MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA DIPLOMOVÁ PRÁCE

Transkript

1 MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA DIPLOMOVÁ PRÁCE BRNO 2013 Bc. ROMAN KVASNICA

2 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Měření spotřeby AdBlue traktorového motoru Diplomová práce Vedoucí práce: Ing. Jiří Čupera, Ph.D. Vypracoval: Bc. Roman Kvasnica Brno 2013

3 Mendelova univerzita v Brně Ústav techniky a automobilové dopravy Agronomická fakulta 2012/2013 ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE Autor práce: Studijní program: Obor: Konzultant: Bc. Roman Kvasnica Zemědělská specializace Automobilová doprava Ing. Adam Polcar Název tématu: Měření spotřeby AdBlue traktorového motoru Rozsah práce: Zásady pro vypracování: 1. V úvodu práce věnujte pozornost tvorbě škodlivin spalovacích motorů. 2. Uveďte technická opatření k redukci škodlivin v emisích spalovacích motorů. 3. Zaměřte se na legislativu v oblasti emisí spalovacích motorů. 4. Navrhněte metodiku měření AdBlue k omezení produkce NOx. 5. Vyhodnoťte výsledky měření s doporučením pro praxi. Seznam odborné literatury: 1. MARTYR, A. J. -- PLINT, M. A. Enginetestingtheory and practice. 3. vyd. Oxford: Burlington, MA, s. ISBN HLAVŇA, V. Dopravnýprostriedok - jeho motor. 1. vyd. Ţilina: Ţilinská univerzita, s. ISBN MACEK, J. Spalovací motory I. 1. vyd. Praha: Nakladatelství ČVUT, s. ISBN KOŢOUŠEK, J. Teorie spalovacích motorů.. 5. KOŢOUŠEK, J. Výpočet a kostrukce spalovacích motorů I. 1. vyd. Praha: SNTL, s. 6. CLEMENT, R. /. EmissionsfromCombustionProcesses: Origin, Measurement, Control.BocaRaton: LewisPublishers, s. ISBN Datum zadání diplomové práce: říjen 2011 Termín odevzdání diplomové práce: duben 2013 Bc. Roman Kvasnica Autor práce Ing. Jiří Čupera, Ph.D. Vedoucí práce doc. Ing. Miroslav Havlíček, CSc. Vedoucí ústavu prof. Ing. Ladislav Zeman, CSc. Děkan AF MENDELU

4 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, ţe jsem diplomovou práci na téma Měření spotřeby AdBlue traktorového motoru vypracoval samostatně a pouţil jen prameny, které cituji a uvádím v přiloţeném seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a můţe být pouţita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF MENDELU v Brně. dne. podpis diplomanta.

5 PODĚKOVÁNÍ Chtěl bych poděkovat panu Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za ochotu a strávený čas při konzultacích, za odborné vedení při zpracování diplomové práce a za cenné rady při výběru vhodných pramenů.

6 ANOTACE V první části své diplomové práce jsem se zaměřil na tvorbu a škodlivost sledovaných sloţek emisí. V další části jsou zahrnuta technická opatření pro redukci škodlivin, jako je například systém SCR, EGR nebo kombinace EGR a filtru pevných částic. Následující kapitola obsahuje legislativu v oblasti emisí, do které spadají normy Euro 1 aţ Euro 6, ale také normy Tier 1 aţ Tier 4, které určují limitní hodnoty obsahu škodlivin ve spalinách. V závěru diplomové práce je zahrnuto měření spotřeby kapaliny AdBlue s následným vyhodnocením. Klíčová slova: emise, emisní normy, katalyzátor. ABSTRACT In the first part of my diploma thesis I focused on the development and harmfulness of the monitored emission constituents. The next section includes technical measures for the reduction of pollutants such as system SCR, EGR, or a combination of EGR and filter of solid particles. The following chapter contains legislation on emissions, which includes standarts Euro 1 - Euro 6, but also standards Tier 1 - Tier 4, which determine the limits on the content of pollutants in flue gases. In conclusion of this diploma thesis is included liquid AdBlue consumption measurement with subsequent evaluation. Key words: emissions, emission standards, catalyst.

7 OBSAH: 1. ÚVOD TVORBA ŠKODLIVIN SPALOVACÍCH MOTORŮ Klasifikace škodlivin Sloţení výfukových plynů spalovacího motoru Vlastnosti a vznik CO Vlastnosti a vznik CO Vlastnosti a vznik CH Vlastnosti a vznik NO x Vlastnosti a vznik PM Význam a vliv součinitele přebytku vzduchu λ Funkce lambda regulace REDUKCE ŠKODLIVIN V EMISÍCH SPALOVACÍCH MOTORŮ Katalyzátory Konstrukce katalyzátoru Rozdělení katalyzátorů Systém EGR Vnitřní recirkulace výfukových plynů Vnější recirkulace výfukových plynů Filtr pevných částic Kombinace EGR systému a filtru na pevné částice Systém SCR Kapalina AdBlue Vlastnosti kapaliny AdBlue Nádoby na kapalinu AdBlue LEGISLATIVA V OBLASTI EMISÍ SPALOVACÍCH MOTORŮ Emisní norma Euro Ekologická daň Emisní norma Tier Tier Tier 2 a Tier Tier

8 5. EXPERIMENTÁLNÍ MĚŘENÍ SPALOVACÍHO MOTORU TRAKTORU CASE IH Puma 230 CVX EP Parametry traktoru CASE IH Puma 230 CVX EP Cíl zkoušky Charakteristika pracoviště Metodika měření Pouţitá měřící zařízení Pouţité výpočty pro vyhodnocení Porovnání nákladů na pohonné hmoty u traktoru se systémem SCR a bez systému SCR ZÁVĚR SEZNAM POUŢITÉ LITERATURY SEZNAM OBRÁZKŮ SEZNAM TABULEK SEZNAM GRAFŮ

9 1. ÚVOD V dnešní době neustále roste počet provozovaných automobilů. To má samozřejmě dopad na ţivotní prostředí, protoţe se neustále zvyšuje škodlivý vliv výfukových plynů zbylých po shoření paliva. Tyto zbytky nejen ţe zhoršují ţivotní prostředí, ale jsou i zdraví škodlivé. Důsledky vedly k uzákonění přípustných limitů těchto škodlivin a předpisy se neustále zpřísňují. Splnění limitů je neustále sloţitější, technicky náročnější a draţší. Emisní limity stanovují normy Euro a Tier. Pro Evropskou unii je závazná norma Euro a také norma Tier, která platí i v USA a Japonsku. Legislativa v oblasti emisí je rozdělena podle kategorií vozidel a výkonu motoru. Sniţování škodlivých sloţek emisí výfukových plynů osobních vozidel bylo povinně zavedeno poprvé v roce 1968 v USA ve státě Kalifornia. V převáţné většině všech zemí jsou platné emisní testy, které zajišťují, aby se nepřekračovaly stanovené hodnoty emisí. Nejpřísnější testy pocházejí z USA, Japonska, ale také z Evropy. Mnoţství emisí, které vydává motor, závisí na jeho konstrukci, okamţitých provozních podmínkách, na sloţení spalované směsi a na chemickém sloţení paliva. Škodlivé emise jsou obsaţeny ve spalinách v nesrovnatelně menších objemech neţ CO 2 a H 2 O. I toto relativně malé mnoţství však výrazně negativně ovlivňuje kvalitu ovzduší. Spalování v motorech není dokonalé, proto mimo sloţky CO 2 a H 2 O vznikají také sloţky škodlivé jako oxidy dusíků, nespálené uhlovodíky, oxid uhelnatý a další. V případě dokonalého spalování by se výfukové plyny skládaly pouze z oxidu uhličitého CO 2 a vody, které nejsou pro zdraví škodlivé. Bádání konstruktérů vedlo k vynálezu systému EGR, jehoţ principem je recirkulace spalin. Pro účinnost tohoto systému je zapotřebí aţ 70 % těchto spalin, coţ není ideálním řešením, a proto je tento systém ve velké míře nahrazován systémem SCR. Jedná se o vstřikování kapaliny AdBlue do výfukového traktu. Systém SCR nejen ţe sniţuje škodlivé emise oxidů dusíku NO x, ale šetří také spotřebu pohonných látek. 9

