MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA DIPLOMOVÁ PRÁCE

Transkript

1 MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA DIPLOMOVÁ PRÁCE BRNO 2013 MILAN MUSIL

2 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Polutanty emitované vozidly při měření vnější otáčkové charakteristiky Diplomová práce Vedoucí práce: Ing. Jiří Čupera, Ph.D. Vypracoval: Bc. Milan Musil Brno 2013

3

4 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci s názvem Polutanty emitované vozidly při měření vnější otáčkové charakteristiky 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 AF MENDELU v Brně. dne.... podpis autora.

5 PODĚKOVÁNÍ Tímto bych chtěl poděkovat vedoucímu diplomové práce panu Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za odborné vedení práce a za cenné rady, které mi během řešení této diplomové práce vždy ochotně poskytoval.

6 ABSTRAKT Cílem diplomové práce bylo porovnání vozidel, která patří do stejné kategorie, ale splňují odlišnou emisní normu. Za kategorii jsem si vybral traktory. K porovnání jsem využil traktory českého výrobce Zetor Tractors a.s. Srovnával jsem traktory Zetor Forterra 9641 a Zetor Proxima 110 Plus. Traktor Zetor Forterra 9641 splňuje emisní normu STAGE IIIA a traktor Zetor Proxima 110 Plus splňuje emisní normu STAGE IIIB. Měření proběhlo v laboratořích Ústavu techniky a automobilové dopravy v areálu Mendelovy univerzity v Brně. U hodnocených traktorů jsem posuzoval jednotlivé složky výfukových plynů. Danými složkami byl oxid uhelnatý (CO), oxid uhličitý (CO 2 ), nespálené uhlovodíky (HC) a kyslík (O 2 ). Bohužel u jednoho z traktorů nebyly naměřeny hodnoty oxidů dusíku (NO x ) a u obou traktorů hodnoty pevných částic (PM), proto nejsou uvedeny v této práci. Jednotlivé produkce výfukových plynů jsou uvedeny v %, ppm (jedna miliontina) a v g.kw -1.h -1. Klíčová slova: kolový traktor, emise, výfukové plyny, emisní normy ABSTRACT The aim of my diploma thesis was to compare the vehicles which pertain to the same category but meet different conditions of the emission norm. I have chosen the category of tractors. For comparing I used tractors of the Czech producer Zetor Tractors a.s. I compared tractors Zetor Forterra 9641 and Zetor Proxima 110 Plus. The tractor Zetor Forterra 9641 meets the conditions of STAGE IIIA emission norm and the tractor Zetor Proxima 110 Plus meets the conditions of STAGE IIIB emission norm. The measuring was made in the laboratories of Department of Technology and Automobile Transport in area Mendel University in Brno. During evaluation of the tractors I considered particular components of the exhaust gas. The given components were carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ), hydrocarbons (HC) and oxygen (O 2 ). Unfortunately, the values of nitrogen oxides and solid particles were not measured at both tractors, that s why they are not mentioned in my thesis. The particular exhaust gas productions are converted into pct, ppm and g.kw -1.h -1. Key words: wheel tractor, emission of pollutants, exhaust gates, emission norm

7 OBSAH 1 ROZBOR ZADÁNÍ ÚVOD CÍL PRÁCE PŘEHLED LIMITOVANÝCH POLUTANTŮ SLOŽENÍ VÝFUKOVÝCH PLYNŮ SPALOVACÍCH MOTORŮ LIMITOVANÉ POLUTANTY Oxid uhelnatý (CO) Oxidy dusíku (NO x ) Nespálené uhlovodíky (HC) Pevné částice (PM) MECHANISMUS VZNIKU ŠKODLIVIN OXID UHELNATÝ (CO) OXIDY DUSÍKU (NO X ) NESPÁLENÉ UHLOVODÍKY (HC) PEVNÉ ČÁSTICE (PM) TECHNICKÁ OPATŘENÍ KE SNÍŽENÍ ŠKODLIVIN U VZNĚTOVÝCH MOTORŮ OVLIVNĚNÍ SMĚŠOVACÍHO POMĚRU A TVORBY SMĚSI OVLIVNĚNÍ PRŮBĚHU SPALOVÁNÍ Recirkulace výfukových plynů NÁSLEDNÁ REDUKCE ŠKODLIVIN VE SPALINÁCH Oxidační katalyzátor Filtr pevných částic Selektivní katalytická redukce (SCR) LEGISLATIVNÍ A HOMOLOGAČNÍ PŘEDPISY EMISNÍ NORMY Emisní norma EURO Normy pro traktory a samojízdné zemědělské stroje MĚŘENÍ EMISÍ TRAKTORŮ ZETOR METODIKA MĚŘENÍ Metodika měření emisí POUŽITÉ VÝPOČTY CHARAKTERISTIKA TRAKTORU ZETOR FORTERRA

8 6.4 CHARAKTERISTIKA TRAKTORU ZETOR PROXIMA 110 PLUS VÝSLEDKY MĚŘENÍ OTÁČKOVÝCH CHARAKTERISTIK VÝSLEDKY EMISNÍHO SROVNÁNÍ MĚŘENÝCH TRAKTORŮ SROVNÁNÍ MĚŘENÉHO TRAKTORU A LEGISLATIVNÍCH POŽADAVKŮ ZÁVĚR SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY A ZDROJŮ INFORMACÍ SEZNAM OBRÁZKŮ SEZNAM TABULEK... 58

9 1 ROZBOR ZADÁNÍ 1.1 Úvod V současné době je mimo výkonu a efektivity motoru kladen velký důraz na ochranu životního prostředí a tím pádem i na emise spalovacích motorů. Množství emisí produkovaných motorem závisí na jeho konstrukci, provozování, zatěžování, složení zápalné směsi a na chemickém složení paliva. Při nízkých teplotách (nedokonalé spalování) vznikají CO, HC a pevné částice PM (particulate matter). Při dokonalém spalování vznikají za vysokých teplot NO x, CO 2 a H 2 O. U dnešních moderních motorů se zpravidla setkáváme se dvěma principy snižování polutantů ve výfukových plynech a to pomocí systému recirkulace výfukových plynů EGR, nebo pomocí selektivní katalytické redukce, označované jako SCR. Obsah škodlivin ve výfukových plynech je limitován právními předpisy. Neustále dochází ke snaze snížit škodlivé emise na co nejnižší hranici, proto se i konstrukce motoru a složení paliva neustále zdokonaluje a vyvíjí. Nejznámější normy, které pojednávají o emisích, jsou TIER, STAGE a EURO. Traktorové motory podléhají normě EurEst. Zavedení norem se nestává ze dne na den, ale je dlouhodobě strategicky naplánováno. Za minulých sedm let přešly všechny traktory a samojízdné zemědělské stroje z normy EurEst II na EurEst IIIA. Od roku 2011 musí všechny traktory nad 130 kw splňovat normu EurEst IIIB. Od roku 2012 přibyly do této skupiny stroje s výkonem nad 56kW. Prozatím poslední nejpřísnější norma vejde v platnost postupně v etapách podle regionů i podle výkonů strojů. Všeobecně však platí, že pro stroje o výkonu nad 130 kw startuje finální norma EurEST IV (TIER 4f) v roce Do následujících dvou let by se měla skupina strojů, splňujících tyto emisní limity, rozrůst o stroje s výkonem nad 56 kw. Diplomová práce se ve své obecné části věnuje jednotlivým škodlivinám, které limitují konkrétní normy. Tato práce je zaměřena na emise u vznětových motorů, které se výhradně používají v zemědělském sektoru. Dále je zde vysvětlen mechanizmus vzniku škodlivin a technická opatření ke snížení škodlivin u vznětových motorů. Následuje pojednání o legislativních a homologačních předpisech. Praktická část se zabývá porovnáním dvou různých traktorů od stejného výrobce, ale s různou emisní normou (STAGE IIIA a STAGE IIIB). 8

