Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy. Emise vozidlových motorů Diplomová práce

Transkript

1 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Emise vozidlových motorů Diplomová práce Vedoucí práce: doc. Ing. Pavel Sedlák, CSc. Vypracoval: Ing. Jan Mikulášek Brno 2011

2

3 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma EMISE VOZIDLOVÝCH MOTORŮ vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne.... podpis diplomanta....

4 PODĚKOVÁNÍ Tímto bych chtěl poděkovat doc. Ing. Pavlu Sedlákovi, CSc. za odborné vedení, cenné rady a připomínky, které mi během řešení této diplomové práce vždy ochotně poskytoval. Poděkování patří také rodičům a blízkým za podporu při studiu.

5 ABSTRAKT Emise vozidlových motorů jsou v dnešní době velmi sledovanou a stále se rozvíjející tématikou. Pro obsáhlost výše zmíněné problematiky je tato diplomová práce zaměřena především na vznětové motory traktorů a s nimi související výfukové exhaláty. Úvodní teoretická část popisuje princip činnosti čtyřdobého vznětového motoru, přípravu směsi i průběh spalování tohoto agregátu. Dále jsou v práci popsány jednotlivé složky chemických, akustických emisí a také metody měření kouřivosti motoru. Přiblížena je zde i oblast snižování množství škodlivých látek ve spalinách vznětových motorů pracovních strojů podle předpisů norem Stage, Tier a různé technologie směřující k eliminování výfukových emisí. Závěrečná praktická část popisuje, vyhodnocuje měření emisí a výkonnostních hodnot motoru traktoru John Deere 5080RN, které se uskutečnilo na vozidlové válcové zkušebně Ústavu techniky a automobilové dopravy v areálu Mendelovy univerzity Brno. Klíčová slova: vznětový motor, výfukové plyny, emise, kouřivost, úplná charakteristika ANNOTATION Gas engine emission, a significantly developing area, has been monitored carefully nowadays. With respect to extent of the topic, my diploma thesis is concentrated mainly on Diesel motors and associated exhaust emissions. The first part describes the principle of four-cycle Diesel motor functioning, the procedure of aggregate combustion as well as the preparation of such mixture. Moreover, I also described particular elements of chemical, acoustic emissions also methods of measurement of smoke emission of engines. This part especially specifies issues like decreasing pollutant emission in combustion gas of Diesel engines in the area of industrial machines under Stage and Tier standards. Further, it depicts different technologies that aim to eliminate exhaust emissions. The second practical part of the thesis describes and evaluates exhaustemission measurements and efficiency values of tractor engines John Deere 5080RN that were completed in test rooms of Department of Engineering and Automobile Transport within Mendel University of Brno. Key words: diesel engine, engine exhaust gas, emissions, smoke emissions of engines, complete characteristic

6 OBSAH: 1 ÚVOD CÍL PRÁCE VZNĚTOVÝ SPALOVACÍ MOTOR Princip činnosti čtyřdobého vznětového motoru Tvorba směsi u vznětových motorů Motory s přímým vstřikem paliva Motory s nepřímým vstřikem paliva Průběh spalování vznětového motoru EMISE VZNĚTOVÉHO MOTORU Chemické emise Emise ze spalovacích procesů Emise z nespalovacích procesů Akustické emise Vibrace a hlukové emise Metody měření výfukových plynů Opacimetrie Gravimetrická metoda Filtrační metoda Emisní normy pro vznětové motory pracovních strojů Evropské normy Americké normy Technologie umožňující snížení emisí Oxidační katalyzátor Filtr pevných částic Recirkulace spalin EGR Systém SCR Vstřikování Common-Rail... 29

7 5 MATERIÁL A METODY Cíl měření Popis měřeného traktoru Metodika a popis měřícího zařízení Měření točivého momentu motoru Měření emisí Měření spotřeby paliva Měření hmotnostního průtoku nasávaného vzduchu Měření ostatních hodnot Vyhodnocení výsledků Výsledky měření Sestrojení jmenovité otáčkové charakteristiky Sestrojení úplných otáčkových charakteristik DISKUSE A ZÁVĚR SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY SEZNAM OBRÁZKŮ SEZNAM TABULEK... 64

8 1 ÚVOD Doprava se stala významným faktorem v rozvoji společnosti, a to jak v pozitivním (přeprava osob, materiálu, surovin, informací), tak i negativním směru (emise, dopravní nehody). Mobilita tak naplňuje potřeby lidí a plní významnou ekonomickou i společenskou funkci. Ve vyspělých zemích počet automobilů dosáhl takového objemu, že ho již dnes vlastní každý druhý člověk. Tento prudký nárůst přepravních výkonů a množství osobních i nákladních vozidel se však odráží ve zvyšující se zátěži životního prostředí. Některé emise působí jen v okolí svého zdroje, kde je jejich největší koncentrace a mají tedy lokální účinek. Účinek jiných přesahuje okolí svého zdroje. Jedná se o ničení lesů, okyselování půdy a vody, množení řas a vzniku skleníkového efektu, kterému doprava značně přispívá produkcí oxidu uhličitého (CO 2 ). Zatěžování životního prostředí má vliv nejen na člověka, ale i na svět fauny a flory. Největší revoluci v dopravě od vynálezu kola přinesl objev parního stroje v druhé polovině 18. století. Jednalo se o tepelný stroj, přeměňující tepelnou energii vodní páry na energii mechanickou. Pára byla o několik desítek let později nahrazena vynálezem motorů s vnitřním spalováním zážehové a vznětové motory. Jsou to tepelné hnací stroje, ve kterých se teplená energie, získaná spalováním fosilních paliv na bázi ropy mění na mechanickou práci. Spalovací motory všech typů nalezly největší uplatnění zejména v dopravních a mobilních mechanizačních prostředcích, pohánějící dnes skoro všechny motorové stroje na světě. Se spotřebou fosilních nosičů energie úzce souvisí problematika škodlivých emisí. Při spalování paliva vzniká řada látek, které nepříznivě působí na člověka a jeho okolí. Mezi nejvýznamnější škodliviny patří oxid uhličitý (CO 2 ), oxid uhelnatý (CO), oxidy dusíku (NO x ), nespálené uhlovodíky (HC) a pevné částice (PM). Ve snaze snížit produkci škodlivin vznikajících při spalování pohonných hmot byly vyvinuty metody a jednotlivá technická opatření jako například katalyzátory, lambda regulace, filtry pevných částic, zkvalitnění pohonných hmot atd., která umožňují radikální snížení výše uvedených exhalátů. V současnosti stojí doprava před nelehkým úkolem najít rovnováhu mezi nezbytným rozvojem, ekonomickými a společenskými přínosy na straně jedné a ochranou zdraví, životního prostředí člověka a přírody na straně druhé. [1, 2, 3, 4] 8

9 2 CÍL PRÁCE Cílem mé práce je zhodnocení a porovnání vybraných parametrů vznětového motoru (emise, spotřeba atd.). Pro měření byl použit traktor nižší výkonové třídy John Deere 5080RN o objemu motoru 4,5 l. Dále bylo třeba navrhnout metodiku měření, provést vlastní měření požadovaných parametrů u daného traktoru při provozu na naftu, následně hodnoty z měření zpracovat a poté porovnat. Měření proběhlo v laboratořích Ústavu techniky a automobilové dopravy dle metodiky OECD. 9

10 3 VZNĚTOVÝ SPALOVACÍ MOTOR Vznětový, dieselový motor je dnes často používaným druhem spalovacího motoru, který využívá ke svému pohonu fosilní palivo (naftu) nebo upravené rostlinné oleje. Jedná se o motor, kde se chemická energie vázaná v palivu mění na mechanickou energii ve formě otáčivého pohybu hnacího hřídele stroje. Byl vynalezen Rudolfem Dieselem v r a později zdokonalen Charlesem Ketteringem. V roce 1920 vyvinul německý inženýr Robert Bosch vstřikovací čerpadlo, které se v různých obměnách používá dodnes. Vznětový motor pracuje obvykle jako čtyřdobý spalovací motor nebo jako dvoudobý spalovací motor (např. lodní). Na rozdíl od zážehových motorů se do něj palivo přivádí odděleně od vzduchu. Nafta je do spalovacího prostoru motoru dopravována vysokotlakým čerpadlem přes potrubí a rozprášena vstřikovačem. V dnešní době má vznětový motor silné zastoupení na trhu a velkou oblíbenost především díky menší spotřebě paliva, částečně i ekologické šetrnosti. Používá se pro pohon dopravních strojů i zařízení (např. zemědělské a stavební stoje, plavidla, lokomotivy, automobily atd.). [5] 3.1 Princip činnosti čtyřdobého vznětového motoru Základem činnosti čtyřdobého vznětového motoru je jeho pracovní oběh (cyklus), který se skládá ze čtyř fází (dob): 1 sání, 2 komprese, 3 expanze, 4 - výfuk. Každá doba proběhne za jeden zdvih pístu. K vykonání jednoho pracovního cyklu jsou zapotřebí čtyři zdvihy pístu, tj. dvě otáčky klikového hřídele. [7] Nejprve se do spalovacího prostoru motoru nasává vzduch atmosférického tlaku do 0,1 MPa, za použití turbodmychadla nebo kompresoru je vzduch nuceně plněn do válce tlakem nad 0,18 MPa (sání). Po uzavření sacího ventilu se nasátý vzduch stlačuje, píst se pohybuje směrem k horní úvrati, jeho teplota roste na C a tlak stoupá na 3 4 MPa při kompresním poměru okolo 1:14 až 20 (komprese). Před horní úvratí je vstřikovačem do spalovacího prostoru vstříknuta z čerpadla pod tlakem přesně odměřená a jemně rozprášena dávka paliva ( MPa při použití Common-Rail, nebo PD (Pumpe Düse) MPa). Palivo začne hořet samovznícením ve vzduchu ohřátém kompresí. Tlak ve spalovacím prostoru stoupne na 5 8 MPa, teplota dosáhne C (expanze). V poslední fázi se otevírá výfukový ventil a spaliny jsou 10

