Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Katalytické systémy osobních automobilů Bakalářská práce Vedoucí práce: Ing. Jiří Čupera, Ph.D. Vypracoval: Milan Musil Brno 2011
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci s názvem Katalytické systémy osobních automobilů vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana AF MENDELU v Brně. dne.... podpis autora.
PODĚKOVÁNÍ Tímto bych chtěl poděkovat vedoucímu bakalářské práce panu Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za odborné vedení práce a za cenné rady, které mi během řešení této bakalářské práce vždy ochotně poskytoval.
ABSTRAKT Moje bakalářská práce je zaměřena na katalytické systémy osobních automobilů. Práce obsahuje řadu technických zařízení a systémů ke snížení škodlivin, které produkují spalovací motory. Ty se přes výfukové potrubí dostávají do ovzduší. V úvodu se zabývá základním rozdělením škodlivin a rozdělením podle typu motorů v závislosti na jejich emisní vlastnosti. V druhé části pojednává o katalyzátorech, se kterým úzce souvisí lambda sonda. Dále jsou zde popsány systémy k dodatečnému snižování škodlivin ve spalinách (např. systém EGR - systém, využívající recirkulaci vzduchu, nebo systém CSR systém využívající ke snižování emisí kapalinu AdBlue tj. močovina). V závěru jsem vyhodnotil měření škodlivin před a za katalyzátorem v závislosti na úhlu otevření škrtící klapky. Klíčová slova: emise, škodliviny, katalyzátor, DPF filtry ABSTRACT My bachelor work is focused on catalytic systems of private cars. There are lots of technical mechanisms and systems for reducing of toxic substances produced by combustion engines in the thesis. These substances go through the exhaust tube into the atmosphere. The first part of the work consists of the basic sorts of the substances and the basic kinds of engines according to the dependence on their emission levels. The second part of the work consists of the catalysts which are closely connected with lambda probe. In addition, I describe the systems for supplementary reducing the toxicants in combustion products (for example the EGR system making use of air recirculation or the CSR system deriving benefit from using the liquid AdBlue (urea) for emission reducing). Finally, I analyzed results of the measurement deals with the amount of the toxic substances in front of and behind the catalyst depending on the throttle valve opening. Key words: emissions, harmful pollutants, catalyst convertor, DPF filters
OBSAH 1 ROZBOR ZADÁNÍ... 8 1.1 ÚVOD... 8 1.2 CÍL PRÁCE... 9 2 PROBLEMATIKA A JEJÍ VYSVĚTLENÍ... 10 2.1 SLOŽENÍ VÝFUKOVÝCH PLYNŮ SPALOVACÍHO MOTORU... 10 2.2 CHARAKTERISTIKA SLOŽEK SPALIN... 11 2.3 ROZDĚLENÍ ŠKODLIVIN... 11 2.4 EMISNÍ LIMITY... 13 3 VZNIK ŠKODLIVIN A ZPŮSOBY SNIŽOVÁNÍ JEJICH PRODUKCE... 15 3.1 OBECNĚ ZNÁMÉ JEVY... 15 3.2 BENZINOVÉ ZÁŽEHOVÉ MOTORY... 17 3.3 VZNĚTOVÉ (NAFTOVÉ) MOTORY... 19 3.4 MOTORY POHÁNĚNÉ ALTERNATIVNÍMI PALIVY... 21 3.5 DODATEČNÁ ÚPRAVA SPALIN... 22 3.6 PŘÍPRAVA SMĚSI... 23 4 TECHNICKÁ ZAŘÍZENÍ KE SNÍŽENÍ ŠKODLIVIN... 25 4.1 KATALYZÁTORY... 25 4.1.1 Co je to katalyzátor a jeho využití... 25 4.1.2 Oxidační katalyzátory... 28 4.1.3 Redukční katalyzátory... 29 4.1.4 Dvoucestné katalyzátory... 29 4.1.5 Třícestné katalyzátory... 30 4.1.6 Čtyřcestné katalyzátory... 31 4.1.7 Zásobníkový katalyzátor NO x... 32 4.2 LAMBDA SONDA... 33 4.2.1 Vyhřívaná lambda sonda... 35 4.2.2 Odporová lambda sonda... 35 4.2.3 Širokopásmová lambda sonda... 35 4.3 SYSTÉM EGR... 36 4.4 SYSTÉM SCR... 37
4.5 SYSTÉM DENOXTRONIC... 38 4.6 FILTRY PEVNÝCH ČÁSTIC... 39 5 VYHODNOCENÍ KONCENTRACÍ SPALIN... 42 5.1 POPIS MĚŘENÍ... 42 5.2 TABULKY NAMĚŘENÝCH HODNOT... 44 5.3 GRAFICKÉ ZNÁZORNĚNÍ NAMĚŘENÝCH HODNOT... 46 6 ZÁVĚR... 51 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY A ZDROJŮ INFORMACÍ... 52 SEZNAM OBRÁZKŮ... 53 SEZNAM TABULEK... 54
1 ROZBOR ZADÁNÍ 1.1 Úvod V dřívějších dobách se ke snižování škodlivých polutantů z produkce spalovacích motorů nekladl takový důraz. Změna nastala koncem 80. let minulého století. To se tento problém, vlivem stále se zvyšujícího počtu automobilů, musel začít řešit. Postupem času se zvyšovali nároky vzhledem k životnímu prostředí. Snižování se týkalo oxidů dusíku, oxidu uhelnatého, nespálených uhlovodíků a pevných částic. To vedlo k vývoji jednoduchých technických zařízení, která byla schopna snižovat koncentraci škodlivých polutantů. Tento vývoj pokračoval a na světlo světa se dostávali čím dál výkonnější zařízení (katalyzátory, systém SCR, systém EGR a další), která jsou schopna výrazně snížit škodliviny ve výfukových plynech. Dnešní automobilky vyrábějí automobily a jejich prioritní snahou je vyrobení automobilu s co nejpříznivějšími emisními vlastnostmi. Emise škodlivin je jedním z nejdůležitějších parametrů motoru, především vzhledem k ekologii. Emisní vlastnosti jsou dále kontrolovány i v průběhu provozování. Dobré parametry emisí jsou nutnou podmínkou komerční úspěšnosti výrobku. Výsledné složení spalin je nejlepším ukazatelem kvality spalovacího procesu. Bakalářská práce popisuje v úvodní kapitole složení výfukových plynů a jejich dopad na životní prostředí i na člověka. V další části se zabývá emisemi a srovnání s jednotlivými typy motorů. Bakalářská práce se dále věnuje technickým zařízením ke snížení škodlivých polutantů u osobních automobilů. Jednotlivá zařízení na sebe navazují tak, jak se po sobě objevovala na trhu, až po nejmodernější zařízení, která jsou budoucností v tomto odvětví. V poslední kapitole je znázorněno vyhodnocení koncentrací spalin před a za katalyzátorem, které tvoří praktickou část bakalářské práce. 8
1.2 Cíl práce Cílem bakalářské práce je objasnit pojmy týkající se emisí, dále škodlivin vycházejících z výfukového potrubí do ovzduší. Dále bych chtěl shrnout technická zařízení ke snížení škodlivin produkovaných osobními automobily do atmosféry. Hlavní technické zařízení je katalyzátor a od něj se odvíjí další - lambda sonda, systémy využívající recirkulaci vzduchu (systém EGR), systémy SCR (využívající kapalinu AdBlue - močovina), systém Denoxtronic a filtry pevných částic (DPF filtry). Hlavním cílem této bakalářské práce je vyhodnocení koncentrací spalin. Součástí je i grafické znázornění, které by mělo lépe objasnit danou problematiku a poskytnout čtenářům lepší pohled na danou práci. 9
