EMISE Z VÝFUKOVÝCH PLYNŮ MOTOROVÝCH VOZIDEL

Transkript

1 EMISE Z VÝFUKOVÝCH PLYNŮ MOTOROVÝCH VOZIDEL Produkty dokonalého spalování uhlovodíkových paliv: CO2 + H2O Nedokonalé spalování + vysokoteplotní oxidace vzdušného dusíku v emisích jsou přítomny další složky - CO, organické látky, částice, NOx, Přímo limitované složky emisí (základní emise): výrobci musí zajistit, aby vozidla splňovala emisní limity CO, CH, NOx a částic Nepřímo limitované složky emisí: množství emisí je ovlivňováno složením paliva (emise SO2, Pb) příp. dalšími parametry (spotřeba emise CO2)

2 OXID UHLIČITÝ (CO2) Produkt dokonalého spalování uhlovodíkových paliv Skleníkový plyn s GWP = 1 (Global Warming Potential) Množství lze omezit pouze množstvím spalovaného paliva snížení spotřeby Povinnost výrobců automobilů uvádět emise CO2 (g km -1 ): BENZÍN: Emise CO2 (g/km) = 23,2 x spotřeba (l/100 km) DIESEL: Emise CO2 (g/km) = 26,5 x spotřeba (l/100 km) : Výrobci automobilů zajistí, aby průměrné emise CO2 osobních automobilů byly max. 130 g/km do 2015 max. 95 g/km do 2020 (???) (emise 130 g/km odpovídají spotřebě 5,6 l/100 km, resp. 4,9 l/100 km) Zvláštní postavení: přímo/nepřímo limitovaná složka emisí?

3 Oxid uhelnatý (CO) Toxický produkt nedokonalého spalování (při nedostatku kyslíku) Při λ<1 je vždy přítomný ve spalinách Vznětové motory produkují zpravidla nižší emise CO než motory zážehové (s katalyzátorem) oxidační atmosféra (vznětové motory pracují vždy s λ>1) Oxidy dusíku (NOx) Ve spalinách: NOx = NO + NO2 (N2O se netvoří) Produkty oxidace atmosférického dusíku při spalování za vysokých teplot Při λ>1 jsou NOx vždy přítomné ve spalinách (vznikají však i při λ<1) NOx jsou toxické přispívají ke tvorbě kyselých dešťů nutnou složkou pro vznik přízemního ozónu (O3): CxHy + NOX + hν O3

4 Uhlovodíky (CH, HC nebo THC) Souhrnné označení organických produktů nedokonalého spalování (stanovují se FID detektorem): nespálené uhlovodíky (hlavní část), nově vzniklé uhlovodíky, částečně oxidované uhlovodíky (aldehydy, ) Těkavé organické látky (příprava limitů?): benzen, formaldehyd, 1,3-butadien, akrolein (toxické, karcinogenní, reaktivní přízemní ozón) Netěkavé organické látky: PAU, nitro PAU, vyšší aldehydy (toxické, karcinogenní), část těchto látek není přítomná v plynné fázi sorpce na pevných částicích (vznětové motory, příp. zážehové přímým vstřikem paliva) Vznětové motory produkují zpravidla nižší emise CH než motory zážehové (s katalyzátorem) oxidační atmosféra (vznětové motory pracují vždy s λ>1) Pevné částice (PM - Particulate Matter) Jsou odpovědné za černý kouř vznětových motorů Produkty nedokonalého difusního spalování paliva a oleje (vznětové motory příp. zážehové motory s přímým vstřikem)

5 Složení částic: pevný uhlík (z pravidla > 50 %) vázaná voda (sírany) SOF - Soluble Organic Fraction sorbované výše vroucí organické látky (PAU, ) Oxid siřičitý (SO2) Produkt spalování síry přítomné v palivu (toxické účinky, kyselé deště) Obsah síry v BA a MN: až 0,5 % (MN) 0,001 % (2009) Obsah síry v leteckém petroleji JET A1: max. 0,3 % Obsah síry v palivech pro námořní dopravu: 1-5 % Kovy (olovo, mangan ) Emise kovů jsou většinou spojeny s přítomností aditiv pro zvýšení oktanového čísla - především Pb (Tetraethylolovo) V některých státech se stále používají olovnaté BA (Afghánistán, KLDR )