10 1.2 Cíl práce V obecné části je v práci uveden literární přehled limitovaných polutantů. Je zde vysvětlen princip a způsob vzniku škodlivin, které se vyskytují ve výfukových plynech vznětových motorů. Dále je v této práci vytvořen seznam a princip technických opatření, která slouží ke snížení škodlivin produkovaných vznětovými motory u traktorů. Následuje pojednání o současně platných emisních a homologačních předpisech, které se týkají dané kategorie vozidel. Hlavním cílem této práce bylo vyhodnocení měření emisních vlastností dvou vozidel, které náleží do stejné kategorie, ale splňují odlišnou emisní normu. Vybral jsem si porovnání dvou traktorů od českého výrobce a to společnosti Zetor Tractors a.s. Konkrétně se jednalo o porovnání traktorů Zetor Forterra 9641 a Zetor Proxima 110 Plus. Měření proběhlo v laboratořích Ústavu techniky a automobilové dopravy v areálu Mendelovy univerzity v Brně. První jmenovaný traktor Zetor Forterra splňuje emisní normu STAGE IIIA a druhý splňuje normu STAGE IIIB. 9

11 2 PŘEHLED LIMITOVANÝCH POLUTANTŮ 2.1 Složení výfukových plynů spalovacích motorů Spalováním uhlovodíkových paliv vzniká při dokonalé oxidaci oxid uhličitý (CO 2 ) a voda (H 2 O) ve formě vodní páry. Oxid uhličitý není kromě skleníkového efektu přímou škodlivinou, ale zesiluje působení oxidu uhelnatého. Vodní pára není také přímo škodlivá, ale mohou s ní po kondenzaci reagovat některé plyny (NO x, SO 2 ) za vzniku vysoce korozivních kyselin (HNO 2, HNO 3, H 2 SO 3, H 2 SO 4 ) a některých nebezpečných solí (např. dusitany HNO - 2 ). Nedokonalou oxidací vzniká oxid uhelnatý (CO) a vodík (H 2 ). Jelikož je při procesu spalování nutný vzduch, který zde zastává funkci okysličovadla, je nejvýznamnější složkou spalin dusík (N 2 ). Kyslík (O 2 ) se u zážehových motorů vyskytuje ve výfukových plynech jen v čerstvé směsi v přebytku, nebo se nevyužil z jiných důvodů. U vznětových motorů se objevuje vždy, protože vznětové motory pracují s přebytkem vzduchu. Obr. 1 Složení výfukových plynů vznětového a zážehového motoru Snaha snížit spotřebu paliva nesouvisí pouze se snižováním nákladů na provoz, ale s tímto požadavkem souvisí omezení úrovně emisí oxidu uhličitého (CO 2 ). Ten je nejdůležitějším z tzv. skleníkových plynů, které mohou mít vliv na klimatické změny. Jelikož CO 2 je neodstranitelným produktem spalování uhlovodíků, je jedinou cestou snížení spotřeby paliva. Důsledkem vysokých teplot ve spalovacím prostoru vznikají (oxidací vzdušného dusíku) oxidy dusíku (NO x ). Mezi oxidy dusíku patří zejména oxid dusnatý (NO), ale také oxid dusičitý (NO 2 ) a oxid dusný (N 2 O). Při velmi nepříznivých podmínkách pro oxidaci paliva vznikají nespálené uhlovodíky (HC). Nespálené uhlovodíky jsou chemicky velice různorodá skupina, která obsa- 10

12 huje také organické uhlovodíky po částečné oxidaci paliva, jako např. aldehydy. Složení nespálených uhlovodíku ovlivňuje průběh pracovního procesu, složení paliva a mazacího oleje. Nespálené uhlovodíky se označují pomocí následujících zkratek: C x H y, C n H m, CH, CH x, nebo se označují pomocí jednoho ze sumárních chemických vzorců jednotlivých uhlovodíků. Při vysoké teplotě se u vznětových motorů za absolutního nepřístupu vzduchu (uvnitř kapičky kapalného paliva) vytváří dekompozice molekul, jejímž výsledkem je výskyt pevného uhlíku (neboli sazí) ve výfukovém potrubí. Mezi tyto pevné částice (PM) se dále řadí vysokomolekulové produkty tepelné degradace mazacího oleje, popel, prach a částečky rzi. Dále se v některých uhlovodíkových palivech vyskytuje síra (S). Ta vytváří při spalování ve spalovacím prostoru oxidy síry (SO x ), které se následně vyskytují ve spalinách. Další sloučeninou, která se může ve spalinách objevit je olovo (Pb). Vyskytuje se v případě, kdy motor spaluje benzín s antidetonační přísadou obsahující olovo. Limitování oxidů síry a sloučenin olova se provádí nepřímo sledováním obsahu těchto složek v palivu. Doprava se podílí na produkci škodlivin vyvolaných lidskou činností v průměru méně než 20% u NO x, CO a CO 2. Spalování všech ropných produktů vytváří asi 20% produkce SO 2. Antropogenní emise NO x a CO jsou srovnatelné s přírodními emisemi (zdroje: půda, rostlinstvo, oceány, atmosférické výboje blesky, vulkanická činnost, atd.), vyšší o cca 60% u emise SO 2 a asi 30x nižší než přírodní emise CO 2. (Macek, 2003) 2.2 Limitované polutanty V předešlé kapitole byly zmíněny všechny nejdůležitější škodliviny, které jsou produkovány spalovacími motory. Nyní se zaměříme pouze na ty, které jsou legislativně omezovány. U zážehových motorů je sledována koncentrace oxidu uhelnatého (CO), oxidů dusíku (NO x ) a nespálených uhlovodíků (HC). U vznětových motorů jsou to shodně tyto tři škodliviny (CO, NO x a HC) a navíc jsou zde sledovány koncentrace pevných částic (PM). Vzhledem k tomu, jak obsáhlá je problematika emisí a za další tím, že měřené vozidlo bude poháněno vznětovým motorem, bude další část této práce zaměřena výhradně na problematiku emisí u vznětových motorů. 11