2 PROBLEMATIKA A JEJÍ VYSVĚTLENÍ 2.1 Složení výfukových plynů spalovacího motoru Spalováním uhlovodíkového paliva se vzduchem vzniká dokonalou oxidací uhlíku a vodíku obsaženého v palivu oxid uhličitý (CO 2 ) a voda (H 2 O). Nedokonalou oxidací uhlíku a vodíku vznikají ve spalinách oxid uhelnatý (CO) a vodík (H 2 ). Použitím vzduchu jako okysličovadla je vždy, co se týče obsahu, nejvýznamnější složkou spalin dusík (N 2 ). Kyslík (O 2 ) je obsažen ve výfukových plynech v případě, když se celé množství nepoužije k oxidaci paliva, jelikož byl v čerstvé směsi v přebytku, nebo se nevyužil z jiných důvodů. Vlivem vysokých teplot ve spalovacím prostoru vznikají oxidací vzdušného dusíku oxidy dusíku (NO x ), který se sestává zejména z oxidu dusnatého (NO) a menšího množství oxidu dusičitého (NO 2 ). Při značně nepříznivých globálních, či lokálních podmínkách pro oxidaci paliva obsahují plyny také nespálené uhlovodíky (HC) různého složení (co do obsahu jednotlivých uhlovodíků). U motorů s vnější tvorbou směsi se tato složka objevuje jako součást spalin. Z důvodu úniku části čerstvé směsi přímo do výfukového traktu zkratovým vyplachováním. Za absolutního nepřístupu vzduchu (uvnitř kapičky kapalného paliva) se vytváří při vysoké teplotě dekompozice molekul uhlovodíků, jímž výsledkem je přítomnost pevného uhlíku (sazí) ve spalinách. Spolu s výfukovými plyny odchází z motoru velmi malé množství dalších pevných částic. Jako jsou prach, popel, vysokomolekulové produkty tepelné degradace mazacího oleje, částečky rzi atd. Pro označení nespálených uhlovodíků se používají následující zkratky C x H y, C n H m, CH, CH x. Další možností je sumární chemický vzorec některého individuálního uhlovodíku. Dalším prvkem obsaženým v některých uhlovodíkových palivech je síra (S), která vytváří při spalování v motoru oxidy síry (SO x ), které se následně přenášejí do spalin. Dále sloučeniny olova (Pb) jsou přítomny ve výfukových plynech motoru spalujícího benzín s antidetonační přísadou obsahující olovo. Produkce oxidů síry a sloučenin olova je sledována nepřímo limitováním obsahu síry, resp. olova v palivu. [2] Z těchto komponent se mezi sledované škodliviny řadí CO, NO x, HC a to jak u zážehových i vznětových motorů. Dále saze a jiné částice, které se sledují pouze u vznětových motorů. 10
2.2 Charakteristika složek spalin Jak již vyplývá ze samotného označení dané složky, jako škodliviny je jasné, že její produkce by měla být konstrukcí motoru a jeho provozem co nejvíce minimalizována. Daná minimalizace je ovšem většinou spojena se zhoršením jiných vlastností motoru (např. produkce jiných škodlivin), proto je vhodné v otázce emisních parametrů nasadit optimalizační postupy. Pro určení nejvýhodnějších postupů je nutno přihlédnout ke způsobu a intenzitě působení jednotlivých složek, jakož je celkový antropogenní podíl na přítomnosti příslušné složky v přírodě, podíl provozu motorů na antropogenním zamoření životního prostředí příslušnou složkou. Dále souvislost imisní a klimatické situace v různých lokalitách a důležitost jednotlivých režimů provozu motorů z hlediska globálních ekologických parametrů. Komplikací je relativní krátká doba, kterou jsou spalovací motory masově používány a tudíž nedostatkem podkladů pro zjištění dlouhodobých účinků. Subjektivním zdrojem komplikací je tendenční interpretace ekologických parametrů (např. při snaze o prosazení daného typu alternativního pohonu atd.) Účinky na lidský organismus závisí především na individuálních dispozicích a z pochopitelných důvodů nelze v některých aspektech cíleně experimentovat. [2] 2.3 Rozdělení škodlivin Oxid uhelnatý je v bezprostředním styku s lidským organizmem jedovatý. Váže se intenzivněji než kyslík na krevní barvivo za vzniku karboxylhemoglobinu. Blokuje tím funkci dýchacích barviv (distribuci vzduchu) a poškozuje jednotlivé orgány nedostatkem kyslíku. Obr. 1 Účinky oxidu uhelnatého na lidský organismus [2] 11
Obr. 1 nám ukazuje jaká je souvislost mezi koncentrací CO, dobou expozice a zdravotními účinky. CO je vlastně nervovým jedem, protože právě mozek je největším orgánem na dodávku kyslíku. CO se podílí na vzniku fotochemického (tzv. letního) smogu. Celková roční emise CO z antropogenních zdrojů je přibližně srovnatelná s přírodními emisemi. To jsou emise vyprodukované přírodou bez vlivu člověka. Podíl pístových spalovacích motorů na množství emitovaných lidskou činností je v řádech desítek procent. Další sloučeninou působící na lidský organizmus je oxid dusnatý. Jeho přímá škodlivost na živý organizmus je velmi nízká. Všeobecně je známo, že při delším pobytu v atmosféře dochází k oxidaci NO na NO 2 jehož škodlivost je závažnější než u CO. Důsledkem je pocit dušení a nucení ke kašli. Oxidy dusíku jsou sledovány ale především kvůli významnému podílu na tvorbě letního smogu. Podobně jako u CO je podíl spalovacích motorů na množství emitovaných lidskou činností je v řádech desítek procent. Další skupinou škodlivin jsou sloučeniny označované jako nespálené uhlovodíky, které jsou ve skutečnosti směsí individuálních komponent, jejichž škodlivost je různá. Nejmenší vliv na organizmus mají uhlovodíky, které jsou obsaženy v palivech a ve spalinách se objevují zejména v důsledku přímé ztráty paliva zkratovým vyplachováním. Hygienicky přípustná koncentrace těchto složek (např. alifatických uhlovodíků) se určuje podle čichového prahu, nikoli podle toxických účinků. Částice vysílané vznětovými motory obsahují zejména pevný uhlík ve formě sazí (neboli pevné částice). Tato látka není sama o sobě toxická. Na pevných částicích jsou ovšem pohlcovány látky s vysokou zdravotní závadností. Kontaminované částice se mohou usazovat v plicních sklípcích organizmů a umožnit dlouhodobé působení karcinogenů. Funkce nosiče rakovinotvorných látek je hlavním důvodem k výrazně negativnímu hygienickému hodnocení vysílaných částic. Částice jsou též hlavní příčinou výskytu zimního smogu, který je typický pro stav teplotní inverze. Oxid uhličitý je produktem dokonalé oxidace a jeho přítomnost ve spalinách je důsledkem kvalitně uskutečněného spalovacího procesu. Negativně působí CO 2 na životní prostředí vytvářením radiační clony omezující sdílení tepla ze zeměkoule sáláním. Obecně vžitý název pro tento jev je skleníkový efekt. Skleníkový efekt je podporován i fotochemicky produkovaným přízemním ozónem. Na jeho vzniku se podílí látky, které jsou vysílány ve výfukových plynech spalovacího motoru (NOx a těkavé organické látky). [2] 12
