vůči proudu výfukových plynů v úhlu 30 stupňů. Dávkovací jednotka obsahuje dávkovací ventil (vstřikovač), který roztok AdBlue rozstřikuje pod tlakem 0,5 MPa do proudu výfukových plynů před katalyzátorem. Množství roztoku AdBlue závisí na otáčkách a zatížení motoru, a je elektronicky řízeno systémem řízení motoru. Ke vstřikování nedochází, pokud je teplota roztoku AdBlue nižší než 7 C nebo vyšší než 85 C. Vstřikovač je před horkými výfukovými plyny chráněn tepelným štítem a vzduchovou kapsou. 37

38 Kovové tělo je rovněž chlazeno cirkulujícím roztokem AdBlue s maximální teplotou 85 C. Na tepelném štítu je uvedeno číslo dílu a výrobní číslo. Na základě čísla dílu lze zjistit, jaké maximální množství (3 kg h -1, 6 kg h -1, 9 kg h -1 ) může vstřikovač dávkovat. (Impact Online, 2014) Obr. 23 Dávkovací modul (PRODUCT ADACEMY IVECO, 2007) Katalyzátor SCR Výfukové plyny jsou zavedeny do SCR katalyzátoru, který je zabudován do tlumiče výfuku. Katalyzátor je tvořen keramickou voštinovou strukturou s velkým množstvím kanálků pokrytých aktivní vrstvou. Roztok AdBlue je rozprášen do výfukové trubky před tlumič, kde se smísí s horkými výfukovými plyny. Vysoká teplota výfukových plynů roztok AdBlue rychle rozloží na amoniak a oxid uhličitý. Při průchodu výfukových plynů SCR katalyzátorem je urychlena reakce mezi amoniakem a oxidy dusíku a výsledkem je neškodný plynný dusík a vodní pára. V koncové části katalyzátoru (čištění) je platinový povrch, který zpracovává nezreagovaný NH 3 z důvodu negativního antropogenního účinku. (Impact Online, 2014) Obr. 24 Tlumič výfuku 38

39 Servisní literatura (Impact Online, 2014) pro nákladná vozidla Volvo uvádí informaci o platinovém povrchu, který je obsažen v koncové části katalyzátoru. Toto tvrzení jsem ověřoval v praxi, kdy došlo k závadě na nákladním vozidle, při které musel být vyměněn celý tlumič výfuku. Na tlumiči jsem provedl řezy, pomocí kterých jsem se dostal až k samotným vložkám katalyzátoru. V tlumiči výfuku se nachází celkem čtyři vložky katalyzátoru. Na dalších obrázcích je vidět řez tlumiče výfuku, kde jsou zobrazeny dvě vložky katalyzátoru. Obr. 25 Řez tlumičem výfuku Obr. 26 Řez tlumičem výfuku 39

40 Vložky jsem z tlumiče výfuku vyndal a podrobil testu, který procentuálně vyjádřil složení katalyzátoru SCR. Tento test popíši v experimentální části diplomové práce. Tyto obrázky prezentují pohled na katalyzátor SCR, který je umístěn v tlumiči výfuku. Obr. 27 Vložka katalyzátoru SCR Obr. 28 Vložka katalyzátoru SCR 40

41 Obrázek 29 zobrazuje detailní pohled na povrch katalyzátoru SCR. Obrázek vpravo byl pořízen digitálním fotoaparátem pomocí funkce makrorežimu. Obr. 29 Detail vložky katalyzátoru SCR Snímač teploty výfukových plynů Snímač teploty je použit z důvodu informování řídicí jednotky SCR o hodnotách teplot výfukových plynů před, popřípadě za katalyzátorem. Tyto informace jsou nezbytně nutné k výpočtu množství a počátku vstřikování vodného roztoku močoviny, které bude vstřikováno do systému SCR. (Impact Online, 2014) Obr. 30 Umístění snímače teploty na tlumiči výfuku (Impact Online, 2014) Podle typu systému SCR je snímač namontován buď před katalyzátorem, nebo také za katalyzátorem. Na následujícím obrázku jsou zobrazeny snímače teplot před a za katalyzátorem. 41

42 Obr. 31 Snímače teploty výfukových plynů (PRODUCT ADACEMY IVECO, 2007) Snímač NO x Snímač oxidů dusíku je umístěn v koncové části (trubce) výfuku přímo za katalyzátorem. Analogový signál ze snímače oxidu dusného je registrován v modulu, který jej převádí na digitální a odesílá prostřednictvím sběrnice CAN J1939. Tuto hodnotu pak lze načíst diagnostickým přístrojem nebo přímo ze zásuvky OBD (On- Board Diagnostics) pomocí převodníku a patřičného softwaru. Pokud bude hodnota NO x příliš vysoká, pak se na displeji vozidla zobrazí výstraha a kód závady. Dle stupně závažnosti dojde k dalším opatření, aby vozidlo neprodukovalo nebezpečné emise do okolí (například snížení točivého momentu na hodnotu 25 % u EURO 6). (Impact Online, 2014) Obr. 32 Snímač NO x (Impact Online, 2014) 42