11 vytlačeny do výfukového potrubí, teplota spalin se pohybuje kolem C (výfuk). Účinnost vznětového motoru je až 40 %. [6, 5] 3.2 Tvorba směsi u vznětových motorů Příprava palivové směsi (paliva se vzduchem) hraje důležitou roli, neboť výrazně ovlivňuje užitečný výkon, spotřebu paliva, emise výfukových plynů i hluk spalování vznětového motoru. Cílem je stav, při kterém bude do spalovacího prostoru přivedeno ve správný okamžik, v požadovaném stavu a množství palivo odděleně od vzduchu, umožňující vznícení a uvolnění tepelné energie. Příprava směsi je také prostředkem regulace motoru. U vznětového motoru je výkon regulován kvalitativně. To znamená, že je měněn obsah paliva ve směsi se vzduchem, jehož množství se nemění. Kvalitativní regulace se tedy děje změnou množství vstřikovaného paliva do spalovacího prostoru. Moderní naftové vozidlové motory pracují při chodu naprázdno (volnoběžné otáčky motoru) s mimořádně chudou směsí se součinitelem přebytku vzduchu lambda λ=5 i více a při plném zatížení se součinitelem λ=1,3 až 2. [8] Příprava směsi se nazývá vnitřní, neboť k ní dochází uvnitř spalovacího prostoru. V souvislosti se spalovacími prostory se vstřikování paliva u vznětových motorů dělí na přímé a na vstřikování nepřímé Motory s přímým vstřikem paliva Konstrukce těchto motorů se vyznačuje tím, že spalovací prostor, do kterého se vstřikuje palivo, je vytvořen v pístu jako ucelený (nedělený). Tvar spalovacího prostoru spolu s uspořádáním sacího kanálu napomáhá intenzivnímu víření vzduchu, které umožní rovnoměrný přístup vzdušného kyslíku k hořlavým složkám vstřikovaného paliva a napomůže k dokonalému spalování. Palivo je zpravidla vstřikováno víceotvorovou tryskou, umístěnou v hlavě válce. Otevírací tlak víceotvorové vstřikovací trysky se pohybuje v rozmezí 17,5 26 MPa. Nejčastěji se používají spalovací prostory Hesselmann, Saurer, Man a polokulový. Jedná se o motory, které jsou přeplňované. Výhodou motoru s přímým vstřikem paliva je, že se vyznačuje nižší měrnou spotřebou paliva ( g/kwh), snadnějším startem a jednoduší konstrukcí hlavy válců. K nevýhodám tohoto motoru patří vyšší hlučnost i vibrace, což souvisí s rychlým nárůstem tlaku nad pístem při hoření směsi. Přímý vstřik klade také vyšší nároky na vstřikovací zařízení. [7, 8] 11

12 Obr. 1 Spalovací prostor Hesselmann [9] Motory s nepřímým vstřikem paliva Konstrukční řešení tohoto systému spočívá v tom, že spalovací prostor je dělený. Palivo není vstřikováno přímo do spalovacího prostoru, ale do zvláštní komůrky čepovou vstřikovací tryskou, která je umístěna společně se žhavící svíčkou v hlavě válce. Otevírací tlak čepové trysky se volí od 10 MPa do 15 MPa. U nepřímého vstřikování paliva se používají dva typy komůrkových motorů (tlakové, vírové). Tyto motory se vyrábějí nepřeplňované. Hlavní předností motoru s nepřímým vstřikem paliva je jeho měkčí tišší chod, nižší nároky na vstřikovací zařízení a menší zatížení klikového mechanismu. Mezi nevýhody se řadí vyšší měrná spotřeba paliva, obtížnější start a složitější konstrukce hlavy válců. Obr. 2 Vírová komůrka [9] 12

13 3.3 Průběh spalování vznětového motoru Palivo (motorová nafta) pro vznětové motory se skládá ze sloučenin uhlovodíků, které obsahují přísady organických komponentů a aditiv zlepšující jeho vlastnosti. Proces spalování představuje chemickou reakci hořlavých složek paliva se vzdušným kyslíkem s následným uvolněním tepelné energie. Palivo je do spalovacího prostoru přiváděno vstřikováním ve formě elementárních kapiček, které se s pomocí intenzivního víření vzduchu a vysokých kompresních teplot přemění do plynného stavu a umožní jeho vznícení a hoření při rychlosti 20 až 50 m/s. Spálení vnější vrstvy molekul paliva proběhne velmi rychle, protože mohou ihned reagovat s kyslíkem. Po shoření vnější vrstvy musí ve spalovacím prostoru zůstat dostatek reakce schopného kyslíku pro pokračování procesu hoření. V opačném případě může docházet až k nedokonalému spalování, tvorbě škodlivých emisí a snižování chemické účinnosti. Teoreticky je k dokonalému spálení 1 kg nafty nutné 14,3 14,5 kg vzduchu. Čas mezi vstříknutím a vznícením paliva (prodleva vznícení) je mezi 0,002 0,005 s. Je žádoucí, aby tento čas byl co nejkratší, neboť v opačném případě roste dynamické namáhání klikového ústrojí. [8] 4 EMISE VZNĚTOVÉHO MOTORU Při dokonalém spalování uhlovodíkového paliva (nafty) se vzduchem by se netvořily škodlivé látky, pouze oxid uhličitý a vodní páry. Tohoto je však za běžných podmínek prakticky nemožné dosáhnout. Škodlivé emise jako jsou oxidy dusíku (NO x ), oxid uhelnatý (CO), nespálené uhlovodíky (HC), pevné částice (PM) aj. vznikají při nedokonalém spalování paliva se vzduchem a spolu s neškodlivými látkami jsou přítomny ve výfukových plynech. Výfukové plyny vznětových motorů obsahují asi 0,3 % škodlivin, zatímco u zážehových motorů tato hodnota vykazuje kolem 1 %. Množství emisí, které produkuje spalovací motor závisí na konstrukci, složení spalované směsi, chemickém složení paliva atd. Škodlivé emise vznikající spalovacím procesem motoru lze rozdělit na: Chemické emise emise ze spalovacích procesů; emise z nespalovacích procesů. Akustické emise vibrace a hlukové emise. 13

14 4.1 Chemické emise Emise ze spalovacích procesů Jak již název napovídá, emise ze spalovacích procesů jsou výsledkem oxidační reakce (hoření) uhlovodíkových paliv se vzduchem uvnitř pracovního prostoru válce v hnacích agregátech. Složení emisí závisí na kvalitě pohonných hmot, typu a funkčním stavu motoru. Jedná se o výfukové plyny obsahující velké množství chemických látek v různých koncentracích, které opouští spalovací prostor výfukovým potrubím, ale i odvětráním klikové skříně. Ty působí negativně na zdraví lidí, zvířat, rostlin a podílí se na snižování životnosti staveb i technických zařízení. [10] Tab. 1 Porovnání složení emisí spalovacích motorů [11, 18] složka výfukových plynů druh kg/kg paliva motor zážehový kg/l paliva % kg/kg paliva motor vznětový kg/l paliva % výfukové plyny celkem 15,7 11, ,1 36,6 100 CO 0,22 0,17 1,4529 0,013 0,010 0,0273 HC omezené 0,020 0,015 0,1282 0,0031 0,0025 0,0068 NO x předpisy 0,017 0,013 0,1111 0,013 0,010 0,0273 částice PM 0,0002 0, ,0012 0,0025 0,0021 0,0057 CO 2 dosud neomezené 2,71 2,02 17,264 3,15 2,61 7,1311 SO 2 omezené 0,0003 0,0002 0,0017 0,044 0,037 0,1011 SO 4 nepřímo 0, , ,0002 0,072 0,060 0,1639 O 2 0,17 0,10 0,8547 6,68 5,54 15,136 N 2 neškodné 11,5 8,6 73,504 33,5 27,8 75,956 H 2 O 1,33 0,99 8,4615 1,17 0,97 2,6503 Škodlivé emise je možné rozdělit na přímo limitované složky (oxid uhelnatý, uhlovodíky, oxidy dusíku a částice) a nepřímo limitované složky (oxid uhličitý, oxid siřičitý). Mezi nejvýznamnější výfukové exhaláty produkované vznětovým motorem při procesu spalování patří: Oxid uhelnatý (CO) Oxid uhelnatý je nedráždivý bezbarvý jedovatý plyn bez chuti a zápachu. V krvi se váže na červené krvinky a tím brání jejich základnímu úkolu dopravě kyslíku z plic do ostatních částí těla. Nejcitlivějším orgánem na dodávku kyslíku je mozek, proto je oxid uhelnatý vlastně nervovým jedem. Mezi hlavní příznaky otravy CO patří bolest hlavy, 14

15 závrať, srdeční obtíže a malátnost. Nejvíce poškozuje srdce, nervový systém, cévy. Je těžší než vzduch, proto se shromažďuje dole u podlahy, což je velmi nebezpečné v montážních jámách a nevětraných prostorách. Podílí se také na vzniku fotochemického (letního) smogu. Obr. 3 Účinky oxidu uhelnatého na lidské zdraví [36] Tento plyn vzniká při spalování bohaté směsi (λ<1), díky nedostatečnému obsahu kyslíku potřebnému pro oxidaci uhlíku na neškodlivý oxid uhličitý. V oblasti přebytku paliva (bohatá směs) stoupá objemový obsah CO s klesající hodnotou λ prakticky lineárně. V oblasti přebytku vzduchu, tzn. chudé směsi, je objemový obsah oxidu uhelnatého nízký a na hodnotě λ prakticky nezávislý. V oblasti stechiometrického složení (λ=1) je objemový obsah CO přibližně 0,3 až 0,5 %. [3, 11, 12] Nespálené uhlovodíky (HC) Za nespálené uhlovodíky považujeme sloučeniny, které do procesu spalování vstoupily jako palivo a v důsledku mnoha okolností nedošlo k jejich spálení nebo zoxidovaly jen z části. Nejmenší přímý vliv na organismus mají uhlovodíky, které jsou obsaženy v palivech a ve spalinách se objevují zejména v důsledku přímé ztráty paliva zkratovým vyplachováním. Nejnebezpečnější jsou polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH), které mají rakovinotvorný účinek. K nespáleným uhlovodíkům patří především: Aromatické uhlovodíky jsou to nervové jedy s narkotickým, rakovinotvorným účinkem a mají specifický zápach; Nasycené uhlovodíky (parafiny) látky téměř bez zápachu, ale mají narkotický účinek a slabě dráždí pokožku; 15