2.4 Emisní limity Veškeré zdroje emitující do ovzduší škodlivé látky jsou celostátně sledovány v rámci tzv. Registru emisí a zdrojů znečišťování ovzduší (REZZO). Databázi REZZO spravuje za celou Českou republiku Český hydrometeorologický ústav (ČHMÚ). Jaký je vlastně rozdíl mezi emisí a imisí? Emise je množství znečišťujících příměsí dostávajících se z určitého zdroje do ovzduší. Imise je množství znečišťujících příměsí ve vzduchu, což je důsledek emisí. Evropská unie a tím pádem i jednotlivé vlády členských zemí samozřejmě tlačí, aby byly normy co nejpřísnější. Technologie se neustále zlepšují, proto je možné požadovat po výrobcích automobilů, aby jejich výrobky byly stále ohleduplnější k životnímu prostředí, tudíž produkovali stále menší koncentrace škodlivých látek. [18] Tab. 1 Emisní normy [18] Již dávno si celá Evropa uvědomila, že je potřeba tento problém řešit a vymýtit z ulic kouřící vozy. Logickým vyústěním bylo zavedením norem, které přikazují automobilkám maximální přípustné hladiny jedovatých plynů a nežádoucích příměsí 13
ve výfukových plynech. Emisní normy jsou označovány podle zákona jako Euro a číslicí podle platné právní normy. Tyto normy jsou časově omezené. Pro lepší orientaci například dnes platí norma Euro 4, ale od ledna letošního roku (2011) vešla v platnost norma Euro 5 pro všechny nové vozy. Emisní normy určují množství nežádoucích škodlivin ve výfukových plynech, zejména oxidy uhlíku (oxid uhelnatý CO a oxid uhličitý CO 2 ), nespálené uhlovodíky HC, oxidy dusíku NO x a pevné částice (saze) PM. Vývoj množství v gramech na kilogram jednotlivých částic je znázorněn v tab. 1. Jenže některé navrhované limity nebyly pro automobilky takřka splnitelné. Dostat se k nim mohli výrobci jen za cenu velmi vysokých investic, které se pochopitelně dramaticky promítly do cen osobních automobilů a tady i do zájmu obyvatel o nové automobily. Výsledkem tohoto by bylo, že by si lidé nechávali staré auta s větší kouřovou clonou za výfukem. S tím pochopitelně jednotlivé automobilky nesouhlasily a výsledkem bylo, že se normy začaly změkčovat, nebo se odsouvají termíny jejich platnosti. Příkladem tohoto je i norma Euro 5, která měla být zavedena v září roku 2009, ale vešla v platnost až v lednu letošního roku pro všechny automobily bez výjimky. Na druhou stranu je to tak, že v produkci jedovatých a skleníkových plynů nevede automobilová doprava, ale domácnosti. Spalování tuhých či ropných paliv bez jakéhokoliv dodatečného čištění dnes však nemá žádné tvrdé legislativní omezení. Podobně je na tom letecká doprava, která je označována za jednu z nejšpinavějších doprav, či lodní doprava. Následující tvrzení dokládá například i studie japonských vědců. Ta poukazuje na fakt, že patnáct největších lodí světa vyprodukuje za rok do ovzduší tolik jedovatých látek, jako 760 milionů automobilů. [18] Obr. 2 Pokles škodlivin v závislosti na normách Euro [20] 14
3 VZNIK ŠKODLIVIN A ZPŮSOBY SNIŽOVÁNÍ JEJICH PRODUKCE 3.1 Obecně známé jevy Oxid uhelnatý je produktem nedokonalé oxidace uhlíku obsaženého v uhlovodíkovém palivu. Hlavní důvod jeho výskytu ve spalinách je nedostatek kyslíku ve spalované směsi, tedy provoz při součiniteli přebytku vzduchu λ < 1. Koncentrace CO při spalování bohaté směsi v zážehovém motoru dosahuje řádově jednotky %, výjimečně při spalování extrémně bohaté směsi může překročit 10%. Bohatá směs je slovním přepisem zápisu λ < 1. Chudá směs je ekvivalentem nerovnosti λ > 1. Pro slovní opis stavu λ = 1 se používá název stechiometrická směs. Nedostatek kyslíku může být místní (v některých válcích víceválcového motoru, nebo v některých oblastech spalovacího prostoru), nebo časový (při průměrné hodnotě součinitele přebytku vzduchu v okolí hodnoty λ = 1 se spaluje v některých pracovních obězích bohatá směs jako důsledek časové změny směšovacího poměru). CO je pak přítomen ve spalinách společně s kyslíkem. Vlivem vysokých teplot ve spalovacím prostoru se přírodní síly brání dalšímu zvyšování teplot, termodynamická rovnováha se posouvá směrem k většímu obsahu vstupních látek exotermických reakcí (např. CO nebo H 2 ) v rovnovážné směsi za současného snižování obsahu produktů exotermických reakcí (např. CO 2 a H 2 O). Daný jev se nazývá disociace spalin. Složení rovnovážné směsi je jednoznačně definované stavovými vlastnostmi reagující směsi (tlakem a teplotou) a hmotovou bilancí (obsahem jednotlivých prvků ve směsi) a pro dané podmínky lze koncentraci složek v rovnovážné směsi lehce vypočítat. Přírodní síly automaticky nastaví směr průběhu jednotlivých dílčích chemických reakcí tak, aby se složení reagující (hořící) směsi posouvalo ve směru k ustálení rovnováhy. Skutečné složení produktů reakcí (spalin) je při vysoké teplotě blízké rovnovážnému (např. s daným obsahem CO). Disociace spalin je řízena prioritně zákonitostmi chemické termodynamiky. [2] Někdy se ovšem naměří ve spalinách koncentrace CO vyšší než jaká vychází z výpočtu rovnovážného složení pro maximální teplotu při spalování. Tady je příčinou nedostatečná reakční rychlost jednotlivých dílčích reakcí oxidace uhlovodíkového paliva, ve kterých figuruje CO jako produkt počátečních etap reakčního řetězce. Zpomalení 15
reakcí ve fázi, kdy má dojít k oxidaci CO na CO 2 je pak příčinou výskytu CO ve spalinách. V otázce příčin emisí nespálených uhlovodíků, které jsou také produktem nedokonalého průběhu oxidační reakce (resp. totální absence průběhu této reakce) platí analogicky úvahy, odvozené v popisu mechanizmů emise CO s jistými odchylkami. V praxi to znamená, že emise uhlovodíků při spalování extrémně chudé směsi (s nízkou reakční rychlosti) je (co do množství emitované složky) podobná s emisí uhlovodíků při spalování bohaté směsi. Zvýrazňuje se vliv oblastí s nízkou teplotou hoření (blízkost stěn, úzké štěrbiny) a v souvislosti s emisí uhlovodíků se tyto oblasti nazývají zhášecí zóny. Na rozdíl od CO jsou ale palivové uhlovodíky přítomny v čerstvé směsi tj. před zahájením spalovacího procesu. Jejich výskyt ve spalinách v nadrovnovážné koncentraci tedy není v rozporu s logikou popisu jednotlivých mechanizmů. Shodnou vlastností CO a nespálených uhlovodíků je skutečnost, že tyto složky jsou palivy. Jejich výskyt ve spalinách tedy kromě nežádoucího vlivu na životní prostředí znamená energetickou ztrátu, protože jejich oxidací by bylo možno zvýšit množství tepla přivedeného pracovní látce a následně využito přeměnou na mechanickou energii. [2] Oxidy dusíku vznikají oxidací vzdušného dusíku dodávaného do válce motoru společně s kyslíkem potřebným pro oxidaci paliva. Klíčovým procesem z hlediska přítomnosti oxidů dusíku ve výfukových plynech při spalování přibližně stechiometrické směsi je výskyt poměrně vysoké rovnovážné koncentrace NO ve fázi pracovního oběhu s vysokou teplotou následovaný dramatickým snížením reakční rychlosti dekompozice NO po poklesu teploty náplně válce v průběhu expanzního zdvihu pístu. Zpomalení (exotermické) reakce rozpadu NO je tak důležité, že se pro jeho popis používá termín zmrazení koncentrace NO. Obr. 3 Tvorba NO ve válci motoru [2] 16