43 4.6 Vstřikovací fáze systému SCR Běžný provoz nákladního vozidla Řídicí jednotka (8) dostává signál od snímače hladiny v nádrži AdBlue (2), že hladina roztoku AdBlue je nad minimální úrovní. Řídicí jednotka aktivuje ventil ovládající směr toku (10) a spustí čerpadlo (4), které nasává roztok AdBlue z nádrže (1) přes filtr (9) a ventil ovládající směr toku (10). Čerpadlo poté protlačí roztok AdBlue ventilem ovládajícím směr toku a filtrem AdBlue (5) a z něj k dávkovací jednotce (13) na tlumiči výfuku. Při splnění několika kritérií, například snímač tlaku (6) zjistí v systému správný pracovní tlak 0,5 MPa v systému dávkování AdBlue, odešle řídicí jednotka motoru signál určující množství roztoku AdBlue řídicí jednotce (8), která otevře dávkovací ventil (13). Roztok AdBlue je nadávkován do výfukového potrubí před tlumič se zabudovaným SCR katalyzátorem (15). Současně je nadměrné množství roztoku AdBlue odvedeno přes omezovač (12) zpět do nádrže. Vysoká teplota ve výfuku rozkládá roztok AdBlue a v katalyzátoru poté probíhá chemická reakce, která rozkládá výfukové plyny na neškodný dusík a vodu. Snímač NO x (16) měří obsah oxidu dusíku (NO x ) ve výfukových plynech. Pokud není dodržena předepsaná úroveň emisí, rozsvítí se kontrolka na přístrojové desce a v řídicí jednotce motoru bude uložen kód závady. Úkolem snímače teploty výfukových plynů (14) je měřit teplotu výfukových plynů v katalyzátoru, aby bylo dávkováno správné množství roztoku AdBlue. Protože je roztok AdBlue citlivý na teplotu, je nádrž AdBlue vyhřívaná pomocí topné smyčky obsahující chladicí kapalinu motoru. Hadice na vstupu k nádrži a výstupu z nádrže jsou elektricky vyhřívány. Snímač teploty (3) nepřetržitě monitoruje teplotu roztoku kapaliny AdBlue a signalizuje řídicí jednotce (8) v případě, že tato teplota klesne pod hodnotu 10 C. (Impact Online, 2014 str. 22) Řídicí jednotka poté aktivuje elektromagnetický ventil, který se otevře a horké chladicí kapalině motoru umožní průtok vyhřívací smyčkou nádrže na kapalinu AdBlue. Jakmile cirkulující roztok AdBlue dosáhne teploty 15 C, snímač teploty (3) vyšle signál do regulační jednotky (8), která zavře elektromagnetický ventil a tím vypne ohřev. (Impact Online, 2014 str. 24) 43

44 Obr. 33 Blokové schéma Denox 2.0 běžný provoz (Impact Online, 2014) 1 nádrž AdBlue, 2 snímač hladiny, nádrž AdBlue, 3 snímač teploty, nádrž AdBlue, 4 čerpadlo, roztok AdBlue, 5 filtr, roztok AdBlue, 6 snímač tlaku, roztok AdBlue, 7 snímač teploty, roztok AdBlue, 8 - řídicí jednotka, soustava dávkování AdBlue, 9 filtr, 10 - ventil směru průtoku, 11 trubka, 12 zpětný ventil s omezovačem, 13 dávkovací jednotka, 14 snímač teploty výfuku, 15 katalyzátor, 16 snímač NO x Nízká hladina AdBlue v nádrži Pokud při normálním provozu klesne hladina roztoku AdBlue v nádrži na minimum, výstražný symbol (obr. 34) upozorní řidiče, že je třeba doplnit roztok AdBlue. Proces řízení systému SCR je zobrazen na obrázku 35. (Impact Online, 2014) Obr. 34 Kontrolka nízké hladiny AdBlue (Impact Online, 2014) 44

45 Obr. 35 Blokové schéma Denox 2.0 nízká hladina AdBlue (Impact Online, 2014) Pokud roztok AdBlue není doplněn, snímač hladiny (2) v nádrži vyšle signál k uzavření dávkovacího ventilu (13). Vstřikování roztoku AdBlue do výfukového potrubí je ukončeno. Roztok AdBlue, který zbývá v nádrži, obíhá přes omezovač (12) a chladí dávkovací ventil. (Impact Online, 2014) 45

46 4.6.3 Běžné vypnutí vstřikování AdBlue zastaveno Při vypnutí motoru se čerpadlo AdBlue zastaví a tlak v soustavě SCR klesne. Řídicí jednotka (8) uzavře dávkovací ventil (13). Dále vypne ventil řízení směru toku (10), který se tlakem pružiny přepne na křížový průtok. Poté spustí čerpadlo a vypustí soustavu AdBlue (dávkovací systém, zpětné potrubí, tlakové potrubí a filtr) a přečerpá roztok AdBlue zpět do nádrže přes jednosměrný ventil (12), který se nyní otevře. Snímač tlaku (6) poté řídicí jednotce předá signál, že je soustava prázdná. Řídicí jednotka také krátkým otevřením dávkovacího ventilu vypustí dávkovací jednotku a případný zbytek roztoku AdBlue ve vstřikovači vyteče do výfuku. Toto vyprázdnění probíhá zcela automaticky a celý proces trvá přibližně 90 sekund. (Impact Online, 2014) Obr. 36 Blokové schéma Denox 2.0 vypnutí motoru (Impact Online, 2014) 46

47 5 CÍL PRÁCE Primárním cílem diplomové práce bylo prozkoumat chování systému selektivní katalytické redukce v závislosti na jízdním režimu nákladního vozidla s přívěsem (soupravy). Ke splnění tohoto cíle byly použity dva typy měřicího vybavení. Výstupní data byla zpracována pomocí patřičných programů a následovalo jejich porovnání. Z těchto dat bylo dále prezentováno, jak systém selektivní katalytické redukce pracuje v jednotlivých jízdních režimech. Druhým cílem bylo sestavit ucelený přehled jednotlivých systémů k redukci škodlivých polutantů, kde hlavní pozornost byla věnována systému selektivní katalytické redukce a katalyzátoru SCR. 47

48 6 EXPERIMENTÁLNÍ MĚŘENÍ NÁKLADNÍHO VOZIDLA Praktická část této diplomové práce zahrnuje dva typy měření. První typ měření, které je hlavní pro hodnocení výsledků, probíhalo v běžném silničním provozu za reálných podmínek. Tohoto měření se účastnil jeden řidič, se kterým se absolvovaly čtyři jízdy na stejné trase. Cílem tohoto měření bylo zjistit, jaký vliv má jízdní režim nákladního vozidla na spotřebu vodného roztoku močoviny v systému selektivní katalytické redukce. Druhý typ měření se prováděl za účelem kontroly správného postupu a ověření některých parametrů s prvním typem měření. Testování vozidla v tomto případě probíhalo v servisních podmínkách autorizovaného servisu IVECO. Tohoto měření se účastnili pracovníci autorizovaného servisu FTL a.s. s originální diagnostikou pro vozidla IVECO. V tomto případě se absolvovaly čtyři jízdní cykly. 6.1 Parametry nákladního vozidla a přívěsu K praktickému měření byla zapůjčena souprava nákladního vozidla IVECO STRALIS 420 EEV a tandemového přívěsu od společnosti BODOS Czechia a.s. První registrace soupravy proběhla v srpnu roku Nákladní vozidlo mělo najeto km. Obr. 37 Souprava praktického měření 48