10 2. TVORBA ŠKODLIVIN SPALOVACÍCH MOTORŮ Analýza obsahu spalin je významnou součástí experimentální etapy výzkumu, vývoje a provozního sledování vlastností spalovacího motoru. Důleţitými parametry motoru jsou samotné emise škodlivin. Samotné splnění poţadavků na hladinu emisí škodlivin je součástí schvalovacího řízení před uvedením zařízení do provozu, či do sériové výroby. Emisní vlastnosti jsou kontrolovány i v průběhu jeho provozování. [4] 2.1. Klasifikace škodlivin U škodlivin je zřejmé, ţe jejich absolutní a měrná produkce by měla být konstrukcí motoru a způsobem jeho provozování minimalizována. Pro stanovení priorit je nutné posoudit způsob a intenzitu působení jednotlivých sloţek, celkový lidský vliv na přítomnost příslušné sloţky v přírodě, souvislost imisní a klimatické situace v různých lokalitách a důleţitost jednotlivých reţimů provozu motoru z hlediska globálních ekologických parametrů. [4] 2.2. Sloţení výfukových plynů spalovacího motoru Plynné sloţky Pevné částice Ostatní sloţky Mezi plynné sloţky můţeme zařadit oxid uhličitý CO 2, oxid uhelnatý CO, oxidy dusíku NO x a nespálené uhlovodíky HC. Nejvýznamnější sloţkou je N 2 a vodní pára. Ve spalinách se můţe také vyskytovat H 2 i O 2. Do pevných částic řadíme produkty tepelné degradace oleje, prach, popel, částice koroze a mimo jiné i otěrové částice. Mezi ostatní sloţky řadíme především kondenzáty HC. Při spalování uhlovodíkového paliva se vzduchem vzniká dokonalou oxidací uhlíku a vodíku obsaţeného v palivu oxid uhličitý a voda. Při nedokonalé oxidaci těchto prvků jsou ve spalinách přítomny oxid uhelnatý a vodík. Při pouţití vzduchu jako okysličovadla je vţdy nejvýznamnější sloţkou spalin dusík. Kyslík se objevuje ve výfukových plynech, kdyţ se celé 10

11 jeho mnoţství nepouţije k oxidaci paliva, protoţe byl v přebytku čerstvé směsi nebo nebyl vyuţit. Za vysokých teplot ve spalovacím prostoru vznikají oxidací vzdušného dusíku oxidy dusíku, které se skládají především z oxidu dusnatého a menšího mnoţství oxidu dusičitého. Při nepříznivých globálních či lokálních podmínkách pro oxidaci paliva obsahují výfukové plyny nespálené uhlovodíky. U motorů s vnější tvorbou směsi se tato sloţka objevuje jako součást spalin i z důvodu úniku části čerstvé směsi přímo do výfukového traktu zkratovým vyplachováním. Za totálního nepřístupu vzduchu nastává při vysoké teplotě dekompozice molekul uhlovodíků, jejímţ výsledkem je přítomnost pevného uhlíku, coţ jsou saze ve spalinách. S výfukovými plyny odchází z motoru ještě další malé mnoţství dalších částic, jako jsou například prach, popel, částečky rzi a produkty tepelné degradace mazacího oleje. [4] 75,2 15 2,6 7,1 0,1 Dusík N2 Kyslík O2 Voda H2O Oxid uhličitý CO2 Limitované škodliviny Amoniak NH3 Aldehydy a ketony Vodík H2 Oxid siřičitý SO2 0,03 Částice, saze atd. 0,03 Uhlovodíky HC Oxidy dusíku NOx Oxid uhelnatý CO Ostatní 0,013 0,007 5E-05 0,006 0,01 0,002 0,0014 Obr. 1 Sledované sloţky ve výfukových plynech [21] 11

12 2.3. Vlastnosti a vznik CO Oxid uhelnatý je charakterizován jako prudce jedovatý hořlavý, bezbarvý plyn bez zápachu. Je hlavním produktem nedokonalého spalování a svojí hmotností je srovnatelný se vzduchem. CO se váţe na krevní barvivo intenzivněji neţ kyslík za vzniku karboxylhemoglobinu. Distribuce kyslíku je tím blokována a jednotlivé orgány jsou poškozovány nedostatkem kyslíku. Nejcitlivějším orgánem na dodávku kyslíku je mozek, proto je CO označován jako nervový jed. Lehčí otrava je charakterizována nevolností, závratěmi a především bolestmi hlavy. Oxid uhelnatý je jedním z plynů, který dokáţe člověka i zabít. Plyn CO je těţší neţ vzduch, tudíţ má vlastnost se shromaţďovat při zemi, coţ je velmi nebezpečné v montáţních jámách. Oxid uhelnatý je produktem nedokonalé oxidace uhlíku obsaţeného v uhlovodíkovém palivu. Prvotní příčinou jeho výskytu ve spalinách je tedy nedostatek kyslíku ve spalované směsi, coţ odpovídá provozu motoru při součiniteli přebytku vzduchu λ< 1, coţ odpovídá bohaté směsi. Chudá směs je ekvivalentem nerovnosti λ> 1 a u λ = 1 se hovoří o stechiometrické směsi. Nedostatek kyslíku můţe být místní nebo časový, který lze označit za hmotně-bilanční příčinu emisí CO. [4] Obr. 2 Závislost koncentrace CO na čase [4] 2.4. Vlastnosti a vznik CO 2 Oxid uhličitý není hodnocen jako škodlivina s přímým vlivem na ţivé organismy. V současné době tato sloţka není legislativou v oblasti emisí spalovacích motorů administrativně limitována. Po chemické stránce se jedná o produkt dokonalé oxidace a jeho přítomnost ve výfukových spalinách je tedy důsledkem kvalitně uskutečněného spalovacího 12

13 procesu. CO 2 negativně působí na ţivotní prostředí, jelikoţ zabraňuje sdílení tepla ze zemského povrchu. Tento jev vede k zvyšování teploty a posunu klimatických poměrů. Popsaný jev se nazývá jako skleníkový efekt, který způsobuje například tání ledovců. Při stechiometrickém směšovacím poměru je hodnota CO 2 maximální a dosahuje hodnoty cca 14,7 obj. %. To odpovídá dokonalému spalování. Hodnota CO 2 se podílí na určení stavu motoru a jeho částí. Pokud je hodnota CO 2 nízká a jsou nízké i hodnoty CO a HC, vypovídá to o netěsnosti výfukového systému, kdy dochází k naředění výfukových plynů Vlastnosti a vznik CH Tato sloţka emisí se označuje jako nespálené uhlovodíky, jejichţ škodlivost přímá nebo zprostředkovaná, můţe být různá. Koncentrace nespálených uhlovodíků se určuje podle čichového prahu, jiţ při malé koncentraci dochází k dráţdění sliznice i očí. Uhlovodíky, které jsou obsaţeny ve spalinách a v palivech mají nejmenší přímý vliv na organismus člověka. Nejnebezpečnější ze všech sloţek spalin jsou takzvané polycyklické aromatické uhlovodíky, které vytvářejí rakovinotvorné účinky. V některých případech můţe dojít i k mutagenním účinkům. Za vznikem nespálených uhlovodíků stojí především nedokonalý průběh oxidační reakce. Produkované emise uhlovodíků při spalování bohaté směsi jsou srovnatelné jako při spalování extrémně chudé směsi. Místům s nízkou teplotou hoření, coţ odpovídá především místům v blízkosti stěn, se někdy přiřazuje název zhášecí zóny, ze kterých se dostávají uhlovodíky do spalin. Mezi další produkci uhlovodíků můţeme zařadit mazací oleje, přes které se dostávají do výfukových plynů. Další významné zvýšení hodnoty CH nastává například při vynechávání zapalování, mechanickém poškození nebo špatném seřízení. Objemové zastoupení uhlovodíků ve výfukových plynech je výrazně niţší neţ u CO. Mezi nejvýznamnější nespálené uhlovodíky můţeme zařadit: Nenasycené uhlovodíky, coţ jsou například acetylény a olefiny. Způsobují především tvorbu smogu. Nasycené uhlovodíky, coţ jsou například parafiny. Jsou téměř bez zápachu. Aromatické uhlovodíky jsou nervové jedy s charakteristickým zápachem. 13

