Emise ve výfukových plynech PSM

Transkript

1 KATEDRA VZIDEL A MTRŮ Emise ve výfukových plynech PSM #11/14 Karel Páv

2 Působení emisí PSM na člověka a na životní prostředí xid uhličitý C : Bez zápachu Při nadýchání způsobuje zvýšení krevního tlaku Při koncentracích nad 8% způsobuje bolest hlavy, pocení a ztrátu vědomí po několika minutách xid uhelnatý C: Bez zápachu Váže se na hemoglobin v červených krvinkách, snižuje množství v krvi Způsobuje zrychlené dýchání, bolest hlavy, závrať, ztrátu vědomí až smrt Jed způsobující pouze akutní problémy bez zdravotních následků xidy dusíku N x : N je plyn červenohnědé barvy s nepříjemným zápachem Toxické, dráždí oči, plíce a dýchací cesty Způsobují nespavost, kašel, zrychlené dýchání, modrání kůže / 1 Nespálené uhlovodíky C x H y : Způsobují zápach výfukových plynů Zvláště nebezpečné jsou polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH) Škodlivost se zvyšuje vazbou na povrch pevných částic Poškozují dýchací cesty, některé jsou karcinogenní Pevné částice: Pevné i kapalné fáze Tuhé částice absorbují uhlovodíky, jejichž negativní účinek se tak zvětšuje Karcinogenní a mutagenní účinky Částice o rozměrech,1 1 m jsou pro lidský organismus nejnebezpečnější

3 Působení emisí PSM na člověka a na životní prostředí / 1 Složení suchého vzduchu: % obj. Dusík N 78.8 Kyslík.95 Argon Ar.9 xid uhličitý C.4 Vzácné plyny Ne, He, Kr, Xe. Vlhký vzduch běžně obsahuje,5,5% H Škodlivina Přírodní zdroj Lidský zdroj Dopad C Zanedbatelný. Spalování bohatých směsí ve vozidlových motorech. N, N Blesky, bakteriální pochody v zemi. Spalování za vysokých teplot. Pevné částice S C CH 4 Lesní požáry, větrná eroze a vulkanické erupce. Vulkanické erupce a tlení. Blesky, fotochemické reakce v troposféře. Živočišné dýchání, tlení, uvolňování z oceánů. Anaerobní tlení, přežvýkavci, ropné vrty. Spalování fosilních paliv, uhlí a odpadu. Spalování uhlí, vysoké pece, rafinerie a vznětové spalovací motory. Fotochemické reakce ve fotochemickém smogu. Spalování fosilních paliv a dřeva (pouze 4% z přírodních zdrojů). Úniky plynu a spalování. Váže se na hemoglobin v červených krvinkách, snižuje množství v krvi. Podráždění očí, plic a dýchacích cest. Fotochemický smog a kyselé dešťě. Poškozování ozonové vrstvy ve stratosféře. Dýchací potíže. Podráždění očí, plic a dýchacích cest. Zdroj kyselých dešťů. Podráždění očí, plic a dýchacích cest. Poškozování plic. Podíl na skleníkovém efektu. Podíl na skleníkovém efektu. C x H y Biologické pochody. Nedokonalé spalování a výpary. Fotochemický smog. Freony Není. Rozpouštědla, hnací plyn, chladivo. Poškozování ozonové vrstvy ve stratosféře.

4 Působení emisí PSM na člověka a na životní prostředí 4 / 1 Mechanismy poškozování ozonové vrstvy Účinek N x Účinek freonů (F+Cl) Přirozená filtrace UV-záření

5 Působení emisí PSM na člověka a na životní prostředí 5 / 1 Skleníkový efekt Cca % energie ze slunečního záření je odraženo ze Zemského povrchu do vesmíru. Skleníkové plyny absorbují odražené infračervené (dlouhovlnné) záření. Absorbcí záření dochází k ohřevu atmosféry. Fotochemický smog Podmínky pro výskyt smogu jsou: Větší množství N a C x H y v ovzduší. Dostatečné sluneční záření. Bezvětří. N N N HC N N UVzáření N N Kyselý déšť S N N PAN H ( g) N( g) ( g) N ( g) H ( g) HN ( g) Skleníkový plyn Nejškodlivější složky smogu: Relativní příspěvek ke skleníkovému efektu C 5% CH 4 % N 5% CFCl 5% CF Cl 1% 1% N,, peroxyacetylnitráty (PAN), aldehydy. Způsobují podráždění očí. Mohou způsobit škody v zemědělství. ( g) H S 4 ( l)