16 Nenasycené uhlovodíky (olefiny, acetylény) mají lehce nasládlou vůni a slabě dráždí pokožku. Stejně jako u emisí CO stoupá hodnota HC v oblasti bohaté směsi s klesající hodnotou λ. Mechanická poškození, celkový stav a špatné seřízení motoru bývají příčinou vysoké hodnoty HC. Vznětové motory vzhledem k vysokým přebytkům vzduchu nedosahují při provozní teplotě motoru tak vysokých hodnot koncentrací emisí HC jako zážehové. [11, 13] Oxidy dusíku (NO x ) Vysoká teplota a tlak ve spalovacím prostoru vedou k oxidaci dusíku (N 2 ) obsaženého v nasávaném vzduchu. Kromě oxidu dusnatého (NO) vznikají v malých množstvích také oxid dusičitý (NO 2 ) a oxid dusný (N 2 O). Oxid dusnatý je plyn bezbarvý, který na vzduchu oxiduje na NO 2 je to hnědočervený plyn se silným zápachem. Dráždí plíce, leptá tkáň, je silně jedovatý a podílí se na tvorbě smogu. Kromě působení na organismus se oxidy dusíku podepisují také na ničení staveb v důsledku chemického napadání stavebních materiálů. Závislost emisí oxidů dusíku na hodnotě součinitele přebytku vzduchu je přesně opačná než u oxidu uhelnatého a uhlovodíků. V oblasti chudé směsi emise oxidů dusíku klesají se zvyšující se hodnotou λ, protože s chudší směsí klesá teplota ve spalovacím prostoru a tím jsou omezovány podmínky pro vznik NO x. [11, 13] Částice (PM) Pevné částice najdeme pouze u vznětových motorů. Obsahují z velké části (až 75 %) primární uhlík (saze). Zbytek pak tvoří sulfáty, dusík, uhlovodíky a neidentifikovatelné složky. Konkrétní složení a množství jednotlivých částí dost závisí na typu motoru a samozřejmě jeho technickém stavu a stáří. Krátká expozice PM vyvolá podráždění očí, jícnu, průdušek, vyvolá dýchací potíže nebo nucení ke zvracení. Dlouhodobé vystavení jejich účinků může způsobit rakovinotvorný efekt. Základ PM vzniká při spalování neodpařených kapek paliva v prostředí s extrémně nízkým obsahem kyslíku a za vysokých teplot. Množství pevných částic ve výfukových plynech je podmíněn kvalitou rozprášení paliva během vstřiku do válce a obsahem kyslíku. Proto je u vznětových motorů možné někdy vidět tmavý kouř vycházející z výfukového potrubí. [14] 16

17 Obr. 4 Závislost emisí vznětového motoru na součiniteli přebytku vzduchu lambda [15] Oxid uhličitý (CO 2 ) Oxid uhličitý vzniká dokonalým spalováním uhlíku (C) obsaženého v palivu prostřednictvím kyslíku (O 2 ), který se nachází v nasávaném vzduchu. CO 2 je nejedovatý produkt spalování, ostatně ho vydechují i lidé a zvířata. Určité nebezpečí spočívá v tom, že při jeho vysoké koncentraci hrozí smrt zadušením. Stoupající obsah CO 2 v atmosféře způsobuje tzv.,,skleníkový efekt, který je příčinou zvyšování teploty atmosféry. Maximální hodnoty oxidu uhličitého cca 14,7 objemových procent se dosahuje při stechiometrickém spalování směsi (λ=1). Naměřený CO 2 je nejen měřítkem kvality spalování, těsnosti výfukové soustavy, ale slouží i k posouzení funkčnosti katalyzátoru. Oxid uhličitý vzniká také oxidačními procesy v katalyzátoru, kde se redukuje obsah škodlivých složek výfukových plynů. [11, 12, 13] Oxid siřičitý (SO 2 ) Oxid siřičitý je bezbarvý, jedovatý plyn štiplavého zápachu, těžší než vzduch. SO 2 dráždí plíce, nosní sliznici a při vyšších koncentracích má za následek i otok hrtanu a plic. Oxid siřičitý vzniká slučováním síry (S) s kyslíkem (O 2 ) obsaženým v nasávaném vzduchu. Síra se nachází v palivu, přičemž limitní hodnoty jsou vyšší u motorové nafty než u benzinu. Sloučením vody (H 2 O) s SO 2 vznikají kyseliny síry, které jsou známe jako,,kyselý déšť a mají negativní vliv na životní prostředí. [11, 12] 17

18 4.1.2 Emise z nespalovacích procesů I když podstatná část znečištění pochází ze spalovacích procesů, nezanedbatelný podíl emisí z dopravy zaujímají emise nespalovací. Zatímco spalovací emise se s obnovou vozového parku snižují, emise nespalovací zůstávají na stejné výši a se vzrůstající intenzitou dopravy se budou zvyšovat. Emise z nespalovacích procesů vznikají například obrušováním různých namáhaných součástek vozidla (např. brzdové a spojkové obložení), kdy se do ovzduší uvolňuje měď (Cu), antimon (Sb), baryum (Ba), železo (Fe), zinek (Zn), hořčík (Mg), kadmium (Cd), molybden (Mo) a další. Totéž platí o pneumatikách, které také obsahují různé druhy pryží a jsou zdrojem především zinku, železa, vápníku i elementárního uhlíku. Všechny tyto částice díky jejich velikosti rychle sedimentují na povrchu vozovky a v blízkosti svých zdrojů. Do ovzduší se dostávají opět resuspenzí v důsledku turbulentního proudění vzduchu iniciovaného projíždějícími vozidly či vířením proudícího větru. Negativní účinky těchto exhalátů jsou obdobně jako spalovací emise závislé zejména na svých fyzikálních a chemických vlastnostech. Vozový prach obsahuje převážně částice větších frakcí, které se obvykle skládají z výše zmíněného provozu automobilů, geologického původu z okolí vozovky (Ca, Mg) a také částic chemického (sůl) a interního materiálu (písek, štěrk) pro posyp silnic v zimním období. [1, 16] 4.2 Akustické emise Vibrace a hlukové emise Kromě chemických emisí (ze spalovacích a z nespalovacích procesů) produkuje vozidlo také emise akustické hluk a vibrace. Jedná se o další faktory ovlivňující negativně životní prostředí a zdraví obyvatelstva. Hlukem je jakýkoliv zvuk, který je rušivý, nežádoucí nebo škodlivý pro zdraví člověka. Vibrace představují mechanické kmitání a chvění pevných těles. Jde o pohyb pružného tělesa nebo prostředí, jehož jednotlivé body kmitají kolem své rovnovážné polohy. Vibrace a hluk spolu souvisí a navzájem se prolínají. K hlavním zdrojům hluku a vibrací při nízkých rychlostech automobilu patří pohonná jednotka (převody, ložiska, vstřikovací jednotka, klikový mechanismus, ventilové rozvody aj.). Při vyšších rychlostech pak převládá hluk a vibrace z valení pneumatik po vozovce. 18

19 Všechny akustické emise působící minimálně deset let na člověka mu způsobují řadu psychických (poruchy spánku, soustředění, únavu atd.) i fyzických (nádorová onemocnění, cukrovku, vředy žaludku a dvanácterníku, apod.) onemocnění. K zabezpečení efektivního systému vyhodnocení hluku v životním prostředí byla dne 25. června z roku 2002 přijata směrnice Evropského parlamentu a Rady 2002/49/ES, jejímž cílem je definovat společný přístup k zamezení, prevenci a snižování škodlivých účinků hluku na lidské zdraví. [1, 17] 4.3 Metody měření výfukových plynů Pro měření jednotlivých složek emisí (CO, CO 2, HC, O 2 ) se používá nejčastěji čtyřsložkový infraanalyzátor nebo emisní systémová analýza. Emisní systémová analýza se dále také využívá k měření emisí NO x a kouřivosti motoru. Kouřivost motoru je určitým měřítkem kvality spalování, neboli je ukazatelem množství produkovaných pevných částic motoru. Kouřivost patřila mezi první studované jevy při hodnocení emisních vlastností vznětových motorů. Mezi metody, které využívají současné přístroje pro stanovení množství produkovaných pevných částic patří zejména: Opacimetrie Jedná se o přímé zjišťování pohltivosti světla ve sloupci výfukových plynů definované délky (zpravidla 430 mm). Měřená veličina se jmenuje opacita (pohltivost světla, převrácená hodnota je průhlednost neboli transparence) spalin a příslušný měřící přístroj se nazývá opacimetr. V příslušném nadnárodním emisním předpisu se pro tuhle veličinu též používá opisné označení emisí viditelného kouře (nebo viditelných znečišťujících látek). Samotné prosvícení sloupce spalin viditelným světlem a zjištění prošlého podílu záření nepředstavuje zvláštní problém. Je nutné se ovšem vypořádat s nebezpečím pokrytí povrchu zdroje a čidla povlakem částic, jehož opacita by zkreslila údaj přístroje. Za provozu přístroje je optická dráha většinou souosá se vzduchovou trubicí a přívod spalin do opacimetru je uzavřen na vstupu. Pouze při vlastním měření se překlopí optická dráha do osy měřící trubice, do které se současně vpouští vzorek spalin. Po odečtení hodnoty se opět držák se žárovkou a fotonkou překlopí do polohy, kde intenzívní omývání čistým vzduchem udržuje povrch rozhodujících prvků přístroje čistý 19