14 2.6. Vlastnosti a vznik NO x Škodlivost oxidu dusnatého na lidský organismus je vcelku nízká, ale další pobyt NO x v atmosféře způsobuje oxidaci na oxid dusičitý, který je charakterizován vyšší škodlivostí, neţ je u oxidu uhelnatého. Za normálních podmínek se jedná o bezbarvý a jedovatý plyn. Při vdechnutí NO x dochází k pocitu dušení nebo kašli. Tento stav nastává jiţ při nízkých koncentracích. Závislost emisí oxidů dusíku na hodnotě součinitele přebytku vzduchu je přesně opačná neţ u CH a CO. Se stoupající hodnotou λ v oblasti přebytku paliva stoupá i hodnota emisí oxidů dusíku. To je způsobeno vyšší koncentrací kyslíku. Oxidy dusíku se významně podílí na tvorbě letního smogu Vlastnosti a vznik PM Jedná se o částice, které jsou produkovány záţehovými motory s přímým vstřikováním a vznětovými motory. Tyto částice jsou tvořeny především pevným uhlíkem ve formě sazí. Samotné pevné částice nejsou toxické, ale z důvodů vázanosti polycyklických aromátů na sebe, jsou zdravotně závadné. Usazují se především v plicních sklípcích organismu, kde dochází k rakovinotvornému bujení. PM způsobují zimní smog, jelikoţ obsahují dusičnany, sírany, uhlík, popřípadě některé kovy či další látky. Podle velikosti lze pevné částice rozdělit na PM 10, PM 2,5, PM 1,0, kdy PM 10 jsou částice do velikosti 10 μm. Velikost částic souvisí s jejich udrţením v ovzduší, čím jsou částice menší, tím déle se udrţí v ovzduší. Největší produkce PM je přiřazována právě automobilové dopravě. Pevné částice vznikají při spalování uhlovodíkových paliv bez přístupu kyslíku, coţ odpovídá spalování bohaté směsi λ<1. [4] Produkce pevných částic vznětových motorů je označována jako kouřivost, která byla sledována jako první škodlivina emisí spalovacích motorů. Lze ji stanovit pomocí: Filtrační metody Metoda zaloţená na zachycení částeček kouře na filtračním papírku. 14

15 Obr. 3 Filtrační kouřoměr Bosch [21] Opacimetrie Jedná se o metodu pohlcení světla při průchodu výfukovými plyny optické dráhy. Gravimetrie Tato metoda je zaloţena na filtračním elementu, který je zhotoven ze skelných vláken potaţených teflonem. Filtrační element je zváţen a po průchodu příslušného mnoţství spalin se opětovně zváţí a stanoví se hmotnostní koncentrace částic. C M,PE = (m 2 m 1 ) / V VZOR (1) m 1,m 2 - hmotnost nového, resp. kontaminovaného filtru V VZOR - objem celkového prosátého mnoţství spalin, stanovený jako rozdíl konečné a počáteční hodnoty údaje počítadla plynoměru. 15

16 Obr. 4 Depozice PM v lidském těle [4] 2.8. Význam a vliv součinitele přebytku vzduchu λ Jako snímač kyslíku ve výfukových plynech se pouţívá tzv. lambda sonda. Součinitel přebytku vzduchu je dán poměrem mezi hmotností skutečně přivedeného vzduchu a teoreticky vypočtenou hmotností vzduchu na 1 kg paliva. V dnešní době se pouţívají dva typy těchto snímačů. U motorů, které pracují převáţně se stechiometrickou směsí, se pouţívá dvoustavová lambda sonda, u motorů spalujících chudé směsi je snímačem kyslíku širokopásmová lambda sonda. Sloţení spalované směsi má rozhodující vliv na parametry motoru, proto je poměr paliva a vzduchu seřizován, nastavován a regulován tak, aby při daných provozních podmínkách motoru byl optimální. Lambda sonda se umísťuje do výfukového potrubí před katalyzátor a její signál se převádí do řídící jednotky. [8] 16

17 Obr. 5 Produkce emisí záţehového motoru v závislosti na λ [10] Obr. 6 Produkce emisí vznětového motoru v závislosti na λ [10] 17

18 2.9. Funkce lambda regulace Lambda sonda snímá zbytkový obsah kyslíku ve výfukových plynech. Z těchto hodnot lze stanovit poměr paliva a vzduchu. Signál z lambda sondy se vyuţívá k regulaci sloţení směsi, především se jedná o změnu mnoţství paliva a o změnu mnoţství recirkulovaných spalin. Lambda regulace je závislá především na druhu motoru, jestli se jedná o záţehový nebo vznětový. Důleţitou roli hraje také příprava směsi, která se uskutečňuje buď ve válci přímým vstřikováním, nebo mimo spalovací prostor v sacím traktu. Regulace na stechiometrický poměr Tento způsob regulace se pouţívá především u motorů, které jsou vybaveny trojcestným katalyzátorem. Pro sníţení neţádoucích sloţek výfukových plynů, jako jsou HC, CO a NO X. Stechiometrický poměr Ideální úplné spalování nastává u záţehového motoru při poměru 14,7 kg vzduchu na 1 kg paliva. U vznětového motoru je stechiometrický směšovací poměr 14,6 kg vzduchu na 1 kg paliva. [2] Dvoustavová lambda sonda Tato lambda sonda zpravidla vytváří napěťový signál se dvěma úrovněmi. Je-li ve spalované směsi přebytek kyslíku, kdy se jedná o chudou směs, dodává napětí nízké úrovně. Při přebytku paliva, coţ odpovídá bohaté směsi, je dodané napětí mnohonásobně vyšší. Přechod z vysoké na nízkou úroveň napětí probíhá při stechiometrickém sloţení směsi. Tato směs vypovídá o tom, ţe není přebytek paliva, ani přebytek kyslíku. Snímače lambda sonda jsou nejčastěji zhotoveny z aktivních oxidů různých kovů, jako je například ZrO 2 a TiO 2. [8] 18

19 Obr. 7 Závislost napětí dvoustavové lambda sondy na sloţení směsi [8] Širokopásmá lambda sonda Dvoustavová lambda sonda pouze rozlišuje, zda se jedná o směs chudou nebo bohatou. Skutečnou hodnotu sloţení směsi nemůţe zjistit, proto její pouţití pro řízení sloţení směsi u motorů s kvantitativním řízením výkonu je omezeno. Jestliţe se výkon motoru nastavuje změnou mnoţství vzduchu a mnoţství paliva neodpovídá stechiometrickému poměru, je zapotřebí snímat skutečné hodnoty sloţení směsi. Pro tento účel se vyuţívají právě širokopásmové lambda sondy. [8] 19

20 3. REDUKCE ŠKODLIVIN V EMISÍCH SPALOVACÍCH MOTORŮ Redukce škodlivin, které jsou vymezeny normami, se můţe provádět dvěma způsoby. První způsob vede k přizpůsobování procesu hoření tak, aby jiţ ve spalovacím prostoru vznikalo minimum sledovaných sloţek. Druhý způsob vede k následné úpravě emisí ve výfukovém potrubí. Oba způsoby mají stejný cíl, a to sníţit produkci NO x a dalších sledovaných sloţek. Základem pro oba způsoby je poměr mezi produkcí emisí a předvstřikem paliva. Obr. 8 Průběh závislosti emisí HC a NO x na počátku vstřikování [8] Z obrázku je patrné, ţe dřívější předvstřik paliva má za následek zvýšení produkce NO x, ale zároveň dojde ke sníţení produkce HC. Při pozdějším předvstřiku paliva je produkce opačná. HC znázorňují nespálené palivo, tudíţ není vyuţita energie obsaţená v palivu. Zároveň vyšší produkce HC znamená niţší účinnost a vyšší spotřebu paliva, zatímco nízká produkce HC vyvolá přesně opačný efekt. [21] 20