6 Mechanismus vzniku škodlivin PSM 6 / 1 xid uhelnatý C Neúplná oxidace na C při nedostatku (hlavně bohaté směsi). Disociace produktů dokonalého spalování při teplotách nad C. Rychlá expanze (ochlazení) spalin, při níž zamrznou oxidační reakce. Koncentrace C je převážně určena součinitelem přebytku vzduchu l. Nespálené uhlovodíky HC Předčasné zastavení oxidačních reakcí na konci hoření ve zhášecích vrstvách. V malých štěrbinách, kde se nešíří plamen. Průnik nespálené směsi do výfuku při překrytí ventilů. Z mazacího oleje (přes pístní kroužky, vodítka ventilů, odvětrání klikové skříně). Vliv technického stavu a teplotního režimu motoru. Vliv vlastností paliva. Šířka zhášecí vrstvy (ZV) je ovlivněna: Teplotní vodivostí náplně válce Turbulencí náplně válce (n ZV) Zápalnou teplotou paliva Teplotou stěny

7 Mechanismus vzniku škodlivin PSM 7 / 1 xidy dusíku N x N, N, N xidace vzdušného dusíku kyslíkem při vysokých teplotách (u VM hlavně během kinetické fáze hoření). Rychlá expanze (ochlazení) spalin, při níž zamrznou reakce. U vznětových motorů (spalování chudých směsí) může být N zastoupeno až v 7%. U zážehových motorů tvoří 95% N. Účinné snížení produkce pomocí chlazeného EGR. ZM inertní plyn, VM nižší při kompresi, snížení koncentrace Zeldovičův mechanismus tvorby N: d[n] k dt 1 d N N dt N Počáteční tvorba N: N N N N H N H 61,5 T 16 e 699 T,5 N e e [ ] e - Rovnovážná koncentrace [mol/cm ] [N ] e - Rovnovážná koncentrace N ( konst.) [mol/cm ] T - Teplota [K] k k e e 15 T 195 T N k N k NH k NN k N k NH 1

8 Mechanismus vzniku škodlivin PSM 8 / 1 Pevné částice PM Neúplná oxidace palivové směsi při lokálním součiniteli l <,6. Neúplná oxidace při nízkých teplotách hoření. Tvoří je saze, karbon, popel, oxidy síry, sírany kovů, voda, palivo, olej. Na povrchu se usazují těžko odpařitelné nespálené uhlovodíky (zejména PAH). Velikost emitovaných částic je nm až m (nejvyšší četnost je kolem 1 nm). Převážně u vznětových motorů a u zážehových motorů s přímým vstřikem paliva. Produkci PM lze snížit lepší atomizací vstřikovaného paliva (problém u konce vstřiku). U VM lze docílit snížení PM dostřikem paliva (vstřikem malé dávky paliva po hlavní dávce). Při seřízení VM se většinou jedná o kompromis mezi N x a PM: N x PM Spalovací proces Atmosférické podmínky Zárodky částic,1,1 m Zvětšování povrchu Slučování Primární částice,1, m Aglomerace (Shlukování) Emitované částice, m xidy síry S x xidace síry obsažené v palivu a oleji v průběhu hoření. Převážně S. Způsobují otravu katalyzátoru.

9 BSFC [g/kwh] Kourivost [-] Nx [g/kwh] Seřízení vznětových motorů 9 / 1 Hlavními sledovanými parametry jsou měrná spotřeba paliva, emise N x, kouřivost a hluk. Dalšími sledovanými veličinami jsou teplota výfukových plynů, otáčky turbodmychadla, maximální spalovací tlak a ostatní složky emisí výfukových plynů. Většinou se jedná o nalezení kompromisního nastavení. Barvy kouře: Bílá studený start Modrobílá spalování oleje Černá tvorba sazí Pocatek vstriku [ KH pred HU] EGR [%] Lambda [-]

10 Mechanismus vzniku škodlivin PSM 1 / 1 Úsady absorbují HC N při vysokých teplotách spalin C při vysokých teplotách a bohaté směsi Vrstva oleje absorbuje HC HC na konci hoření při nedokonalé oxidaci Komprese Nespálená směs vniká do štěrbin Hoření Saze N x S klesající teplotou spalin zamrzají reakce s N a poté s C HC se uvolňují z úsad Úniky HC ze štěrbin, hoření některých HC Strhávání HC ze stěn do plynu HC HC se uvolňují z olejové vrstvy Expanze Výfuk Píst separuje HC ze stěn

11 Lokální součinitel přebytku vzduchu l [-] vlhké HC (C H 8 ) [ppm] vlhké HC (C H 8 ) [ppm] vlhké N X [ppm] vlhké N X [ppm] suché C [%] suché C [ppm] Typické koncentrace surových emisí 11 / Zážehové motory Vznětové motory l [- ] 1 HC C N x l [- ] 1 blast hoření,1 1 HC Saze C 15 5 Lokální teplota plamene [K]

12 Typické koncentrace surových emisí y i [%] 1 / Zážehový motor Benzínová směs s vysoušením bez vysoušení H C 8 1 ph [kpa] H H C t' [ C] l [-] bjemové podíly po vysoušení: y ih y ih 1 1 y y H H y H p H ( T) p p, T podmínky v analyzátoru výfukových plynů (kondenzátoru), obvykle t = 4 8 C