13 2.2.1 Oxid uhelnatý (CO) Oxid uhelnatý je jedovatý, bezbarvý plyn bez zápachu. Jeho hustota je téměř stejná jako u vzduchu. Je výbušný, nikoli však dráždivý. Rychle se váže na krevní barvivo (hemoglobin) a blokuje přenos kyslíku z plic do tkání, tím poškozuje jednotlivé orgány nedostatkem vzduchu. Vzniká při nedokonalém spalování uhlovodíků. Pokud je v normálních koncentracích v ovzduší poměrně brzy oxiduje na oxid uhličitý (CO 2 ). (Macek, 2003) Oxidy dusíku (NO x ) Jak již bylo zmíněno v kapitole 2.1, mezi oxidy dusíku se řadí: oxid dusnatý (NO), oxid dusičitý (NO 2 ) a v malém množství oxid dusný (N 2 O). Tvorba oxidů dusíku je závislá na teplotě, tlaku, době hoření, a koncentraci kyslíku při spalování. Vznětové motory mají emise oxidů dusíku řádově několikrát vyšší (cca 10 20x) než zážehové motory. Oxid dusnatý se obdobně jako CO rychle váže na hemoglobin, ale rychle se také odbourává. Vyskytuje se především tam, kde se součinitel přebytku vzduchu pohybuje kolem 1 ( = 1). Při delším pobytu v atmosféře dochází k jeho oxidaci na oxid dusičitý, jehož škodlivost je závažnější než u oxidu dusnatého. Při vdechování se na stěnách sliznice vytváří kyselina dusičná (HNO 3 ). Dýchací soustava reaguje na vdechování kyseliny dusičné tím, že omezuje přístup vzduchu do plic, jehož důsledkem je pocit dušení a nucení ke kašli. Tento negativní jev nastává již při velmi nízkých koncentracích resp. při krátkých expozičních dobách. Oxidy dusíku se ve značné míře podílejí na tvorbě letního smogu a spolupodílejí se na tvorbě kyselých dešťů. (Hromádko, 2011) Nespálené uhlovodíky (HC) Nespálené uhlovodíky jsou velice různorodou skupinou uhlovodíků, které vstupují jako palivo do oxidačního procesu, nebo vznikají v průběhu spalování ve válci motoru. Nejmenší škodlivost mají obvykle některé původní skupiny uhlovodíkové paliva. Větší škodlivost (někdy i extrémní) mají ty druhy uhlovodíků, které vznikají jako meziprodukty oxidace původní uhlovodíkové molekuly, v nichž kvůli různým okolnostem proběhne cyklus oxidačních reakcí pouze z části. Tento cyklus může nastat např. účinkem ochlazení v blízkosti stěn válce. Určité meziprodukty oxidačních reakcí náleží do skupiny rakovinotvorných látek, u kterých jejich škodlivost velmi výrazně narůstá ve spojení s další výfukovou škodlivi- 12

14 nou, a to s pevnými částicemi. Nespálené uhlovodíky se totiž zachycují na povrchu částic a vdechováním se dostávají do lidského organismu velmi nebezpečné látky. Z plynných škodlivin jsou z celé řady nespálených či částečně zoxidovaných uhlovodíků nejnebezpečnější polycyklické aromatické uhlovodíky (např. benzpyren 3,4). Škodlivost je opět zesílena v kombinaci s pevnými částicemi. Ze skupiny částečně zoxidovaných uhlovodíků se ve výfukových plynech objevují skupiny aldehydů R-CHO. K jejich vzniku dochází především v procesu předoxidačních reakcí. Jejich výskyt je často spojován s nižším teplotním režimem motoru. Např. po spuštění studeného motoru, v nízkých zatíženích motoru, nebo při provozu s velkým přebytkem vzduchu. Nespálené nebo částečně zoxidované uhlovodíky charakterizuje jejich typický zápach výfukových plynů. V lidském organismu působí nespálené uhlovodíky negativně na sliznice a poškozují dýchací cesty. Vzhledem ke značné škodlivosti lze v blízké době předpokládat, že polycyklické aromatické uhlovodíky (popř. další meziprodukty spalovacího procesu) budou zařazeny jako samostatné limitované položky výfukových škodlivin. (Ferenc, 2009) Pevné částice (PM) Pevné částice vznikají výhradně u vznětových motorů. Skládají se z primárního uhlíku, organického uhlíku, malého množství sulfátu, dusíku, vody a dalších složek. Obsah základního uhlíku je téměř 75%. Nicméně složení závisí na typu motoru a na dodatečných zařízeních, zejména na filtru pevných částic. Jádro částic je složeno z pevného uhlíku a popele. Krátkodobá expozice může vyvolat podráždění očí, jícnu, průdušek či neurofyziologické symptomy (nucení ke zvracení či dýchací potíže). Chronická expozice může způsobit histopatologické změny a zánět v plících. Částice se v ovzduší nachází v různých velikostech. Velké částice (5-10 m) jsou zachyceny v horních cestách dýchacích, nebo jsou odstraněny polykáním. Menší částice (pod 0,1 m) se mohou dostat až na povrch plic. Tyto částice můžeme odstranit při čištění plícních sklípků. Ale také se mohou dostat do lymfatického systému a dále až do krve. Velmi malé částice o velikosti 1 nm mohou hrát důležitou roli v toxicitě okolních částic. Pevné částice jsou velmi malé částice, většina z nich je menších než 1 m a více než 90% může být ultra malých (menší než 0,1 m). V některých případech se objevují částice menší než 50 nm. Pevné částice mají velký povrch, který je schopen pohlcovat různorodé směsi, které mohou být toxické, mutagenní nebo karcinogenní. (Hromádko, 2011) 13

15 3 MECHANISMUS VZNIKU ŠKODLIVIN 3.1 Oxid uhelnatý (CO) U zážehových motorů se stává produktem nedokonalé oxidace uhlíku, který je obsažen v uhlovodíkovém palivu. Hlavní příčinou jeho výskytu ve spalinách je nedostatek kyslíku ve spalované směsi. To nastává za situace, kdy je součinitel přebytku vzduchu. Provozu s tímto součinitelem přebytku vzduchu říkáme bohatá směs. Nedostatek kyslíku může být místní (v některých oblastech motoru nebo v některých válcích) nebo časový. Časový nedostatek kyslíku nastává při = 1, tomuto poměru říkáme stechiometrická směs, přičemž se v některých pracovních obězích spaluje bohatá směs, jako důsledek kolísání směšovacího poměru. Oxid uhelnatý se pak vyskytuje spolu s kyslíkem ve spalinách. Obr. 2 Produkce emisí zážehového motoru v závislosti na Pro vznětový motor je charakteristické, že spalování probíhá s velkým přebytkem vzduchu. Čemuž odpovídá součinitel přebytku vzduchu > 1. Tento provoz označujeme jako chudá směs. Při součiniteli přebytku vzduchu větším než 1 (i výrazně větším) oxid uhelnatý oxiduje na oxid uhličitý. Koncentrace CO jsou v řádu desítek procent ve srovnání se zážehovými motory. Ke znatelnému nárůstu koncentrace CO dochází v oblastech vyššího zatížení. Ale než dojde k nárůstu emisí CO, je dosaženo hranice kouře, na kterou se nastavuje maximální dodávka paliva dorazem regulační tyče vstřikovacího 14

16 čerpadla. Nejvyšší produkce emise CO se objevuje při nízkém zatížení (běh na prázdno). (Ferenc, 2009) Obr. 3 Produkce emisí vznětového motoru v závislosti na 3.2 Oxidy dusíku (NO x ) Oxid dusnatý (NO) vzniká v závislosti na výši teploty. Tvorba plynu je znázorněna Zeldvičovou řetězovou reakcí: N O 2 2 O NO N N NO O OH N NO H (1) Tyto reakce mohou probíhat i obráceně, v závislosti na okamžitých koncentracích volných radikálů N, O, H a teplotě reakce. Aby nastaly tyto reakce, je zapotřebí velmi vysokých teplot ( C) a dostatek času, jinak tyto reakce tzv. zamrzají a nedochází k tvorbě oxidů dusíku. Nejvyšší teplota nastává při spalování mírně bohatých směsí. Vysoké koncentrace NO x nejsou důsledkem pouze vysokých teplot, ale k jejich výskytu je potřebný také dostatečný obsah kyslíku. S rostoucím přebytkem vzduchu je k dispozici více kyslíku, což převládá nad klesající teplotou. Z toho vyplývá, že maximální koncentrace NO x se vyskytuje při = 1,05 1,1. 15