21 3.1. Katalyzátory Katalyzátor je zařízení, které sloţí ke sniţování škodlivých emisí výfukových plynů. Vyuţívá chemické reakce pro přeměnu škodlivých látek na vodu a oxid uhličitý. Hlavním úkolem katalyzátoru je přeměna tří základních škodlivin a to oxidu uhelnatého, oxidů dusíku a uhlovodíků. Chemická reakce je způsobena vrstvou vzácných kovů. V případě pouţití katalyzátoru nesmí být uţíván olovnatý benzín, jelikoţ dochází k rušení účinků vzácných kovů. V dnešní době se s olovnatým benzínem uţ nesetkáme, proto problémy s olovem jsou uţ minulostí. Optimální teplota se pohybuje v rozmezí 400ºC aţ 800ºC. Teplota nad 1000ºC vede k degradaci katalyzátoru, 1400ºC znamená destrukci. Ţivotnost je dána provozními podmínkami vozidla a udává se nad km. Správné fungování začíná aţ na teplotě cca 300ºC, proto se do výfukového traktu zařazuje rozměrově menší předkatalyzátor, který je umístěn blíţ k motoru u sběrného potrubí. [15] Obr. 9 Výfukové potrubí s katalyzátorem a předkatalyzátorem [15] Konstrukce katalyzátoru Katalyzátor se skládá z ochranného obalu, příruby a monolitu, který můţe být keramický nebo kovový. Mezi monolitem a ochranným obalem je pruţná ocelová výplň z důvodu mechanického a tepelného namáhání. Kovové monolity jsou draţší a pouţívají se jako předkatalyzátory. Na monolit je z důvodu zvětšení reakční plochy nanesen Al 2 O 3, který zajistí mnohonásobné zvětšení ploch. Na této vrstvě je nanesena katalytická vrstva platiny a rhodia. Platina urychluje oxidační reakce HC a CO. Rhodium urychluje redukci No x. Nejprve platina a rhodium štěpí oxidy dusíku na dusík N a kyslík O a následně platina a paládium spojují kyslík s oxidem uhelnatým a uhlovodíky. Výsledkem reakce je CO 2 a H 2 O, coţ nejsou škodlivé emisní sloţky sledované normou. [15] 21

22 V katalyzátoru probíhají dvě základní reakce a to: Oxidace (kyslík je dodáván) Oxid uhelnatý CO se přeměňuje na oxid uhličitý CO 2 a uhlovodíky HC, oxidují na vodu H 2 O a CO 2. [15] Obr. 10 Oxidace v katalyzátoru [15] Redukce (kyslík je odebírán) Oxidy dusíku NO x se mění na dusík N 2 a oxid uhličitý CO 2. [15] Obr. 11 Redukce v katalyzátoru [15] Rozdělení katalyzátorů Dvoucestný oxidační katalyzátor Pouţívá se pro eliminaci oxidu uhelnatého a nespálených uhlovodíků. Třícestný katalyzátor Kromě jiţ zmíněných emisí u dvoucestného katalyzátoru, také redukuje oxidy dusíku. Pro správné fungování je zapotřebí, aby se spalovací motor pohyboval v úzké oblasti poměru paliva a vzduchu. Toto je zajištěno pomocí takzvané lambda sondy, která nastavuje poměr paliva a vzduchu tak, aby motor pracoval v optimálním reţimu se stechiometrickou směsí. 22

23 Katalyzátor se můţe poškodit pouţitím olovnatého benzínu, aditiva s obsahem olova, větší spotřebou oleje, kontaktem s nespáleným palivem nebo při provozních podmínkách. [15] Obr. 12 Katalyzátory výfukových plynů [15] Zásobníkový katalyzátor NO x Zásobníkový katalyzátor se pouţívá pro redukci oxidů dusíku při provozu s chudou směsí λ > 1. Mimo účinných katalytických vrstev ze vzácných kovů obsahuje speciální potah, který zachytává jiţ zmíněné oxidy dusíku. Naplnění tohoto katalyzátoru závisí na provozní době motoru, pohybuje se to v rozmezí 30 aţ 60 sekund. Po naplnění musí nastat regenerace, která proběhne v řádu jedné aţ dvou sekund. Pro zajištění správné regenerace je zapotřebí řada přídavných senzorů teploty a tlaku. Zásobníkový katalyzátor dokáţe sníţit emise NO x aţ o 85 %. [19] 23

24 Obr. 13 Regenerovatelný katalyzátor [22] 3.2. Systém EGR Jedná se o recirkulaci výfukových plynů pro sníţení škodlivých emisí NO x. To znamená, ţe část spalin se vrací zpět do sacího potrubí, aby se v nasátém vzduchu omezil obsah kyslíku a tudíţ dojde ke sníţení spalovacích teplot ve válcích motoru. Tento proces zajistí sníţení obsahu NO x ve výfukových plynech aţ o 60 %. Sníţení oxidů dusíku není velká výhra, jelikoţ tímto procesem vzroste produkce CO a nespálených uhlovodíků, které díky sníţené spalovací teplotě dokonale neshoří. Mnoţství spalin pro recirkulaci se reguluje podle provozních podmínek spalovacího motoru. Recirkulace výfukových plynů můţe být: Vnitřní recirkulace výfukových plynů. Vnější recirkulace výfukových plynů. 24

25 Vnitřní recirkulace výfukových plynů Vnitřní recirkulace se provádí překrytím ventilů, kdy sací ventil je jiţ otevřen a výfukový ventil není ještě uzavřen. Velikost mnoţství zbytkových plynů, které se opět dostanou a promísí s čerstvou směsí ve válci spalovacího motoru, určují velikost překrytí ventilů. Změny jsou závislé na počtu vačkových hřídelí. Nejvhodnější způsob změny je plynulé překrytí ventilů. V případě, ţe je vačková hřídel společná, mění se průběh časování a zdvih ventilů. Při dvou vačkových hřídelích se mění jejich vzájemné natočení. Posuvným podélným pohybem vačkové hřídele se mění prostorový profil vaček a tím se zajišťuje časování i zdvih ventilů. [8] Vnější recirkulace výfukových plynů Vnější recirkulace zajišťuje přívod výfukových plynů zpět do sacího kanálu a to nezávisle na postavení ventilů motoru. Pneumatický ventil, který je umístěn ve zpětném vedení, má za úkol řídit mnoţství recirkulovaných plynů. Podle provozních parametrů motoru ventil dávkuje mnoţství recirkulovaných spalin. Elektropneumatický převodník udává velikost podtlaku přiváděného do pruţinové komory řídícího ventilu recirkulace. Jestliţe podtlak nepřekoná sílu pruţiny, recirkulace neproběhne. Aby se řídící ventil otevřel, musí se dodat vyšší podtlak a dávka recirkulovaných plynů. Starší modely recirkulace vyuţívají regulace mechanické nebo pneumatické. Poloha škrticí klapky, která je umístěna v sacím potrubí, určuje mnoţství recirkulovaných plynů. Tyto starší systémy mají značně nepřesné dávkování plynů, to můţe způsobit vyšší produkci emisí uhlovodíků, ale především to má vliv na zhoršení jízdních vlastností vozidla. Do čerstvé směsi je povoleno přivést 10 aţ 15 % recirkulovaných plynů z celkového mnoţství. Elektronická regulace zaručuje v případě pouţití dalších opatření, jako je například řízení pohybu směsi ve válci, zvýšit mnoţství recirkulovaných plynů na hodnotu 60 aţ 70 %. [8] 25

26 Obr. 14 EGR systém [21] 3.3. Filtr pevných části Tento filtr na pevné částice slouţí ke sniţování obsahu pevných částic ve výfukových plynech. Sniţování limitů pevných částic a úhlu předstřiku vede výrobce spalovacích motorů k pouţívání filtrů, které efektivně a účinně zachycují pevné částice. Umístění filtru je ve výfukovém potrubí, často se můţeme setkat s tím, ţe je umístěn společně v jednom tělese s katalyzátorem. Spaliny se při vstupu do filtru rozejdou do několika komor. Komory jsou od sebe odděleny pomocí porézních stěn, jejichţ tloušťka je v rozmezí 300 aţ 400 µm. Aby se dostaly výfukové plyny ven z filtru, musí procházet přes porézní stěny. Tímto průchodem se zbaví pevných částic, které zůstávají zachyceny v pórech stěn. Tento způsob sniţování emisí se označuje jako uzavřený systém, jelikoţ spaliny nemají volný průchod ven. 26