20 (a přísun výfukových plynů se opět uzavře). Při vlastním měření brání pouze dostatečný tlak spalin pronikání vzduchu do měřící trubice. [13, 36] Obr. 5 Schéma opacimetru 1 Žárovka, 2 Optická dráha, 3 Fotonka, 4 Měřící trubice, 5 Regulace tlaku, 6 Vzduchová trubice, 7 Ventilátor, 8 Vzduch [36] Gravimetrická metoda Princip stanovení obsahu pevných částic ve spalinách pomocí gravimetrické metody je jednoduchý a spočívá v prosátí měřeného vzorku přes filtrační element, který je ze skelných vláken potažených teflonem (Pallflex). Hmotnost nepoužitého filtru se zjistí na přesných laboratorních vahách, pak se instaluje do příslušného držáku a pumpou se přes něj prosává vzorek spalin. Po ukončení měření se opět na laboratorních váhách zváží filtrační element i se vzorkem spalin, který se vyndá z držáku. [36] Hmotnostní koncentrace částic v analyzovaném vzorku se stanoví podle: c M,PE = (m 2 m 1 ) / V VZOR, kde: m 1 hmotnost nového filtru m 2 hmotnost použitého filtru (kontaminovaného) V VZOR objem celkového prosátého množství spalin Obr. 6 Hmotnostní měření pevných částic za pomoci Gravimetrické metody [36] 20

21 4.3.3 Filtrační metoda Zmíněná metoda slouží ke zjištění kouřivosti motoru, je založena na zachycení částeček do filtračního papírku, přes který se prosaje vzorek výfukových plynů definovaného množství a určitou rychlostí. Fotoelektrickým měřícím přístrojem se zanalyzuje takhle kontaminovaný filtrační papírek. Množství zachycených částic se vyhodnocuje opticky podle zčernání filtru, stupeň zčernání SZ (Schwarzungszahl) nebo Bn (Bosch Number) měřitelného jako množství světla pohlceného kontaminovaným filtrem ve srovnání s pohlcením světla nepoužitým filtrem. Filtrační metoda je dvoufázová v definovaném režimu běhu motoru se uskuteční odběr vzorku, který se dodatečně vyhodnotí v optickém vyhodnocovacím zařízení. [13, 19] Obr. 7 Filtrační kouřoměr Bosch [36] 4.4 Emisní normy pro vznětové motory pracovních strojů Všechna nově vyráběná vozidla i stroje, které míří na prodejní trh, musí splňovat dané homologační předpisy. Z tohoto důvodu se provádí ještě před vlastním prodejem náročná schvalovací měření (homologační zkoušky). Obsah škodlivých znečišťujících látek ve spalinách je limitován právními předpisy. Maximálně přípustné hodnoty se neustále plánovitě snižují a vývoj konstrukce motorů, složení paliv se musí stále přizpůsobovat těmto změnám. Vždy od začátku platnosti nového předpisu musí skončit výroba nebo dovoz vozidel (strojů) nesplňující jeho zpřísněné požadavky. U prodeje nových strojů obvykle platí, že musí být ukončen do jednoho roku od data začátku platnosti předpisu. Existuje mnoho zákonů a norem stanovujících emisní limity. Mezi nejznámější patří normy Tier a Stage, které regulují množství vyprodukovaných emisí v Severní Americe a Evropě. Obě normy jsou i přes různé názvy pro oba trhy a všechny prodávané značky obsahově identické, tj. musí plnit stejné limity. [1, 8, 25] 21

22 Existují i jiné používané normy: - Euro: norma platí pro členy EU, musí jí splnit všechny členské státy, týká se osobních a užitkových motorových vozidel. - EuroMOT: tahle norma se týká vznětových motorů, provozovaných v Evropě. Platí bez zřetele na používání. - Off Highway: norma má několik označení a platí pro vozidla, která nejezdí na dálnici nebo silnici. [8] Evropské normy Evropské emisní normy pro vznětové motory používané u pracovních strojů jako jsou např. traktory, samojízdné stroje, lokomotivy, lodě atd. vycházejí z vyhlášky UIC 624 (normy UIC). Tyto normy se označují jako STAGE (stupeň) I IV respektive V pro lodě, s dalším rozlišením kategorie velkým písmenem A R podle výkonu motorové jednotky. Normy udávají maximální množství emisí CO, NO x, HC a PM v g/kwh, které může agregát při provozu vyprodukovat. Předpisy norem Stage I a II byly vyhlášeny dne 16. prosince 1997 (podle směrnice 97/68/ES) a byly zavedeny ve dvou etapách: Stage I v roce 1999, Stage II od roku 2001 do roku 2004 (v závislosti na výkonu motoru). Zařízení, na než se normy vztahují, jsou například kolové nakladače, buldozery, bagry, vysokozdvižné vozíky, vybavení pro údržbu silnic, sněžné pluhy, pozemní vybavení na letištích, mobilní jeřáby atd. Zemědělské a lesnické stroje mají stejné emisní normy, ale různé lhůty pro provedení (na základě směrnice 2000/25/ES). Na motory používané v lodích, lokomotivách, letadlech se emisní normy Stage I a II nevztahují. Evropský parlament přijal 9. prosince roku 2002 směrnici 2002/88/ES, kterou se mění směrnice 97/68/ES pro stroje non-road motorů (pracovních strojů), přidáním emisní normy pro malé benzínové motory s výkonem do 19 kw. Měření motorů, které musely splňovat normu Stage I a II bylo prováděno podle normy ISO 8178 C1 s pomocí paliva o hmotnostním obsahu síry 0,1 0,2 %. Předpis norem Stage III a IV pro non-road motory byly přijaty Evropským parlamentem dne 21. dubna 2004 (podle směrnice 2004/26/ES), pro zemědělské a lesnické stroje dne 21. února 2005 (podle směrnice 2005/13/ES). Dvě další směrnice byly přijaty v roce 2010 směrnice 2010/26/ES stanoví další technické podrobnosti o zkoušení a schvalování motorů, které musí splňovat normy Stage IIIB IV a směrnici 2010/22/EU, která mění dřívější právní předpisy aplikované na zemědělské a lesnické 22

23 stroje. Emisní norma označovaná jako Stage III se dále dělí na Stage IIIA a IIIB, které postupně vstupují v platnost od roku 2006 až do roku 2013 (v závislosti na výkonu motoru). Stage IV by měla vstoupit v platnost v r Normy Stage III a IV mají také limit pro emise amoniaku, který nesmí překročit v průměru o 25 ppm za zkušební cyklus. Od normy Stage IIIB byl zaveden též přísnější limit pro emise pevných částic na hodnotu 0,025 g/kwh, což představuje přibližně 90 % snížení emisí ve srovnání s normou Stage II. Pro splnění tohoto limitu se přepokládá, že motory budou muset být vybaveny filtrem pevných částic. Norma Stage IV zavádí také velmi přísné limity pro oxidy dusíku a to na hodnotu 0,4 g/kwh, kterou lze splnit použitím systému recirkulací spalin nebo technologií SCR. Pro navození reálných podmínek při jízdě a tedy i pro přesnější měření obsahu jednotlivých složek emisí ve výfukových plynech byl přijat nový jízdní přechodný cyklus (Non-Road Transient Cycle NRTC). NRTC se provádí s chladným a teplým startem motoru. Konečné emisní výsledky jsou vážené průměry s 10 % pro studený start a 90 % u startu teplého. Nový test slouží souběžně s předchozím podle ISO 8178 C1 měřeného při ustálených režimech (Non-Road Stable Cycle NRSC). NRSC se používá pro stupně I, II, III. [33] Tab. 2 Emisní limity Stage IIIA, IIIB, IV pro vznětové motory pracovních strojů [33] STAGE IIIA Kategorie Čistý výkon (P) Datum CO NO x + HC PM kw platnosti g/kwh H 130 P ,5 4,0 0,2 I 75 P < ,0 4,0 0,3 J 37 P < ,0 4,7 0,4 K 19 P < ,5 7,5 0,6 STAGE IIIB Kategorie Čistý výkon (P) Datum CO HC NO x PM kw platnosti g/kwh L 130 P ,5 0,19 2,0 0,025 M 75 P < ,0 0,19 3,3 0,025 N 56 P < ,0 0,19 3,3 0,025 P 37 P < ,0 4,7 0,025 STAGE IV Kategorie Čistý výkon (P) Datum CO HC NO x PM kw platnosti g/kwh Q 130 P ,5 0,19 0,4 0,025 R 56 P < ,0 0,19 0,4 0,025 23

24 4.4.2 Americké normy První americké normy pro vznětové motory pracovních strojů (pro non-road motory) byly přijaty v roce Tyto normy, které se označovaly jako normy TIER, platily do roku 1998 pouze pro motory nad 37 kw (50 koní). Od toho roku platil první předpis normy Tier i pro motory do 50 hp. Od roku 2001 do roku 2008 byly postupně zavedeny další dvě novelizace této normy a to Tier II ( ) a Tier III ( ). Normy Tier I, II, III jsou splňovány prostřednictvím moderních technických prvků použitých na motoru (moderní vstřikovací systémy pracující s vysokými vstřikovacími tlaky, dokonalejší elektronické řízení motoru apod.) s žádným nebo jen částečným zpracováním výfukových plynů (oxidační katalyzátory). Normy Tier III jsou co do omezení NO x a HC (v r. 2004) srovnatelné pro standardy platné pro silniční vozidla (nicméně omezení pevných částic nebylo u této normy přijato nikdy). V současné době je v platnosti norma Tier IV. Limity jednotlivých sledovaných složek výfukových exhalátů této normy byly stanoveny již v roce 2004 a od roku 2008 je všechny nově vyrobené motory musí splňovat. Norma platí až do roku 2015, kdy bude nahrazena normou Tier V. Tahle norma vyžaduje (oproti normě Tier III), aby emise NO x a PM se dále snížily asi o 90 %. Takové omezení emisí lze dosáhnout pomocí pokročilého zpracování výfukových plynů (filtry pevných částic, EGR ventily, SCR katalyzátory atd.). Hodnoty emisí CO zůstaly od normy Tier II a Tier III beze změny. Maximální přípustné množství jednotlivých emisních složek výfukových plynů jsou pro normu Tier IV do 560 kw uvedeny v následující tab. 3. [33] Tab. 3 Emisní limity pro normu Tier IV [33] Čistý výkon (P) Datum CO NMHC NMHC + NO x NO x PM kw platnosti g/kwh 1< kw < kw < kw < kw < kw < kw