49 Obr. 38 Rozměry nákladního vozidla (Iveco.cz) Tabulka 4 Parametry soupravy (Iveco.cz) Rozměry (mm) A Rozvor B Celková délka 9803 C Začátek kabiny od osy přední nápravy 1410 D Převis rámu od osy zadní nápravy E Maximální šíře kabiny 2550 F Čelo nástavby od přední nápravy 920 K Celková výška bez nástavby 3662 L Výška rámu (zatíženo / nezatíženo) 845/890 M Rozchod kol přední nápravy 2042 N Rozchod kol zadní nápravy 1820 P Světlá výška 155 Poloměr otáčení 9000 Délka přívěsu 7500 Šířka přívěsu

50 Tabulka 5 Parametry vozidla (Iveco.cz) Motor Typ CURSOR 10 Zdvihový objem cm 3 Vrtání a zdvih 125 x 140 mm Výkon 309 kw při ot.min -1 Točivý moment 1900 Nm při ot.min -1 Převodovka Typ 12 AS 1930 TD Počet rychlostních stupňů vpřed 12 Počet rychlostních stupňů vzad 2 Ovládání spojky Automaticky ovládaná Řazení Joystickem (ruční, automatické) Tabulka 6 Parametry soupravy (Iveco.cz) Hmotnosti (kg) Pohotovostní hmotnost tahače Užitečná hmotnost tahače Celková hmotnost tahače Největší technicky přípustná hmotnost Celková hmotnost soupravy Povolená hmotnost přívěsu Pohotovostní hmotnost přívěsu Užitečná hmotnost přívěsu Pohotovostní hmotnost soupravy byla kg. Přepravovaný náklad se skládal z přepravních beden, které byly naplněny materiálem z pekárny PENAM v Prostějově. Z důvodu přísného zákazu a dodržení bezpečnostních a hygienických předpisů nebylo možné náklad zdokumentovat. Celková hmotnost nákladu při každé testovací jízdě činila kg. 50

51 Nákladní vozidlo bylo provozováno na pneumatikách značky Dunlop. Na přední nápravě byly použity pneumatiky o rozměru 315/80 R22.5. Jedná se o typ pneumatiky SP 344 s indexem rychlosti L (120 km h -1 ) a indexem nosnosti 156 (3875 kg). Tyto pneumatiky jsou charakteristické pro řízené nápravy v regionálním i dálkovém provozu. Na zadní zvedací nápravě je použit stejný typ pneumatik jako na přední řídicí nápravě. Hnací náprava používá pneumatiky Dunlop SP 444, které mají stejný rozměr jako na přední nápravě. Tento typ pneumatik poskytuje celoroční optimální záběrové vlastnosti při rovnoměrném opotřebení běhounu. Na bočnici nese tento typ pneumatiky označení M+S (pro zimní provoz). (Barum-Pneu.cz - Schindler s.r.o., 2014) Na přívěsu byly použity pneumatiky značky Hankook TH22 385/65 R L. Jedná se o návěsové regionální pneumatiky s dlouhým kilometrovým proběhem. Čtyři široké přímé drážky v provedení cik - cak poskytují velkou odolnost běhounu. (Abapneu.cz, 2014) Po naložení nákladu byl motor nákladního vozidla včetně provozních náplní zahřátý na provozní teplotu (90 C). Dalším důležitým krokem byla kontrola paměti závad pomocí vlastního diagnostického systému v palubním managementu vozidla. Následně byl zkontrolován tlak v pneumatikách na celé soupravě, který vyhovoval předepsaným parametrům dle výrobce vozidla. 6.2 Popis testovacích tras Popis první testovací trasy Trasa prvního typu měření se skládá ze dvou úseků, které měří celkem 28 km. První úsek spadá do městského provozu v Prostějově a druhý úsek je tvořen rychlostní komunikací R46 a dálnicí D1 (obr. 39). Celková charakteristika této trasy byla volena tak, aby bylo možné využít výkonový potenciál vozidla vzhledem k naloženému nákladu. 51

52 Obr. 39 Mapa trasy (Mapy.cz) Profil první testovací trasy Trasa je charakteristická proměnlivým stoupáním či klesáním, které se poměrně často střídá od 5. kilometru, kdy končí úsek městského provozu. Maximálního stoupání je dosaženo na rychlostní komunikaci R46 na 16. kilometru, kdy hodnota stoupání je 5,3 %. Za touto hranicí následuje klesání s mírným přechodem do opětovného stoupání a následuje klesání. Z původních 319 m. n. m. se hodnota klesání zastavila na 255 m. n. m. Nejvyšší bod trasy se nachází ve 319 m. n. m. a nejnižší bod leží v 227 m. n. m (obr. 40). Celkový profil trati byl vybírán tak pečlivě, aby bylo možné dosáhnout vhodných aktivačních podmínek pro systém selektivní katalytické redukce. (Google Earth, 2013) 52

53 Obr. 40 Profil první testovací trasy (Google Earth, 2013) Popis druhé testovací trasy Druhá testovací trasa je zobrazena na obrázku 41. Jedná se o trasu, která je přímo v areálu servisního centra a aktivačních podmínek systému selektivní katalytické redukce se dosahovalo na krátkých úsecích. U této testovací jízdy byla použita stejná souprava jako v prvním měření. Výhoda tohoto měření spočívala v použití autorizované sériové diagnostiky (měřicího řetězce), která poskytla data k lepšímu vyhodnocení chování celého systému selektivní katalytické redukce v závislosti na hodnotách emisních složek NO x. Celková délka trasy, která je vyznačena červeně, činila 650 m. (Google Earth, 2013) Obr. 41 Testovací trasa v servisu IVECO (Google Earth, 2013) 53

54 6.3 Měřicí řetězec pro první typ měření K záznamu dat z prvních testovacích jízd bylo použito vybavení, které můžeme nazvat měřicím řetězcem (obr. 42). Tento řetězec je složen z notebooku, měřicí karty (převodníku) a kabelu s konektorem OBD dle SAE J1962. (SAE, 2014) Pomocí tohoto vybavení bylo možno získat následující parametry: otáčky motoru (min -1 ) čas měření (s) spotřeba paliva (l h -1 ) vstřikované množství vodného roztoku močoviny (g h -1 ) zatížení motoru (%) teplota před (za) katalyzátorem ( C) rychlost vozidla (km h -1 ) Obr. 42 Měřicí řetězec 54

