Spalovací motory motorových vozidel Bakalářská práce

Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Spalovací motory motorových vozidel Bakalářská práce Vedoucí práce: Ing. Jiří Čupera, Ph.D. Vypracoval: Jiří Borovička Brno 2011

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma SPALOVACÍ MOTORY MOTOROVÝCH VOZIDEL 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 Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne.... podpis studenta.

PODĚKOVÁNÍ Děkuji panu Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D., za velmi užitečnou metodickou pomoc, kterou mi poskytl při zpracování mé bakalářské práce. Jiří Borovička

ABSTRAKT Ve své bakalářské práci jsem se zabýval charakteristikou současného stavu konstrukce spalovacích motorů. Definoval jsem rozdělení spalovacích motorů a to podle pohybu pístu, druhu paliva, způsobu činnosti motoru, způsobu plnění válce, zapálení směsi a podle konstrukčního provedení. Část práce je zaměřena na výfukové emise a jsou zmíněny systémy a technologie, které slouží ke snížení emisí výfukových plynů. Byla provedena analýza a srovnání motoru Tatra s motory osobních automobilů a traktorů. Základní technické údaje o motoru Tatra T3B-928-50 jsou zpracovány v tabulce. Je zmíněn vývoj motorů Tatra a odlišnosti při jejich konstrukci. Na základě analýzy jsem sestavil přehled základních požadavků, které jsou kladeny na výrobu čtyřdobých pístových spalovacích motorů. Přehled jsem sestavil podle jednotlivých skupin vozidel. Klíčová slova: spalovací motor, výfukové emise, mazací soustava, chladící soustava, palivová soustava, osobní automobily, nákladní automobily, traktory ABSTRACT My thesis concerns the current state of the structural characteristic of internal combustion engines. I have defined the distribution of internal combustion engines according to the movement of the piston, fuel type, method of engine operation, cylinder loading, ignition of the mixtures by design and implementation. Part of this work is focused on exhaust emissions and includes systems and technologies that are used in reduction of exhaust emissions. The engine of Tatra was analyzed and compared with conventional automobiles and tractors. Basic technical data on engine Tatra T3B- 928-50 has been in tabular form. The thesis also focuses on the development of Tatra engines and differences in their structure. Based on the analysis, I have compiled a list of basic demand that are imposed on the production of four-stroke internal combustion piston engines. I have compiled the list according to vehicle groups. Keywords: internal combustion engine, exhaust emissions, lubrication system, cooling system, fuel system, passenger cars, trucks, tractors

Obsah ÚVOD... 6 CÍL PRÁCE... 8 1 HISTORIE, VÝVOJ A SOUČASNÝ STAV KONSTRUKCE SPALOVACÍCH MOTORŮ... 9 1.1 VÝVOJ SPALOVACÍCH MOTORŮ... 9 1.2 SOUČASNÝ STAV SPALOVACÍCH MOTORŮ... 11 2 DEFINICE A ROZDĚLENÍ SPALOVACÍCH MOTORŮ... 12 2.1 TERMODYNAMIKA SPALOVACÍHO MOTORU... 12 2.2 ROZDĚLENÍ PODLE POHYBU PÍSTU... 18 2.3 ROZDĚLENÍ PODLE DRUHU PALIVA... 19 2.4 ROZDĚLENÍ PODLE ZPŮSOBU ČINNOSTI MOTORU... 20 2.5 ROZDĚLENÍ PODLE ZPŮSOBU PLNĚNI VÁLCE... 21 2.6 ROZDĚLENÍ PODLE ZPŮSOBU ZAPÁLENÍ SMĚSI... 21 2.7 ROZDĚLENÍ PODLE KONSTRUKČNÍHO PROVEDENÍ... 23 2.7.1 Podle způsobu přenosu síly od pístu... 23 2.7.2 Podle počtu a uspořádání válců... 23 2.7.3 Podle způsobu chlazení motoru... 24 2.7.4 Podle použitého rozvodového mechanismu... 24 2.7.5 Proměnné časování ventilů... 28 3 VÝFUKOVÉ EMISE... 30 3.1 NORMA EURO 5... 30 3.2 KATALYZÁTOR... 32 3.3 SELEKTIVNÍ KATALYTICKÁ REDUKCE... 33 3.4 FILTR PEVNÝCH ČÁSTIC... 34 3.5 RECIRKULACE SPALIN... 35 4 POPIS A ANALÝZA MOTORU TATRA A MOTORŮ OSOBNÍCH AUTOMOBILŮ A TRAKTORŮ... 36 4.1 NASÁVÁNÍ A ČISTĚNÍ VZDUCHU... 36 4.1.1 Filtrační vložky... 36 4.1.2 Turbodmychadlo... 37 4.2 PALIVOVÁ SOUSTAVA... 38 4.2.1 Palivový systém vznětového motoru... 38 4.2.2 Palivový systém zážehového motoru... 39 4.2.3 Čističe paliva... 40 4.3 MAZACÍ SOUSTAVA... 41 4.3.1 Doprava, čištění a chlazení oleje... 43 4.4 CHLADÍCÍ SOUSTAVA... 45 4.4.1 Chlazení vzduchem přímé chlazení... 45 4.4.2 Chlazení kapalinou nepřímé chlazení... 46 4.5 VÝFUKOVÁ SOUSTAVA... 48 4.5.1 Motorová brzda... 48 5 MOTORY TATRA... 51 5.1 CHARAKTERISTIKY MOTORŮ TATRA... 54 6 ÚČINNOST VZNĚTOVÝCH MOTORŮ... 56 7 SOUHRN ZÁKLADNÍCH POŽADAVKŮ NA VÝROBU ČTYŘDOBÝCH SPALOVACÍCH MOTORŮ... 60 ZÁVĚR... 62 PŘEHLED POUŽITÉ LTERATURY... 64 SEZNAM OBRÁZKŮ, TABULEK A GRAFŮ... 66 SEZNAM ZKRATEK... 67

ÚVOD Ve své bakalářské práci se věnuji spalovacím motorům motorových vozidel. Cílem mé bakalářské práce je charakteristika současného stavu konstrukce spalovacích motorů, součástí práce je analýza odlišnosti mezi konstrukcí spalovacích motorů osobních, nákladních automobilů a zemědělských strojů. Struktura práce je sestavena tak, aby odpovídala stanovenému cíli. Jednotlivé kapitoly na sebe logicky navazují. V úvodu práce je vymezená historie vývoj a současný stav konstrukce spalovacích motorů. Další kapitola je věnována definici a rozdělení spalovacích motorů. Uvedena je základní termodynamika spalovacího motoru. Jednotlivé podkapitoly se věnují rozdělení spalovacích motorů a to podle pohybu pístu, druhu paliva, způsobu činnosti motoru, způsobu plnění válce, zapálení směsi a podle konstrukčního provedení. Třetí kapitola je zaměřena na výfukové emise. Zmíněna je norma Euro 5, která je součástí evropských emisních standardů a stanovuje limity pro složení výfukových plynů všech automobilů v zemích Evropské unie. V této kapitole jsou zmíněny systémy a technologie, které slouží ke snížení emisí výfukových plynů. Těžiště práce je v popisu motoru Tatra a provedené analýzy s motory osobních automobilů a traktorů. Pro analýzu jsem si zvolil typického zástupce motorů nákladních vozidel, a to motor Tatra typ T3B-928-50. Jedná se o starší typ motoru, který splňuje normu Euro 2. Tento motor jsem si pro analýzu zvolil proto, že jsem měl možnost s tímto typem motoru pracovat při své bakalářské praxi. Základní technické údaje o motoru Tatra T3B-928-50 jsou souhrnně zpracovány do tabulky. V analýze jsou popsány jednotlivé soustavy a části motoru obecně, protože jsou součástí všech typů automobilových a traktorových motorů. Metodou analýzy je provedeno srovnání s uvedeným typem motoru Tatra. V kapitole věnované motorům Tatra je popis hlavních konstrukčních změn při jejich vývoji. V tabulce jsou uvedeny základní technické parametry motoru Tatra T3D-928-30 6