Na obr. 3 se pro přehlednost uvádějí průměrné hodnoty teploty a koncentrací pro celou náplň válce. Ve skutečnosti je nutno proces tvorby a rozpadu NO vyšetřovat pro časový vývoj místních podmínek. Vlivem snížení spalovacích teplot klesne hodnota maxima rovnovážné koncentrace NO a zejména se snižuje rychlost tvorby NO, zmrazení navazuje na počáteční fázi vzestupné větve průběhu skutečné koncentrace a koncentrace NO ve spalinách se snižuje. Při spalování velmi bohaté směsi je intenzita oxidace dusíku do jisté míry snížena nedostatkem kyslíku, dusíku je ale stále dostatek. Z hlediska vztahu energetických a emisních parametrů motoru je ovšem významná skutečnost, že emise oxidů dusíku je zvyšována prakticky všemi opatřeními, která vedou k dobré energetické účinnosti motoru. Hlavní důvodem vysoké emise pevných částic je hlavně velká nehomogenita směsi (směřující k hodnotě λ = 0 uvnitř kapiček kapalného paliva, za nepřístupu vzduchu). Emise pevného uhlíku souvisí zejména s kvalitou rozprášení paliva při jeho vstřikování do válce vznětového motoru. Je zřejmé, že přísun kyslíku k částicím paliva se zlepšuje se zvětšováním celkového množství vzduchu, tudíž se emise částic snižuje s rostoucí hodnotou λ. Vznětové motory pracují i při plné přípusti paliva s hodnotami součinitele přebytku vzduchu, jejichž použití u zážehového motoru by bylo označeno za provoz s extrémně chudou směsí. [2] Oxid uhličitý je produktem dokonalé oxidace uhlíku a pro námi dané složení směsi je jeho vysoký obsah ve výfukových plynech indikátorem dokonale uskutečněného spalovacího procesu po stránce energetické i emisní. Cesta ke snižování produkce CO 2 vede přes snižování spotřeby paliva, případně používání paliva s menším podílem uhlíku. 3.2 Benzinové zážehové motory Koncentrace škodlivin ve spalinách je výrazně závislá na složení spalované směsi a na teplotě, při které proběhne spalovací reakce. Teplota je ovšem funkcí energetické hustoty směsi (výhřevnosti směsi - a tedy směšovacího poměru). Proto je nejdůležitějším faktorem určující složení spalin součinitel přebytku vzduchu. Na obr. 4 se uvádí závislost koncentrace škodlivin na hodnotě λ při spalování homogenní směsi v zážehovém motoru. Daná závislost se nazývá regulační charakteristika, měří se při stálých otáčkách, stálé přípusti směsi (při plně otevřené škrtící klapce) a při neproměnném okamžiku zážehu. 17
Obr. 4 Základní vlastnosti benzínového motoru [2] Největší hodnota λ se nachází v blízkosti chudé meze zápalnost. Naopak nejnižší hodnota λ není definována žádnou fyzikální okolností. Avšak již na první pohled je zřejmé, že při dalším obohacování se zhoršují prakticky všechny vlastnosti motoru, tudíž tato oblast režimů je nezajímává z praktického hlediska již při vyšší hodnotě λ, než odpovídá bohaté směsi zápalnosti. Na obr. 4 je dobře vidět vliv nedostatku kyslíku při λ < 1 na nárůst koncentrace CO a HC. Na obr. 4 jsou uvedeny i základní energetické parametry motoru, tedy celková účinnost (η C ) a střední efektivní tlak p e. Při konzervativním návrhu charakteristiky palivové soustavy se jednotlivým režimům práce motoru přidělují směšovací poměry z oblasti mezi maximem p e (mírně bohatá směs, která se využívá v režimech s plně otevřenou škrtící klapkou) a maximem η C (mírně chudá směs - požadavek co nejvyšší účinnosti se zdůrazňuje při částečném zatížení motoru). Při zahrnutí koncentrace škodlivin v surových spalinách do seznamu kritérií je možné udělat ještě jemnou optimalizaci na vhodnou střední cestu mezi emisí CO a NO x v oblasti hodnoty λ = 1. Z faktorů, které nejsou viditelné u obr. 4 je nutno určitě zmínit vliv okamžiku zážehu. Zvyšování předstihu zážehu způsobuje hlavně zvýšení koncentrace NO x v celém rozsahu regulační charakteristiky a posunutí maxima koncentrace této složky směrem k vyšším hodnotám λ. Najednou se převážně zvyšuje koncentrace produktů nedokonalé oxidace v oblasti extrémního ochuzení směsi.s poklesem zatížení (přivíráním škrtící klapky) klesá koncentrace NO x v celém rozsahu regulační charakteristiky. Při dimenzování a optimalizaci spalovacího systému se využívá řada opatření (tvar spalovacího prostoru, organizace pohybu náplně), které ovlivňují parametry motoru, 18
jimiž jsou energetické i emisní. Jejich popis by však výrazně přesahoval objem, který lze této otázce věnovat. [2] Obr. 5 Úplná charakteristika benzínového motoru [2] Příkladem společného působení všech uvedených vlivů se na obr. 5 uvádí úplná charakteristika benzínového motoru. 3.3 Vznětové (naftové) motory Obr. 6 Základní vlastnosti vznětového motoru [2] Následující obr. 6 znázorňuje závislost vlastností vznětového na složení směsi. Jde o závislost motoru s atmosférickým plněním. Oproti obr. 4 se základními vlastnostmi zážehového motoru je zde řada důležitých odlišností. Naftový motor je regulován kvalitativně, proto závislost parametrů na složení směsi je zvláštním případem ukázky zatěžovací charakteristiky. Nejvyšší hodnota λ na obr. 6 je dána vlivem nejnižšího zatížení 19