25 4.5 Technologie umožňující snížení emisí Exhaláty, které produkuje vznětový spalovací motor jak je uvedeno výše, působí negativně na člověka i na přírodu. Mezi nejvíce nebezpečné emise patří především oxidy dusíku, pevné částice, uhlovodíky a oxid uhelnatý. Konstruktéři motorů se snaží co nejvíce eliminovat zplodiny výfukových plynů novými konstrukčními prvky, vylepšováním spalovacího procesu a zejména zařízením pro úpravu spalin. Podstatnou změnou je radikální zvýšení vstřikovacího tlaku, tím dochází k lepšímu promísení paliva se vzduchem a proto je efektivněji využita energie lepším průběhem hoření, též usnadňuje snazší regulací. Rozlišujeme více různých opatření, které vedou k tomu aby motor produkoval co nejmenší množství emisí. Jedná se o oxidační katalyzátor, filtr pevných částic, systém recirkulace spalin (EGR), technologie SCR a vstřikování Common-Rail. Uvedené technologie, které omezují vznik emisí jsou podrobněji níže popsány Oxidační katalyzátor Vznětové motory pracují s přebytkem vzduchu (λ>1), proto nelze provádět regulaci podílu kyslíku ve směsi palivo vzduch. Funkci čištění výfukových plynů dodatečným spalováním zde přebírá oxidační katalyzátor, který pracuje s přebytkem vzduchu a přeměňuje pomocí oxidace (tj. spalování) oxid uhelnatý a uhlovodíky na vodní páru a oxid uhličitý. V důsledku vysokého obsahu O 2 ve spalinách probíhají oxidační procesy v tomto katalyzátoru velmi účinně. HC i CO oxidují už při teplotách nad 160 C. Ke snížení oxidů dusíku a pevných částic oxidačními katalyzátory prakticky nedochází. Účinnost katalyzátoru se zvyšuje s narůstající teplotou. Obr. 8 Schéma oxidačního katalyzátoru pro vznětové motory [23] 25

26 Oxidační katalyzátor sestává z nosného tělesa (keramika, kov) s axiálně průchozími kanály s šířkou hrany přibližně jeden milimetr. Stěny jsou potaženy platinou nebo palladiem jako katalyticky působící substancí. Účinnost potlačení výše uvedených škodlivých látek se pohybuje kolem 90 až 95 %. Poprvé byl tento druh katalyzátoru použit v roce 1975 v USA. [21, 22, 23] Filtr pevných částic Nesporným přínosem vznětových motorů je jejich nízká spotřeba, poměrně vysoký výkon a točivý moment. Velkou nevýhodou těchto motorů je však značně vysoký obsah karcinogenních mikročástic (pevných částic) ve spalinách, které způsobují závažná onemocnění včetně rakoviny. Radikálním řešením jak snížit tento problém bylo zavedení filtru pevných částic, který nese označení FAP (Filtre Anti Particules) do výfukového systému automobilu. Jeho účinnost ke snížení emisí pevných částic je více jak 95 %. [24] Ve výfukovém potrubí bývá filtr umístěn za oxidačním katalyzátorem, obsahuje hustou síť malých kanálků z keramiky nebo ušlechtilých kovů. Kanálky jsou na konci uzavřené a výfukové plyny musejí přes částečně propustnou stěnu proudit do sousedních kanálků, které jsou na koncích otevřené. Plynné složky spalin procházejí, zatímco pevné částice o velikosti 0,1 až 1 mikrometr se zachytávají (obr. 9). Tím se odstraňuje velké množství sazí. [25] Obr. 9 Princip filtru pevných částic [26] Za určitou dobu (cca po několika stech kilometrech) se filtr zanese a je třeba ho zprůchodnit. Aby nebylo nutné jej hned měnit za nový používá se systém regenerace 26

27 filtru. Jedná se o spálení sazí vysokou teplotou a jejich přeměně na plynný dusík a dioxid karbonu, tyto jsou vyloučeny výfukovým potrubím do ovzduší. Tohoto je dosaženo: Pasivní regenerací probíhá automaticky, když je motor v trvalém zatížení a výfukové plyny se zahřejí na teplotu 350 až 550 C. Aktivní regenerace proces trvá 2 3 minuty a opakuje se po ujetí 300 až 1000 km, kdy nebyla možná pasivní regenerace. Teplota výfukových plynů je uměle zvýšena na asi 600 C používá se k tomu změna časování vstřiků motoru v kombinaci s vyšším množstvím paliva nebo aditiva, která podporují hoření. V některých případech se používá při regeneraci i přídavná tryska vstřikující naftu přímo do výfukového potrubí (např. traktory John Deere). Během regenerace není činnost motoru omezena a tento proces tak není řidičem zaregistrován. Stupeň zanesení filtru a doba regenerace je sledována elektronicky. Ovšem i filtry mají svoji životnost, která se bude lišit podle způsobu provozování vozidla. Z praktických zkušeností vyplývá, že je nutná výměna v rozsahu ujetých kilometrů, což přináší jisté dodatečné náklady na údržbu. Existují i filtry DPF (Diesel Particulate Filter), kde jejich životnost odpovídá životnosti vozidla. [6, 24] Recirkulace spalin EGR Spalováním chudé směsi u vznětového motoru roste teplota hoření (dostatek kyslíku) a tím se zvyšuje i množství NO x ve spalinách, které patří mezi zdraví škodlivé látky. Problém tvorby oxidů dusíku primárně řeší systém recirkulace spalin EGR (Exhaust Gas Recirculation, AGR Abgasrückführung). U traktorů a jiné zemědělské techniky se systém EGR používá již řadu let. Podíl vrácených plynů z výfukového potrubí zpět do sání činí %. Emise NO x se touto technologií sníží až o 40 %. Ventil EGR je umístěn mezi výfukovým a sacím traktem, je ovládán řídící jednotkou motoru podle jeho otáček, zatížení, teploty chladící kapaliny či nasávaného vzduchu a dalších parametrů řízeně otvírán. Při dílčím zatížení je otvírán a propouští část spalin do sacího potrubí. Za plného výkonu pak obvykle bývá zcela uzavřen, stejně tak i u studeného motoru. Výfukové zplodiny se ve spalovacím prostoru chovají jako inertní plyn, snižují teplotu spalování i obsah kyslíku a tím redukují tvorbu NO x. Dochází zde i k poklesu pevných částic. Nedílnou součástí systému zpětné recirkulace je chladič, který horké výfukové plyny ochlazuje, protože jinak by se snižoval efekt této 27

28 činnosti i výkon motoru (zchlazený stlačený vzduch by byl opět zahříván, což by nebylo žádoucí). [25] Výhodou systému EGR je nižší hmotnost, jednoduchá instalace a skutečnost, že systém nevyžaduje aditiva. Nevýhodou je jisté snížení výkonu motoru, ve srovnání se stejným motorem bez částečné recirkulace výfukových plynů (díky nižšímu množství kyslíku lze spálit menší hmotnostní množství paliva, získáme tedy méně tepla tedy méně energie, kterou motor mění v mechanickou práci). Dalším negativem je zanášení sacího traktu nečistotami z výfukových plynů. [6] Obr. 10 Princip systému EGR [27] Systém SCR Systém SCR (Selective Catalytic Reduction), nebo-li selektivní katalytická redukce (obr. 11) je další způsob, který umožňuje snižovat produkci oxidů dusíku ve výfukových plynech a současně s úpravou časování vstřikování paliva přispívá k redukci pevných částic. V rámci činnosti SCR technologie dochází ke vstřikování modrého aditiva, známého pod obchodním názvem AdBlue do výfukových plynů a řadě chemických reakcí amoniaku a NO x v prostředí katalyzátoru, na jejímž konci se NO x přemění na vodní páru a dusík. Účinnost systému SCR se pohybuje okolo 90 %. AdBlue je netoxická, čirá, bezbarvá kapalina složená z demineralizované vody a močoviny o vysoké chemické čistotě v poměru 32,5 % močoviny, 67,5 % vody. Pro člověka ani přírodu není nebezpečná a její teplota tuhnutí činí 11 C. Technologie SCR je složena z komponentů, které zajišťují dopravu a vstřikování AdBlue, SCR katalyzátoru a soustavy snímačů, podle kterých se zajišťuje množství 28

29 vstřikované kapaliny. Z nádrže je kapalina dopravena přes soustavu filtrů pomocí membránového čerpadla do vstřikovací jednotky a odtud do výfukového potrubí. Roztok vody a močoviny musí být se spalinami smíchaný ještě před dosažením katalyzátoru. Voda obsažená v AdBlue je po vstřiknutí odpařena a zbylá močovina se přemění při chemických reakcích na amoniak. Právě amoniak reaguje v SCR katalyzátoru s oxidy dusíku na H 2 O a N 2. Množství AdBlue, vstřikované do výfukového potrubí závisí na zatížení a otáčkách motoru, teplotě výfukových plynů a vlhkosti nasávaného vzduchu. Vše je řízeno pomocí samostatné řídící jednotky. Kontrolním prvkem kvality práce SCR je snímač obsahu NO x, který je umístěný za katalyzátorem. Aby nedocházelo k zamrznutí kapaliny v přívodním potrubí do vstřikovací jednotky, odčerpává čerpadlo kapalinu zpět do samostatné nádrže, oddělené od nádrže s naftou, jejichž kapacita je koncipována tak, aby vydržela alespoň 2,5 nádrže motorové nafty. Pro ohřev AdBlue roztoku je použita chladicí kapalina spalovacího motoru, která se přivádí do nádrže prostřednictvím spirál. Pro eliminaci oxidů dusíku je spotřeba Adblue v rozmezí mezi 4 až 8 % spotřeby nafty. [25, 28, 29, 30] Výhodou technologie SCR je možnost spalování všech druhů nafty bez omezení funkčnosti. Dalším kladem je pokles spotřeby pohonných hmot asi o 4 % a při poruše sytému (nebo při spotřebování AdBlue) motor funguje dál (na rozdíl od technologie EGR). Nevýhodou je prostor, který tato technologie potřebuje na nádrž AdBlue. Obr. 11 Popis technologie SCR [31] Vstřikování Common-Rail Common-Rail je systém přímého vysokotlakého vstřikování nafty s tlakovým zásobníkem u vznětových motorů. Palivo vstřikované do válce pod vysokým tlakem (u čtvrté generace až 250 MPa) tvoří lépe hořlavou směs, čímž se dosahuje vyšší účinnosti, 29