a motoru Tatra T3B-928-50. Točivý moment a výkon těchto motorů jsou znázorněny v grafech. Na základě údajů o měrné spotřebě paliva u popisovaných motorů Tatra bylo zjištěno, že vlivem vývoje motorů došlo ke snížení měrné spotřeby paliva a zároveň zvýšení účinnosti u spalovacích motorů a to na základě dokonalejšího využití paliva. Tato skutečnost je potvrzena srovnáním s vybranými typy motorů autobusů a traktorů. Vypočtené údaje uvedené v tabulce jsou znázorněny v grafech. V poslední kapitole je na základě provedené analýzy sestaven přehled základních požadavků, které jsou kladeny na výrobu čtyřdobých pístových spalovacích motorů. Přehled jsem sestavil podle jednotlivých skupin vozidel. 7

CÍL PRÁCE Cílem bakalářské práce je charakteristika současného stavu konstrukce spalovacích motorů. Součástí práce je analýza odlišnosti mezi konstrukcí spalovacích motorů osobních, nákladních automobilů a zemědělských strojů. Motor Tatra typ T3B-928-50 jsem zvolil jako typického zástupce spalovacích motorů. V práci jsem popsal jeho konstrukci a princip práce jednotlivých částí. 8

1 HISTORIE, VÝVOJ A SOUČASNÝ STAV KONSTRUKCE SPALOVACÍCH MOTORŮ Využití tepelné energie jako zdroje užitečné práce zamýšlel již v roce 1678 Francouz Hautefeuille a to pomocí střelného prachu. Stejnou myšlenkou se zabývali i další badatelé, ale návrhy těchto motorů zůstaly nerealizovány. 1.1 Vývoj spalovacích motorů Jako první spalovací motor můžeme považovat turbínu, kterou roku 1791 navrhl Angličan Barber. V roce 1794 Angličan Street navrhl první pístový motor, měl spalovat páry terpentýnového oleje smíšeného se vzduchem. Tlak spalin měl působit na píst po zapálení vnějším plamenem. Z důvodu nedostatku vhodných paliv tato myšlenka nebyla prakticky uskutečněna. Až použití svítiplynu pro osvětlování poskytlo vhodné motorové palivo, vývoj skutečně fungujícího spalovacího motoru trval téměř 70 let. Po vzoru parních strojů postavil roku 1860 Francouz Lenoir motor na svítiplyn. Byl to ležatý dvojčinný motor se šoupátkovým rozvodem. Lenoir byl také první, kdo přišel s myšlenkou použít místo plynu lehce odpařitelného kapalného paliva. Tuto myšlenku použil u svého motoru pro pohon říčního člunu a silničního vozu. Na Světové výstavě v Paříži roku 1867 předvedli Otto a Langen z Kolína nad Rýnem atmosférický plynový motor. Motor byl řešen jako jednočinný stojatý a princip jeho práce vyžadoval, aby místo klikového mechanismu byla k pístu pevně připojena ozubená tyč. Ve srovnání s Lenoirovým motorem měl Ottův motor značně vyšší tepelnou účinnost a tedy podstatně nižší měrnou spotřebu paliva. Značný komerční úspěch těchto motorů přiměl Otta a jeho společníky k založení první motorové továrny v Deutzu u Kolína nad Rýnem v roce 1869. [3] V roce 1860 Francouz Beau de Rochas popsal princip činnosti a výhody čtyřdobého motoru s umělým zažehováním stlačené směsi. První čtyřdobý používaný plynový 9

motor o výkonu asi 0, 5 kw postavil v roce 1873 v Mnichově hodinář Reithmann. Existence tohoto motoru však zůstala veřejnosti téměř neznámá. Vznik prvního čtyřdobého spalovacího motoru: V roce 1878 předvedl Otto svůj ležatý čtyřdobý vodou chlazený motor na svítiplyn. Motor měl výkon asi 3 kw při 170 otáčkách za minutu, normální klikový mechanismus s křižákem a jednočinný píst, který je dodnes pro absolutní většinu pístových spalovacích motorů charakteristický. Zajímavé je, že u tohoto motoru se směs stlačila asi na 0,2 MPa a zapalovala otevřeným plamenem. [3 s. 7] Nalezením zdrojů ropy poskytlo dostatek dobrých a v té době velmi levných kapalných paliv vhodných pro spalovací motory. Nejprve byly využívány lehké frakce (benzín, který byl bezcenný odpad, protože nejdůležitějším produktem ropy byl petrolej používaný na svícení) a později i těžší frakce (např. olej, mazut, nafta), tento nález značně urychlil vývoj motorů. V roce 1884 postavil Daimler (Německo) v té době rychloběžný benzinový čtyřdobý motor, který měl 800 otáček za minutu. Vznik tohoto motoru měl vliv na rozvoj vozidlových motorů a celého automobilového průmyslu. Angličan Clerk je autorem pracovního oběhu, který je téměř shodný se způsobem používaným u dnešních dvoudobých motorů s umělým zažehnutím. Jeho návrhy konstrukce dvoudobých motorů s ventily pocházejí z roku 1878. Bezventilový dvoudobý motor s výfukovým a přepouštěcími kanály uspořádanými ve stěně pracovního válce a ovládanými pístem, navrhl a postavil o deset let později Clerkův krajan Day. [3] Během let 1893 až 1897 vypracovala strojírna v Německu návrh motoru na těžší kapalná paliva podle výsledků zkoušek, které měly vést ke konstrukci motoru navrženého Dieslem. Do ohřátého stlačeného vzduchu se mělo palivo dodávat tak, aby se spalovalo za stálé teploty a spaliny pak měly adiabaticky expandovat. Palivem mělo být práškové uhlí, ale protože motor neměl chlazený válec, uvedený postup se tak nedal v praxi využít. Po dlouhé řadě zkoušek a konstrukčních změn vznikl vodou chlazený motor, ve kterém se téměř rovnotlace spalovala kapalná paliva. Nejdřív to byl petrolej, teprve až později těžší kapalná paliva, které se vznítily po vstřiknutí do stlačeného 10