55 6.3.1 Notebook Acer Aspire One Jako hlavní článek pro možnost zobrazení a ukládání dat byl zvolen notebook Acer Aspire One s operačním systémem Windows XP (obr. 42). Notebook byl kromě operačního systému vybaven vývojovým prostředím National Instruments LabVIEW V tomto prostředí byl vyvinut program pro účely diplomové práce. Jednotlivé rutiny zabezpečovaly monitoring sběrnice CAN, průměrování či extrapolaci na základní časové okno 100 ms a ukládání dat ve formátu ASCII Měřicí karta USB Dalším klíčovým článkem byl převodník (měřicí karta) od National Instruments s označením USB 8473 (obr. 43). Jedná se o jednovstupový modul pro komunikaci mezi počítačem a vozidlem. Zařízení poskytuje připojení a komunikaci se sběrnicí CAN, kterého se využilo při praktickém měření. Převodník nabízí rozsahy komunikačních rychlostí od 10 kbit/s do 1 Mbit/s. Komunikační rychlost na sběrnici CAN vozidla IVECO byla 250 kbit/s. Při měření v terénu byla zvolena frekvence snímání dat 10 Hz. (National Instruments Corporation, 2014) Obr. 43 Převodník NI USB-8473 (National Instruments Corporation, 2014) Komunikační kabel Propojovací část mezi řetězcem a vozidlem tvořil komunikační kabel, který byl na jedné straně opatřen diagnostickým konektorem (OBD) a na straně druhé konektorem RS 232. Osazení jednotlivých pinů je popsáno detailně v kapitole

56 Obr. 44 Komunikační kabel (Itsk.sk, 2014) (Obd2-shop) Programové prostředí LabVIEW 2013 Ke správné funkci a možnosti jakéhokoliv ovládání řetězce bylo zapotřebí vytvořit program, který bude pomocí obsluhy jednoduše ovládán. Vše kolem programu, který umožňoval kontrolu parametrů a hlavně jejich ukládání, bylo vytvořeno ve vývojovém prostředí LabVIEW (obr. 45). Výstupní data se pomocí měřicího řetězce a programu ukládala do textového souboru. Obr. 45 Softwarové prostředí LabVIEW 56

57 6.4 Měřicí řetězec pro druhý typ měření K měření druhé testovací jízdy v servisním centru FTL a. s. bylo použito originální diagnostiky Easy, která umožňuje pomocí bloku měřených hodnot snímání a ukládání dat v provozu. Pomocí tohoto zařízení bylo možné zjistit následující parametry: - aktuální točivý moment motoru (Nm, %) - teplota před (za) katalyzátorem ( C) - koncentrace NO x před katalyzátorem (ppm), koncentrace NO x SAE J1939 (ppm), množství NO x (ppm) - aktuální (nastavené) množství vstřikované dávky vodného roztoku močoviny (g h -1 ) - množství vstřikované dávky paliva (g cyc -1 ) V případě vstřikované dávky paliva se jedná o vstřikované hmotnostní množství paliva (gram) na zdvih pístu (cycle). Měřicí řetězec (obr. 46) tvořil Toughbook Panasonic CF 29 s operačním systémem Windows XP, komunikační adaptér s konektorem OBD a modul, který obsahuje programové prostředí pro komunikaci s vozidlem. Obr. 46 Diagnostika Easy (Ks-elektronika) 57

58 6.5 Metodika ve všech případech měření V řídicí jednotce (VCM Vehicle Control Module) nákladního vozidla Iveca jsou přístupné níže uvedené CAN linky (datové sběrnice): - VDB Vehicle Data Bus - ECB Engine Control Bus - ICB Instrument Cluster Bus - FMB Fuhrpark Management Bus - IDB Infotaiment Data Bus (PRODUCT ADACEMY IVECO, 2007) Celkový princip měření vychází ze struktury datových sběrnic na vozidle IVECO STRALIS s motorem Cursor 10 (obr. 47). Obr. 47 Sestava datových sběrnic CAN (PRODUCT ADACEMY IVECO, 2007) BC Body Computer, DDM řídicí jednotka Driver Door Module, PDM řídicí jednotka Passenger Door Module, BM Bed Modul, CLIMATE klimatizační zařízení, FFC řídicí jednotka Front Frame Computer, RFC řídicí jednotka Rear Frame Computer, AHT (A) ohřívač vzduchu umístěný v pravé zadní části kabiny, AHT (W) ohřívač vody umístěný v prostoru pravého předního kola, CM Cabin Module, MTCO/DTCO tachograf / digitální tachograf, VCM řídicí jednotka Vehicle 58

59 Control Module, IC Cluster, ABS řídicí jednotka ABS, EBS II řídicí jednotka EBS II, INTARDER řídicí jednotka interního zpomalovače (intarderu), ECAS II řídicí jednotka pneumatického zavěšení, EUROTRONIC II řídicí jednotka automatické převodovky Eurotronic II, ACC řídicí jednotka Radar ACC (Adaptive Cruise Control), ECM řídicí jednotka kontroly motoru (EDC7 UCI31), DCU15 řídicí jednotka čerpacího modulu SCR, OBD II Connector 16pólový konektor pro OBD (On Bord Diagnose), SWI řídicí jednotka Steering Wheel Interface, DMI řídicí jednotka Data Management Interface, Radio rádio, FMS Connector konektor FMS V prvním plánu bylo zvažováno měření nákladního vozidla značky Volvo FH 420 EEV. Ovšem zde nastal problém ve struktuře datových sběrnic. Struktura datových sběrnic nákladního vozidla Volvo umožnila výčet všech parametrů, které byly vypsány v kapitole 6.3. Problém nastal při výčtu identifikátoru spotřeby 0x18FEF200x. Tento parametr není v žádné struktuře datových sběrnic CAN J1939, která podporuje komunikační rychlost 250 kb/s. Identifikátor 0x18FEF200x je obsažen v datové sběrnici CAN J1708/J1587, ze které nemohl být snímán tento parametr z několika důvodů. Hlavní důvod byl ten, že autorizovaná centra Volvo Truck Czech již nejsou vybavena programem Dynafleet Trip Manager pro zaznamenávání spotřeby paliva ze sběrnice J1708/1587 a aktuální online verze umožňuje ukládání hodnot spotřeby až po celých hodinách. Z hlediska zpracování dat je systém Dynafleet Online nevyhovující. Dalším problémem byla komunikační rychlost dle SAE J1708 (9,6 kbit/s) i odlišné napěťové úrovně mezi J1708/1587 a J1939. Z těchto důvodů bylo zvoleno vozidlo IVECO STRALIS, které má následující strukturu sítě sběrnic CAN (obr. 47). V obou případech testování soupravy bylo použito již zmíněných měřicích řetězců. Napojení na datovou sběrnici ECB je totožné, avšak rozdíl je v použití programového vybavení. Komunikační adaptér s konektorem OBD byl zapojen do diagnostického konektoru na straně vozidla (obr. 51). Jednotlivé parametry, které byly nutné k vyhodnocování, se navolily přes programové prostředí a výstupní data (záznamy) se ukládaly automaticky do textového souboru, popřípadě formátu XLS. 59