motoru (nejnižší hodnotou efektivního výkonu p e ), při kterém se uskutečnilo toto měření. Při běhu naprázdno pracuje naftový motor s λ = přibližně 10. [2] Emise pevného uhlíku (sazí) se výrazně zvyšuje se snižováním přebytku vzduchu. Na průběhu koncentrace NO x je dobře patrný vliv zpomalení tvorby NO s rostoucím λ. Daná křivka je ale výrazně plošší oproti popisu stejné závislosti při spalování homogenní směsi na obr. 4. Je to dáno tím, že při velkém podílu difuzního dohořívání probíhá vlastní spalovací proces při hodnotě součinitele přebytku vzduchu λ = 1 (při vysoké teplotě) a spaliny jsou ředěny na průměrnou hodnotu λ vzduchem, který nebyl přítomen v oblasti hoření. Obr. 7 Úplná charakteristika vznětového motoru [2] Na rozdíl od benzínového motoru jsou nejvyšší hodnoty koncentrace oxidu uhelnatého výrazně nižší, to lze předpokládat vzhledem k vyšším hodnotám λ. Značný je podíl zvyšování emise CO s rostoucím přebytkem vzduchu současně pokles zatížení pokles teploty nižší reakční rychlost). V místě nejnižších uvedených hodnot λ se vyznačuje nehomogenita směsi uvnitř spalovacího prostoru a koncentrace CO se zvyšuje jako začátek strmého nárůstu produkce částic. Všeobecným prostředkem ke snižování množství zastoupení škodlivin v surových výfukových plynech naftového motoru je zajištění stálé vysoké hodnoty λ. Při současném požadavku na docílení vysoké hodnoty středního efektivního tlaku se jeví jako velmi výhodné využití přeplňování a chlazení plnícího vzduchu. [2] Energetické i emisní vlastnosti vznětového motoru lze v rozsáhlých mezích ovládat návrhem tvaru spalovacího prostoru, charakterem a intenzitou pohybu náplně a (na rozdíl od zážehového motoru) počtem, velikostí a nasměrováním výstřikových otvorů 20
vstřikovací trysky, velikostí vstřikovacího tlaku a jeho průběhu po dobu vstřikovacího procesu. Některé tyto okolnosti se však také mění samovolně v závislosti na okamžitém režimu běhu motoru. Na obr. 7 je znázorněna úplná charakteristika vznětového motoru a její vývoj emisních koncentrací. Jde opět o motor s atmosférickým plněním, který má stejné základní rozměry jako benzinový motor, který je uveden na obr. 5. To nám dává možnost alespoň částečně porovnat "za jinak stejných podmínek", i když změna druhu paliva, velikost a tvarem spalovacího prostoru, způsobu přípravy směsi a způsobu zapálení a spalování takovou formulaci značně zpochybňuje. 3.4 Motory poháněné alternativními palivy Motory na alternativní paliva jsou jednou z možností jak zlepšit emisní parametry. Jejich skutečný, či domnělý mechanismus ekologických předností je obestřen řadou spekulací. Existují paliva, která svým samotným složením ovlivňují určitý emisní parametr. Veškerá paliva obsahující kyslík (methylester řepkového oleje, emulze nafty s vodou, alkoholy) se vyznačují menším sklonem k vytváření pevného uhlíku při spalování ve vznětovém motoru. [3] Obr. 8 Úplná charakteristika plynového zážehového motoru [2] Je zřejmé, že činnost daných mechanismů tvorby plynných škodlivin není závislá na složení paliva, jestliže se zachová jeho uhlíková povaha a nezmění se výrazně jeho spalovací vlastnosti. Na obr. 8 je uvedena úplná charakteristika koncentrací oxidu uhelnatého a NO x v suchých spalinách pro motor se stejnou mechanickou stavbou jako motory, které jsou na obr. 5 a 7. Zde je ovšem úplná charakteristika naměřená při provozu na zemní plyn. Porovnáním s obr. 5 dojdeme k tomu, že emisní parametry jsou přibližně stejné. [2] Emisní předností paliv s vysokým obsahem metanu (zemní plyn, bioplyn) je menší emise CO 2 (menší podíl uhlíku v palivu) a nižší reaktivita nespálených uhlovodíků na 21
tvorbu letního smogu. Nevýhodou je vyšší odolnost málo reaktivního metanu (tvořícího hlavní složku nespálených uhlovodíků) proti dodatečné likvidaci (viz kapitola 3.5). Nejvýznamnější předností lehkých uhlovodíků parafínové řady (metanu, propanu a butanu) jako motorových paliv je jejich velmi vysoká antidetonační odolnost, která umožňuje účinné zvyšování středního efektivního tlaku zážehového motoru přeplňováním. Díky tomu může motor pracovat s adekvátním měrným výkonem i v oblasti extrémního ochuzení směsi. Takto seřízený plynový zážehový motor se vyznačuje velmi nízkou koncentrací CO a NO x v neupravených výfukových plynech. [3] 3.5 Dodatečná úprava spalin Prozatímní myšlenky, týkající se emisních vlastností motorů, se zabývali pouze složením surových spalin (stav, kdy jsou spaliny vytlačovány z válce motoru do výfukového traktu v průběhu výfukového taktu). V dnešní době se u moderních spalovacích motorů vlivem snahy snižovat negativní účinky na okolí výfukové plyny dodatečně upravují. U klasických benzínových motorů (osobní automobily) je tato úprava spalin v katalytickém reaktoru klíčovou slovem z hlediska výsledných emisních vlastností motorů a jejich parametrů. Na obr. 9 je znázorněna technická účinnost tzv. třícestného katalyzátoru (TWC Three Way Catalyst - název odvozen z teorie, že katalyzátor tohoto typu je účinný v oblasti dodatečné likvidace všech tří nejdůležitějších skupin škodlivin, tedy oxid uhličitý, oxidy dusíku a nespálených uhlovodíků), která je velmi strmě závislá na směšovacím poměru (viz. 4.1.5). Tento jev je zapříčiněn tím, že procesu hoření ve spalinách bohaté směsi není přítomen kyslík pro dodatečnou oxidaci. Na druhou stranu dodatečná likvidace oxidu dusnatého vede k reakci s produkty nedokonalou oxidací (H 2, CO). Obr. 9 Technická účinnost katalyzátoru [2] 22
Vlivem tohoto faktu pracují moderní zážehové motory se zpětnovazební regulací směšovacího poměru signálu λ-sondy, která průběžně analyzuje okamžitou koncentraci O 2 ve výfukových plynech. Z obr. 9 je vidět, že katalytický reaktor ovlivňuje pozitivně složení spalin při každém směšovacím poměru, avšak jeho účinnost je vlivem odlišné složení směsi než λ = 1 pro určitou složku škodlivin horší či lepší. Pro motory s chudou koncepcí (plynové) se využívá oxidačních katalyzátorů, které se vyznačují snižováním koncentrace oxidu uhelnatého a hlavně snižováním nespálených uhlovodíků (viz. 4.1.2). Vznětové motory používají ojediněle oxidační katalyzátory. Tyto katalyzátory se používají kvůli tomu, že likvidují zápach plynoucí z výfukových plynů, tím tedy likvidují hlavně nenasycené aldehydy. V určitých případech se používá zachycovač částic, jinak nazývaný jako filtr sazí. [2] 3.6 Příprava směsi Zavedení přímého vstřikování benzínu do spalovacího prostoru si vyžádalo konstrukční řešení úprav části motoru. Zaprvé byl změněn sací kanál, který vyúsťuje do válce motoru více kolmo. Tímto dojde k dokonalejšímu využití turbulence nasávaného vzduchu. Další úprava se týká změny tvaru dna pístu. Hlava válce je upravena pro uchycení vstřikovacího ventilu. K přípravě směsi paliva se vzduchem dochází ve válci motoru. Tato technologie je velmi podobná přípravě směsi u vznětového motoru. Tím odpadá dlouhá doprava směsi sacím potrubím, jak tomu bylo u starších typů vstřikování směsi nepřímým vstřikováním. Tyto konstrukční řešení vstřikovacích systémů u zážehových motorů jsou vedeny za