vzduchu ve válci. Vysoká hospodárnost a úspěšné uplatnění těchto motorů tak vedla ke značnému rozšíření motorů na těžká kapalná paliva. Dnešní motory nepracují s původním rovnotlakým cyklem, ale používají cyklus smíšený, při kterém po vznícení roste ve válci tlak i objem spalin. [3] 1.2 Současný stav spalovacích motorů Dnešní pístové spalovací motory se uplatňují v dopravě, zemědělství, stavebnictví, energetice, komunálním hospodářství a v různých průmyslových odvětvích. Význačně se uplatňují i ve vojenské technice. Úplně ovládly osobní i nákladní automobilovou dopravu. Díky novým technologickým postupům se zmenšuje jejich velikost, tím i váha spojená s konstruováním pomocí slitin z neželezných kovů. Automobilový průmysl podporuje také řadu dalších průmyslových odvětví, např. výrobu oceli, neželezných kovů, výrobu pneumatik a jiného příslušenství automobilů, zejména výrobu motorových paliv a olejů. Jsou významnou složkou hospodářského života nejen průmyslově vyspělých zemí, ale i zemí dodávajících pro tyto průmyslové odvětví suroviny. Stálé stupňování požadavků na výkon, hospodárnost, spolehlivost a životnost spalovacích motorů vede k jejich modernizaci. I přes dosaženou vysokou technickou úroveň, stále pokračuje vývoj spalovacích motorů. V dnešní době je základem každého motoru elektronika. Bez ní se dnešní spalovací motor neobejde, používá se např. ke kontrole hladiny náplní, řízení vstřikovací soustavy a umožňuje tím spolu se správnou konstrukcí spalovacího motoru snižování emisí a spotřebu paliva. Tak zvaný mozek motoru jak můžeme nazvat řídící jednotku, sleduje při chodu motoru např. otáčky, natočení škrticí klapky, teplotu nasávaného vzduchu, teplotu chladicí kapaliny (charakterizuje teplotu motoru), lambda sondu a mnoho dalšího, tak aby zajistila nejefektivnější chod motoru. Řídící jednotku pak lze napojit na počítač a během pár minut zjistit závadu nebo ji naprogramovat, tak aby motor pracoval v námi požadovaném režimu (vyšší výkon, nižší spotřeba). Vývojem dochází ke stálému zmenšování a zlepšování vlastností elektronických systémů. Je potřebná vysoká odolnost před vniknutím vody a různých nečistot do těchto systémů a také odolnost proti vysokým a nízkým teplotám, což považuji za jejich hlavní nevýhodu. 11

2 DEFINICE A ROZDĚLENÍ SPALOVACÍCH MOTORŮ Rauscher uvádí tuto definici spalovacího motoru: Spalovací motor je tepelný stroj, který spalováním paliva získává tepelnou energii a využitím vhodného plynného média ji převádí na mechanickou práci. Energie plynného média je využívána buď jako potenciální energie (tlak) u pístových spalovacích motorů, nebo energie kinetická (rychlost proudu) u spalovacích turbin. [3 s. 8] Podle způsobu přenosu tepelné energie lze rozdělit spalovací motory na: 1. Motory s vnějším spalováním - médiem pro přenos energie je např. vodní pára, vzduch a některé plyny. Tyto motory využívají potenciální energii pracovního média. Parní turbína využívá kinetickou energii vodní páry. 2. Motory s vnitřním spalováním, spalovací motory - u nichž pracovním médiem jsou spaliny vznikající při hoření paliva. Pokud probíhá proces hoření přerušovaně (v cyklech) nebo kontinuálně rozdělujeme spalovací motory na: - pístové - s vratným nebo rotačním pohybem pístu, u nichž je využívána především potenciální energie spalin - lopatkové - spalovací turbíny využívající především kinetickou energii spalin. 2.1 Termodynamika spalovacího motoru Vratný kruhový děj ideálního tepelného stroje se nazývá Carnotův cyklus, který se skládá ze dvou izotermických a dvou adiabataických dějů. Teoreticky byl poprvé popsán Nicolasem Léonardem Sadi Carnotem. Z tohoto cyklu vychází ideální kruhové diagramy zážehových a vznětových motorů. Čtyřtaktní proces, využívaný hlavně v motorech osobních automobilů, se skládá ze čtyř zdvihů. Jednotlivé cykly se nazývají sání, komprese, expanze a výfuk. Jde o kruhový děj, který se periodicky opakuje a má stále shodný průběh. Je popsán indikátorovým 12

diagramem, pomocí závislost tlaku p na objemu V. Jeho průběh se stanoví měřením tlaku ve válci v závislosti na poloze pístu nebo na čase od začátku oběhu. Kruhový děj vyžaduje obnovu tepelných, tlakových a objemových podmínek. U pístových motorů je to přivedením nové náplně a vytlačením shořelých plynů. Při kruhovém ději jsou pro mechanickou práci motoru podstatné tlakové změny a s nimi spojené změny objemové. (Obrázek č. 1) HÚ - horní úvrať DÚ - dolní úvrať V Z V K z - zdvihový objem - kompresní objem - zdvih pístu Obrázek č. 1 Pohyb pístu [2] Produkce tepla a stavové změny pracovního media (směs paliva se vzdušným kyslíkem) musí probíhat tak, aby práce vykonaná během expanze byla větší, než práce potřebná k výměně a kompresi náplně. V oběhovém diagramu je užitečná práce W u vyjadřována rozdílem ploch mezi osou souřadnic a průběhy. Porovnávací nebo ideální oběhy dokonalého motoru slouží pro srovnání pracovních oběhů motorů musí být, ale splněny následující podmínky: - Všechny rozměry jsou stejné jako u skutečného motoru - Ve válci je jen čistá náplň, beze zbytků z předešlého pracovního cyklu, aby se nezhoršoval spalovací proces - Složení směsi (poměr vzduch / palivo) je stejné jako u skutečného motoru - Množství paliva odpovídá nasátému vzduchu, přičemž je složení směsi takové, aby byl správný přebytek vzduchu, což je podmínkou dokonalého spálení 13

- Spalování směsi má proběhnout co nejrychleji a její zapálení má nastat s vhodným předstihem - Mezi pracovním plynem a okolními stěnami válce nedochází k výměně tepla - Při sání a výfuku nevznikají ztráty prouděním Teoretické oběhové diagramy se u různých druhů motorů liší v závislosti na druhu paliva, způsobu přípravy směsi a jejího zapálení. U zážehových motorů, které používají benzin, je směs připravena předem, mimo nebo v pracovním prostoru válce. Následně je zapálena elektrickým výbojem, jehož energie je přivedena z vnějšího zdroje. U vznětových motorů, které spalují motorovou naftu, dochází ke vznícení paliva v okamžiku jeho vstříknutí do stlačeného vzduchu, stlačením ohřátého na zápalnou teplotu. Tvorba směsi tedy probíhá současně s hořením. Jako porovnávací oběh se pro zážehový motor volí oběh s přívodem tepla při stálém objemu. (Obrázek č. 2) Porovnávací oběh zážehového motoru s přívodem tepla při stálém objemu: 1 až 2 izoentropická komprese 2 až 3 izochorický přívod tepla 3 až 4 izoentropická expanze 4 až 1 izochorický odvod tepla Wu užitečná práce Obrázek č. 2 Ideální oběh zážehového motoru Zdroj: [2] 14