60 6.5.1 Kontrola datových sběrnic před experimentálními měřeními Kompozici datové sběrnice CAN je možno vidět na obrázku 48. Vodiče pro jednotlivé sběrnice CAN, které jsou přítomné na vozidle, jsou ze splétaných drátů. Pomocí tohoto provedení je možno odstranit elektrické rušení signálů vedených sběrnicí CAN. Jednotlivé datové sběrnice CAN jsou barevně odlišeny. (PRODUCT ADACEMY IVECO, 2007) Obr. 48 Kompozice datové sběrnice (A plášť, B splétaný vodič) (PRODUCT ADACEMY IVECO, 2007) Před každým měřením nákladního vozidla IVECO bylo zapotřebí provést výkonový test na datové sběrnici ECB. To znamená, že na řídicí jednotce VCM (Vehicle Control Module) se změřila hodnota elektrického odporu na pozici 19 a 20 ve svorkovnici X3. Správná hodnota je přibližně 60 Ω, která byla naměřena pomocí digitálního multimetru. Tento postup měření před vlastní testovací jízdou je velice důležitý z hlediska správné funkce datové sběrnice ECB Připojení měřicích řetězců na datovou sběrnici ECB Zapojení měřicích řetězců na vozidle vycházelo ze systému komunikační datové sběrnice ECB (obr. 49). 60

61 Obr. 49 Schéma datové sběrnice ECB (PRODUCT ADACEMY IVECO, 2007) VCM řídicí jednotka (Vehicle Control Module), EDC7 řídicí jednotka motoru, DCU15 řídicí jednotka SCR, ECB komunikační sběrnice, OBD II Connector konektor OBD II Měřicí řetězec byl opatřen kabelem, který měl na konci OBD konektor (obr. 50). Obr. 50 Osazení pinů měřicího řetězce (Supervag) V OBD konektoru byly zapojeny dva vodiče na pozici 6 (CAN Bus High) a pozici 14 (CAN Bus Low). Tento kabel se zapojil do konektoru OBD na vozidle (obr. 51, vpravo) a pomocí sběrnice ECB bylo možno přes měřicí řetězce odečítat a hlavně zaznamenávat jednotlivé parametry k vyhodnocení. Obr. 51 OBD konektor (vpravo), servisní konektor (vlevo) 61

62 7 VÝSLEDKY MĚŘENÍ Z PRVNÍ TRASY Průměrná hodnota barometrického tlaku v průběhu všech čtyř měření byla 98,6 kpa. Maximální teplota dosahovala 11 C, minimální teplota byla 3 C. První typ měření se skládá za čtyř jízd, jak již bylo zmíněno v kap. 6. Na vozidle byl aktivován automatický režim převodovky, který řadil sám dle programu v řídicí jednotce automatické převodovky. Automatický režim bylo možné přepnout do manuálního režimu, ale ten byl časově omezen a po určitém čase se přepnul zpět do automatického režimu. 7.1 Vliv teploty výfukových plynů na dávkování AdBlue Teplota výfukových plynů je hlavním a také základním parametrem, který spouští celý proces dávkování AdBlue před katalyzátor SCR. Spouštěcí teplota dle údajů výrobce vozidel IVECO musí být větší než 180 C. Z následujícího grafu je vidět aktivační teplota, při které došlo k dávkování AdBlue do systému selektivní katalytické redukce. Graf 1 Závislost mezi teplotou před katalyzátorem SCR a množstvím vstřikovaného AdBlue 62

63 K prvnímu dávkování AdBlue došlo při teplotě 219 C. I když byly splněny všechny aktivační podmínky už před touto hranicí, systém neaktivoval dávkovací modul. Celý proces je tedy nastaven tak, že pod teplotu 180 C nevstřikuje AdBlue. Pod teplotu 180 C dochází mimo hlavní reakci amoniaku a NO x k reakcím vedlejším. Jedná se zejména o reakci amoniaku s kyslíkem, popřípadě s kyslíkem a oxidem dusitým nebo oxidem dusičitým (při teplotách 180 C až 230 C), což se projevuje nárůstem N 2 O. Další vedlejší reakcí je také tvorba nitrátu amoniaku (< 180 C), který působí nepříznivě na životnost a účinnost konverze. (Šmerda T., Čupera J., Fajman M., 2013 str. 106) Maximální teplota, při které docházelo ke vstřikování AdBlue, byla 380 C. Vyšších teplot nebylo možné dosáhnout vzhledem k profilu trasy. Ovšem jak tvrdí autor (AUTOEXPERT, 2009): Je třeba mít na zřeteli, že u katalyzátorů SCR se dostatečného stupně přeměny nedosahuje nejen pod určitou spodní hranicí funkce (200 C), ale i nad určitou hranicí (450 C). (AUTOEXPERT, 2009). Z této informace plyne, že pokud by docházelo dále k navyšování teploty před katalyzátorem až k teplotě 450 C, tak by systém SCR byl neefektivní a došlo by například k jeho deaktivaci. 7.2 Vyhodnocení vstřikování AdBlue v jízdním režimu Graf č. 2 zobrazuje vstřikovanou dávku AdBlue v jízdním režimu. Tento režim je možno definovat průběhem základních parametrů v závislosti na kumulativním čase. Mezi parametry patří: - otáčky motoru (min -1 ) - spotřeba paliva (l h -1 ) - vstřikované množství vodného roztoku močoviny (g h -1 ) - zatížení motoru (%) - teplota před (za) katalyzátorem ( C) - rychlost vozidla (km h -1 ) 63