účelem zvýšení účinnosti. Obecně je totiž známo, že zážehové motory mají nejnižší účinnost ze všech typů spalovacích motorů. Zvýšení účinnosti se docílí zejména snížením tepelných ztrát a zvýšením tlaku ve válci motoru. Toho je dosaženo zvýšením kompresního poměru, který vyvolá zvýšení tlaků ve válci na konci kompresního zdvihu. Účinnost motoru stoupá i se součinitelem přebytku vzduchu λ (nejvyšší je při λ = 1,1-1,3). Z toho vyplývá, že motor s přímým vstřikováním paliva pracuje s vysokým přebytkem vzduchu, vyšší účinností a nižší spotřebou paliva. Motory využívající přímé vstřikování benzínu zlepšují účinnost i změnou procesu spalování různých druhů úpravy směsi paliva se vzduchem, a protože je směs tvořena přímo ve válci motoru, je i vyšší odolnost proti detonačnímu hoření. Pro nízký obsah emisí a dokonalé spálení je velmi důležité dokonalé promíchání paliva se vzduchem a jeho zplynování. Zatímco motory s nepřímým vstřikem (nebo karburátorové motory) 23
odebírají potřebnou teplotu ke zplynování ze vzduchu a sacího potrubí. U přímého vstřikování je odebíráno teplo ze vzduchu zahřátého při kompresi, ze stěn válce a spalovacího prostoru. To umožňuje vyšší stupeň komprese, protože směs ve válci má nižší teplotu a nehrozí její samovznícení. Tepelné ztráty se dají dále snížit použitím vhodného tvaru spalovacího procesu. Už delší dobu se u zážehových motorů používá kompaktní tvar, polokulovitého spalovacího prostoru, který řeší vhodné umístění zapalovací svíčky do jeho středu a současně umožňuje použití více ventilového řešení u motoru. Ten dále snižuje i ztráty tepla vedením a ztráty při výplachu válce = ztráty škrcením. [6] Konstrukce spalovacího prostoru a způsoby přípravy směsi paliva se vzduchem umožňují u přímého vstřikování paliva to, že do prostoru zapalovací svíčky je vstříknuto palivo, které vytváří směs, ta je dobře zapalitelná a je obklopena po krajích spalovacího prostoru pláštěm plynů. Tyto plyny se ale nepodílejí na procesech hoření. Směs je dále obohacena přisátými výfukovými plyny, tím je vytvořen prostor pro zamezení úniku tepla do stěn válce a hlavy v okrajích spalovacího prostoru. Rozdělením vstřiku na více částí (i do okamžiku těsně před zážehem) je spalovací prostor rozdělen do dvou částí. Část s bohatší směsí kolem zapalovací svíčky a druhou částí jsou okraje spalovacího prostoru, který vytváří ochranný obal a výsledkem je snížená hodnota tepelných ztrát z úniku tepla do stěn válce a snížení ztrát škrcením při výměně plynů ve spalovacím prostoru. Motor potom může pracovat i s nejvíce otevřenou škrtící klapkou. Ztráty způsobené škrcením jsou u starších konstrukcí motoru velmi vysoké a jejich příčinou je hlavně škrtící klapka. Poloha škrtící klapky ovlivňuje rychlost proudění vzduchu v sacím potrubí a dávkuje jeho množství. Čím méně je otevřená, tím je ve spalovacím prostoru menší tlak. Při přímém vstřiku je škrtící klapka i při volnoběhu více otevřená. Velikost točivého momentu je přímo závislá na množství vstřikovaného paliva. Tím je tento typ docela podobný vznětovému motoru. Množství vzduchu a okamžik zážehu tak mají menší význam na výkon, než tomu bylo u starších konstrukčních řešení přípravy směsi pro zážehové motory (nepřímé vstřikování, karburátory). [6] 24
4 TECHNICKÁ ZAŘÍZENÍ KE SNÍŽENÍ ŠKODLIVIN 4.1 Katalyzátory 4.1.1 Co je to katalyzátor a jeho využití Pojem katalyzátor pochází z řeckého slova katalysis, jehož význam znamená rozklad. Z chemického hlediska se jedná o látku, která urychluje nebo umožňuje chemickou reakci, ale sama se reakcí nemění. Katalyzátor výfukových plynů je zařízení, které je vřazeno do výfukového potrubí automobilů a chemickými reakcemi mění škodlivé složky výfukových plynů na chemické sloučeniny nebo prvky, které jsou pro člověka a přírodu neškodné. Katalyzátory obsahují účinnou chemickou látku (většinou ušlechtilé kovy např. rhodium, platinu nebo iridium). Dále obsahují keramický nebo kovový nosný materiál a regulační zařízení k řízení katalytického procesu. Katalyzátor tedy není žádný filtr, který zachycuje nečistoty, ale působí svojí přítomností. Bohužel však nemá vliv na snižování emisí skleníkových plynů, především oxidu uhličitého, způsobujících globální klimatické změny. Jejich snižování je možné jen cestou snižování spotřeby paliva resp. nahrazením fosilních paliv obnovitelnými zdroji. [10] Na trhu se vyskytuje celá řada dodavatelů výfukových systémů, asi tou největší je firma Bosal, která je důležitým partnerem řady automobilek ve vývoji výfukových systémů a uvádění nových technologií umožňujících zlepšení jejich vlastností. Dále firmy Walker, Arvin, Imasaf nebo Leistritz. Obr. 10 Řez katalyzátorem (Bosch) [4] 25
Mluvíme-li o katalyzátoru, musíme si představit nádobu, jejíž tvar a velikost je různý podle různých typů automobilů. Katalyzátor je tvořen a nosičem (monolitem), který je potažen aktivní katalytickou vrstvou. V současnosti se využívají buď keramické, nebo kovové (metalické) nosiče. Nosiče jsou složeny z velkého množství buněk, připomínající medové plástve, čímž vytváří velký povrch, který zaručuje vysokou účinnost. Povrch nosiče je potažen nosnou vrstvou oxidu hlinitého (Al 2 O 3 ), který je pokrytý vrstvičkou katalytického kovu (obr. 10). Účinnost katalyzátoru zvýšíme rovnoměrným rozprostřením ušlechtilých kovů. Přeměna škodlivých výfukových plynů probíhá za vysoké teploty, proto se umisťuje mezi podlahu vozidla a katalyzátorem tepelný štít. [1] Výfukové plyny vycházející nedokonalým spalováním v motoru procházejí sběrným výfukovým potrubím do katalyzátoru, dále do monolitu s drobnými kanálky s vrstvou drahých kovů (obr. 11). Aby tato vrstva umožnila přeměnu spalin, je zapotřebí dosáhnout určité teploty. Většina katalyzátorů pracuje v intervalu 300 800 C (obr. 12). Obr. 11 Schéma katalyzátoru (Bosch) Popis obrázku: 1 - plášť katalyzátoru, 2 - katalytický substrát, 3 - základní kovový nebo keramický nosič, 4 - aktivační vrstva, 5 - pórovitá mezivrstva, 6 - katalytická aktivní vrstva, 7- pružné těsnění substrátu v plášti 26