V kruhovém oběhu nastávají následující stavové změny: 1 až 2 adiabatické stlačování směsi bez výměny tepla s okolím 2 až 3 přívod tepla Q p při stálém objemu (zážeh a hoření směsi) 3 až 4 adiabatické rozpínání (expanze) 4 až 1 odvod tepla Q v při stálém objemu Práce potřebná ke stlačení směsi z objemu V z + V K na V K je dána plochou pod křivkou 1 až 2. Práce vykonaná při expanzi z objemu V K na původní pracovní objem V z + V K pak plochou pod křivkou 3 až 4. Užitečná práce W u motoru je dána rozdílem ploch pod těmito křivkami. U vznětových motorů se používá smíšeného porovnávacího oběhu. V části 1 až 2 probíhá adiabatické stlačování čistého vzduchu na tlak a teplotu tak vysokou, aby přesáhla zápalný bod tekutého paliva. Palivo se po ukončení stlačování (bod 2) rozpráší do žhavého vzduchu a přitom se v něm vzněcuje. Část paliva shoří naráz při stálém objemu (přímka 2-3) a vzniklým teplem Q pv se zvýší tlak z p 2 na p 3. Zbytek spalování probíhá při stálém tlaku (přímka 3-4) a vzniklé teplo vykoná práci na změnu objemu z V 3 na V 4. Smíšený porovnávací oběh vznětového motoru (Obrázek č. 3): 1 až 2 izoentropická komprese 2 až 3 izochorický přívod tepla 3 až 4 izobarický přívod tepla 4 až 5 izoentropická expanze 5 až 1 izochorický odvod tepla W U užitečná práce Obrázek č. 3 Ideální oběh vznětového motoru Zdroj: [2] 15

Části pracovního oběhu, 4 až 5 a 5 až 6 jsou obdobné jako u zážehového motoru. Stejně tak práce při kompresi dána plochou pod křivkou 1 až 2, ale práce při expanzi plochou pod průběhy 3 až 4 a 4 až 5. Z toho vyplývá, že termodynamická účinnost vznětového motoru je vyšší (plocha W u je větší). Proto je spotřeba vznětového motoru pro stejný výkon nižší než zážehového se stejným obsahem. Pracovní oběh skutečných motorů se podstatně liší od oběhů ideálních motorů. Příčiny rozdílů jsou zejména tyto: - Ve válci není pouze čistá náplň, ale zbytky plynů z předchozího pracovního cyklu - Nedokonalé shoření paliva důsledkem nedostatečné přípravy směsi, nižší energie zážehu, teploty stlačeného vzduchu nedostatečného ke vznícení paliva - Spalování neprobíhá při konstantním objemu a tlaku, protože směs hoří konečnou rychlostí - Mezi plynem a stěnami válce dochází k výměně tepla - Při sání a výfuku vznikají ztráty Po zakreslení ideálního oběhu a indikátorového diagramu stejného motoru jsou zřejmé odchylky, které vedou ke snížení výkonu reálného motoru. V indikátorovém diagramu je tzv. smyčka střídavého plnění, která představuje ztráty prouděním při sání a výfuku. Vytlačování výfukových plynů z válce probíhá při malém přetlaku ve válci oproti okolnímu atmosférickému tlaku (nepřeplňované motory). Při nasávání čerstvé náplně ve válci oproti atmosférickému tlaku nastává podtlak. Vzniklá smyčka značí negativní práci, která snižuje mechanickou účinnost motoru. Následkem přívodu anebo odvodu tepla, je průběh křivky stlačování zpočátku strmější a poté plošší, jak je tomu u adiabatického děje. Expanzní křivka je následkem odvodu tepla strmější než adiabatický průběh. Indikátorový diagram čtyřtaktního zážehového motoru v porovnání s ideálním oběhem (Obrázek č. 4): 16

I ideální oběh s přívodem tepla při stálém objemu: (1 2 3 4) II indikátorový diagram 1. ztráty prouděním při sání a výfuku 2. křivka komprese je zpočátku strmější potom plošší než entropická a to následkem přívodu a odvodu tepla 3. spalování probíhá při proměnlivém objemu 4. expanzní křivka je strmější následkem odvodu tepla V z zdvihový objem V k kompresní objem Obrázek č. 4 Ideální oběh a indikátorový diagram zážehového motoru Zdroj: [2] Protože není možné okamžité shoření směsi, probíhá její spalování při proměnlivém objemu. To se v diagramu zážehového motoru projeví tím, že je místo svislice křivka 2 až 3 šikmá a u bodu 3 je oblouk místo špičky. Omezením účinků výše uvedených vlivů je možno dosáhnout snížení ztrát, a tak přiblížit tvar indikátorového diagramu tvaru ideálního oběhu pro daný motor. 17

2.2 Rozdělení podle pohybu pístu Přímočarý vratný pohyb pístu přeměňuje tlakovou a tepelnou energii paliva na mechanickou energii. Základní pohyblivou součástí těchto motorů je píst. Pohyb pístu vyvolává expanze kapalného nebo plynného paliva. (Obrázek č. 5) Obrázek č. 5 Přímočarý vratný pohyb pístu Zdroj: [15] Krouživý pohyb pístu je založený na principu rozpínání plynů. Tento motor je nazýván také jako Wankelův motor. Díly motoru jsou uspořádány tak, aby docházelo k plynulému a cyklickému zvětšování a zmenšování prostoru mezi válcem a pístem. (Obrázek č. 6) Obrázek č. 6 Wankelův motor Zdroj: [23] 18

2.3 Rozdělení podle druhu paliva Spalováním motorového paliva získáváme tepelnou a tlakovou energii. Získanou tlakovou energii převádíme na mechanickou práci. Konstruktéři motorů musí počítat s možným použitím alternativních paliv, na které je kladen důraz pro vyšší ekologičnost spalovacích motorů. Musí tak použít materiály, které budou schopny použít alternativní palivo a zajistit stejný chod motoru a všech jeho částí jako při použití běžného paliva. Motory na plynná paliva používají dobře vyčištěné plyny ve směsi se vzduchem. Důležitá je přiměřená rychlost hoření a vysoká výhřevnost, která tak ovlivňuje výkon motoru. Plyny se velmi snadno směšují se vzduchem, představují tak teoreticky nejvhodnější motorové palivo. Jejich nevýhodou je poměrně obtížné skladování a rozvod. V praxi je využíván generátorový plyn, kalový plyn, zemní plyn, propanbutan. Jsou zkoušeny a vyvíjeny i motory pracující na čistý vodík. Motory na kapalná paliva se dnes používají nejvíce. Jejich výhodou je možnost snadného uskladňování i jednoduchá doprava. Směs se vzduchem se, ale netvoří tak snadno jako u paliv plynných. V zásadě se kapalná paliva dělí na lehká (benzíny) a těžká (nafta, topný olej a mazut). Základním zdrojem pro výrobu těchto uhlovodíkových paliv je ropa, lze použít i uhlí. Paliva z biomasy se získávají z obnovitelných zdrojů, na rozdíl od paliv získávaných z ropy. Při jejich spalování nedochází k nárůstu oxidu uhličitého v atmosféře a tím k vyšší tvorbě skleníkového efektu. K dalšímu nárůstu CO 2 nedochází proto, že nově rostoucí rostliny jej znovu použijí pro svůj růst. Výhodou těchto paliv je, že v případě kontaminace půdy jsou velmi snadno odbouratelná půdními mikroorganismy. Mezi tyto paliva se řadí metylester řepkového oleje (označován také jako Bionafta první generace), metylalkohol, bioetanol a bioplyn. Současná snaha je používat směsná paliva, což je směs základního uhlovodíkového paliva a paliva získaného z biomasy. Takovým typem paliva je bionafta druhé generace, kterou tvoří směsné palivo metylesteru s ropnými uhlovodíky. Na našich čerpacích stanicích můžeme najít tzv. směsné bionafty, které jsou tvořené směsí motorové nafty a metylesteru řepkového 19