27 Obr. 15 Filtr pevných částic s uzavřeným systémem [19] Druhý způsob se označuje jako otevřený systém, u kterého nemusí spaliny procházet přes jakoukoliv překáţku, ale mají volný průchod. Uvnitř filtru jsou tvarové nálitky, pomocí kterých se výfukové plyny vrhají na povrch, jenţ má speciální povrchovou úpravu ze spékaných materiálů. Na tomto povrchu dochází k zachycení pevných částic. Obr. 16 Filtr pevných částic s otevřeným systémem [21] 27

28 Postupem času se filtr zaplní částicemi, coţ pro nás znamená buď výměnu za nový, nebo pouţití systému regenerace. Tento systém umoţňuje kontinuální nebo periodické automatické čištění, kdy dojde k zapálení zachycených částic. Teplota se pohybuje kolem 600ºC. Regenerace proběhne v několika minutách, v závislosti na pouţitém systému. Ţivotnost těchto filtrů pro silniční motorová vozidla se udává v rozmezí aţ km. Doba mezi regeneracemi u traktorů můţe být 8 aţ 30 provozních hodin. Ţivotnost je ovlivněna zatíţením, podmínkami provozu a liší se také podle konkrétního modelu vozidla. Výměna filtru pevných částic je úkon, který majitele záţehového auta nepotká. Naopak uţivatelé vznětových vozů se jí nevyhnou. Normu Euro 5, která je platná od roku 2010 se automobilkám nedařilo bez pouţití filtru splnit, naposledy měly to štěstí motory homologované podle normy Euro 4. Filtr je konstruován tak, ţe se v něm pevné částice ukládají velmi rovnoměrně, čímţ dochází k jejich optimálně řízené regulaci Kombinace EGR systému a filtru na pevné částice Jedná se o další způsob splnění emisních limitů, kdy budeme provozovat spalovací motor s menším předstihem vstřiku, tím se sníţí produkce NO x. Negativní následky to zanechává na vyšší produkci CH a pevných částic. Mimo úpravy vstřikování je součástí také systém EGR, který zajišťuje recirkulaci výfukových plynů, kde část výfukových plynů se vrací zpět do sacího potrubí. Filtr pevných částic slouţí k zachytávání pevných částic obsaţených ve spalinách. Existují dva způsoby zachytávání těchto částic: Uzavřený systém Výfukové plyny musí procházet přes stěny filtru. Otevřený systém Výfukové plyny jsou směřovány na odrazové desky, ve kterých dochází k zachytávání pevných částic. Při plnění filtru těmito částicemi dochází k zvyšování rozdílu tlaku na vstupu a výstupu do filtru. Řídící jednotka zaznamenává tento tlakový rozdíl, pokud se dostane na mezní hodnotu, musí dojít k regeneraci filtru pevných částic. Můţe se to uskutečnit různými způsoby, například: 28

29 Vypálení zachycených částic a to zvýšením teploty filtru nad běţnou provozní teplotu. Výměnou filtru pevných částic za nový. Vypálení zachycených částic se docílí dodatečným vstřikování paliva za horní úvrať komprese, aby došlo k nárůstu teploty spalin. Teplota výfukových plynů se musí pohybovat okolo 600 o C, coţ odpovídá mezi zápalnosti sazí. Filtry pevných částic mají aktivní vrstvy, ty jsou potaţeny vzácnými kovy, jako je například silicium, spékané kovy a další. Tyto kovy jsou vysoce citlivé na síru, která je obsaţena v palivu, ale především v oleji ve formě aditiv. Při pouţití tohoto filtru se musí zároveň pouţít olej s nízkým obsahem síry a fosforu, coţ má za následek sníţení mnoţství aditiv v oleji. Aditiva zabezpečují vyšší ţivotnost komponentů spalovacího motoru. Tyto oleje se označují jako low SAPS. Konečné stanovisko je takové, ţe v případě pouţití těchto olejů s filtry pevných částic se sníţí interval výměny motorového oleje Systém SCR Tento systém je určený ke sniţování NO x, při tom vyuţívá chemické reakce a vhodný katalyzátor, jako například oxid zirkonia. Kaţdý stroj, který pracuje se systémem SCR je vybaven nádrţí na kapalinu AdBlue, která je 3-5 krát menší neţ nádrţ na palivo. Rozvody pro AdBlue jsou vyhřívané, aby nedošlo ke ztuhnutí kapaliny. Membránové čerpadlo zajišťuje dopravu kapaliny do okruhu, která je následně vedena přes hlavní filtr a dvoucestný ventil do vstřikovacího modulu. Tento modul je uloţen ve výfukovém potrubí. V případě vypnutí spalovacího motoru zajišťuje dvoucestný ventil zpětné vedení kapaliny do nádrţe, aby v zimním období nedocházelo k zamrzání AdBlue. Vstřikovací tlak odpovídá tlaku čerpadla, coţ je kolem 5 barů. Vstřikované mnoţství AdBlue je dáno dobou otevření ventilu. Po aplikaci AdBlue do výfukového traktu dochází k odpaření vody a chemické reakci, která se označuje jako termolýza a hydrolýza, při kterých dochází k uvolňování čpavku. Čpavek je potřebnou látkou pro sniţování NO x, jenţ je unášen do katalyzátoru prostřednictvím výfukových spalin, kde dochází k reakci čpavku, oxidů dusíků a katalyzátoru, za účelem přeměny NO x na N 2 a H 2 O. Kapalina AdBlue je tvořena z 32,5 % z močoviny (CO (NH 2 ) 2 ) a zbylou částí je demineralizovaná voda. Kvalita kapaliny je dána skladovací teplotou. Před a za katalyzátorem jsou umístěny snímače teploty a také snímač koncentrace NO x. Pouţitím SCR katalyzátoru můţeme dosáhnout sníţení oxidů dusíků o více neţ 90 % a sníţení pevných částic o 30%. Spalovací motor vybaven systémem SCR má niţší spotřebu paliva. [21] 29

30 Nádrţ na kapalinu AdBlue je umístěna v blízkosti palivové nádrţe nebo pod podlahou v zavazadlovém prostoru. Objem palivové nádrţe je navrţen tak, aby byla 3-5 krát větší neţ nádrţ na AdBlue. Součástí je také SCR katalyzátor, který se umisťuje za oxidační katalyzátor. Nevýhodou systému SCR je montáţ komponentů, jelikoţ tento systém je náročnější na prostor. Značný problém nastává při instalaci systému SCR do menších strojů, které disponují menším vyuţitelným prostorem. Z tohoto důvodu se snaţí výrobci instalovat do menších strojů systém EGR a filtr pevných částic. Největší výhodou systému SCR je sníţení spotřeby paliva a to aţ o 10 %. Mezi další výhody můţeme zařadit například prodlouţení servisního intervalu, příznivý průběh točivého momentu a další. Tento systém je moţno pouţít u široké škály motorových vozidel s motorem podobným zemědělským strojům. Pro splnění emisních limitů je zapotřebí vyuţít nových zařízení, které splní nejen tyto limity, ale také přinesou výhody pro uţivatele strojů. [21] 30

31 Obr. 17 Systém SCR [21] 1 - plnící hrdlo nádrţe AdBlue 4 - vstřikovací jednotka 2 - ovládací modul 5 - snímač koncentrace NO x 3 - vyhřívací jednotka 6 - katalyzátor SCR 31

32 Kontrolní svítilny, které jsou zobrazovány na displeji pro systém SCR Doplnění AdBlue Zhasnutí motoru Nízká kvalita AdBlue Testování systému Závada na systému SCR Nízká teplota výfuk. plynů Sniţování parametru motoru Nouzový start Obr. 18 Kontrolní svítilny systému SCR [21] Kapalina AdBlue Kapalina AdBlue je tvořena z 32,5% z močoviny a zbylou částí je demineralizovaná voda. Při této koncentraci je dosaţeno jejího nejniţšího bodu tuhnutí, coţ odpovídá -11ºC. Močovina je sloučenina dusíku, která se za určité teploty a přítomnosti vody přeměňuje na amoniak. Pouţívá se na výrobu hnojiv. Nikdy se nesmí pouţít běţná voda pro ředění kapaliny AdBlue, vede to k výraznému a nevratnému poškození systému. Nemalý vliv mají také aldehydy, tvrdá voda a nerozpustné látky. [21] 32