64 V grafu 2 je vidět evidentní závislost mezi spotřebou paliva, zatížením motoru a teplotou před katalyzátorem SCR. Čím větší je hodnota zatížení motoru, tím více paliva motor potřebuje pro svou činnost. Z velkého zatížení motoru plyne vysoká spalovací teplota, jak tvrdí (Bauer F., 2013), která způsobuje tvorbu velkého množství oxidů dusíku. Ovšem takové množství NO x je zapotřebí zredukovat, a právě pokud teplota před katalyzátorem SCR dosáhne bodu, který je definován v kapitole 7.1, tak dojde ke vstřikování dávky AdBlue. Vstřikovaná dávka AdBlue byla v tomto případě vstřikována po celou dobu tohoto časového režimu. Další závislost, která vyplývá z grafu, je závislost časového charakteru délky vstřikované dávky AdBlue. Vyznačený úsek pomocí šipek (červený obdélník) zobrazuje oblast, ve které dochází ke zvýšení točivého momentu a spotřeby paliva. Systém SCR vyhodnotí, že jsou splněny podmínky pro vstřikování AdBlue a po dobu trvání zatížení motoru vstřikuje dávku AdBlue. Dále je patrné, že časový interval vstřikování AdBlue je ovlivněn zatížením motoru a spotřebou paliva. Pokud bude zatížení motoru, resp. spotřeba paliva trvat delší dobu (3 5 sekund), bude to mít za následek vysokou tvorbu NO x. Systém SCR bude po dobu časového intervalu (3 5 sekund) dávkovat AdBlue, dokud neklesne např. spotřeba paliva (zatížení motoru), hodnota NO x, popřípadě otáčky motoru. 64

65 Graf 2 Vliv jízdního režimu nákladního vozidla na spotřebu vodného roztoku močoviny 65

66 7.3 Nízké zatížení soupravy městský provoz Snímání dat probíhalo od místa nakládky v Prostějově, kdy byl motor (včetně provozních náplní) zahřátý na teplotu 90 C. Celkový průběh zatížení motoru probíhal od 0 % do střídavého zatížení 90 %, ale jen v úsecích výjezdů na křižovatkách a semaforech v centru města Prostějov. V oblasti vysokého zatížení nebylo možno setrvat delší dobu z hlediska provozu. Důležitá byla teplota před katalyzátorem SCR, která dosahovala na začátku měření hodnoty 132 C. Profil terénu nevykazoval velké klesání či stoupání, proto nemohlo dojít k velkému zatížení a splnění podmínek pro aktivaci dávkování AdBlue do systému SCR. Další kritérium, které v podstatě blokovalo vstřikování dávky AdBlue, bylo časové hledisko. V tomto případě bylo neustále přeřazováno automatickou převodovkou nebo docházelo k brždění celé soupravy kvůli hustému provozu. I když byl splněn požadavek na zatížení motoru (> 20 %), teplotu chladicí kapaliny (> 45 C), otáčky motoru (> 1000 min -1 ), teplotu před katalyzátorem SCR (> 180 C), přesto nedocházelo ke vstřikování dávky AdBlue. Například v čase 190 sekund kumulativního času bylo dosaženo teploty před katalyzátorem 203 C. Otáčky motoru se pohybovaly těsně nad hranicí 1000 min -1. Zatížení motoru dosahovalo hodnoty 57 % a spotřeba paliva vykazovala hodnotu 17,8 l h -1. Teplota chladicí kapaliny se ustálila na hodnotě 90 C. I přes tyto podmínky nedocházelo ke vstřikování AdBlue. Může to být způsobeno nastavením spouštěcích teplot systému Denoxtronic 2.0 v daném typu vozidla, protože bylo ověřeno, že spouštěcí teplota pro dávkování AdBlue je u tohoto typu vozidla 219 C. Vstřikování AdBlue může být také do jisté míry ovlivněno hodnotou ze snímače NO x. V tomto případě měření nebylo možné zjistit průběh hodnot NO x z měřicího řetězce. 66

67 Graf 3 Vliv jízdního režimu nákladního vozidla na spotřebu vodného roztoku močoviny nízké zatížení 67

68 7.4 Střední zatížení soupravy rychlostní komunikace R46 Charakteristika středního zatížení je v tomto případě definována intervalem zatížení motoru od 50 % do 70 %. Zatížení motoru se od 455 do 461 sekund kumulativního času ustálilo v rozmezí hodnot %. Otáčky motoru se pohybovaly téměř konstantně (1220 min min -1 ). Rychlost vozidla od začátku po konec vstřikované dávky AdBlue vzrostla z původní hodnoty 79 km h -1 na konečných 83 km h -1. Spotřeba paliva se pohybovala v rozmezí 5 27 l h -1. Teplota před katalyzátorem se pohybovala v rozmezí 273 C 275 C. Veškeré podmínky pro aktivaci vstřikování AdBlue jsou v tomto případě splněny a systém dávkuje již od kumulativního času 456 sekund. Například v kumulativním čase 457 sekund dochází k poklesu zejména spotřeby paliva, s tím je spojen pokles zatížení motoru (57 %). Z této informace je možné předpokládat, že dochází k poklesu spalovací teploty, ke snížení NO x, tudíž dojde náhle ke snížení vstřikovací dávky AdBlue z hodnoty 3802 g h -1 na 3585 g h -1. Následuje zvýšení zatížení na 66 %, hodnota paliva se též zvýší a na to hned zareaguje vstřikovaná dávka AdBlue, která se snaží eliminovat NO x, které můžeme v tomto případě pouze předpokládat, protože nemáme údaj ze sítě ECB o hodnotě NO x na výstupu z tlumiče výfuku. V čase 461 sekund kumulativního času dojde k náhlému poklesu zatížení motoru, spotřeby paliva a následně rychlosti soupravy. Současně reaguje pokles zatížení a spotřeba paliva motoru. Vstřikovaná dávka SCR ale ještě setrvává 1 sekundu a v čase 462 sekund kumulativního času dojde následně k odstavení vstřikované dávky AdBlue. 68