oleje. Obsah metylesteru ve směsi musí být minimálně 30 %. Při kontaminaci půdy výrobci garantují biologickou rozložitelnost 90 % paliva během 21 dnů. 2.4 Rozdělení podle způsobu činnosti motoru Způsob činnosti, tedy počet zdvihů, připadající na jeden pracovní cyklus motoru rozděluje pístové spalovací motory na čtyřdobé a dvoudobé. U čtyřdobého spalovacího motoru též čtyřtaktního motoru proběhne pracovní cyklus (oběh) během 4 zdvihů pístu 2 otáček klikového hřídele. Tento motor bývá vznětový nebo zážehový. Jednotlivé doby pohybu pístu rozdělujeme na: a) Sání píst se pohybuje směrem do dolní úvrati, přes sací ventil je nasávána směs nebo čistý vzduch (u vznětových motorů). b) Komprese píst se pohybuje směrem do horní úvrati. Oba ventily jsou uzavřené. Nasátá směs nebo jen vzduch (u vznětových motorů) zmenšuje svůj objem, zvětšuje tlak a teplotu. Těsně před horní úvratí je směs zapálena pomocí svíčky nebo vstříknuto palivo, které se samovznítí vlivem tlaku a teploty (u vznětových motorů). c) Expanze oba ventily jsou uzavřené. Směs paliva a vzduchu shoří. V pracovním prostoru válce se prudce zvýší teplota i tlak vzniklých plynů. Ty expandují a během pohybu pístu směrem dolů konají práci. d) Výfuk píst se pohybuje směrem do horní úvrati. Výfukový ventil je otevřený. Spaliny z pracovního prostoru válce jsou vytlačovány do výfukového potrubí. U dvoudobého spalovacího motoru pracovní cyklus proběhne během 2 zdvihů pístu, za jednu otáčku klikové hřídele. Na rozdíl od čtyřdobého spalovacího motoru obstarávají přívod zápalné směsi místo ventilů píst a kanály. Píst při svém pohybu otevírá a zavírá kanály. U novějších motorů ovládá sání pod píst šoupátkový rozvod nebo klapky. 20

Dvoudobé motory jsou díky jednodušší konstrukci lehčí a obvykle mají při stejných otáčkách vyšší výkon, ale nižší účinnost, protože komprese a expanze musejí být zkráceny, aby mohla proběhnout výměna paliva a výfukových plynů v pracovním prostoru. Velmi tak záleží na tvaru, délce a průměru výfuku, který velmi ovlivňuje vyplachování spalovacího prostoru čistou směsí. V současné době jsou dvoudobé spalovací motory na ústupu, pro svou nižší účinnost a hlavně pro znečištění, způsobené příměsí nespáleného paliva a spalováním oleje obsaženého v palivu. 2.5 Rozdělení podle způsobu plněni válce Během plnění válce sání, dochází k výměně náplní, výfukový ventil je otevřen a je nasávána nová směs nebo vzduch. Motory plněné podtlakem (motory s atmosférickým plněním) - podtlak se vytváří pohybem pístu ve válci a pracovní náplň (zápalná směs nebo vzduch) je do válce nasávána. Tento způsob platí pro motory čtyřdobé nepřeplňované. Motory plněné přetlakem - tímto způsobem se plní všechny motory dvoudobé díky jejich konstrukčnímu provedení. U čtyřdobých přeplňovaných motorů se přetlak vytváří dmychadlem nebo kompresorem, tato úprava má za cíl zvýšení výkonu motoru. Dochází také ke snížení výfukových emisí a tím lepší využití dávky paliva. 2.6 Rozdělení podle způsobu zapálení směsi U spalovacích motorů se používají dva způsoby zapalování paliva v pracovním prostoru. U vznětových motorů je to zapalovaní kompresním teplem a u zážehových motorů se jedná o zapalování vysokonapěťovou jiskrou. Umělé zažehnutí se používá hlavně u motorů na plynná a lehká kapalná paliva (benzín). Zapalování elektrickou jiskrou je velice výhodné, zejména proto, že lze velmi přesně nastavit okamžik zapálení směsi v pracovním prostoru a tím dosáhnout 21

maximálního výkonu spalovacího motoru. Motory využívající tento způsob zapálení směsi se nazývají zážehové. Samočinné vznícení se docílí vstříknutím paliva do vzduchu zahřátého kompresi na teplotu vyšší, než je zápalná teplota paliva. Tento druh zapálení směsi se používá zejména pro těžká kapalná paliva (nafta). Motory, které patří, do této skupiny se nazývají vznětové. Motory, které jsou označovány zkratkou HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) a mohou být dvojího druhu. Mohou být vyrobeny pro spalování paliva jako zážehové motory nebo jako vznětové motory. Tyto motory označujeme jako motory s homogenním plněním spalovacího prostoru. Využívající homogenní, avšak nikoli nutně stechiometrickou směs vytvořenou v sacím kanálu nad ventilem nebo přímo ve spalovacím prostoru. Vzplanutí směsi nastane nikoliv v jednom bodě, ale simultánně v celém objemu spalovacího prostoru v blízkosti tzv. horkých bodů. V současné době jsou teprve vyvíjeny ovládací mechanismy, které by těmto motorům umožnily hladší chod v širším spektru zatížení a otáček. HCCI motory se příliš nehodí pro plné zatížení motoru. V úvahu přichází kombinace s jiným systémem spalování, na který motor plynule přejde při potřebě plného výkonu, např. spalování pomocí zapalovací svíčky. Tyto motory nabízejí stejnou účinnost spalování jako vznětové motory, nižší emise NO X, pevných částic a o 20 % nižší spotřebu než zážehové motory. Hlavní rozdíl ve způsobu hoření směsi ve válci je uvedeno na obrázku. (Obrázek č. 7) [24] Obrázek č. 7 Hoření HCCI Zdroj: [24] 22

2.7 Rozdělení podle konstrukčního provedení Podle celkového uspořádání a jednotlivých detailů konstrukce je možno pístové spalovací motory rozdělit podle následujících hledisek: 2.7.1 Podle způsobu přenosu síly od pístu a) s přímým přenosem síly ojnicí na klikový hřídel, kde zachycení axiální síly klikového mechanismu zajišťuje plášť pístu b) křižákové motory, zachycení axiální síly klikového mechanismu zabezpečuje křižák. Kluzák křižáku je pevně spojen s pístem pístní tyčí. Používá se pouze u pomaloběžných motorů o velkém výkonu c) motory bez klikového mechanismu, motory rotační (Wankelův motor), motory se šikmou deskou, nebo vačkovým kotoučem (Stirlingův motor) 2.7.2 Podle počtu a uspořádání válců - motory jednoválcové - motory víceválcové jedno a více řadové U současných vozidel jsou používány nejčastěji motory řadové (jednořadové) umístěné svisle (se svislou osou válců), případně skloněné o určitý úhel od svislé osy. U osobních automobilů s předním náhonem to umožňuje snížení výšky přední kapoty a zlepšení aerodynamických parametrů vozidla. Dále jsou používány u sportovních vozidel a nákladních vozidel dvouřadé motory nejčastěji uspořádání do V tzv. motory vidlicové. Úhel mezi řadami válců bývá nejčastěji 60 až 90. Extrémním případem jsou motory s úhlem rozevření válců 180 o tzv. boxery. V letectví byly dříve používány více řadové motory v uspořádání do X, W, H a motory hvězdicové. (Obrázek č. 8) 23