33 Obr. 19 Ukázka poškození v důsledku ředění AdBlue vodou s přirozeným obsahem minerálních látek [21] Ţivotnost této kapaliny ovlivňuje především teplota skladování, můţe se dosáhnout délky aţ 36 měsíců. Doporučení výrobce pro uchování této kapaliny je, ţe její skladovací teplota by neměla přesáhnout 30ºC, jelikoţ při vyšších teplotách dochází k rozkladu a vypařování. Tab. 1 Závislost skladovací teploty na ţivotnosti kapaliny AdBlue [21] Skladovací teplota Minimální životnost [ºC] [měsíce] <10 36 <25 18 <30 12 < Vlastnosti kapaliny AdBlue Méně toxická neţ provozní kapaliny, jako například chladící a brzdová kapalina, motorová nafta nebo převodový olej. Není na seznamu nebezpečných látek, tudíţ nepodléhá přepravě nebezpečných věcí podle dohody ADR. Nehořlavá. Při zasaţení pokoţky kapalinou AdBlue stačí omýtvodou a mýdlem. Nesmí se dostat do zaţívacího traktu člověka, jestliţe se tak stane, musíme neprodleně vyhledat lékařskou pomoc. 33

34 Pokud uniká z nádrţe, která je pod tlakem, tak krystalizuje. Pro efektivní účinnost systému SCR je důleţitá správná koncentrace. Má korozní účinky při styku s kovy. Musíme ji chránit před jinými látkami, aby nedošlo k její kontaminaci. Skladování pouze v nádobách určených pro kapalinu AdBlue. Materiály, které jsou pouţity pro výrobu nádob na kapalinu AdBlue, musí být zhotoveny nejlépe z elastických umělohmotných sloţek nebo z nerezové oceli. Tyto poţadavky se vztahují na všechny prostředky pro skladování, tankování a veškeré potrubí, kde kapalina protéká. Je třeba si uvědomit, ţe přenos AdBlue do nádrţe je kritický bod, pouţití nevhodného postupu nebo nevhodné nádoby můţe vést ke kontaminaci, která má za následek poškození systému SCR. Doporučené materiály: Guma Plasty Polyethylen Nerezová ocel Nedoporučené materiály: Mosaz Měď Hliník Zinek Nikl Uhlíkové oceli Nádoby na kapalinu AdBlue IBC kontejnery Jestliţe měsíční spotřeba je vyšší neţ 500 litrů, pak vhodným řešením je poţití právě těchto kontejnerů. Mají objem 1000 litrů, ve spodní části je otvor pro čerpání a jsou vratné. Součástí kontejneru můţe být i výdejní sada, která se skládá z čerpadla, pistole a 6 m hadice. 34

35 Obr. 20 IBC kontejner s integrovanou výdejní sadou [14] Kanystry Ideální řešení pro menší zákazníky a také jako pohotovostní zásoba na cesty pro kaţdé vozidlo. Objem 10 litrů a můţe být vybaven integrovanou hubicí pro snazší nalévání do nádrţe. Obr. 21 Kanystr premium o objemu 10 litrů s integrovanou hubicí [14] 35

36 Lahve Vhodná pro osobní auta a dodávky. Má objem 2 litry, uzávěr je odolný proti poškození a přetečení. Obr. 22 Lahev o objemu 2 litry [14] Sudy Plastový sud o objemu 220 litrů. Je opatřen výpustným ventilem. Obr. 23 Plastový sud o objemu 220 litrů [14] 36

37 Kapalina AdBlue se vyrábí z chemicky čisté syntetické močoviny a demineralizované vody. Močovina se vyrábí z amoniaku a oxidu uhličitého v tlakovém reaktoru za vysokého tlaku a teploty. Získaná kapalina se následně suší a granuluje. Samotná výroba je velice sloţitý a energeticky náročný proces. Poţadované koncentrace 32,5% se docílí rozmícháním granulované močoviny v ohřáté demineralizované vodě na teplotu 40 aţ 45ºC. Močovina má dobrou rozpustnost v teplé vodě, ale ve studené je nerozpustná. Poslední operací výroby AdBlue je filtrace na filtrační jednotce s propustností 1 mikrometr. Vyrábět tuto kapalinu můţe pouze firma, která je licencovaným partnerem VDA, coţ je svaz automobilového německého průmyslu. Při pochybnostech ve sloţení kapaliny si můţeme změřit obsah aktivních látek prostřednictvím hustoty nebo indexu lomu. U většiny případů při zahlášení chyby systému SCR se jedná o závadu způsobenou nekvalitní kapalinou AdBlue. [14] 37

38 4. LEGISLATIVA V OBLASTI EMISÍ SPALOVACÍCH MOTORŮ 4.1. Emisní norma Euro Tato norma je platná pro země Evropské unie. Určuje limitní hodnoty výfukových exhalací, které jsou uváděny v miligramech na ujetý kilometr. Norma Euro stanovuje látky, které jsou automobilem vypouštěny, jako například CO, HC, NO x a pevné částice. Ve výfukových plynech se také objevuje CO 2, o kterém se mluví například v souvislosti s globálním oteplováním, ale v případě normy Euro není řešen. Nově zavedené Euro se nejdříve týká nových vozů. Vozy jiţ prodané a zaregistrované, před uvedením platnosti této normy, nemusí normu splňovat. V technickém průkazu českého vozidla normu Euro zapsanou nenajdete. Je zde zapsaná pouze norma EHK. Německý technický průkaz je mnohem čitelnější, jelikoţ obsahuje přímo Euro normu, kterou daný motor splňuje. Vozidla splňující normu Euro 5 jsou jiţ vybavena systémem SCR nebo kombinací EGR systému a filtru pevných částic. [1] Tab. 2 Vývoj emisní normy Euro [15] Rok/norma CO (g/km) NO X (g/km) HC + NO X (g/km) HC (g/km) PČ (g/km) 1992 I 3,16 3, ,13 1,13-0, II 2,20 1, ,50 0,70* - 0,08** 2000 III 2,30 0,64 0,15 0,50-0,56 0,20 0, IV 1,00 0,50 0,08 0,25-0,30 0,10 0, V 1,00 0,50 0,06 0,18-0,23 0,10 0, VI 1,00 0,50 0,06 0,08-0,17 0,10 0,005 ZÁŽEHOVÉ MOTORY, VZNĚTOVÉ MOTORY * 0,90 pro motory s přímým vstřikováním paliva ** 0,10 pro motory s přímým vstřikováním paliva Evropská unie se neustále snaţí o sniţování emisí automobilů, proto bude v roce 2014 zavedena norma Euro 6. Zaměřila se především na sníţení oxidů dusíku a nespálených uhlovodíků. 38

39 4.2. Ekologická daň Evropská unie pro motorová vozidla předepisuje emisní normy, které jsou závazné pro všechna motorová vozidla. V současnosti je Euro norem pět, šestá bude zavedena. Ekologická daň se věnuje pouze prvním třem Euro normám. Jsou to takzvané eko poplatky za auto, které buď nesplňuje normu ţádnou, nebo splňuje pouze Euro 2. O normu se musíme zajímat pouze u nákupu ojetého vozidla, protoţe nově vyrobená vozidla splňují normu aktuální, coţ je norma Euro 5. Tab. 3 Ekologická daň pro silniční vozidla [16] Vozidlo nesplňuje ţádnou EURO normu Vozidlo splňuje pouze EURO 1 Vozidlo splňuje pouze EURO 2 Vozidlo splňuje EURO 3 nebo vyšší Kč Kč Kč 0 Kč 4.3. Emisní normy Tier Jedná se o takzvané americké emisní normy, které jsou platné v Severní Americe a USA. Označení norem je od Tier 1 aţ Tier Tier 1 Emisní norma Tier 1 vstoupila v platnost roku 1994 jako první federální norma. Tato norma je závazná pouze pro vznětové motory a od roku 1996 aţ 2000 se zavedla pro motory s výkonem nad 37 kw. Agentura pro ochranu ţivotního prostředí (EPA) uzavřela dohodu s výrobci motorů. Postupem času došlo k zavedení emisní normy Tier 1 na celou řadu motorů s nejrůznějšími výkony Tier 2 a Tier 3 Norma Tier 1 byla rozšířena od roku 2001 do roku 2008 o normy Tier 2 a Tier 3. Pokud chtěli výrobci splnit tyto normy, museli zasáhnout do konstrukce motoru nebo pouţít technologie upravující spaliny. Emisní norma Tier 3 je v přísnosti eliminace nespálených uhlovodíků a oxidů dusíku dosti podobná normám Euro. 39