69 Graf 4 Vliv jízdního režimu nákladního vozidla na spotřebu vodného roztoku močoviny střední zatížení 69

70 7.5 Vysoké zatížení rychlostní komunikace R46 Zatížení motoru v tomto případě bylo konstantní (100 %) od kumulativního času 1314 sekund do 1352 sekund. Jedná se o úsek, který začíná na 25. kilometru celkové délky trati a končí na 26,5. kilometru. Jak plyne z grafu 5, souprava začíná snižovat rychlost, zatížení motoru je na 100 %, teplota katalyzátoru roste po celou dobu zatížení motoru. Vstřikovaná dávka AdBlue v tomto jízdním režimu nekoresponduje s hodnotou zatížení motoru, vstřikované dávky paliva a otáčkami motoru. Od kumulativního času 1314 sekund do 1329 sekund dochází k velkému nárůstu vstřikované dávky AdBlue. Na začátku kumulativního času je hodnota vstřikovaného AdBlue 202 g h -1 a za 0,6 sekund kumulativního času dojde k rapidnímu nárůstu na hodnotu 3645 g h -1. Tento nárůst vstřikované dávky je možný v případě velkého zvýšení oxidů dusíku, které se tvoří při vysokých spalovacích teplotách v oblasti vysokého zatížení. Tento údaj ovšem nebyl vyhodnocován v tomto typu měření. Po dobu 15 sekund je tato dávka postupně zvyšována na hodnotu 5280 g h -1. Následuje prudký pokles vstřikované dávky AdBlue i přes konstantní zatížení motoru (100 %) na hodnotu 742 g h -1. Tento pokles může být zapříčiněn vysokou účinností katalyzátoru SCR, který zredukoval v tomto případě velké množství NO x. Právě takový pokles a následný průběh vstřikované dávky odpovídá tomu, že snímač NO x mění aktuální dávku AdBlue podle množství oxidů dusíku na výstupu tlumiče výfuku. Od kumulativního času 1329 se vstřikovaná dávka AdBlue mění nezávisle na otáčkách motoru, zatížení motoru, spotřebě paliva a teplotách katalyzátoru. Tyto změny se dají přisuzovat vlivu snímače NO x na vstřikovanou dávku AdBlue. 70

71 Graf 5 Vliv jízdního režimu nákladního vozidla na spotřebu vodného roztoku močoviny vysoké zatížení 71

72 7.6 Snížení / zvýšení rychlostního stupně Tento případ navazuje na jízdní režim vysokého zatížení, kdy v kumulativním čase 1353 sekund dojde k poklesu otáček na hodnotu 1090 min -1. S tím je spojen pokles hodnoty zatížení motoru na 0 %, spotřeby paliva motoru na 0 % a pokles teplot před SCR z 328 C na 325 C. Tato reakce poklesu hodnot odpovídá snížení rychlostního stupně pomocí automatického řazení převodovky. V tomto okamžiku zareaguje systém SCR, který okamžitě sníží vstřikovanou dávku z hodnoty 2400 g h -1 na 540 g h -1. O 0,5 později sekund kumulativního času následuje navýšení otáček na 1443 min -1 a spotřeba paliva vzroste na hodnotu 22, 9 l h -1. V tomto okamžiku se zvýší i hodnota zatížení na 46 % a vstřikovaná dávka AdBlue se postupně snižuje na 0 g h -1. Tato fáze odpovídá zařazení rychlostního stupně a následuje opět zvýšení zatížení motoru na 100 %, spotřeby paliva na 64 l h -1. Dávka AdBlue je opět vstřikována po dobu zatížení 100 %, ovšem ke vstřikování dojde o 0,6 sekund později po rapidním zvýšení spotřeby paliva. Při tak vysoké spotřebě paliva je předpokládaný odhad vytváření oxidů dusíku vysoký, tudíž je nutné vstřikovat větší množství AdBlue, v tomto případě téměř 6000 g h -1. Zatížení motoru 100 % setrvává po dobu 4 sekund kumulativního času. Na konci tohoto intervalu je nutné přeřadit na vyšší převodový stupeň, protože se otáčky motoru nachází v oblasti, kdy automatická převodovka vyžaduje zařazení vyššího převodového stupně. K přeřazení na vyšší rychlostní stupeň dojde přibližně za 0,5 sekund kumulativního času. V oblasti řazení dojde ke snížení hodnot zatížení motoru, spotřeby paliva a vstřikované dávky AdBlue. Jakmile je rychlostní stupeň zařazen, tak dojde ke zvýšení výše vyjmenovaných hodnot a opět se začne vstřikovat dávka AdBlue. Je nutné opět brát v úvahu, že vstřikovaná dávka AdBlue je opožděna o 0,6 sekund vzhledem k průběhu vstřikování paliva. Dávka AdBlue je nejprve na hodnotě přibližně 5500 g h -1 a setrvává na tomto množství 4 sekundy kumulativního času. Po tomto okamžiku klesá a její průběh může být dále ovlivňován snímačem oxidů dusíku. 72

73 Graf 6 Vliv rychlostního stupně nákladního vozidla na spotřebu vodného roztoku močoviny snížení/zvýšení rychlostního stupně 73

74 8 VÝSLEDKY MĚŘENÍ V SERVISNÍM CENTRU Průměrná hodnota barometrického tlaku v průběhu tohoto měření byla 98,8 kpa. Maximální teplota dosahovala 8 C, minimální teplota byla 5 C. Cílem tohoto měření je v prvé řadě otestovat systém pomocí originální diagnostiky Easy a vyhodnotit jednotlivé parametry, které ovládají systém SCR. Tyto výsledky mají za úkol potvrdit správnost a opodstatněnost prvního měření. Druhým cílem je vyhodnotit parametry snímače NO x, které nebyly v prvním měření snímány. 8.1 Testovací jízda v autorizovaném centru IVECO Tento test má za úkol ukázat funkčnost systému SCR, zejména chování hodnot NO x, které ovlivňují vstřikovanou dávku AdBlue. V tomto testu bude zohledňována závislost hodnot na kumulativním čase, které ovlivňují vstřikovanou dávku AdBlue. Mezi tyto hodnoty patří: - aktuální točivý moment motoru (Nm) - aktuální točivý moment motoru (%) - teplota za katalyzátorem ( C) - teplota před katalyzátorem ( C) - koncentrace NO x SAE J1939 (ppm) - koncentrace NO x před katalyzátorem (ppm) - množství AdBlue aktuální (g h -1 ) - množství AdBlue nastavené (g h -1 ) - množství NO x (ppm) 74