6 FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ TVORBU EMISÍ 1. Konstrukce, seřízení a kondice motoru (způsob a vyspělost řízení přípravy palivové směsi, konstrukce spalovacího prostoru, ); vliv konstrukce motoru na emise je 6x větší než vliv paliva 2. Jízdní režim (časté studené starty, dálniční provoz ) 3. Chemické složení a fyzikálně-chemické vlastnosti paliva (vliv především na složení organických složek emisí) 4. Dodatečná úprava spalin na výstupu z motoru (katalytické konvertory, filtry pevných částic, EGR, SCR) DODATEČNÁ ÚPRAVA SLOŽENÍ SPALIN ŽÁŽEHOVÝCH MOTORŮ Minimalizace emisí CO, CH a NOx, (částic) pomocí katalytických konvertorů

7 TŘÍCESTNÝ ŘÍZENÝ KATALYZÁTOR (TWC) 1. cesta : oxidace CO CO2 2. cesta : oxidace CH CO2 (+ H2O) 3. cesta : redukce NOx N2 Oxidačně-redukční funkce Katalytické procesy reakční teplota, reakční rychlost Pro správnou funkci TWC katalyzátoru je třeba velice přesně udržovat λ=1 Řízený katalyzátor = řízená příprava směsi palivo vzduch (λ=1) Katalyzátor správně pracuje až po zahřátí na provozní teplotu cca C

8 TŘÍCESTNÝ ŘÍZENÝ KATALYZÁTOR ECU λ-sonda vzduch CO2 + H20 vstřikování paliva TWC

9 STRUKTURA TWC KATALYZÁTORU

10 VÝVOJ A INOVACE KATALYZÁTORŮ Přísnější emisní limity vývoj a inovace v oblasti řízení přípravy palivové směsi a funkce katalytických systémů použití dvou λ-sond (před a za TWC) Při emisních testech tvoří významnou část sledovaných emisí (CO, CH) emise spojené se studeným startem (start a první vteřiny až minuty provozu motoru) bohatá směs, nízká teplota (nefunguje λ-sonda ani TWC) opatření pro minimalizaci emisí škodlivin při studených startech (umístění katalyzátoru blíž k motoru, 2 katalyzátory, elektrické vyhřívání, )

11 SNIŽOVÁNÍ EMISÍ ŠKODLIVIN ZE VZNĚTOVÝCH MOTORŮ Vlastnosti výfukových plynů vznětových motorů: oxidační atmosféra, proměnná teplota ( C), velký objem spalin (ve srovnání se zážehovými motory) Spaliny ze vznětového motoru vždy obsahují O2 (λ > 1) nízké emise CH a CO Problematické složky emisí: částice (černý kouř) - doprovází difusní spalování, největší emise při λ 1 (u moderních motorů s vysokotlakým vstřikováním se zmenšuje velikost částic černý kouř neviditelné částice zdravotní rizikovost, horší detekce) NOx - ve spalinách je vždy O2 + N2 tvorba NOx, které nelze eliminovat klasickým TWC (oxidační atmosféra, částice) 1. Oxidační katalyzátory - snižování emisí CH a CO (částic) 2. Filtrace spalin - účinné snižování emisí částic 3. Recirkulace výfukových plynů (EGR) - snižování emisí NOx 4. Katalytické systémy pro snižování emisí NOx (SCR)

12 OXIDAČNÍ KATALYZÁTORY PRO VZNĚTOVÉ MOTORY Eliminace CO, plynných CH a CH sorbovaných na částicích (zapáchající a zdravotně rizikové sloučeniny - PAU, aldehydy ); účinnost při odbourávání CO a CH je cca % Částečné (25-35 %) odbourávání pevných částic (uhlík), malá tlaková ztráta v porovnání s filtry pevných částic minimální vliv na provoz vozidla FILTRY PEVNÝCH ČÁSTIC (Diesel Particulate Filter) Filtrace spalin přes porézní keramické filtry účinné snižování emisí částic spaliny + částice spaliny zanášení filtru nárůst tlakové ztráty pokles výkonu, nárůst spotřeby periodická regenerace filtru! (odstranění částic)