17 Zážehové motory spalují homogenní směs, kde do motoru je nasávána již připravená výbušná směs, pro kterou jsou typické vysoké koncentrace NO a nízké koncentrace NO 2. Při optimalizaci z hlediska energetických vlastností je výskyt NO x u vznětových motorů ve srovnání se zážehovými motory nižší. Důvodem tohoto faktu je větší přebytek vzduchu. S rostoucím přebytkem vzduchu koncentrace NO x klesá vlivem zředění přebytečným vzduchem a poklesem spalovacích teplot. S ohledem na plnění zákonných předpisů patří přesto k problematickým škodlivinám. Emise NO x jsou poměrně nízké u komůrkových motorů. Naopak u motorů s přímým vstřikem, vlivem výraznějšího vrstvení a pomalejší rychlosti hoření (vyšších teplot) jsou koncentrace NO x vyšší. (Macek, 2003) 3.3 Nespálené uhlovodíky (HC) Ve výfukových plynech vznikají jako výsledek předčasně zastavených oxidačních reakcí v některých zónách spalovacího prostoru (většinou při chladnějších stěnách válce). Další příčinou vzniku nespálených uhlovodíků může být vynechávání či porucha spalování, jednak jako produkt krakovacích či dalších chemických reakcí, které byly předčasně ukončeny, než by proběhl kompletní proces oxidace. Na obsah nespálených uhlovodíků má výrazný vliv konstrukce spalovacího prostoru, teplotní režim motoru, konstrukce samotného pístu a samozřejmě bohatost směsi. Z hlediska obsahu nespálených uhlovodíků je optimální směšovací poměr v oblasti chudé směsi při přebytku vzduchu1,1 1,2. Pokud bude směšovací poměr nižší i vyšší dojde ke zvyšování koncentrace nespálených uhlovodíků ve výfukových plynech. Na koncentraci nespálených uhlovodíků má kromě konstrukce motoru vliv i jeho technický stav a stálost správného seřízení. K vytvoření nebezpečných polycyklických aromatických uhlovodíků (PAH) při spalovacím procesu dochází především v případech, kdy původní uhlovodíková molekula obsahuje 2 a více atomů uhlíku. (Macek, 2003) 3.4 Pevné částice (PM) Primární uhlík se vytváří při spalování neodpařených kapek paliva v prostředí s vysokou teplotou a vlivem radikálně nízkých lokálních hodnot přebytku vzduchu. Produkce emisí pevných částic tudíž souvisí hlavně s kvalitou rozprášení paliva při jeho 16

18 vstřikování do válce. Přísun kyslíku k částicím paliva se zlepšuje se zvýšením celkového množství vzduchu, z tohoto důvodu se emise PM snižují s jeho rostoucí hodnotou. Organické složky PM pochází z nespáleného paliva, motorového oleje a produktů částečného spalování. Vznikají v případě, kdy je nespálené palivo a mazací olej uvězněn ve štěrbinách válce nebo v chladných bodech uvnitř válce bez možnosti oxidace nebo pyrolýzy, což je tepelný rozklad. Tyto směsi jsou za vysokých teplot ve výfukovém potrubí v plynném stavu, ale jakmile dojde ke zchlazení a zředění některé z méně těkavých organických sloučenin mohou sorbovat na povrch částic. Jestliže je málo adsorpčních míst, organické sloučeniny můžou kondenzovat (např. v kyselinu sírovou) a tvořit jádra nanočástic. Další skupinou pevných částic jsou kovové směsi, které vznikají z opotřebených motorových komponent (abrazivní části nebo termicky degradované mazivo). (Hromádko, 2011) 17

19 Koncentrace NO x [ppm] 4 TECHNICKÁ OPATŘENÍ KE SNÍŽENÍ ŠKODLIVIN U VZNĚTOVÝCH MOTORŮ U motorů můžeme aplikovat tři základní druhy opatření: ovlivnění směšovacího poměru a tvorby směsi, tzv. opatření před motorem ovlivnění průběhu spalování, tzv. opatření u motoru následná redukce škodlivin, tzv. opatření za motorem 4.1 Ovlivnění směšovacího poměru a tvorby směsi Při tvorbě směsi ve válci je podstatný optimální návrh plnící soustavy motoru s vytvořením řiditelného pohybu náplně válce, většinou ve formě tečné rotace. Daný požadavek nabývá na významu s nižší energií vstřiku paliva do válce, neboli horším rozprášením paliva. Dále nižším počtem vstřikovacích otvorů trysky. Účelem je zabezpečit co nejkratší doby pro optimální promísení paliva se vzduchem ve válci po vstřiku paliva a tím dosáhnout kvalitní průběhu spalování. U moderních přeplňovaných motorů závisí na stupni přeplnění a mezichlazení plnícího vzduchu. 4.2 Ovlivnění průběhu spalování Emise škodlivin jsou samy o sobě ovlivněny již volbou složení směsi. Příkladem mohou být emise oxidů dusíků u motorů komůrkových a jejich rozdíl oproti motorům s přímým vstřikem paliva [-] Komůrka Přímý vstřik Obr. 4 Emise NOx v závislosti na pro komůrku a přímý vstřik 18

20 Při nižších hodnotách přebytku vzduchu (1,2 až 3) vykazují komůrkové motory nižší hodnoty emise NO x (Obr. 4.) To je způsobeno výraznějším vrstvením směsi a pomalejší rychlostí hoření. Dalším důležitým faktorem je vliv způsobu přívodu paliva u motoru s přímým vstřikem. Zde můžeme rozlišovat standardní vstřik a rozdělenou dávku paliva při úhlovém odstupu 5 otočení klikového hřídele mezi první a druhou dávkou paliva. Za těchto podmínek je výhodnější použít rozdělenou dávku paliva, jelikož zde dochází k razantnímu poklesu emisí NO x a HC. Výrazný vliv na emise škodlivin má úhel předvstřiku paliva. Pokud použijeme strategii pozdějšího vstřiku paliva, snížíme tím emise NO x. Čehož se často využívá ke splnění stále se zpřísňujících emisních limitů, ale na druhou stranu tím docílíme zvýšení spotřeby paliva. Tímto však zaniká výhoda nižší spotřeby paliva ve srovnání s komůrkovými motory. Kromě toho se zvyšuje kouřivost motoru a emise CO. U přeplňovaných motorů lze dosáhnout snížení emisí NO x mezichlazením plnícího vzduchu. Množství emisí nespálených uhlovodíků lze ovlivnit provedením vstřikovací soustavy a samotné trysky. Konstrukčně musí být zajištěno, aby nedošlo k dostřiku paliva po skončení vstřiku a k zmenšení škodného prostoru pod sedlem jehly trysky. Prospěšné je umístění výstřikových otvorů přímo do sedla trysky (můžeme tím snížit emise nespálených uhlovodíků až o 70%). Dalším důležitým parametrem vznětových motorů je kouřivost. Na kouřivost motoru má vliv hlavně rozprášení paliva při vstřikování do válce a přebytek vzduchu. Jemnějšího rozprášení dosáhneme pomocí vyšších vstřikovacích tlaků, které umožňují moderní vstřikovací soustavy (Common-Rail). Snížit produkci oxidů dusíku lze za pomoci recirkulace výfukových plynů. (Vlk, 2002) Recirkulace výfukových plynů Výfukové plyny obsahují malé množství kyslíku, čímž je lze považovat za inertní plyny. Ve spalovacím prostoru se nezúčastňují procesu spalování, avšak přejímají teplo vzniklé při hoření, a tím snižují maximální teplotu hoření, která je hlavní příčinou výskytu NO x ve spalinách. Recirkulace výfukových plynů se rozděluje na vnitřní a vnější. Principem vnitřní recirkulace je překrytí otevření sacího a výfukového ventilu v okamžiku, kdy dochází k výměně náplně válce. To znamená, že při pohybu pístu do 19