Obr. 12 Rozsah teplot při reakcích v katalyzátoru (Bosch) Při samotném katalytickém procesu reagují spaliny s ušlechtilými kovy, které navíc ještě hoří. Oxid uhelnatý (CO) oxidací na oxid uhličitý (CO 2 ), uhlovodíky (HC) oxidací na vodu (H 2 O) a oxidy dusíku (NO x ) redukcí na dusík (N 2 ). Velké problémy vznikají vlivem rychle se rozšiřujícího/zužujícího výfukového potrubí v oblasti vstupu a výstupu katalyzátoru. Rychle proudící výfukové plyny vytvářejí vlivem náhlého rozšíření výfuku značné turbulence na vstupu katalyzátoru a tím ztráty jejich proudění. Naopak na výstupu jsou rychle proudící plyny nuceny se vtlačit do prudce se zužujícího výfukového potrubí a tím vznikají další nežádoucí turbulence. Problémy s prouděním plynů se objevují zejména u motorů s objemem válců 3.0 a více litrů. V těchto případech se doporučuje zdvojit výfukové potrubí a namontovat dva katalyzátory, pokud to prostorové uspořádání pod podlahou dovolí. Základem pro optimální běh katalyzátoru je, že výfukové plyny vstupující do katalyzátoru budou mít požadované složení a teplotu. Předpokladem správného složení výfukových plynů je potřeba mít přesně řízenou tvorbu směsi (viz. kap. 3.6). To je například u třícestného katalyzátoru hlavní úkol lambda sondy (viz. 4.2). Katalyzátory mají však přes svoje nesporné výhody i svoje nevýhody. Tou největší nevýhodou je to, že snižují výkon motoru zpětným tlakem, který je asi 1/10 atmosférického tlaku (Pa= 101 325 Pa), ze statistik vyplývá, snižuje výkon o cca 2,2 3,7 kw.[1] Katalyzátory se podle principu činností, volbou ušlechtilého kovu či konečným výsledkem rozdělují na: 4.1.2 Oxidační katalyzátory 4.1.3 Redukční katalyzátory 4.1.4 Dvoucestné katalyzátory 4.1.5 Třícestné katalyzátory 4.1.6 Čtyřcestné katalyzátory 4.1.7 Zásobníkové katalyzátory 27
4.1.2 Oxidační katalyzátory Oxidační katalyzátor se používá u vznětových (naftových) motorů. Tento katalyzátor převádí spaliny, které obsahují nespálené uhlovodíky (CH) a oxid uhelnatý (CO) na vodu (H 2 O) a oxid uhličitý (CO 2 ). Zároveň oxiduje oxid dusný (NO) na oxid dusičitý (NO 2 ). Oxidační katalyzátor potřebuje ke své vhodné činnosti, aby byl ve výfukovém traktu kyslík, tzn., že tento katalyzátor pracuje s přebytkem vzduchu (λ >1). Oxidační katalyzátor se skládá z nosného tělesa, který je vyroben buď z keramiky, nebo kovu s axiálně průchozími kanály s šířkou hrany přibližně jeden milimetr. Stěny jsou potaženy platinou (Pt) nebo Rhodiem (Rh) jako katalyticky působící substance. U vozidel, která používají filtr pevných částic, se oxidační katalyzátor zařazuje před tento filtr. V katalyzátoru uvolněný (NO 2 ) oxiduje v částečkovém filtru zbývající saze, které se skládají převážně z uhlíku (C), na neškodlivou složku vzduchu dusík (N 2 ) a na CO 2. [13] V oxidačním katalyzátoru probíhají procesy, které lze vyjádřit následujícími rovnicemi: 2CO + O 2H C 2 H + O 2 2 2CO 2H 2 2 O n + m + O 4 mco n + H 2 m m 2 2 2 O Obr. 13 Oxidační katalyzátor (Bosch) [13] 28
4.1.3 Redukční katalyzátory Rozdíl mezi oxidačním a redukčním katalyzátorem je v tom, že redukční katalyzátor pracuje s nedostatkem kyslíku (λ < 1). U těchto katalyzátorů se používá jako aktivní vrstva platina a rhodium. Redukční katalyzátor nejvíce snižuje oxidy dusíku, tak že přeměňuje oxidu dusíku na dusík a oxid uhličitý za výrazné pomoci oxidu uhelnatého. [1] Chemické děje probíhající v redukčním katalyzátoru: C 2NO + 2CO N + CO 2 2 2 NO + 2H 2 N 2 + 2H 2O 2 NO + 5H 2 2NH 3 + 2H 2O 2 n n n 4 4 2 mco m H m + m + NO m + N 2 + H 2O + 2 2 4.1.4 Dvoucestné katalyzátory Jsou to katalyzátory neřízené. V některých literaturách označované jako dvoukomorové nebo dvoulůžkové. Jde o kombinaci dvou za sebou řazených katalyzátorů oxidačního a redukčního. Používá se ve spolupráci s lambda sondou, která pracuje v oblasti stechiometrického složení směsi (λ=1) a tím zamezuje zvyšování spotřeby paliva. Systém tvorby směsi v sacím potrubí musí dodávat přiměřeně obohacenou směs (cca λ=0,9). Výfukové plyny prochází nejprve redukčním katalyzátorem, kde dojde k výraznému snížení (redukci) NO x, za ním je do výfukového traktu vháněn vzduch, který vytvoří podmínky pro snížení emisí CO a HC v následně řazeném oxidačním katalyzátoru. Pojem dvoucestný znamená, že má dvě současné úlohy. Přeměňuje pomocí oxidace (tj. spalování) právě dvě složky výfukových plynů a to oxid uhelnatý (CO) a uhlovodíky (HC) na vodu (H 2 O), která je v plynném stavu tedy páry, a oxid uhličitý (CO 2 ). Z hlediska chemie se při oxidaci zvyšují oxidační čísla u produktů reakce. Oxidy dusíku (NO x ) prakticky nesnižuje. U vznětových motorů pracuje katalyzátor s přebytkem vzduchu (λ>1). Tyto katalyzátory mají i řadu nevýhod: vlivem nedostatku kyslíku při redukci NO x vzniká amoniak (NH 3 ) složitá koncepce 29
V dnešní době se již neřízený dvoucestný katalyzátor u zážehových motorů nepoužívá. Dříve jim byly vybaveny automobily s dvoudobým motorem, jelikož neměli takový výkon. Naopak u vznětových motorů se využívají s velkým úspěchem.[12] 4.1.5 Třícestné katalyzátory Někdy tyto katalyzátory označujeme pojmy řízené, trojčinné nebo třísložkové. V některých literaturách se uvádí přídavné jméno trimetalický, neboť obsahuje tři vzácné kovy platinu, palladium a rhodium. Jak vyplývá ze samotného názvu, přeměňuje třícestný katalyzátor tři nejzákladnější škodliviny, uhlovodíky (HC), oxid uhelnatý (CO) a oxidy dusíku (NO x ) na méně škodlivé plyny. Třícestný katalyzátor v současné době umožňuje nejefektivnější, nejbezpečnější a nejspolehlivější způsob čištění spalin u benzinových motorů. Pro správnou činnost tohoto katalyzátoru je nutné, aby složení paliva bylo stechiometrické (λ=1), což odpovídá poměru palivo/vzduch 1:14,7. Tato oblast se nazývá okno, a pokud se má pracovní bod motoru pohybovat v tomto okně, je nutno použít zpětnovazební smyčku pro řízení palivové směsi s tzv. lambda sondou (viz. 4.2), která měří množství kyslíku ve výfukových plynech a podle jeho obsahu nastavuje řídící jednotka množství dodávaného paliva. Proto se takovému katalyzátoru říká řízený. Katalyzátor bez λ regulace má účinnost cca 50%, ale s λ regulací dosahuje účinností až 95% (při teplotě 400-800 C). Pouze za tohoto stavu dojde k vyváženému poměru mezi škodlivými oxidy dusíku (NO x ), ze kterých je odbouráván kyslík, a škodlivými CO a HC, se kterými se má kyslík sloučit. [4] Obr. 14 Třícestný katalyzátor (Bosch) (1- keramický monolit, 2 pružná drátěná vložka, 3 - lambda sonda, 4 - kryt z nerezové oceli) Katalyzátor se skládá z kovového nebo keramického nosiče pokrytého vrstvou ušlechtilých kovů. Aby svou práci mohl vykonávat efektivně, potřebuje třícestný 30