13 REGENERACE FILTRŮ PEVNÝCH ČÁSTIC 1. Termická regenerace (spálení částic) - je třeba teploty > 600 C pouze při vysokém zatížení dodatečný ohřev spalováním paliva před filtrem 2. Katalytická regenerace (spálení částic při nižší teplotě) nejvíce používané systémy regenerace a) Kovová katalytická složka ve formě přísady do paliva (Cu, Co, Ce, Fe) b) Kovová katalytická složka nanesená na filtru (Pt, Mn ) A. Pasivní regenerace - probíhá samovolně při vhodných podmínkách (dálniční jízda) dostatečně vysoká teplota na spálení částic B. Aktivní regenerace - při nahromadění příliš velkého množství částic spouští řídící jednotka motoru: vstřikování paliva zvýšení teploty spalin spálení částic

14 RECIRKULACE VÝFUKOVÝCH PLYNŮ (Exhaust Gas Recirkulation) Snižování emisí NOx vznětových motorů (používá se i u zážehových) Řízené dávkování části spalin (0-30 [50] %) do plnícího vzduchu (malé zatížení motoru větší množství spalin, velké zatížení menší množství spalin) Funkce EGR: 1. Snížení obsahu kyslíku při zachování stejného objemu plynů 2. Snížení lokálních špičkových teplot S EGR má motor větší tendenci k tvorbě části lapač částic (diesel) EGR plnící vzduch Regulace množství recirkulovaných spalin v závislosti na množství dávkovaného paliva turbodmychadlo

15 De-NOx katalyzátory pro vznětové motory 1) Zásobníkové katalyzátory (rychlé střídání adsorpční a regenerační fáze) 2) Selektivní katalytická redukce (Selective Catalytic Reduction) SCR Přesné dávkování redukčního činidla (NH3) do spalin na výstupu z motoru: 4 NO + 4 NH3 + O2 4 N2 + 6 H2O 6 NO2 + 8 NH3 7 N H2O Použití u stacionárních motorů nevhodné pro mobilní zdroje (skladování a distribuce NH3) použití močoviny

16 SCR pro vznětové motory vozidel Přesné dávkování močoviny (AdBlue ) do spalin na výstupu z motoru AdBlue : vodný roztok močoviny (32,5 % hm.) Ve spalinách dochází za vysoké teploty k hydrolýze močoviny: (NH2)2CO + H2O 2NH3 + CO2 vzduch nádrž na AdBlue

17 EMISNÍ LIMITY EURO PRO OSOBNÍ AUTOMOBILY (výrobci automobilů musí zajistit jejich plnění) BENZÍN + LPG + NG (g km -1 ) Limit Platnost CO HC/NMHC NO x HC + NO x PM Euro , ,97 - Euro , ,50 - Euro ,30 0,20 0, Euro ,00 0,10 0, Euro ,00 0,10/0,068 0,06-0,005 (DI) Euro ,00 0,10/0,068 0,06-0,005 (DI) * *) + limit počtu emitovaných částic - max. 6,0 x km -1

18 EMISNÍ LIMITY EURO PRO OSOBNÍ AUTOMOBILY DIESEL (g km -1 ) Limit Platnost CO HC NO x HC + NO x PM Euro , ,97 0,14 Euro , ,70 0,08 Euro ,64-0,50 0,56 0,05 Euro ,50-0,25 0,30 0,025 Euro 5a ,50-0,18 0,23 0,005 Euro 5b ,50-0,18 0,23 0,005 * Euro ,50-0,08 0,17 0,005 * *) + limit počtu emitovaných částic pro motory s přímým vstřikem paliva: max. 6,0 x km -1