30 výkonu i točivého momentu motoru. Důležitá je také nižší hlučnost, spotřeba nafty a v neposlední míře menší emise pevných částic, oxidů dusíku i oxidu uhelnatého. Oproti jiným systémům je tlak paliva vytvářen nezávisle na otáčkách motoru, vstřikovaném množství a je vždy dostatečný právě díky tlakovému zásobníku (Railu). [32] Palivová soustava se skládá z vysokotlakého čerpadla a zásobníku paliva, který je společný pro všechny válce. Palivo je dopravováno vysokotlakým čerpadlem do zásobníku a odtud rozvedeno k jednotlivým vstřikovačům. Celý proces vstřiku, okamžiku i množství paliva je řízen elektronickou řídicí jednotkou na základě přesně stanovených hodnot podle zatížení motoru. V hlavě jednotlivých válců je umístěn vstřikovač, jehož součástí je elektromagnetický ventil. Tento ventil se otevírá na základě pokynu z řídicí jednotky a tím odměřuje množství paliva. Na pokyn řídicí jednotky se ventil uzavře a vstřikovací cyklus je tak dokončen. Následující tab. 4 udává vývoj jednotlivých generací Common-Rail a jejich vlastnosti. [22, 24] Tab. 4 Popis a vývoj systému Common-Rail firmy Bosch [37] Generace Common-Rail Vlastnosti 1. generace Tlak vstřikování 135 MPa, dva vstřiky během jednoho cyklu rok generace Tlak vstřikování 160 MPa, tři vstřiky během jednoho cyklu rok generace Tlak vstřikování 200 MPa, systém Piezo-inline (0,1 ms), pět vstřiků během jednoho cyklu rok generace Tlak vstřikování 250 MPa, hydraulicky zvyšovaný tlak paliva rok 2008 Obr. 12 Schéma systému Common-Rail [22] 30

31 5 MATERIÁL A METODY 5.1 Cíl měření Cílem měření diplomové práce bylo provedení praktického měření na daném traktoru s rozborem a zhodnocením vybraných parametrů výkonu, točivého momentu, měrné spotřeby paliva a emisí CO 2, CO, HC a O 2 vznětového motoru při provozu na naftu. 5.2 Popis měřeného traktoru Vlastní měření probíhalo na traktoru značky John Deere 5080RN. Základní technické údaje měřeného traktoru uváděné výrobcem jsou uvedeny v tab.5. Traktory John Deere nové řady 5R a 5RN vychází z konstrukce kompaktní řady Jedná se o kolový traktor určený především pro středně velká smíšená hospodářství, menší zemědělské podniky, sadaře a vinaře (řada 5RN). Traktor byl vybaven čtyřválcovým turbomotorem s mechanickou převodovkou PowerQuad Plus, která má čtyři skupiny se čtyřmi stupni řazenými při zatížení s elektronickým nastavováním otáček motoru pro práce vyžadující stálé rychlosti. Dále elektronicky řízeným vysokotlakým vstřikováním paliva Common-Rail s mezichladičem plnícího vzduchu. Obr. 13 Traktor John Deere 5080RN 31

32 Traktory řady 5R/5RN využívají celorámovou konstrukci, která na sebe váže veškerou námahu a zátěž nikoliv motor nebo převodovka, jelikož ty jsou připevněny k rámu. Tento traktor splňuje emisní normu Stage IIIA. Traktor John Deere 5080RN Číslo motoru: CD4045LO96429 Číslo traktoru: LO5O80R Rok výroby: 2009 Počet motohodin: 64 Mh Pneumatiky na zkoušeném traktoru: Přední náprava Continental 280/85 R24 Zadní náprava Continental 380/85 R30 Tab. 5 Vybraná technická data měřeného Traktoru [34] Motor Výkon při jmenovitých otáčkách (97/68/EC) 59 kw Maximální výkon (97/68 EC) 64 kw Výkon při jmenovitých otáčkách (ECE-R24) 56 kw Maximální výkon (ECE-R24) 61 kw Maximální točivý moment (97/68/EC) 334 N.m Záloha točivého momentu (97/68/EC) 30 % Rozsah otáček konstantního výkonu 550 min -1 Jmenovité otáčky 2300 min -1 Počet válců 4 Počet ventilů na válec 2 Zdvihový objem 4525 cm 3 Chlazení motoru Kapalinové Přeplňování Turbodmychadlem s mezichladičem Typ vstřikování paliva Vysokotlaké Common-Rail s elektronicky řízeným vstřikováním Objem palivové nádrže 130 l Spojka Typ PermaClutch II, vícelamelová olejem chlazená, průměr lamel 225 mm Převodovka Typ PowerQuad Plus, 4 o násobič, 4 o stupně v hlavní převodovce, 2 o redukce Počet převodových stupňů 32/32 Zadní vývodový hřídel Spojka vývodového hřídele Vícelamelová, elektrohydraulicky ovládána, olejem chlazená Otáčky motoru při 540/540E hřídel 2097/1701 min -1 32

33 s koncovkou 6 drážek Otáčky motoru při 540/540E/1000 hřídel 2097/1697/2074 min -1 s koncovkou 6 a 21 drážek Vnější ovládání hřídele Na pravém blatníku Hydraulická soustava Maximální průtok Typ Maximální počet okruhů Uprostřed montované okruhy Snímání zatížení Regulace Maximální zvedací síla Vnější ovládání závěsu Pohon pojezdu Zapínání pohonu přední nápravy Uzávěr diferenciálu přední nápravy Uzávěr diferenciálu zadní nápravy Provozní Brždění předních kol Typ Hladina zvuku při zatížení Konstrukce Umístění motoru Rozvor Celková výška Celková šířka Celková délka s konzolí závaží Minimální pohotovostní hmotnost Nejvyšší povolená hmotnost při 40 km/h Poloměr otáčení 65 l/min při 20 MPa Load sensing s konstantním průtokem 3 vzadu Volitelné, 2 ovládané křížovou patkou Tříbodový závěs Elektronické od spodních ramen Silová, polohová, smíšená, plovoucí 42 kn Na levém blatníku Nápravy 4K4 Elektrohydraulicky ovládaná, olejem chlazená Samosvorný, automaticky spínaný při zatížení Lamelová spojka, elektrohydraulicky ovládaná, olejem chlazená Brzdy Kotoučové, olejem chlazené, samostavitelné Automatické připojení pohonu přední nápravy Kabina Kabina s výhledem 310º, sklopná na pravou stranu 74 db Podvozek Průběžný ocelový rám V rámu na 4 silentblocích Rozměry a hmotnosti 2250 mm 2595 mm 1860 mm 3950 mm 3700 kg 6600 kg 3,48 m 33

34 5.3 Metodika a popis měřícího zařízení Měření traktoru Johne Deere 5080RN bylo provedeno dne v laboratořích Ústavu techniky a automobilové dopravy Mendelovy univerzity v Brně. Laboratoře pro měření provozních parametrů vozidel sestávají z traktorové zkušebny, zkušebny pro osobní a užitkové automobily a ze zkušebny nákladních automobilů. Traktorová zkušebna, na níž bylo měření provedeno, je tvořena válcovým traktorovým dynamometrem VDU-E270T-E150T pro měření zejména tahových vlastností traktoru a vířivým dynamometrem VD 500 pro měření výkonu dle metodiky OECD. Dále je součástí zkušebny emisní analýza Bosch ESA pro měření emisí, infraanalyzátor výfukových plynů Saxon Junkalor Infralyt CL a zařízení pro měření hmotnostní spotřeby paliva včetně 8 senzorů teploty a 8 čidel tlaku. Snímání většiny dat z měření probíhá pomocí traktorové sběrnice CAN-BUS. Data se zapisují až ze 140 kanálů v reálném čase na PC. Výsledný protokol z měření je ukládán ve formátu HTML a veškeré údaje je možné samozřejmě exportovat do tabulkového procesoru k další analýze. Mezi další důležité součásti zkušebny patří také vzduchotechnika a spalinové hospodářství. Podtlak v místnosti lze regulovat od 5 do 300 Pa, přičemž vyměněné množství vzduchu činí až m 3 /h. U výfukových plynů lze regulovat množství ručně či v závislosti na odebíraném výkonu motoru a to až do m 3 /h. [20] Měření točivého momentu motoru Pro měření točivého momentu traktoru byl použil vířivý dynamometr VD 500 (obr. 15), který byl upevněn pomocí šroubů ve vodících drahách a kloubovým hřídelem propojen se zadním vývodovým hřídelem (PTO) měřeného traktoru. Dynamometr využívá pro svoji funkci účinků vířivých proudů. Válcový ocelový rotor opatřený po obvodě ozubením se otáčí ve výkyvně uloženém statoru. Magnetický obvod je buzen kruhovou cívkou ve statoru. Otáčí-li se rotor v nabuzeném statoru, vznikají v povrchové vrstvě statoru pulzace magnetického toku, který indikují v rotoru vířivé proudy. Tyto vířivé proudy vyvolávají moment, jímž je brzděn rotor vůči statoru. Pomocí ramene na statoru se tento moment přenáší na tenzometrický snímač síly. Mechanická energie je v dynamometru přeměněna na tepelnou, která je odváděna chladící vodou. Podle zvoleného programu pro řízení zkoušky a nastavených parametrů měření je možno průběh zkoušky automatizovat. 34