21 horní úvratě proudí, vlivem již otevřeného sacího ventilu, část výfukových plynů do sacího potrubí. Při pohybu pístu do dolní úvrati dochází, díky stále ještě otevřenému výfukovému ventilu, k nasátí (vlivem podtlaku) části spálených plynů z výfukového potrubí. Tímto dosáhneme zvýšeného množství spálených plynů ve válci. Překrytí ventilů nemůžeme libovolně navyšovat, protože by se zhoršovala stabilita chodu motoru. Docházelo by také k vynechávání zápalů, což jsou podmínky, v kterých vzrůstá koncentrace emisí nespálených uhlovodíků. Nepříznivě se vnitřní recirkulace projevuje především při volnoběhu. Právě proto se používá přinejmenším dvoustavová regulace časování, kdy je překrytí při volnoběhu blízké nule a naopak při vyšších otáčkách a větším zatížení se dosahuje optimální hodnoty překrytí ventilů pro daný motor. Vnější recirkulace se prosazuje tam, kde vnitřní recirkulace není dostatečně účinná vzhledem k přijatelné eliminaci mezních hodnot NO x. Principem vnější recirkulace je to, že část výfukových plynů se přepouští do sání přes EGR ventil. Ovládání EGR ventilu se uskutečňuje pomocí podtlaku v sání nebo elektronicky, kdy chod ventilu reguluje řídící jednotka (ECU). Obr. 5 Schéma systému EGR Nedílnou součástí systému EGR (EGR Exhaust Gas Recirculation) je chladič, který horké výfukové plyny ochlazuje z důvodu zachování efektivity systému i výkonu motoru (zchlazený stlačený vzduch ve spalovacím prostoru by byl znovu zahříván, což by nebylo žádoucí). Základní podmínkou vnější recirkulace je snížení špičkových teplot spalování a zejména náhrada nadbytečného vzduchu s obsahem kyslíku inertním výfukovým ply- 20

22 nem. Při nízkém zatížení motoru lze recirkulovat velmi vysoké procento výfukových plynů. S rostoucím množstvím recirkulujících výfukových plynů roste kouřivost motoru. To nám znemožňuje používat vnější recirkulaci při plném zatížení motoru, kde je ovšem nejvyšší produkce emisí NO x. Vnější recirkulací snížíme emise NO x o 50-60%, ovšem na úkor zvýšení emisí HC. (Král, 2012) Obr. 6 Schéma systému EGR s katalyzátorem a filtrem pevných částic V dřívějších dobách bylo množství recirkulovaného plynu řízeno tlakem plnícího vzduchu a protitlakem ve výfukovém potrubí. V dnešní době se množství recirkulovaného plynu reguluje pomocí řídící jednotky. Tento systém je založen na řízení chodu motoru pomocí lambda sondy. Používá se širokopásmová lambda sonda s velkým pracovním rozpětím, která měří množství kyslíku ve výfukových plynech. Tyto informace neustále předává řídící jednotce, která poté podle přijatých informací nastaví množství recirkulovaného plynu. Kromě recirkulovaného plynu nastavuje ještě tlak plnícího vzduchu a okamžik vstřiku paliva. Tyto tři parametry zásadním způsobem ovlivňují emise vznětových motorů. (Baumruk, 1999) 21

23 4.3 Následná redukce škodlivin ve spalinách K dodržování emisních norem se u vznětových motorů využívá s ohledem na provoz s přebytkem vzduchu oxidační katalyzátor, který snižuje koncentrace oxidu uhelnatého (CO) a nespálených uhlovodíků (HC). Dále u vznětových motorů musíme eliminovat množství pevných částic, k tomuto účelu slouží speciální filtr, který se nazývá filtr pevných částic. A v neposlední řadě musíme u vznětových motorů redukovat obsah oxidů dusíku (NO x ). V současné době již nepostačuje redukce oxidů dusíku recirkulací výfukových plynů, v důsledku toho, že dochází stále ke zpřísňování emisních norem. Proto se v současnosti preferuje snížení emisí NO x pomocí selektivní katalytické redukce (SCR), kde se jako redukční činidlo využívá močovina nebo amoniak Oxidační katalyzátor Vznětové motory pracují s přebytkem vzduchu (λ > 1), tudíž nelze provádět regulaci podílu kyslíku ve směsi palivo-vzduch. Čištění výfukových plynů dodatečným spalováním přebírá oxidační katalyzátor (DOC Diesel Oxidation Catalyst). K dodatečnému spalování (oxidaci) je použito zbytkového kyslíku ve výfukových plynech, tím se sníží obsah uhlovodíků (HC) a oxidu uhelnatého (CO). U vznětových motorů se tedy nepoužívá řízené čištění výfukových plynů. Oxidační katalyzátor přeměňuje jen ty složky výfukových plynů, které je možné měnit oxidací. Oxid uhelnatý (CO) je v něm přeměňován na oxid uhličitý (CO 2 ), nespálené uhlovodíky (HC) opět na oxid uhličitý (CO 2) a vodu (H 2 O). Množství dusíkatých složek není možné v oxidačním katalyzátoru měnit. Vzniklé oxidy dusíku se proto redukují už během spalování za pomocí systému recirkulace, nebo následnou redukcí spalin pomocí selektivní katalytické reakce (SCR). Probíhá-li spalování za nízkého přebytku vzduchu, zvětšuje se ve výfukových plynech podíl oxidu uhelnatého (CO), uhlovodíků (HC) a pevných částic (PM). Katalyzátorem jsou zde vrstvy drahých kovů, např. platina a paladium. Tyto kovy vyvolávají reakcí nedokonalých produktů hoření s přebytečným kyslíkem. Abychom docílili co nejvyšší účinnosti, musí být tyto kovy k dispozici na co největší ploše, to umožňuje katalyzátorový nosič (keramický monolit, nebo kovový článek s kanálky, cca 60 na cm 2 ). Celková pokovená plocha je rozsáhlá asi jako jedno fotbalové hřiště. U vznětových motorů bývá oxidační katalyzátor předřazen před filtr pevných částic. (Petr, 2012) 22

24 4.3.2 Filtr pevných částic Filtr pevných částic je většinou označován jako DPF (Diesel Particulate Filter) nebo FAP (Filtre A Particules). DPF filtry jsou takové, které nepoužívají k regeneraci aditiva a jsou bezúdržbové. Filtry FAP využívají k regeneraci aditiva. Kromě používání či nepoužívaní pracují filtry s označením DPF a FAP na shodném principu. Filtry částic se začaly používat na přelomu druhého a třetího tisíciletí našeho letopočtu. Jako první s ním přišly automobilky Citroen a Peugeot (FAP). V každém vznětovém motoru vznikají při spalování paliva pevné částice (saze), jejich množství závisí na kvalitě spalování. Kvalitu spalování můžeme ovlivnit různými parametry motoru, jako jsou přívod nasávaného vzduchu, způsob vstřikování paliva a rozložení plamene, ale i složení a kvalita paliva. Filtr pevných částic se umisťuje za oxidační katalyzátor a umožňuje snížení emisí pevných částic (PM) o více než 95%. Filtr pevných částic obsahuje porézní strukturu tvořenou oxidem křemičitým (SiO 2 ), která je schopna mechanicky zachytit částice při průchodu výfukových plynů tímto prostorem. Obr. 7 Řez oxidačním katalyzátorem a filtrem pevných částic Filtr pevných částic je složen z husté sítě malých kanálků z ušlechtilých kovů nebo keramiky. Kanálky jsou na koncích uzavřené a výfukové plyny musí přes částečně propustnou stěnu proudit do sousedních kanálků, které jsou na konci otevřené. Plynné složky výfukových plynů filtrem procházejí, zatímco pevné částice o velikosti 0,1 až 1 mikrometr se zachytávají. Tímto způsobem se z výfukových plynů odstraňuje velké 23