19 EMISNÍ LIMITY EURO PRO NÁKLADNÍ AUTOMOBILY A AUTOBUSY (g kwh -1 ) Limit Platnost CO HC NO x PM kouřivost Euro I ,5 1,1 8,0 0,612/0,36 - Euro II 1996/98 4,0 1,1 7,0 0,25/0,15 - Euro III 1999/2000 1,0/2,1 0,25/0,66 2,0/5,0 0,02/0,10 0,8 Euro IV ,5 0,46 3,5 0,02 0,5 Euro V ,5 0,46 2,0 0,02 0,5 EURO VI ,5 0,13 0,4 0,01 - EEV Enhanced environmental friendly vehicle (od roku 1999 se používá zkratka EEV pro vozidla splňující dobrovolně přísnější emisní limity) Další tabulky emisních limitů EURO pro různé kategorie vozidel Různé emisní v různých zemích: Japonsko, USA

20 EMISNÍ LIMITY PRO OXID UHLIČITÝ Dohoda mezi Evropskou komisí a třemi asociacemi výrobců automobilů (ACEA, JAMA a KAMA): program redukce emisí CO2: osobní automobily: 140 g/km (2008) 130 g/km (2015) 95 g/km (2020) lehká užitková vozidla: 175 g/km (2016) 135 g/km (2020) Limit 130 g/km platí jako průměrná hodnota vypočítaná ze všech vozidel vyrobených příslušným výrobcem Sankce: Při překročení limitu 130 g/km platí výrobce níže uvedené poplatky násobené počtem všech vyrobených vozidel: 5 EUR za překročení prvního g/km 15 EUR za překročení druhého g/km 25 EUR za překročení třetího g/km 95 EUR za překročení každého dalšího g/km Sankce: Od roku 2019 činí poplatek 95 EUR za překročení každého g/km

21 MĚŘENÍ EMISÍ OSOBNÍCH AUTOMOBILŮ Standardizované testy, které používají pro měření emisí a dalších parametrů (spotřeba, ) výrobci automobilů (nejedná se o pravidelné měření emisí ) jízdní zkouška vozidla na válcovém dynamometru (dvojice elektricky brzděných válců, které jsou v kontaktu s poháněnou nápravou) Odběr celého objemu produkovaných spalin zřeďování vzduchem (rosný bod C 20 C) analýza zředěných spalin: HC FID NOx chemiluminiscence CO IČ (NIR) PM filtrace (vyvážka) Emisní testy simulující městský (emise se odebírají ihned při startu) a mimoměstský provoz New European Driving Cycle Emisní hodnoty [g km -1 ]

22 EVROPSKÝ EMISNÍ TEST (NEDC) (městská část cyklu začíná startem studeného motoru) městský cyklus (ECE 15) mimoměstský cykl. (EUDC) Rychlost (km h -1 ) Čas (s)

23 NOVĚ OD ROKU 2017 (9)/2018 WOLDWIDE HARMONIZED LIGHT VEHICLES TEST PROCEDURE Rychlost (km h -1 ) fáze 1 cykl us (EC E 15) fáze 2 cykl us (EC E 15) fáze 3 cykl us (EC E 15) Čas (s)

24 WOLDWIDE HARMONIZED LIGHT VEHICLES TEST PROCEDURE (WLTP) Vyšší průměrná rychlost Vyšší maximální rychlost Více dynamický test (více akcelerace a decelerace) Kratší doba stání (volnoběh, rychlost: 0 km h -1 ) Ve srovnání s NEDC se WLTP více blíží skutečnému provozu vozidla Vyšší spotřeba paliva (l/100 km), resp. emise CO2 (g/km) Vyšší emise škodlivin (CO, HC, NOx, částice) + vozidlo musí absolvovat skutečnou jízdu, při které se měří emise škodlivin aparaturou umístěnou na vozidle - Real Driving Emission test (RDE) Hodnoty emisí škodlivin stanovené při RDE nesmí být vyšší než: 2,1 1,5 NÁSOBEK hodnot stanovených při laboratorním testu WLTP

25 MĚŘENÍ EMISÍ V REÁLNÉM PROVOZU