katalyzátor určitou pracovní teplotu. Proto se často používají předřazené katalyzátory umístěné v blízkosti motoru, které snižují emisní zátěž již ve fázi zahřívání motoru. Optimální složení směsi benzín - vzduch, jež je potřebné pro přeměnu, řídí lambda sonda ve spolupráci s řídicí jednotkou motoru. Aktivní hmota katalyzátoru je uložena v samostatném pouzdru z nerezové oceli (V 2 A 18Cr 8 Ni) a skládá se z nosné podložky, vložené mezivrstvy, katalytické aktivní vrstvy a tlumicí vrstvy. Jako nosná podložka slouží v třícestném katalyzátoru válcová nebo oválná keramická tělíska (monolity, nosiče) s buňkovitou strukturou, která jsou uložena v tlumicí vložce tvořené mřížkou spletenou z drátů nebo keramických vláken. Tyto prvky jsou společně uloženy v ocelovém pouzdru. Přítomnost kvadratických kanálků, nazývaných též buňkami, jejichž hustota dosahuje až 62 buněk na cm 2, vytváří velmi velkou plochu povrchu, která při objemu monolitu 1 litr činí asi 3 m 2. Keramické těleso se skládá z hořečnatohlinitého silikátu s malou tepelnou roztažností a vysokou odolností proti žáru. Bod tavení hořečnatohlinitého silikátu leží nad hodnotou 1400 C. Pro další zvětšení aktivního povrchu jsou stěny buněk monolitu opatřeny vloženou mezivrstvou tzv. Wash-Coat z oxidu hlinitého (Al 2 O 3 ) a tzv. promotorů jakýchsi podporovatelů reakce. Promotory zvyšují katalytický účinek vrstvy drahého kovu. Tím se povrch zvětšuje až 7000 krát. Při objemu monolitu 1l pak celkový aktivní povrch činí až 21 000 m 2. Pro lepší představu fotbalové hříště má rozlohu asi 5000 m 2. Aktivní povrch je tedy víc jak 4krát větší než fotbalové hřiště. Problémem klasických studených třícestných katalyzátorů s lambda sondou je doba ohřevu, ve které ještě motor produkuje nejvyšší procento škodlivin a která je potřebná i pro ohřev katalyzátoru. Tato doba je příliš dlouhá a zatěžuje v krátkodobém provozu silně životní prostředí. Motory vozidel, které se používají na krátké vzdálenosti tak zatěžují neúměrně vysoko životní prostředí zejména ve městech, kde jsou používána převážně menší a užitková vozidla ke krátkým trasám. [19] 4.1.6 Čtyřcestné katalyzátory Označované zkratkou DPNR (Diesel Particulate NO x Reduction). Jde o katalyzátor, který současně snižuje množství oxidu dusíku (NO x ) a pevných částic. Jedná se o katalyzátor v kombinaci s filtrem pevných částic. Účinnost tohoto systému závisí na řídící jednotce a to tak jakým způsobem řídící jednotka mění poměr vzduchu a paliva ve výfukových plynech.[1] 31
4.1.7 Zásobníkový katalyzátor NO x Významnou roli v soutěži systémů o ještě čistší vznětové motory a ve splnění do budoucna ještě přísnějších emisních hodnot hraje zásobníkový katalyzátor NO x. Zásobníkové katalyzátory se používají z důvodu nižší účinnosti třícestného katalyzátoru při redukci NO x při provozu s chudou směsí. Jde o oxidační katalyzátor, který je zařazen za částečkovým filtrem. Jeho součástí je speciální potah, který zachytí oxidy dusíku (NO x ) z proudu spalin. Zásobníkový katalyzátor NO x rozlišuje dva různé provozní režimy. V normálně chudém provozu (λ > 1) bude oxid dusíku (NO) nejprve oxidovat na oxid dusičitý (NO 2 ) a potom na nitrát (NO 3 ) na bázi oxidů kovů (např. oxid baria) v katalyzátoru. Stejně jak je tomu u částečkového filtru zajišťuje také zásobníkový katalyzátor NO x regeneraci. Obr. 15 Zásobníkový katalyzátor (Bosch) [14] Regenerace znamená periodické vyprazdňování zásobníku podle příslušných požadavků. Pro regeneraci zásobníku musí být ve spalinách nastaveny podmínky bohaté směsi (λ < 1). Vlivem těchto provozních podmínek je ve spalinách tolik redukčního prostředku (CO, H 2 a různé HC), že se rázem uvolní nitrátové vazby a přímo u katalyzátoru obsahujícího ušlechtilé kovy dochází k redukci na nejedovatý dusík (N 2 ). Doba naplnění činí v závislosti na provozní době motoru 30 až 60 sekund, regenerace je provedena za jednu až dvě sekundy. Aby se zjistila potřeba regenerace, je potřebná řada přídavných senzorů teploty a tlaku. Zásobníkový katalyzátor dokáže snížit emise NO x až o 85%. [14] 32
Obr. 16 Umístění zásobníkového katalyzátoru ve výfukovém traktu [5] 4.2 Lambda sonda Lambda sonda neboli lambda regulace je malé zařízení, které je nedílnou součástí katalyzátoru. Ve výfukovém potrubí měří výfukové plyny a dává signál pro řízení spalování motoru. Klasická lambda sonda se složená z keramického článku z dioxidu zirkoničitého (ZrO 2 ), potaženého tenkou vrstvou platiny, která je pro plyny propustná (obr. 17). Na straně, kde přichází ke styku s výfukovými plyny, je opatřena porézní keramickou ochrannou vrstvou. Nad kterou je umístěna ochranná trubice se štěrbinami, která zabraňuje mechanickému poškození. Lambda sonda se především používá u zážehových motorů, ojediněle se s ní můžeme setkat i u naftových motorů. Využívá se s 1,2,3 nebo 4 vývody. [1] Obr. 17 Schéma lambda sondy [8] 1 aktivní keramika senzoru, 2 elektrody, 3 kontakty, 4 kontakt spojený s krytem senzoru, 5 výfukové potrubí, 6 ochranná porézní keramika 33
Ve skutečnosti je lambda regulace senzor kyslíku ve výfukových plynech, který je nezbytný pro řízení spalování motoru s katalyzátorem, aby došlo ke snížení škodlivin ve výfukových plynech. Třícestné katalyzátory nebo také selektivní katalyzátory dokáží snížit hodnoty škodlivin CO, NO x, HC až o 85-90%, ale jen za podmínky, že spalování motoru probíhá jen těsně kolem λ=1 (v úzkém rozpětí do 1%), tj. v intervalu, který odpovídá stechiometrickému složení směsi. Hlavní úkol lambda sondy je tedy udržet stálé složení směsi paliva a vzduchu v optimální oblasti. To znamená, že lambda regulace měří koncentraci kyslíku ve výfukovém potrubí. Získaná hodnota napětí na jejím výstupu řídí poměr paliva a vzduchu v sání nebo ve válci tak, aby co nejvíce odpovídalo optimální směsi- lambda okně ( λ=0,97 až 1,03). [4] Obr. 18 Katalyzátorové okno [8] Matematicky je součinitel přebytku vzduchu λ vyjádřen jako poměr motorem nasávaného (spotřebovaného) množství vzduchu (V) k množství, které by bylo nutné pro dokonalé spálení, tj. teoretická spotřeba vzduchu (V t ). Ve skutečnosti jde o stechiometrický poměr pro proces spalování (λ=1) a odpovídá mu poměr cca 14,7 kg vzduchu na 1 kg paliva (benzínu). V λ = V t Řídicí jednotka na základě lambda sondy dodatečně reguluje vypočtenou dobu vstřiku. Je-li směs příliš bohatá, zkracuje se doba vstřiku (ochuzení), je-li příliš chudá, pak se doba vstřiku prodlužuje (obohacení). Regulace probíhá nepřetržitě a kolísá zhruba v rozmezí ±1 % kolem λ = 1. [8] 34