25 množství sazí, které jsou velkým problémem vznětových motorů, protože se při vdechování usazují na plicích a mají karcinogenní účinky. Aby byla zachována dlouhodobá schopnost zachycovat pevné částice, je nezbytné zajistit pravidelnou regeneraci filtru, jelikož čím více se keramický nosič pokrývá uhlíkem (C), tím se snižuje logicky jeho účinnost. Díky regeneraci prodloužíme životnost filtru a tím pádem snížíme náklady, protože výměna filtru je poměrně nákladnou záležitostí. Regenerace filtru znamená vypálení zachycených částic. Jedná se o automatický proces, který trvá několik minut a nikterak neovlivňuje vnější projev motoru. Abychom toho dosáhli, musí být přítomen ve výfukovém potrubí v dostatečném množství kyslík a teplota výfukových plynů musí být vyšší než 550 C. Princip regenerace pomocí DPF filtru: U osobních automobilů probíhá regenerace tak, že řidič jede chvíli s motorem při plné zátěži, čímž dojde ke zvýšení teploty výfukových plynů a následné regeneraci. Druhou možností je přidání jednoho nebo více vstřiků motorové nafty na konci dílčího cyklu. Toto umožňuje moderní vstřikovací systém Common Rail, který je schopen uskutečnit pět až šest dílčích vstřiků a právě ty poslední se používají pouze při regeneraci filtru. Vstříknuté palivo není využito pro mechanickou práci, ale dohořívá ve výfukovém potrubí, čímž zvyšuje teplotu výfukových plynů na 250 C až 400 C. Díky tomu, že výfukové plyny obsahují větší množství nespálených uhlovodíků, které dohořívají v oxidačním katalyzátoru, dosáhneme zvýšení teploty o dalších 250 C. Těmito kroky docílíme teploty cca 550 C až 600 C. A následně dochází ke spálení zachycených sazí na filtru pevných částic. Spálením dojde k jejich přeměně na plynný dusík a dioxid karbonu, které volně odcházejí do ovzduší. Obr. 8 Řez filtrem pevných částic 24

26 Třetím způsobem jak dosáhnout vypálení pevných částic ve filtru je použití speciální trysky vstřikující naftu přímo do výfukového potrubí. Tohoto způsobu regenerace využívá např. firma John Deere. Při provozování traktoru s vysokým zatížením (orba) není třeba regenerace řešit, teplota výfukových plynů je dostatečná a filtr se nezanáší (tzv. pasivní regenerace). Pokud je traktor provozován s nižší zátěží, pak je regenerace prováděna uvedenou přídavnou tryskou a řidič je o procesu regenerace informován pomocí kontrolky. Systém aktivní regenerace může řidič oddálit, například při práci, kde by mohlo dojít snadno k požáru (např. v seníku). (Král, 2013) Princip regenerace pomocí filtru FAP: Systém s přídavným aditivem se skládá z přídavné nádržky na aditivum a potrubí, které vede přímo do palivové nádrže. Aditivum je z přídavné nádržky automaticky dávkováno při každém jejím dotankování přímo do palivové nádrže. Množství aditiva je kontrolováno přes elektroniku, kterou koordinuje řídící jednotka. V případě snížení množství aditiva je řidič vyzván rozsvícením kontrolky k návštěvě servisu. Používá se aditivum pod názvem Eolys, které je schopno snížit teplotu vypalování pevných částic na 450 C. Jelikož nafta u čerpacích stanic většinou tuto přísadu neobsahuje, je třeba čas od času Eolys do nádrže nalít. Aditivum v nádržce vystačí u osobních automobilů podle výrobce na cca km. Obr. 9 Filtr pevných částic s aditivem (Stehno, 2011) K regeneraci dochází automaticky v závislosti na stupni zanesení filtru. To nastává zhruba každých km. Regenerace neboli obnova trvá 2 až 3 minuty a činnost motoru jí není nikterak dotčena. (Stehno, 2011) 25

27 4.3.3 Selektivní katalytická redukce (SCR) Systém SCR (Selective Catalytic Reduction) je další ze způsobu snižování škodlivin oxidů dusíku (NO x ) ve výfukových plynech. Tento systém začala jako první používat firma Scania. Vznětové motory nasávají pouze čistý, stlačený a ochlazený vzduch plný kyslíku. Spalování tak probíhá za vysokých teplot, čímž se zamezí vzniku pevných částic, jelikož jsou spáleny přímo ve spalovacím prostoru, ale naopak tím vzniká velké množství oxidů dusíku. Tyto oxidy dusíku musí být dále redukovány, což se odehrává za motorem ve výfukovém potrubí, kam je vstřikována močovina, která nese obchodní označení AdBlue. Hlavní účinnou látkou močoviny je amoniak (NH 3 ), který reakcí v katalyzátoru mění oxidy dusíku na vodní páru (H 2 O) a dusík (N 2 ). Motor proto v tomto případě není nikterak omezován, procesy pro snížení škodlivin se na rozdíl od systému EGR odehrávají až ve výfukovém potrubí, kam je vstřikována směs močoviny a vody. Funkce systému SCR je ve své podstatě velmi jednoduchá, nicméně odpovídajícího efektu je dosaženo jen při vhodném dávkování a kvalitě AdBlue. Systém SCR tvoří vlastní řídící jednotka, katalyzátor SCR a několik čidel, která udávají potřebné množství vstříknuté močoviny. AdBlue se plní do samostatné vyhřívané nádrže, která má takovou kapacitu, aby pokryla provoz minimálně dvou nádrží motorové nafty. Pokud se hladina AdBlue sníží pod kritickou mez, je řidič nejprve upozorněn na nutnost doplnění kapaliny. Při úplném vyčerpání AdBlue dojde k razantnímu snížení výkonu motoru a to až na pouhých 25%. Z nádrže se kapalina dopravuje přes soustavu filtrů, pomocí čerpadla, ke vstřikovací trysce a odtud do výfukového potrubí. Roztok vody a močoviny musí být se spalinami smíchán ještě před katalyzátorem. Voda obsažená v AdBlue je po vstřiknutí odpařena, zbylá močovina se při chemických reakcích změní na amoniak. Právě amoniak poté v SCR katalyzátoru reaguje s oxidy dusíku na H 2 O a N 2: NO + NO 2 + 2NH N 2 + 3H 2 O (2) Množství AdBlue, vstřikované do potrubí závisí na otáčkách a zatížení motoru, teplotě výfukových plynů, vlhkosti nasávaného vzduchu a teplotě chladicí kapaliny. Vše je řízeno pomocí samostatné řídící jednotky SCR. Pro kontrolu kvality práce systému SCR, slouží snímač množství NO x, který je umístěn za katalyzátorem. (Paulová, 2013) 26