1 řadové motory 2 vidlicové motory 3 hvězdicové motory 4 motor boxer Obrázek č. 8 Uspořádání válců motorů Zdroj: [5] 2.7.3 Podle způsobu chlazení motoru Pro správnou funkci jednotlivých dílů spalovacího motoru musí být zajištěna odpovídající provozní teplota. Tu zajišťuje chladící systém, který odvádí přebytečné teplo do okolního prostředí, hlavně ze stěn pracovního prostoru, pístu, stěny válce, hlavy motoru, ložisek a dílů rozvodového mechanizmu. a) kapalinou chlazené motory b) vzduchem chlazené motory c) kombinované chlazení (Porsche hlava kapalinou, válce vzduchem) Jednotlivé způsoby chlazení jsou popsány v podkapitole 4.4 této bakalářské práce. 2.7.4 Podle použitého rozvodového mechanismu K pohonu rozvodového mechanismu slouží klikový hřídel pístového spalovacího motoru. Spolu s ojnicí tvoří kinematický převod přímočarého vratného pohybu pístu na pohyb rotační. Současně zabezpečuje i částečné vyvážení setrvačných sil a momentů posuvných a rotujících hmot pomocí protizávaží, náhon příslušenství a pomocných 24

agregátů motoru. U čtyřdobých motorů je klikový hřídel využíván i k rozvodu mazacího oleje do ojničních ložisek. Klikový hřídel je zatěžován působením sil od tlaku plynů na písty a setrvačnými silami. Silové účinky jsou časově proměnné, jak z hlediska velikosti, tak i směru působení a vyvolávají v hřídeli pružné kmity, které jej namáhají na ohyb, krut, tah a tlak. Konstrukce klikového hřídele tak musí zajišťovat tuhost ve vztahu k ohybovému a kroutícímu zatěžování, pevnost vůči působícím silovým účinkům, odolnost proti opotřebení čepů, ložisek a dlouhou životnost při cyklickém zatěžování (vysokou únavovou pevnost). Podle způsobu výroby rozeznáváme klikové hřídele: skládané, ocelové kované a lité. Motory s použitým rozvodovým mechanismem můžeme dělit na motory ventilové (OHV, OHC, DOHC, desmodromické), motory šoupátkové, motory se smíšeným typem rozvodu např. sání pomocí kanálů, výfuk řízen ventilem. Ventilový rozvod je typ rozvodového mechanismu využívající ventily na řízení toku pracovních plynů ve čtyřdobém pístovém spalovacím motoru. Otevírání ventilů řídí příslušná vačka vačkové hřídele. U čtyřdobých spalovacích motorů se vačkový hřídel otáčí přesně 2x pomaleji než kliková hřídel, protože jeden pracovní cyklus motoru trvá, dvě otáčky klikové hřídele. Vyznačují se dokonalým utěsněním pracovního prostoru válce motoru, jsou jednoduché z hlediska výroby i oprav a jsou spolehlivé v provozu. Umožňují vymezení potřebných vůlí v rozvodu a je možno opravit jejich těsnost lapováním. [16] Šoupátkový rozvod pracuje v porovnání s ventilovým rozvodem prakticky bezhlučně, zabezpečuje velké průtočné průřezy. V důsledku přehřívání však dochází k zadírání šoupátek, rozvod se tak vyznačuje malou spolehlivostí a nízkou životností. V současné době se již u čtyřdobých motorů nepoužívá. Použití je jen u dvoudobých motorů. OHV (Over Head Valve) je ventilový rozvod u kterého jsou ventily umístěny v hlavě válců a vačková hřídel je umístěna v bloku motoru. Mezi vačkovým hřídelem a ventily je vzdálenost přibližná zdvihu pístu. Pohyb mezi vačkou a ventilem je tak realizován dalšími prvky mechanismu: zdvihací tyčkou, zdvihátkem a vahadlem. Rozvod tedy obsahuje velký počet součástek, které nepříznivě ovlivňují jeho tuhost. Na rozdíl od 25

rozvodu OHC má větší počet součástek a tím více hmoty vykonává vratný pohyb, na který působí větší setrvačné síly. Výhodou rozvodu OHV je jednodušší řešení pohonu vačkového hřídele. Nevýhody rozvodu OHV převažují hlavně u vysokootáčkových motorů, proto se u moderních spalovacích motorů pro pohon automobilů skoro nepoužívá. Vačková hřídel umístěná blízko u klikové hřídele umožňuje pohon rozvodu realizovat jednoduchým ozubeným soukolím nebo ozubenými koly s řetězem. Pohon musí být řešen tak, aby umožnil přesné nastavení vzájemné pozice klikové a vačkové hřídele a aby se během provozu motoru toto nastavení nezměnilo, což je zajištěno právě ozubeným soukolím. (Obrázek č. 9) Obrázek č. 9 Rozvod OHV Zdroj: [18] OHC (Over Head Camshaft) je typ ventilového rozvodu, u kterého je s ventily v hlavě válců umístěna i vačková hřídel. Mezi vačkou a ventilem je vloženo zdvihátko válcovitého tvaru. Rozvod tak obsahuje malý počet součástek, což zabezpečuje jeho vysokou tuhost. (Obrázek č. 10) Oproti rozvodu OHV méně hmoty vykonává nepříznivý vratný pohyb. Hlavní nevýhodou rozvodu je komplikovanější konstrukce hlavy válců. Rozvod OHC je v současnosti nejpoužívanější pro dnešní spalovací motory. Pohon rozvodu musí být řešen tak, aby umožnil přesné nastavení vzájemné pozice klikové a vačkové hřídele a aby se během provozu motoru toto nastavení nezměnilo. Proto musí být řešen převodem s tvarovým stykem. V žádném případě by nemohl být na pohon použit např. klínový řemen. Proto je pohon realizován ozubeným řemenem, v současnosti je to nejčastěji volený pohon, vzhledem k nízké hmotnosti. Vývoj nových materiálů zabezpečuje jeho vysokou životnost. Další možností k pohonu 26

pomocí je použití řetězu. Řetězový rozvod obsahuje řetěz a dvě automatické napínací kola, které řetěz napínají. Oproti ozubenému řemenu je hlučnější. Jen zřídka se používá ozubený převod, který je řešen vloženými ozubenými koly mezi vačkovou a klikovou hřídel, které tak zvyšují hmotnost rozvodu. DOHC (Double Over Head Camshaft) rozvod má základ rozvodu OHC ovšem jsou zde dvě vačkové hřídele. Jedna otevírá sací ventily a druhá výfukové ventily. (Obrázek č. 11) Obrázek č. 10 Rozvod OHC Obrázek č. 11 Rozvod DOHC Zdroj: [18] Zdroj: [18] Desmodromický rozvod je nazýván jako systém desmo, desmodue a desmoquattro. U tohoto typu rozvodu nejsou ventily vybaveny vratnými pružinami jako u rozvodů OHC a OHV, ale jejich zdvih ovládá druhá speciální vačka. V minulosti měly tento rozvod např. závodní vozy Mercedes-Benz typu W196 a 300SLR. V současnosti je tento rozvod nejznámější díky motocyklům značky Ducati. Žádná jiná firma nepoužívá desmodromický rozvod u svých motorů. Ventily, které jsou ovládány desmodromicky fungují na principu nuceného otevírání a zavírání pomocí vahadla, které je ovládáno dvěma vačkami. První vačka vahadlo otvírá, druhá vačka vahadlo zavírá a s ním i ventil. Výsledkem je významné snížení mechanických ztrát a dosažení vyšších otáček než u rozvodů s pružinami. Důležité je časování, které jde udělat u desmodromických rozvodů hodně ostře díky zvýšení rychlosti otevření, zavření ventilu. Tento systém je náročnější na výrobu, vzhledem k nutnosti vysoce přesných dílů. Obtížnější je seřízení 27