35 Měřené a počítané veličiny jsou např. otáčky motoru, točivý moment, spotřeba paliva, teploty provozních náplní, teplota nasávaného vzduchu před turbodmychadlem a za ním, za mezichladičem stlačeného vzduchu, výkon atd. [8] Tab. 6 Technické údaje vířivého dynamometru VD 500 [8] PARAMETR HODNOTA Otáčky [ot./min] Výkon [kw] Moment [N.m] Chlazení vodní Zatížení Trvalé Obr. 14 Vířivý dynamometr VD 500 [20] Řízení dynamometru a ukládání měřených údajů ze všech použitých snímačů zajišťuje řídicí počítač (PC) se serverem dat. Činnost a předávání dat mezi serverem a řídícím PC je synchronizována. Spojení řídícího PC i dalších zařízení s nadřízeným serverem je realizováno lokální sítí. Při komunikaci dochází k předávání konfiguračních dat ze serveru do řídícího počítače a ke zpětnému ukládání naměřených dat z řídícího PC do serveru. Po síti dochází také k předávání průběžných informací o stavu a aktuálních hodnotách jednotlivých měřících kanálů. [8] 35

36 Celé měření probíhalo staticky. Při měření jmenovité otáčkové charakteristiky byl dynamometr regulován na konstantní otáčky, při měření částečných charakteristik pak na konstantní moment. Obr. 15 Měření točivého momentu traktoru přes vývodový hřídel Pro výpočet výkonu motoru bylo použito vzorce: P e = (M t. π. n) / ( ) [kw], kde: M t průměrný točivý moment při ustáleném režimu [N.m] n otáčky motoru [min -1 ] Měření emisí Pro vytvoření úplných charakteristik jednotlivých složek výfukových exhalátů se provedlo odebrání spalin, které byly následně analyzovány infraanalyzátorem Saxon Junkalor Infralyt CL pro zjištění složek oxidu uhelnatého, oxidu uhličitého, nespálených uhlovodíků a kyslíku. Chladič s kondenzační komorou a filtr pevných částic byl umístěn před analyzátorem. Jmenovaný infraanalyzátor odesílal hodnoty přes sériovou sběrnici do PC. 36

37 Pro uložení dat byl použit speciální software v prostředí LabView a zpracovaná data se následně přenášela do serveru zkušebny. Obr. 16 Měření emisí pomocí Infraanalyzátoru Saxon Junkalor Infralyt CL Pro měření obsahu CO 2, CO a HC využívá infraanalyzátor nedisperzní infračervené spektroskopie NDIR. Metoda je založena na vlastnosti uvedených složek emisí výfukových plynů pohlcovat infračervené záření o charakteristické vlnové délce (pro CO 2 4,2 µm, pro CO nad 4,5 µm a pro HC 3 až 3,5 µm). Obr. 17 Schéma čtyř-složkového analyzátoru [35] Zdroj infračerveného záření prozařuje měrné kyvety, přes které proudí výfukové plyny. Množství jednotlivých složek emisí má vliv na výši oslabení daného vlnového 37

38 rozsahu. Zbytek záření dopadá na přijímače. Čím méně záření se absorbuje v měrných kyvetách, tím více se absorbuje v přijímači. Přijímač bývá většinou již elektronický prvek, který přímo měří útlum jednotlivých složek a převádí ji na elektronický signál, který je následně zesílen a A/D převodníkem převeden na digitální hodnoty. Ty poté zpracovává mikropočítač a následně zobrazuje na display. Množství O 2 je měřeno pomocí elektrochemického kyslíkového senzoru. V závislosti na jeho obsahu ve výfukových plynech se mění proud elektronů mezi katodou a anodou. Měřenou veličinou pro určování obsahu kyslíku je pak úbytek napětí na zatěžovacím odporu, který vyhodnocuje měřící technika. [35] V neposlední řádě vypočítává analyzátor (na základě zjištěných množství jednotlivých složek výfukových plynů CO 2, CO, HC a O 2 ) součinitel přebytku vzduchu λ pomocí Breettschneiderova vzorce: CO 1,51 CO2 + + O2 + 0,00088 *( CO2 ) CO 2 + 3,5 CO / CO 2 λ = [-] 1,42 ( CO + CO + 8* HC) Měření spotřeby paliva Zjišťování spotřeby paliva probíhalo pomocí hmotnostních průtokoměrů Coriolis Sitrans FC MassFlo Mass 6000 (obr. 18). Byly použity dva hmotnostní průtokoměry, jeden na hlavním vedení směřujícím do motoru a druhý byl zařazen v přepadovém vedením z motoru do nádrže. Obr. 18 Hmotnostní průtokoměry Coriolis Sitrans FC MassFlo Mass 6000 pro měření spotřeby 38

39 Rozdíl dávky paliva vstupující do motoru a dávky paliva z motoru vystupující udává okamžitou spotřebu nafty v kg/h. Pro zjištění měrné spotřeby nafty byl použit vzorec: m pe = (M ph / P e ) [g/kwh], kde: M ph hmotnostní hodinová spotřeba paliva [kg/h] Pe efektivní výkon motoru [kw] Měření hmotnostního průtoku nasávaného vzduchu Pro měření hmotnosti nasávaného vzduchu u traktorového motoru bylo použito termického anemometru. Z důvodu obtížné montáže tohoto snímače do sacího potrubí motoru byl použit komponent sání Scania, který má takové průtokové vlastnosti, na něž je přístroj kalibrován. K provozu snímače bylo použito napájení místního laboratorního zdroje s napětím 25,6 V. Získaná data byla dále distribuována sítí Ethernet do serveru traktorové zkušebny. měření hmotnosti nasávaného vzduchu pomocí termického anemometru Obr. 19 Měření hmotnosti nasávaného vzduchu pomocí termického anemometru 39

40 5.3.5 Měření ostatních hodnot Snímání většiny dat z měření probíhalo také pomocí traktorové sběrnice CAN-BUS. Ze sběrnice byla zaznamenávána teplota oleje, teplota chladicí kapaliny, teplota paliva, množství nasávaného vzduchu, zatížení motoru a řada jiných hodnot. Mezi další hodnoty snímané při zkoušce patřila např. teplota nasávaného vzduchu za turbodmychadlem, teplota a tlak nasávaného vzduchu za mezichladičem. čidlo na měření teploty za turbodmychadlem čidlo na měření teploty za mezichladičem snímač tlaku vzduchu za mezichladičem Obr. 20 Snímání ostatních hodnot Ustálení parametrů motoru bylo kontrolováno měřením teploty mazacího oleje v motoru. Pro výpočet redukovaného výkonu byla současně měřena i teplota, barometrický tlak a relativní vlhkost vzduchu v laboratoři viz. tab. 7. Tab. 7 Laboratorní podmínky při měření Podmínky měření Hodnota Barometrický tlak 98,1 kpa Teplota nasávaného vzduchu 35,1 C Relativní vlhkost 60 % 40

41 Pro snímání teplot byly použity termočlánky typu K (Cr-Al, měřící rozsah 200 až 1250 C, tlak vzduchu za turbodmychadlem se měřil tenzometrickým snímačem tlaku, relativní vlhkost vzduchu vlasovým vlhkoměrem a barometrický tlak barometrem Všechna potřebná data spolu s otáčkami byla během zkoušky ukládána do paměti centrálního počítače, který zároveň sloužil i k ovládání měření. Zkoušky probíhaly podle metodiky OECD (Organizace pro hospodářskou spolupráci a rozvoj), která stanovuje podmínky pro měření parametrů traktorových motorů přes vývodový hřídel. Otáčky vývodového hřídele byly při všech zkouškách nastaveny na 1000 ot./min Vyhodnocení výsledků Jmenovitá otáčková charakteristika motoru K sestavení jmenovité charakteristiky zkoušeného motoru traktoru bylo uskutečněno měření v patnácti bodech otáčkové charakteristiky. Měření probíhalo při nastavené plné dodávce paliva. Teplota nafty, která byla snímána sběrnicí CAN-BUS se pohybovala v rozmezí 50,4 až 70,4 C. Úplná otáčková charakteristika motoru Úplná nebo také celková charakteristika je diagram znázorňující soustavu křivek závislost sledované provozní veličiny na dvou veličinách základních, vynesených na osách souřadnic. Každé křivce diagramu přísluší určitá stálá hodnota sledované veličiny jako parametr. Do úplné charakteristiky jsou v našem případě vynášeny jako izočáry emise oxidu uhličitého, nespálených uhlovodíků, oxidu uhelnatého a kyslíku. Úplná charakteristika motoru se nezjišťuje přímým měřením, ale sestrojuje se ze soustavy otáčkových charakteristik naměřených při odlišných dodávkách paliva. Aby bylo možné ji sestrojit, je zapotřebí změřit jmenovitou charakteristiku a také částečné charakteristiky při snížené dodávce paliva. Pro dosažení dostatečné přesnosti je nutné změřit minimálně deset regulátorových větví. [8] Pro výpočet stejného množství daných výfukových emisí na všech regulátorových větvích byla použita polynomická interpolace. Jednotlivé částečné charakteristiky (závislosti produkce emisí na točivém momentu motoru) naměřené pro různé dávky paliva (14 charakteristik) byly metodou nejmenších čtverců proloženy polynomy tak, aby se proložené křivky co nejvíce blížily naměřeným bodům (aby hodnota indexu 41