28 Obr. 10 Schéma umístění prvků systému SCR AdBlue je 32,5% roztok močoviny o vysoké chemické čistotě, v 67,5% demineralizované vody. Jedná se o naprosto nejedovatou kapalinu bez zápachu, kterou lze tankovat z obdobných tankovacích stojanů jako motorovou naftu. Tento roztok je v důsledku vysokých teplot ve výfukovém prostředí rozštěpen na amoniak (NH 3 ) a oxid uhličitý (CO 2 ). Zásadní nevýhodou AdBlue je nízký bod tuhnutí, kdy při -11 C zamrzá. Z tohoto důvodu je nutné mít vyhřívanou nádrž AdBlue, po zastavení stroje možnost odčerpání zbylé močoviny ze systému do nádrže. Dále na to nesmíme zapomínat ani při skladování roztoku AdBlue. Aby nedocházelo k zamrzání močoviny v přívodním potrubí, je kapalina odčerpávána čerpadlem zpět do vyhřívané nádrže. Pro ohřev močoviny se většinou používá chladicí kapalina motoru, nebo elektrická spirála. Systém SCR je schopen, obdobně jako systém EGR s použitím oxidačního katalyzátoru a filtru pevných částic, snížit emise NO x až o 90%. Výhodou systému SCR je, že podle měření několika výrobců traktorů snižuje spotřebu pohonných hmot o cca 5%. Močovinový vstřikovací systém je velmi modulární, tudíž jej lze lehce a pružně využít pro různá vozidla. Od roku 2014 ovšem začne postupně platit norma EurEst IV, s níž si EGR ani SCR samostatně neporadí. (Beneš, 2012) 27

29 5 LEGISLATIVNÍ A HOMOLOGAČNÍ PŘEDPISY 5.1 Emisní normy Aby mohlo být vozidlo homologováno, musí plnit řadu norem, mezi jinými i důležitou emisní normu. Emisní norma limituje množství spalin, které automobil může vypouštět do ovzduší. V ČR upravuje tyto hodnoty zákon č. 56/2001 Sb. ve znění pozdějších předpisů. Tyto předpisy vycházejí z norem Evropské hospodářské komise (EHK), Evropského společenství (ES) a Agentury pro ochranu životního prostředí (EPA). Tyto organizace mají největší vliv na tvorbu legislativy v této oblasti průmyslu. Výrobcům spalovacích motorů tato globalizace umožňuje, jejich nastavovaní a opatření pro redukci emisí, aby nemuseli na každý trh přivádět motory s různým stupněm nastavení. U osobních a nákladních automobilů se v Evropské unii používá emisní norma EURO s příslušným číslem, které udává přísnost dané normy. Dále se využívá řada dalších norem pro nesilniční vozidla, jako jsou např. traktory, samojízdné mlátičky a další. Norma STAGE se používá pro nesilniční stroje v Evropě. Norma TIER se využívá v Severní Americe. Normy STAGE a TIER jsou prakticky totožné, pouze se liší místem, kde se používají. Další norma se jmenuje Off Highway, ta je opět určena pro vozidla, která nejezdí po silnicích. Z normy Off Highway vychází další norma nesoucí označení EurEST, která je určena pro traktory a samojízdné zemědělské stroje. Normy pro traktory a samojízdné zemědělské stroje (STAGE, TIER a EurEST) se člení podle výkonových parametrů daného stroje, kterým přesně odpovídají limity CO, HC, NO x a PM. V EU platí směrnice 97/68/EC z roku 1997 novelizovaná v roce 2004/26 EC, která se týká opatření proti emisím plynných znečišťujících látek a znečišťujících částic ze spalovacích motorů určených pro nesilniční pojízdné stroje. Do této skupiny patří např. traktorové motory, lodní motory, motory pro lokomotivy atd. Přímo pro zemědělské traktory se používá směrnice 2000/25/EC s novelou 2005/13/EC o opatřeních proti emisím plynných znečišťujících látek a znečišťujících částic z motorů používaných k pohonu zemědělských a lesnických traktorů, respektující metodiku a stanovené limity ze směrnice 97/68/EC. Emisní limity jsou vyjádřeny pro stanovený rozsah výkonu motoru a období platnosti a uvádí se v g/kwh. (Stehno, 2013) Emisní norma EURO Vůbec první norma, která se zabývala množstvím výfukových zplodin, vznikla v Kalifornii v roce V Evropě začala platit první emisní norma v roce 1971 a to 28

30 norma EHK 15, která byla v roce 1989 změněna na EHK 83. První norma Euro se objevila v roce Od té doby téměř pravidelně každé čtyři roky vychází nová emisní norma Euro. V roce 2009 vstoupila v platnost Euro 5 a od září 2014 nastoupí Euro 6. Čím vyšší číslo tím větší přísnost normy. Euro je závazná emisní norma stanovující limitní hodnoty výfukových exhalací. Hodnoty se uvádějí v miligramech na ujetý kilometr. Zavedení přísnějšího Eura není jednorázová akce. Změny se nejprve týkají modelů nově představených na evropském trhu. Majitelé starších vozů mohou být v klidu, těch se nově zavedené předpisy netýkají. Emisní norma Euro je rozdělena na kategorie. Normy pro osobní vozidla a lehké užitkové automobily se číslují arabskými číslicemi. Pro těžká nákladní auta a autobusy se využívá římských číslic. Tab. 1 Emisní norma EURO Normy pro traktory a samojízdné zemědělské stroje Pro emisní limity se používá v EU výraz Etapa, Stufe, Phase, zatímco v USA Tier. S tím jak se limity s přibývajícími roky zpřísňují, dochází ke snižování obsahu síry v motorové naftě. Toto snižování obsahu síry je důležité z hlediska používaných technologií na následnou úpravu limitovaných emisí např. katalyzátory, filtry na pevné částice, u kterých síra snižuje účinnost jejich práce a životnost. Proto došlo mezi etapou IIIa a IIIb k razantnímu snížení obsahu síry. Obsah síry je pro etapu IIIa 300 mg/kg, ale pro etapu IIIb pouhých10 mg/kg. 29

31 Obr. 11 Evropská emisní norma STAGE Normy STAGE jsou rozděleny do několika úrovní - STAGE I až STAGE IV. Normy STAGE se vztahují na širokou škálu stavebních, lesnických a hlavně zemědělských strojů. Tato norma vychází ze směrnice 2000/25/ES (STAGE I a STAGE II). Tab. 2 STAGE I limitní hodnoty STAGE I (etapa I) platná od Netto výkon CO HC NO X PM P (kw) g.kw -1.h -1 g.kw -1.h -1 g.kw -1.h -1 g.kw -1.h P ,3 9,2 0,54 75 P ,3 9,2 0,7 37 P 75 6,5 1,3 9,2 0,85 V roce 2010 došlo k přijetí dalších dvou směrnic, a to směrnice 2010/26/EU, která upravuje technické podrobnosti o testování a schválení motorů STAGE IIIB a STAGE IV. A směrnice 2010/22/EU, která mění předchozí směrnici 2000/25/ES. Tab. 3 STAGE II limitní hodnoty STAGE II (etapa II) Netto výkon CO HC NO X PM P (kw) g.kw -1.h -1 g.kw -1.h -1 g.kw -1.h -1 g.kw -1.h -1 Platnost 130 P 560 3, ,2 Po P ,3 Po P ,3 7 0,4 Po P 37 5,5 1,5 8 0,8 Po Předpisy STAGE III jsou rozděleny na STAGE IIIA a STAGE IIIB. V současné době (leden 2013) platí pro všechny nová vozidla a náhradní motory do již používaných vozidel předpis STAGE IIIB. 30