40 Tier 4 Agentura pro ochranu ţivotního prostředí (EPA) přistoupila roku 2004 k schválení nové normy Tier 4. V období od roku 2008 aţ 2015 má být tato norma zaváděna. Na rozdíl od předešlých norem Tier 4 poţaduje sníţení pevných částic o 90 % a oxidů dusíku o 50 %. Dodrţení podmínek, které stanovuje tato norma bez pouţití systému SCR, EGR nebo kombinace EGR systému a filtru pevných částic, nebude moţné. Pevné částice a oxidy dusíků jsou nejsledovanější škodlivé látky ve spalinách, protoţe pevné částice podporují rakovinotvorné bujení a oxidy dusíku vytvářejí smog. Konstruktéři mají nelehký úkol, jelikoţ pokud budou chtít sníţit obsah pevných částic, zvedne se produkce NO x a naopak. Pro výrobce se otevřely dvě cesty, z nichţ první je sníţení oxidů dusíků a pomocí filtrů pevných částic zachytávat PM. Druhá cesta vede ke sníţení pevných částic a následné pouţití systému SCR na sníţení produkce NO x. Tab. 4 Stage I (Etapa I) [20] Výkon P (kw) CO g/kw.h HC g/kw.h NO x g/kw.h PT g/kw.h 130 P 560 5,0 1,3 9,2 0,54 75 P 130 5,0 1,3 9,2 0,70 37 P 75 6,5 1,3 9,2 0,85 Tab. 5 Stage II (Etapa II) [20] Výkon P (kw) CO g/kw.h HC g/kw.h NO x g/kw.h PT g/kw.h Platnost 130 P 560 3,5 1,0 6,0 0,2 Po P 130 5,0 1,0 6,0 0,3 Po P 75 5,0 1,3 7,0 0,4 Po P 37 5,5 1,5 8,0 0,8 Po Tab. 6 Stage IIIa (Etapa IIIa) [20] Výkon P (kw) CO g/kw.h HC + NOx PT g/kw.h Platnost g/kw.h 130 P 560 3,5 4,0 0,2 Po P 130 5,0 4,0 0,3 Po P 75 5,0 4,7 0,4 Po P 37 5,5 7,5 0,6 Po

41 Tab. 7 Stage IIIb (Etapa IIIb) [20] Výkon P (kw) CO g/kw.h HC g/kw.h NO x g/kw.h PT g/kw.h Platnost 130 P 560 3,5 0,19 2,0 0,025 Po P 130 5,0 0,19 3,3 0,025 Po P 75 5,0 0,19 3,3 0,025 Po P 56 5,0 4,7 0,025 Po Tab. 8 Stage IV (Etapa IV) [20] Výkon P (kw) CO g/kw.h HC g/kw.h NO x g/kw.h PT g/kw.h Platnost 130 P 560 3,5 0,19 0,4 0,025 Po P 130 5,0 0,19 0,4 0,025 Po Obr. 24 Sniţování emisí [20] 41

42 Obr. 25 Celosvětová regulace emisí od roku 2016 [18] 42

43 5. EXPERIMENTÁLNÍ MĚŘENÍ SPALOVACÍHO MOTORU TRAKTORU CASE IH PUMA 230 CVX EP 5.1. Parametry traktoru CASE IH Puma 230 CVX EP Výrobce traktoru: CASE IH Typ traktoru: Puma Modelová řada: 230 CVX EP Země původu: Rakousko Výrobní číslo: ZBBS50787 Model: BSLUFE Základní údaje o motoru zkoušeného traktoru Výrobce CASE IH Počet válců/ventilů na válec 6/4 Plnění turbodmychadlem s mezichladičem stlačeného vzduchu Zdvihový objem [cm 3 ] 6728 Jmenovitý výkon [kw] 167 Jmenovité otáčky [min -1 ] 2200 Maximální točivý moment při otáčkách motoru [Nm/min -1 ] 1089/1500 [kw při 1800 Maximální výkon min -1 ] 183 [kw při 1800 Maximální výkon s Power Management min -1 ] 198 Maximální moment s Power management [Nm / min -1 ] 1160/1500 Palivová soustava Common-Rail Palivová nádrţ [l] 395 Nádrţ AdBlue [l] 48 Emisní norma TIER IV 43

44 Základní údaje o převodovce zkoušeného traktoru Typ APM 40 km/h Konstrukce CVT bezstupňová převodovka ECO Otáčky motoru při 40 km/h 1450 Tempomat 3x 5.2. Cíl zkoušky Zkoušky motoru traktoru CASE IH Puma 230 CVX EP probíhaly v laboratoři vozidel Ústavu techniky a automobilové dopravy na MENDELU v Brně. Cílem této zkoušky bylo změřit jmenovitou charakteristiku motoru s vyznačenými oblastmi měrné spotřeby paliva a vodného roztoku močoviny AdBlue. Měření byla provedena podle dohodnuté metodiky. Obr. 26 Zkoušený traktor CASE IH Puma 230 CVX EP v laboratoři Ústavu techniky a automobilové dopravy na MENDELU v Brně [21] 44

45 5.3. Charakteristika pracoviště Zkoušky byly prováděny v laboratořích Ústavu techniky a automobilové dopravy na MENDELU v Brně. Měření základních parametrů motoru je prováděno přes vývodový hřídel dle metodiky OECD. Při všech zkouškách byly dodrţovány všeobecné poţadavky dané normou ČSN ISO Zkoušky mohou probíhat buď v automatickém, nebo manuálním reţimu řízení zatěţovacího dynamometru Metodika měření Jmenovitá otáčková charakteristika se měří při plné dodávce paliva, coţ odpovídá nastavení maximální hodnoty na ručním akcelerátoru. Nejprve se nastaví nejniţší otáčky v řídícím počítači zkušebny, při kterých bude probíhat zatěţování a také čas, za který se dostane do nastavených otáček. První měření proběhlo dynamicky, abychom získali základní parametry, jako je maximální výkon, jmenovité otáčky a točivý moment, které se pouţijí pro nastavení statického měření jmenovité charakteristiky. Jmenovitá otáčková charakteristika je tvořena ze 13 a více bodů charakterizovaných točivým momentem a otáčkami motoru, na které bude zatěţován. Po zatíţení na určený bod se záznam zapne, aţ dojde k ustálení měřených parametrů. Pokud umoţňuje spalovací motor práci se dvěma výkonovými křivkami, změří se následně stejným způsobem jmenovitá otáčková charakteristika s navýšením motoru. Měření probíhá automaticky. 45

46 Obr. 27 Traktor CASE IH Puma 230 CVX EP při měření otáčkových charakteristik v laboratořích Ústavu techniky a automobilové dopravy na MENDELU Brno [21] 5.5. Pouţitá měřící zařízení Při zkoušce byly měřeny otáčky motoru, točivý moment, hodinová spotřeba paliva, spotřeba kapaliny AdBlue, kouřivost, zatíţení motoru, teplota paliva a chladicí kapaliny. Potřebná data byla získávaná prostřednictvím sběrnice CAN-Bus. Točivý moment Pro měření Mt byl pouţit vířivý dynamometr, který byl připojen k zadnímu vývodovému hřídeli traktoru. Řídící počítač zkušebny snímá měřené údaje a regulaci dynamometru. 46

47 Technické údaje dynamometru Typ dynamometru V 500 Otáčky [min -1 ] Výkon [kw] Moment [Nm] Chlazení vodní Zatíţení trvalé Výrobce VÚES Brno Otáčky Otáčky dynamometru jsou měřeny pulzním snímačem LUN , který je součástí dynamometru. Signál ze snímače je převeden do počítače zkušebny. Spotřeba paliva Byla měřena pomocí hmotnostního průtokoměru Coriolis Sitrans FC MassFlo Mass 6000, při měření byly pouţity dva průtokoměry. 47