42 determinance byla co nejvyšší). U proložených křivek jsem pomocí excelu vypočítal jejich regresní rovnici a následně také dopočítal rovné hodnoty na ose y. Podobným způsobem jsem pro každou regulátorovou větev vypočítal rovnice lineární závislosti točivého momentu na otáčkách. Dopočítané hodnoty byly promítnuty pomocí vypočtených lineárních regresí na každé regulátorové větvi a následným spojením bodů se stejnou číselnou hodnotou vznikly izočáry v úplné charakteristice. Veškeré monitorované složky výfukových plynů byly měřeny v procentuálním množství. Pro sestavení úplných charakteristik jsem jejich procentuální množství přepočítal na hmotnostní jednotky (g/kwh) podle níže uvedeného vzorce: S hmot ( MAF + m ) S proc ph *10 = [g/kwh], kde: P e S hmot složky výfukových plynů vyjádřené hmotnostně [g/kwh] MAF množství přiváděného vzduchu do motoru [kg/h] S proc složky výfukových plynů vyjádřené v procentech celkového množství [%] m ph hmotnostní hodinová spotřeba nafty [kg/h] P e efektivní výkon motoru [kw] 42

43 5.4 Výsledky měření Sestrojení jmenovité otáčkové charakteristiky Měření otáčkové charakteristiky bylo provedeno pro režim práce bez navýšení výkonu. Ustálení parametrů motoru bylo kontrolováno měřením teploty mazacího oleje v motoru. Následující tab. 8 udává naměřené a vypočtené hodnoty motoru statistickou metodou. Měření probíhalo v rozsahu otáček od 1205 min -1 do 2420 min -1. Tab. 8 Naměřená data motoru JD 5080RN Otáčky motoru Točivý moment motoru Výkon motoru Spotřeba paliva Číslo n [mot] M t P e M ph m pe měření [min -1 ] [N.m] [kw] [kg/h] [g/kwh] ,20 22,60 10,07 445, ,80 42,46 14,32 337, ,70 44,72 14,72 329, ,58 46,02 14,93 324, ,77 46,99 14,95 318, ,45 48,23 14,99 310, ,86 50,91 15,32 300, ,19 52,86 15,46 292, ,55 52,16 15,17 290, ,44 51,10 14,85 290, ,99 49,25 14,20 288, ,09 45,91 13,06 284, ,18 41,71 11,16 267, ,31 38,48 9,93 258, ,14 35,46 8,99 253,6 43

44 Točivý moment motoru Mt [N.m] Výkon motoru Pe [kw] Otáčky motoru [min -1 ] Mt [N.m] Pe [kw] Obr. 21 Jmenovitá otáčková charakteristika traktoru John Deere 5080RN závislost výkonu a točivého momentu na otáčkách motoru Na obrázku 21 je graficky znázorněn průběh výkonu a točivého momentu v závislosti na otáčkách motoru. Z grafu je patrné, že nejvyšší výkon motoru změřený přes vývodový hřídel traktoru byl v průběhu zkoušky 52,86 kw při otáčkách 2077 min -1. Maximální hodnota točivého momentu 285,31 N.m byla naměřena při otáčkách motoru 1289 min -1. Z grafu jmenovité otáčkové charakteristiky vyplývá, že při poklesu otáček pod jmenovité dochází ke zvyšování výkonu až do otáček 2077 min -1, kdy je dosaženo maximálního výkonu 52,86 kw. V oblasti otáček 1800 až 2100 min -1 vykazuje měřený motor téměř konstantní výkon, poté začíná klesat. 44

45 Hodinová spotřeba paliva Mph [kg/h] Měrná spotřeba paliva mpe [g/kwh] Otáčky motoru [min -1 ] Mph [kg/h] mpe [g/kwh] Obr. 22 Jmenovitá otáčková charakteristika traktoru John Deere 5080RN závislost hodinové spotřeby paliva a měrné spotřeby na otáčkách motoru Obrázek 22 obsahuje graf závislosti měrné spotřeby paliva a hodinové spotřeby paliva na otáčkách motoru. Při otáčkách 1205 min -1 pracoval motor s minimální měrnou spotřebou a to 253,6 g/kwh. Maximální hodinová spotřeba 15,46 kg/h byla zjištěna při otáčkách motoru 2077 min -1. Dále je také možné vidět, že se motor vyznačuje v rozmezí otáček od 1600 až do 2100 min -1 téměř ustáleným průběhem měrné spotřeby paliva. Kolem oblasti maximálního točivého momentu vykazuje motor minimální měrnou spotřebu paliva. Měrná spotřeba paliva bývá častým hlediskem, která slouží ke srovnání různých druhů motorů z hlediska hospodárnosti provozu a jejich spotřeby nezávisle na výkonové třídě traktorů. 45

46 5.4.2 Sestrojení úplných otáčkových charakteristik Úplná otáčková charakteristika s vynesenou měrnou spotřebou paliva Graf na obrázku 23 ukazuje příklad částečné otáčkové charakteristiky závislosti měrné spotřeby paliva na točivém momentu motoru. Dále je zde také uvedena regresní rovnice (y) a index determinance (R 2 ) pro danou regulátorovou větev. Obr. 23 Závislost měrné spotřeby paliva na točivém momentu motoru příklad částečné charakteristiky Na obrázku 24 je uveden graf úplné otáčkové charakteristiky z něhož je patrné, že motor při plné dodávce paliva pracoval s nejnižší měrnou spotřebou paliva v rozsahu otáček od 1205 do 1580 min -1 a výkonu 33 až 46 kw. V této oblasti otáček se také nachází nejvyšší točivý moment motoru. Dále z grafu vyplývá, že s narůstajícími otáčkami a klesajícím točivým momentem motoru dochází ke zvyšování měrné spotřeby paliva. 46

47 Obr. 24 Úplná otáčková charakteristika motoru traktoru John Deere 5080RN s vyznačenými oblastmi měrných spotřeb 47

48 Úplná otáčková charakteristika s vynesenými emisemi oxidu uhličitého Na obrázku 25 je graficky znázorněn příklad částečné charakteristiky závislosti produkce CO 2 na točivém momentu motoru. V grafu je též uvedena regresní rovnice (y) i index determinance (R 2 ) pro danou regulátorovou větev. Obr. 25 Závislost emisí oxidu uhličitého na točivém momentu motoru příklad částečné charakteristiky Graf na obrázku 26 znázorňuje úplnou otáčkovou charakteristiku s vyznačenými oblastmi emisí oxidu uhličitého. Jak je možné vidět, nejnižší hodnoty koncentrace plynu CO 2 a to 650 g/kwh dosahoval motor při otáčkách do 1430 min -1. Této hodnoty bylo dosaženo v rozmezí výkonu od 28 do 42 kw a točivého momentu 207 až 280 N.m. Produkce oxidu uhličitého roste se zvyšujícími se otáčkami a klesajícím výkonem motoru a dosahuje hodnot přes 800 g/kwh od otáček 2300 min

49 Obr. 26 Úplná otáčková charakteristika motoru traktoru John Deere 5080RN s vyznačenými oblastmi emisí oxidu uhličitého 49

50 Úplná otáčková charakteristika s vynesenými emisemi oxidu uhelnatého Příklad částečné charakteristiky závislosti emisí oxidu uhelnatého na točivém momentu motoru je zobrazen na obrázku 27. Součástí grafu je i regresní rovnice (y) a index determinance (R 2 ) pro danou regulátorovou větev. Obr. 27 Závislost emisí oxidu uhelnatého na točivém momentu motoru příklad částečné charakteristiky Úplná otáčková charakteristika se znázorněnými oblastmi CO je vidět na obrázku 28. Z grafu je patrné, že v rozsahu otáček od 1205 do 1580 min -1 dosahoval měřený motor nejnižší množství oxidu uhelnatého obsaženého ve výfukových plynech traktoru a to hodnoty 1,5 g/kwh při výkonu motoru od 24 do 46 kw. Se stoupajícími otáčkami a klesajícím výkonem rostou i emise oxidu uhelnatého. Nejvyšší hodnoty 6 g/kwh bylo zjištěno při nízkých zatíženích motoru při točivém momentu motoru do 40 N.m. 50

51 Obr. 28 Úplná otáčková charakteristika motoru traktoru John Deere 5080RN s vyznačenými oblastmi emisí oxidu uhelnatého 51

52 Úplná otáčková charakteristika s vynesenými emisemi nespálených uhlovodíků Graf na obrázku 29 zobrazuje příklad částečné otáčkové charakteristiky závislosti výfukového plynu HC na točivém momentu motoru. Pro danou regulátorovou větev je z grafu možné pozorovat regresní rovnici (y) i index determinance (R 2 ). Obr. 29 Závislost emisí nespálených uhlovodíků na točivém momentu motoru příklad částečné charakteristiky Při sledování úplné otáčkové charakteristiky (obr. 30) je možné vidět, že nejmenší výskyt nespálených uhlovodíků je v oblasti otáček 1205 až 1690 min -1. Obsah HC v tomto rozsahu otáček činil 0,4 g/kwh. Motor této hodnoty dosáhl při výkonu od 32 do 50 kw, točivém momentu 250 N.m a vyšším. Zvyšující se koncentrace nespálených uhlovodíků ve spalinách způsobuje klesající točivý moment motoru. 52

53 Obr. 30 Úplná otáčková charakteristika motoru traktoru John Deere 5080RN s vyznačenými oblastmi emisí nespálených uhlovodíků 53

54 Úplná otáčková charakteristika s vynesenými emisemi kyslíku Na obrázku 31 je znázorněn graficky příklad částečné charakteristiky závislosti obsahu emisí nespáleného kyslíku na točivém momentu motoru. Z obrázku můžem vyčíst i regresní rovnici (y) a index determinance (R 2 ) pro danou regulátorovou větev. Obr. 31 Závislost emisí kyslíku na točivém momentu motoru příklad částečné charakteristiky Obrázek 32 obsahuje graf úplné otáčkové charakteristiky s vyznačenými oblastmi obsahu O 2 ve spalinách. Z grafu vyplývá, že při otáčkách od 1205 do 1500 min -1 bylo dosaženo nejmenšího obsahu kyslíku a to 600 g/kwh při výkonu 36 až 49 kw. Tahle nízká hodnota O 2 byla naměřena v rozsahu točivého momentu 225 až 280 N.m. Dále je možné vidět, že množství kyslíku ve výfukových plynech se zvyšuje s rostoucími se otáčkami a klesajícím výkonem motoru. 54