a mazání, které vyžaduje kvalitní olej o vyšší hustotě. K seřizování ventilů se používají vymezovací podložky a půlkroužky. (Obrázek č. 12) Obrázek č. 12 Desmodromický rovod Zdroj: [25] 2.7.5 Proměnné časování ventilů Je nazýváno také VVT (Variable valve timing). Tato technologie je používaná v automobilovém průmyslu s cílem optimalizovat parametry ventilového rozvodu. Časování ventilů má základ u rozvodů typu DOHC. Díky proměnnému časování ventilů je možné řídit zdvih, okamžik otevření ventilu a dobu otevření ventilu. Je možné použít i kombinaci uvedených parametrů a to v závislosti na otáčkách motoru. Změna nastavení zdvihu nebo časování ventilů může probíhat v několika krocích nebo plynule. Ovládání ventilů je realizováno několika způsoby, pneumaticky (stlačeným vzduchem), ale nejčastěji se využívá hydraulické nastavování změnou tlaku oleje, který upravuje otáčky vačkového hřídele nebo působí na zdvihátko ventilu, jak je uvedeno na obrázku. (Obrázek č. 13) Vhodným nastavením práce ventilů je možné dosáhnout příznivějšího průběhu výkonu v závislosti na otáčkách motoru, nebo snížení spotřeby paliva a tím i snížení emisí výfukových plynů. Každý výrobce motorů si tento systém VVT označuje podle svých zvyklostí, např. BMW (Valvetronic, Vanos), Toyota (VVT-i), Ford (VCT). 28

Obrázek č. 13 VVTL - i Zdroj: [22] 29

3 VÝFUKOVÉ EMISE Emise jsou látky, které jsou vypouštěny do ovzduší a znečišťují ho. Nejčastěji bývají spojovány s problematikou globálního oteplování a skleníkového efektu. Mezi hlavní témata mezinárodní politiky patří snižování emisí a boj s globálními klimatickými změnami. Množství emisí je udáváno ve hmotnostních nebo objemových jednotkách nejčastěji mg za rok. Jsou stanoveny nejvyšší přípustné množství znečišťujících látek vypouštěných do atmosféry (emisní limity). Mezi tyto látky patří také výfukové plyny, které jsou komplexní směsí chemických látek, unikající ze spalovacích motorů automobilů, lodí, letadel a elektráren. Výfukové plyny obsahují: a) Neškodné látky - dusík N 2 - kyslík O 2 - vodní páry H 2 O a inertní plyny (Argon) - oxid uhličitý CO 2 b) Škodlivé látky - oxid uhelnatý CO - oxidy dusíku NO X (NO a NO 2 ) - nespálené uhlovodíky HC - oxid siřičitý SO 2 a pevné částice PM 3.1 Norma EURO 5 Norma Euro 5, která nabyla účinnosti od 1.9.2009 je součástí evropských emisních standardů, které jsou souborem nařízení a požadavků, které stanovují limity pro složení výfukových plynů všech automobilů vyráběných v členských zemích EU. Cílem je postupné snižování obsah oxidů dusíku (NO X ), uhlovodíků (HC), oxidu uhelnatého (CO) a pevných částic (PM) v emisích. Oxid uhličitý (CO 2 ), který je často zmiňován v souvislosti s globálním oteplováním, jako takový není součástí tohoto balíčku směrnic. [19] 30

V důsledku zpřísňujících se předpisů upravujících povolené emise škodlivin se významně zlepšují emisní charakteristiky automobilů. Nová vozidla jsou proto šetrnější k životnímu prostředí než starší výroby. Norma Euro 5 ještě více zpřísňuje limity pro emise oxidů dusíku, což vede výrobce k dalším vylepšením technologie spalování nebo k vybavení vozidel dodatečnou úpravou výfukových plynů k redukci koncentrace NO X ve spalinách. K řešení je možné využít technologie SCR nebo EGR. V současné době automobilky směřují vývoj motorů ke splnění přísnějších limitů, které budou zavedeny normou Euro 6. Její návrh předpokládá další snížení emisí NO X a PM, a to od roku 2013/2014, návrh normy Euro 6 je uveden v tabulce. (Tabulka č. 1) Již dnes je v platnosti možnost udělení označení EEV (Enhanced Environmentally friendly Vehicle vozidlo zvláště šetřící životní prostředí). [20] Do tabulky (Tabulka č. 1) byly uvedeny limitní hodnoty škodlivin (g/kwh) a kouřivosti (m -1 ) zavedené jednotlivými evropskými předpisy Euro pro motory využívané v nákladních vozech a autobusech, tedy pouze pro vznětové motory. Emisní limity pro normy Euro 1 a 2 jsou stanoveny dle testovacího cyklu ECE R 49, od normy Euro 3 pak dle testů ESC a ELR. Limitní hodnoty EEV, zavedené směrnicí 2005/55 ES, jsou dobrovolné a vozidla, která je splňují, patří mezi ty typy zvláště šetřící životní prostředí. U norem Euro 6 se jedná zatím pouze o návrhy. Hodnoty v závorkách jsou buď pro výkonově odlišné typy motorů (např. u normy Euro 1 u prachových částic pro motory nad 85 kw), nebo vstoupily v platnost později (případ limitu na PM u Euro 2). [20] Tabulka č. 1 Emise nákladních vozidel a autobusů v g/kwh a kouřivosti v m -1 Předpis Rok vstupu v platnost Oxid uhelnatý (CO) Uhlovodíky (HC) Oxidy dusíku (NO X ) Pevné částice (PM) EURO 1 1992 4,5 1,1 8,0 0,612 (0,36) EURO 2 1995 4,0 1,1 7,0 0,25 (0,15) Kouřivost EURO 3 2000 2,1 0,66 5,0 0,10 (0,13) 0,8 EURO 4 2005 1,5 0,46 3,5 0,03 0,5 EURO 5 2008 1,5 0,46 3,5 0,03 0,5 EEV 1999 1,0 0,25 2,0 0,02 0,15 EURO 6 (návrh) 2014 1,0 0,25 0,4 0,01 Zdroj: [20] 31

Další tabulka uvádí limitní hodnoty škodlivin pro osobní automobily v g/km, členění v tabulce je uvedeno podle druhu paliva. (Tabulka č. 2) Tabulka č. 2 Emise osobních vozidel v g/km Diesel Název Platnost od CO HC NO X HC + NO X PM Euro 1 1993 2,72 - - 0.97 0.14 Euro 2 1996 1.0 - - 0.9 0.10 Euro 3 2000 0.64-0.50 0.56 0.05 Euro 4 2005 0.50-0.25 0.30 0.025 Euro 5 2009 0.50-0.18 0.23 0.005 Euro 6 (návrh) 2014 0.50-0.08 0.17 0.005 Benzín Název Platnost od CO HC NO X HC + NO X PM Euro 1 1993 2,72 - - 0.97 - Euro 2 1996 2,2 - - 0.5 - Euro 3 2000 1,3 0.20 0.15 - - Euro 4 2005 1.0 0.10 0.08 - - Euro 5 2009 1.0 0.075 0.06-0.005 Zdroj: [19] 3.2 Katalyzátor Pomocí katalyzátoru výfukových plynů dochází ke snižování množství škodlivin ve výfukových plynech pomocí chemických reakcí, používal se pouze u zážehových motorů. S nástupem platnosti norem Euro 4 se začal používat i u vznětových motorů jako součást systému SCR. U zážehových motorů je používán proto, že nebylo nalezeno složení směsi, která by dosahovala vysokých výkonů, ale při jejím spálení by vznikalo nejméně škodlivin. Funkce katalyzátoru na nosiči z keramiky nebo oceli je tenká katalytická vrstva oxidačních a redukčních látek (platina oxidační, rhodium redukční). Při teplotě 400 800 C oxiduje CO a HC na CO 2 a H 2 O a redukuje NO X na N 2. Součástí systému katalyzátoru je kyslíková sonda (lambda sonda, která určuje přebytek vzduchu, u zážehových motorů by se měla rovnat λ = 1). Reaguje na složení spalin a upravuje tak složení směsi vstupující do motoru. Pro nejrychlejší náběh a udržení provozní teploty se katalyzátor umísťuje co nejblíže k motoru. Katalyzátor je 32