48 Obr. 28 Coriolisův průtokoměr [21] Snímání hodnot ze sítě CAN-Bus Kromě měření jednotlivých hodnot pomocí snímačů zkušebny se provádělo u zkoušky snímání hodnot ze snímačů vozidla prostřednictvím digitální komunikační sběrnice CAN-Bus. Síť traktoru umoţňuje odečíst otáčky motoru, teplotu oleje, spotřebu kapaliny AdBlue a další. Ve zprávě ze sběrnice CAN-Bus, která je zobrazena na následujícím obrázku, je znázorněno mnoţství močoviny (Urea Quantity), teplota močoviny (Urea Temp) a úroveň hladiny močoviny (Urea Tank level). Mnoţství močoviny je uváděno v g/hod, teplota močoviny je v C a úroveň hladiny močoviny je uváděna v %. Spotřeba AdBlue se nedá změřit přímo, ale podle mnoţství vstřikované dávky. Pro měření byla pouţita komunikační karta CAN. 48

49 Obr. 29 Snímaní hodnot ze sítě CAN-Bus [21] Měření spotřeby AdBlue Ve své diplomové práci jsem se zaměřil na způsoby stanovení spotřeby redukčního činidla s komerčním názvem AdBlue. Systém SCR přináší úskalí v přímém měření AdBlue z několika důvodů. Dva jsou však velmi signifikantní, a to způsob instalace průtokoměru do systému a dále dynamické změny průtoku v průběhu času. V prvém případě je nutné konstatovat, ţe kompaktnost celého systému, který je umístěn ve vlastním boxu se všemi členy regulace znemoţňuje jakýkoliv zásah. V druhém bodě je nutné podotknout, ţe okamţitá spotřeba kapaliny je značně ovlivněna podmínkami vzniku NOx a dále externími vlivy, zejména teplotou SCR katalyzátoru. Regulační systém ze své podstaty neuvaţuje spojitou regulaci, ale překročením prahové hranice je dle tabelárních hodnot vstřikována definovaná dávka. Jedná se tedy do jisté míry o diskontinuální proces, kde měření kontinuální spotřeby by data značně devalvovalo. Z tohoto důvodu jsem myšlenku přímého měření opustil a 49

50 soustředil se na způsob stanovení spotřeby AdBlue způsobem, který vyuţívá informací regulačního systému přenášených sběrnicí CAN. Z legislativních důvodů musí výrobci respektovat nejen výše zmíněné indikátory závad v systému, ale navíc musí být tyto informace v souladu z normativy příslušných homologací. Tedy majoritně podléhají doporučení podle SAE J1939, resp. jsou do určité míry rozsahy veličin s touto normou kompatibilní. U zkoušeného traktoru se informace o spotřebě močoviny udává v kanále zprávy s identifikátorem 0x D, mimo jiné tento identifikátor je uplatněn ve všech typech řady motorů IVECO. Vysílací jednotka patrná z identifikátoru (3Dhex) je normou SAE J1939 popsána jako ExhaustEmissionController. Interpretace čísla, které udává velikost vstřikované dávky je šestnáctibitová, to s sebou nese moţnost velmi vysoké přesnosti odměřování a jednotka je pak g/h. Měření ostatních hodnot Měří se teplota vzduchu v laboratoři, barometrický tlak a relativní vlhkost vzduchu. Všechny hodnoty jsou zaznamenávány do měřícího počítače. Při zkouškách jsou otáčky vývodového hřídele nastaveny na 1000 min Pouţité výpočty pro vyhodnocení Výkon motoru na vývodovém hřídeli P M t π 30 n [W] (2) kde: M t - průměrný točivý moment při ustáleném reţimu [Nm] n - otáčky motoru [min -1 ] 50

51 Měrná spotřeba paliva a vodného roztoku močoviny AdBlue m M ph 3 p 10 [g.kw -1.h -1 ] (3) kde: M ph - hodinová spotřeba [kg.h -1 ] P - výkon motoru [kw] P Vypočtené hodnoty se vynáší do grafu charakteristiky v závislosti na otáčkách motoru. 51

52 Výkon motoru (kw) Spotřeba AdBlue (kg/h) Měrná spotřeba paliva (kg/kw.h) Výkon motoru Měrná spotřeba paliva ( kg/kw h) 4 3, , , , Otáčky motoru (min-1) 0 Graf 1 Jmenovitá charakteristika 52

53 Spotřeba AdBlue (g/h) V grafu 1 je vynesen výkon motoru, hodinová spotřeba AdBlue a měrná spotřeba paliva. Nejvyšší výkon motoru 161,4 kw byl změřen při otáčkách 1721 min -1. Nejniţší měrná spotřeba paliva 225,6 g/kw.h byla naměřena při otáčkách 1491 min -1. V grafu jsou dále uvedeny tři body, kde byly monitorovány údaje o spotřebě AdBlue přes sběrnici CAN. Z hodnot plyne, ţe spotřeba vodného roztoku močoviny dosahuje v některých reţimech téměř 10%. Jak ukáţe dále ilustrativní výpočet, i vyšší spotřeba AdBlue nemá negativní dopad na ekonomické indikátory provozu traktoru. Ze zkušenosti provozu jiných kategorií vozidel je udávána spotřeba pod úroveň několika málo procent (cca do 5%). K širší diskusi ovšem je, zda-li hodnotit niţší spotřebu AdBlue pozitivně, pokud vezmeme v úvahu, ţe je emitován větší podíl HC a PM (niţší teplota spalin) mpe AdBlue = -0,005M t 2 + 9,048M t - 335,1 R² = Točivý moment (Nm) Graf 2 Závislost spotřeby AdBlue a točivého momentu V grafu 2 je znázorněna závislost spotřeby AdBlue (g/h) a točivého momentu motoru (Nm). Z grafu je patrné, ţe s rostoucím točivým momentem motoru roste i spotřeba kapaliny AdBlue. Tato zřejmá skutečnost je zaloţena na experimentech prováděných Zeldovičem, který definoval mnoţství emitovaných NO x v závislosti na teplotě fronty plamene. 53

54 Spotřeba nafty/adblue (kg/h) Spotřeba nafty kg/h při 2200 min-1 Spotřeba AdBlue kg/h při 2200 min-1 Spotřeba nafty kg/h při 2026 min-1 Spotřeba AdBlue kg/h při 2026 min-1 Spotřeba nafty kg/h při 1912 min-1 Spotřeba AdBlue kg/h při 1912 min-1 Otáčky motoru (min -1 ) Graf 3 Závislost spotřeby nafty a AdBlue na otáčkách motoru 5.7. Porovnání nákladů na pohonné hmoty u traktoru se systémem SCR a bez systému SCR Traktor se systémem SCR Výkon P e =153,2 kw Točivý moment M t = 981,2 Nm Otáčky motoru n = 1491 min -1 Hod. spotřeba paliva M PH = 34,6 kg.h -1 Hustota nafty ρ = 830 kg. m -3 Měrná spotřeba paliva (4) Hodinová spotřeba paliva (5) 54

55 Spotřeba AdBlue 3,29 kg.h -1 Hustota AdBlue ρ = 1090 kg. m -3 Cena nafty 35,79 Kč/l [23] Cena AdBlue 12 Kč/l Náklady celkem = 1528 Kč/hod Traktor bez systému SCR Výkon P e = 153,4 kw Točivý moment M t = 814,4 Nm Otáčky motoru n = 1799 min -1 Hod. spotřeba paliva M PH = 37,7 kg.h -1 Hustota nafty ρ = 830 kg. m -3 Měrná spotřeba paliva (6) Hodinová spotřeba paliva (7) Cena nafty 35,79 Kč/l [23] Náklady celkem 55

56 Celkové náklady na pohonné hmoty (Kč/hod) Náklady na pohonné hmoty se systémem SCR Náklady na pohonné hmoty bez systému SCR Graf 4 Porovnání celkových nákladů na pohonné hmoty Úspora hodinové spotřeby paliva za stejných podmínek u systému SCR činila 3,7 l.h -1, coţ v procentech znamená 8,9 %. Za jednu pracovní hodinu stroje systém SCR ušetří 97 Kč. Spotřeba AdBlue je pokryta úsporou paliva. Budeme-li počítat s ročním provozem 1000 motohodin, pak bude systém SCR dosahovat úspory nákladů na pohonné hmoty Kč. 56