32 Tab. 4 STAGE IIIa - limitní hodnoty STAGE IIIa (etapa IIIa) Netto výkon CO HC+NO X PM P (kw) g.kw -1.h -1 g.kw -1.h -1 g.kw -1.h -1 Platnost 130 P 560 3,5 4 0,2 Po P ,3 Po P ,7 0,4 Po P 37 5,5 7,5 0,6 Po STAGE IIIB představuje limit pro emise PM o hodnotě 0,025 g/kwh, což je 90-ti procentní snížení v porovnání s předpisem STAGE II. Tab. 5 STAGE IIIb - limitní hodnoty STAGE IIIb (etapa IIIb) Netto výkon CO HC NO X PM P (kw) g.kw -1.h -1 g.kw -1.h -1 g.kw -1.h -1 g.kw -1.h -1 Platnost 130 P 560 3,5 0,19 2 0,025 Po P ,19 3,3 0,025 Po P ,19 3,3 0,025 Po P ,7 0,025 Po Abychom byli schopni dosáhnout tohoto limitu, je nezbytné, aby motory využívaly filtry pevných částic. Tab. 6 STAGE IV - limitní hodnoty STAGE IV (etapa IV) Netto výkon CO HC NO X PM P (kw) g.kw -1.h -1 g.kw -1.h -1 g.kw -1.h -1 g.kw -1.h -1 Platnost 130 P 560 3,5 0,19 0,4 0,025 Po P ,19 0,4 0,025 Po Předpis STAGE IV vejde v platnost v roce STAGE IV je charakterizovaná velmi přísnými limity ohledně oxidů dusíku (NO x ) o hodnotě 0,4 g/kwh. Pro splnění tohoto limitu bude nutná úpravu průběhu spalování (recirkulace výfukových plynů 31

33 EGR) nebo následnou úpravou spalin (selektivní katalytická redukce SCR), popř. i jejich kombinace. Mezi etapou I a IV dochází k eliminaci PM o 95%, CO o 30%, HC o 85% a NO X o 95% pro rozsah výkonu 130 až 560 kw. Normy TIER vznikly dohodou mezi několika výrobci motorů (Cummins, New Holland, Caterpillar, Deere, Kubota a další), kterou uzavřela agentura EPA (Agentura pro ochranu životního prostředí) v roce Normy TIER se opět rozdělují do několika úrovní a to předpis TIER 1 až TIER 4. Normy TIER jsou prakticky obdobou norem STAGE s drobnými odchylkami. Předpis TIER 1 platil od roku 1996 do roku Přísnější předpis TIER 2 vešel v platnost v roce 2001 a platil do roku 2006, kdy ho nahradil předpis TIER 3. Norma TIER 3 platila do roku Tyto normy lze splnit vhodnou konstrukcí motoru bez použití dodatečné úpravy spalin. V květnu 2004 zavedla společnost EPA nový předpis TIER 4, který má být postupně zaváděn od roku 2008 do roku Předpis TIER 4 vyžaduje snížení NO x o cca 50% a PM o 90%. Tohoto lze dosáhnout opět jen s pomocí systému EGR, systému SCR, popř. jejich kombinací. Tab. 7 Emisní limity motorů traktorů a samojízdných zemědělských strojů Normy EurEST platí pouze pro traktory a samojízdné zemědělské stroje. Jsou rozděleny na EurEST II, EurEST IIIA, EurEST IIIB, EurEST IV, viz Tab. 7. Od roku 2011 musí všechny traktory nad 130 kw splňovat normu EurEST IIIB. Mezi stupněm Eu- 32

34 rest IIIA a IIIB je z pohledu emisí značný rozdíl v povoleném množství oxidů dusíku a pevných částic. Samostatný systém EGR už nedokáže splnit normu IIIB, je proto nutné doplnit systém oxidačním katalyzátorem a filtrem pevných částic. Od roku 2012 patří do této skupiny stroje s výkonem nad 56kW. V současné době (leden 2013) platí pro všechny výkonové třídy předpis EurEST IIIB. Od roku 2014 vejde v platnost předpis EurEST IV (TIER 4f), pro všechny nové traktory a samojízdné zemědělské stroje, která bude platit pro stroje od výkonu 56 kw. (Biňovský, 2011) Obr. 12 Schéma systému splňující normu Tier 4f Jako jeden z prvních výrobců traktorů a samojízdné zemědělské techniky přišel s finálním řešením normy EurEst IV John Deere. Tato společnost vyvinula systém s označením Integrated Emissions Control, který v sobě zahrnuje několik systémů ke snížení polutantů. Systém obsahuje systém EGR, oxidační katalyzátor DOC, filtr pevných částic DPF a v neposlední řadě systém SCR. Systém úpravy výfukových plynů začíná klasickým systémem EGR, druhým krokem v systému je oxidační katalyzátor DOC, který má za úkol přeměnu CO a HC na CO 2 a H 2 O. Jako katalyzátor se používají opět ušlechtilé kovy, jako jsou platina, rhodium nebo paladium. Následuje filtr pevných částic DPF, kde dojde k zachycení pevných částic (PM) vzniklých nedokonalým spalováním. Poslední zastávkou výfukových plynů je systém SCR, s již výše popsaným vstřikováním AdBlue do výfukového potrubí. (Paulová, 2012) 33

35 6 MĚŘENÍ EMISÍ TRAKTORŮ ZETOR Měření bylo provedeno na traktorech Zetor Forterra 9641 a Zetor Proxima 110 Plus podle níže uvedené metodiky. Uskutečnilo se v laboratořích Ústavu techniky a automobilové dopravy v areálu Mendelovy univerzity v Brně. Naměřeny byly hodnoty jmenovité otáčkové charakteristiky přes PTO a dále úplné charakteristiky CO, CO 2, HC a O 2. Měření základní parametrů motoru bylo provedeno přes vývodový hřídel (PTO) podle metodiky OECD. Při měření byly dodržovány všeobecné požadavky dané normou ČSN ISO Případné odchylky od této normy jsou uvedeny u vyhodnocení jednotlivých zkoušek. Naměřené hodnoty byly snímány s frekvencí 18 Hz. 6.1 Metodika měření Při zkouškách byly měřeny tyto hodnoty: točivý moment, otáčky motoru, okamžitá hodinová spotřeba paliva, teplota plnění, tlak plnění, teplota paliva, teplota chladicí kapaliny, kouřivost, emise výfukových plynů (C0, CO 2, HC, O 2 ), hmotnost nasávaného vzduchu a další. Pro měření dílčích údajů byla využívána data ze snímačů zkušebny. Otáčky vývodového hřídele jsou nastaveny při všech zkouškách na 1000 min -1. K optimálnímu vyhodnocení daného měření bylo nutné naměřit všechna data, abychom byli schopni sestrojit jmenovitou otáčkovou charakteristiku motoru. Jmenovitá otáčková charakteristika je charakterizovaná tím, že ovládací páka vstřikovacího čerpadla je nastavena na maximální dodávku paliva a motor dosahuje při jmenovitých otáčkách n j jmenovitého výkonu. Měří se tedy při plné dodávce paliva. Toho docílíme tím, že nastavíme ruční akcelerátor na maximální hodnotu. Nejdříve se v řídícím počítači zkušebny nastaví nejnižší otáčky motoru, po které bude probíhat zatěžování a také čas, za jaký se dosáhne uvedených otáček. Následuje první měření, které proběhne dynamicky. Toto měření slouží pro získání základních parametrů, tzn. max. výkonu a točivého momentu, jmenovitých otáček a dalších, které se použijí pro nastavení statického měření jmenovité charakteristiky. Jmenovitou charakteristiku motoru představuje 13 a více bodů charakterizovaných točivým momentem a otáčkami motoru, na které bude zatěžován. Po zatížení na určený bod proběhne nejdříve ustálení měřených parametrů a následně se zapne záznam. Měření od této doby probíhá zcela automaticky. Zkoušky probíhají buď v automatickém, nebo manuálním režimu řízení. 34