75 8.2 Režim studeného motoru V režimu studeného motoru je deaktivována funkce snímání hodnot koncentrace NO x SAE J1939 a množství NO x. Systém bere v potaz pouze hodnotu koncentrace NO x před katalyzátorem, jak je možné vidět z grafu 7. Tato hodnota je teoreticky vypočítána z aktuálního množství vstřikovaného paliva a snímače vlhkosti vzduchu. Informace ze snímače NO x (SAE J1939 a množství NO x ) jsou nastaveny na hodnotu 500 ppm a nemění se až do režimu aktivace snímání. Celý systém SCR registruje veškeré hodnoty, které jsou uvedeny v grafu, ale aktuální hodnota vstřikované dávky AdBlue je nulová. Teplota před katalyzátorem se pohybuje na hodnotě 54 C, což charakterizuje studený stav katalyzátoru SCR. V grafu 7 je vidět průběh točivého momentu motoru, který je postupně zvyšován a snižován, ale v této fázi nedochází k aktivaci snímání hodnot koncentrace NO x (SAE J1939). 75

76 Graf 7 Režim studeného motoru 76

77 8.3 Aktivace snímání koncentrace NO x (SAE J1939) a množství NO x Pokud teplota před katalyzátorem dosáhne teploty přibližně 155 C, systém selektivní katalytické redukce aktivuje snímání hodnot koncentrace NO x SAE J1939 a množství NO x. Teplota katalyzátoru je v tomto případě zobrazena od 155 C do 183 C. V intervalu 53 sekund až 160 sekund kumulativního času dochází k navýšení točivého momentu na 100 %, což odpovídá maximálnímu zatížení (1102 Nm). V tomto intervalu je aktivována funkce snímání koncentrace NO x SAE J1939 a množství NO x. Tyto hodnoty jsou totožné a podávají informace o množství NO x ze snímače oxidů dusíku v tlumiči výfuku. Hodnota koncentrace NO x SAE J1939 je vedena od snímače NO x po datové sběrnici do řídicí jednotky motoru. V grafu 8 je vidět závislost mezi skutečnými hodnotami NO x a vypočítanými NO x. Vypočítaná hodnota NO x byla v tomto případě vždy větší jak skutečná. Největších hodnot NO x bylo dosahováno v oblasti maximálního zatížení nejen ze snímače oxidů dusíku, ale také z teoreticky vypočítaného množství. 77

78 Graf 8 Aktivace snímání NO x 78

79 8.4 Aktivace vstřikování AdBlue Z grafu 9 vyplývají následující závěry. K navýšení točivého momentu došlo v kumulativním čase 471 sekund. Maximální hodnota točivého momentu (1265 Nm) byla dosažena v kumulativním čase 480 sekund. Vstřikovaná dávka paliva byla nastavena pomocí plynového pedálu na maximum. Aktuální točivý moment vyjádřený v procentech byl na maximální hodnotě (100 %). Výše vyjmenované hodnoty vyjadřují (definují) jízdní režim, ve kterém byla souprava testována. Na začátku testování byla teplota před katalyzátorem 203 C. Dávka paliva byla odstavena po 80 sekundách kumulativního času a teplota katalyzátoru na konci měření dosahovala 252 C. V tomto úseku je důležité zmínit reakci snímače NO x a hodnotu teoreticky vypočítaného množství NO x před katalyzátorem. Teoretická hodnota NO x reaguje okamžitě na zatížení motoru a vstřikovanou dávku paliva. Z toho plyne, že při sešlápnutí plynového pedálu na maximální polohu dochází k okamžitému výpočtu maximálního teoretického množství NO x. V kumulativním čase 495 sekund je hodnota koncentrace NO x před katalyzátorem 913 ppm. Jak je dále vidět, tak hodnoty ze snímače NO x (koncentrace NO x SAE J1939, množství NO x ) jsou aktivovány a informují pomocí datové sběrnice ECB elektronické řídicí jednotky vozidla. V kumulativním čase 495 sekund jsou hodnoty ze snímače NO x 754 ppm. Z toho plyne, že koncentrace NO x před katalyzátorem je opět větší jak skutečné množství NO x ze snímače oxidů dusíku. Nyní jsou splněny všechny potřebné parametry pro vstřikování dávky AdBlue. Poslední parametr, na který je nutno brát ohled, je teplota před katalyzátorem. Po dosažení teploty před katalyzátorem SCR 224 C dochází k aktivaci dávkování do systému SCR. Začátek vstřikování probíhá v kumulativním čase 507 sekund a konec vstřikování končí v čase 535 sekund kumulativního času. Zde je nutné odlišit vstřikovanou dávku AdBlue aktuální a nastavenou pro systém SCR. Nastavená dávka AdBlue je teoreticky vypočítávána dle charakteristik v řídicí jednotce systému SCR a řídicí jednotce motoru. Tato dávka byla při testování soupravy vždy větší jak skutečná, jak je vidět z grafu 9. 79

80 Graf 9 Aktivace vstřikování AdBlue 80

81 9 TEST SLOŽENÍ KATALYZÁTORU SCR V této části budou prezentovány prvky, které obsahuje vložka katalyzátoru SCR. Servisní literatura společnosti Volvo (Impact Online) uvádí, že: V koncové části katalyzátoru (čištění) je platinový povrch, který zpracovává nezreagovaný NH 3, aby výfukové plyny nebyly cítit po amoniaku. (Impact Online, 2014 str. 25) Informaci o platinovém povrchu jsem si ověřil v následujícím testu. K měření obsahu jednotlivých stavebních prvků katalyzátoru SCR byl zapůjčen přístroj, který dokáže procentuálně vyjádřit složení katalyzátoru SCR. Jedná se o ruční analyzátor kovů a slitin, který se také nazývá v praxi spektrometr. Spektrometr byl vyroben společností OLYMPUS a patří do série DELTA. Na obr. 52 je zobrazen spektrometr, který byl zapůjčen od výkupny katalyzátorů s provozovnou na Náměstí republiky 1398/14, Blansko. Společně je zobrazen i příklad výtisku měřených hodnot. Obr. 52 Spektrometr OLYMPUS s výsledky měření (Olympus-innovx, 2014) Princip měření spočíval v přiložení analyzátoru k vložce katalyzátoru SCR ze strany vstupu výfukových plynů. Přístroj se sám nastaví a automaticky zobrazí výsledek testu na monitoru. Výsledek byl přenesen do formátu Microsoft Excel (tabulka 7). Tento test se provedl na všech čtyřech vložkách katalyzátoru. 81