velmi citlivý na vniknutí benzínu v případě bohaté směsi, vynechávání motoru, startování bez naskočení motoru, roztažení vozidla. Hořením paliva v katalyzátoru vzroste jeho teplota nad 1000 C a při 1400 C dojde k jeho zničení (vyhoření). 3.3 Selektivní katalytická redukce SCR (Selective catalytic reduction) je technologie, která dokáže snížit emise výfukových plynů vznětových motorů. Technologie SCR používá neupravený motor, který splňuje normu Euro 3 a ke snížení škodlivých látek (převážně NO X ) dosahuje vstřikováním kapaliny AdBlue do výfuku. Při provozu motoru dochází k automaticky řízenému vstřikování AdBlue do zabudovaného katalyzátoru. Zde dochází k přeměně oxidů dusíku, které vznikají při spalování nafty a z výfuku pak místo NO X uniká vodní pára a dusík. Dusík je, na rozdíl od problematických oxidů dusíku, přirozenou a neškodlivou součástí ovzduší. [21] Adblue obsahuje vodný roztok močoviny o vysoké chemické čistotě. Tento roztok je v důsledku vysoké teploty ve výfukovém systému rozštěpen na amoniak (NH 3 ) a oxid uhličitý (CO 2 ). Amoniak je účinnou látkou a hlavní složkou procesu, ke kterému dochází v katalyzátoru technologie SCR. V následném chemickém procesu jsou škodlivé oxidy dusíku (NO X ) přeměňovány působením amoniaku na dusík (N 2 ) a vodní páru (H 2 O). [21] Na konci výfukového potrubí je umístěn snímač emisí výfukových plynů, který kontroluje proces SCR. Systém je tak schopen odhalit poruchy jednotlivých součástí, ale i provoz bez redukčního činidla potřebné kvality. Při poruše systému (nebo při dojití AdBlue) motor funguje dál (na rozdíl od technologie EGR), pouze dojde ke zvýšení emisí na úroveň normy Euro 3 v tomto okamžiku může řídící jednotka a omezit výkon či rychlost, aby donutila řidiče natankovat AdBlue, popřípadě nechat systém opravit. Nevýhodou technologie SCR je prostor, který je nebytný pro nádrž AdBlue. Proto se téměř nepoužívá u osobních vozidel ani u dodávkových vozidel. Naopak ji používají všichni výrobci nákladních vozidel a autobusů. 33

AdBlue definice uvádí, že se jedná o kapalné aditivum, využívané u technologie selektivní katalytické redukce, která se užívá při úpravě výfukových plynů vznětových motorů na úroveň emisních limitů Euro 4 a vyšších. Adblue je čirá bezbarvá kapalina sestávající z 32,5 % vodného roztoku syntetické močoviny o vysoké chemické čistotě s teplotou tuhnutí -11 C. Vozidlo s naftovým motorem má AdBlue uloženo v samostatné nádrži, odděleně od nádrže s naftou. Spotřeba AdBlue činí přibližně 5% z objemu spotřebované nafty, tj. na 100 l nafty se spotřebuje cca 5 l AdBlue. AdBlue snižuje spotřebu nafty, a to až o 7 %, takže částečně kompenzuje vyšší pořizovací náklady na automobily splňující Euro 4 a Euro 5. [21] 3.4 Filtr pevných částic Použití je pouze u vznětových motorů, jelikož částice ve výfukových plynech vznětových motorů tvoří mikroskopické částečky uhlíku o průměru cca 0,05 µm, na které se váží uhlovodíky z paliva a oleje, dále obsahují vodu a sulfáty ze síry obsažené v palivu. Průměr částic ve spalinách se tak zvýší na 0,9 µm. Počet a velikost částic je závislý na provozních podmínkách motoru a jeho konstrukčním provedení. Největší vznik částic je při hoření paliva, pokud je příliš bohatá směs. Výfukové plyny naftových motorů osahují také polycyklické aromatické uhlovodíky, které způsobují vznik rakoviny. Používaný částicový filtr tvoří keramické porézní těleso, na jehož povrchu a v pórech se částice zachycují. Po určité době provozu vzroste odpor proti průtoku spalin (tlakový spád) natolik, že je nutno zachycené částice odstranit. Filtr je čištěn spálením sazí ze sítka vysokou teplotou, která se označuje jako: a) Pasivní regenerace - probíhá automaticky, když je motor v trvalém záběru (na dálnici) a výfukové plyny se zahřejí na 350-500 C b) Aktivní regenerace - proběhne do 1000 km, když nebyla uskutečněna pasivní regenerace (např. při městském provozu), teplota výfukových plynů se uměle zvýší na 600 C, pomocí změny časování vstřiků motoru v kombinaci s vyšším množstvím paliva nebo aditiva 34

3.5 Recirkulace spalin Technologie EGR (Exhaust gas recirculation) slouží ke snížení emisí výfukových plynů u všech typů motorů. Princip funkce je, že část výfukových plynů prochází výměníkem tepla (chladičem) a pak je znovu nasávána do motoru. Tím se omezuje vznik dalšího NO X, protože v nasávaném vzduchu je menší podíl kyslíku, výsledkem jsou pak nižší teploty při spalování a tím i nižší produkce oxidů dusíku. Tím dojde ke snížení výkonu motoru, protože díky nižšímu množství kyslíku lze spálit menší množství paliva. Tento systém používá většina vznětových motorů osobních a dodávkových vozů, které splňují normu Euro 4 a vyšší. Z výrobců nákladních vozů ho používá pouze Scania a MAN (jen u některých motorů), ostatní výrobci využívají systému SCR. [17] 35

4 POPIS A ANALÝZA MOTORU TATRA A MOTORŮ OSOBNÍCH AUTOMOBILŮ A TRAKTORŮ Pro popis a analýzu byl zvolen typický zástupce motorů nákladních vozidel, a to motor Tatra typ T3B-928-50. Jedná se o starší typ motoru, který splňuje normu Euro 2. Tento motor jsem si pro analýzu zvolil proto, že jsem měl možnost s tímto typem motoru pracovat při své bakalářské praxi. V rámci analýzy byl proveden popis hlavních soustav spalovacích motorů a srovnání s motory osobních automobilů a traktorů. 4.1 Nasávání a čistění vzduchu Nasávání a čištění vzduchu do válců motoru je řešeno přirozeným nasáváním, ve válci v sacím zdvihu je vytvořen tlak nižší než atmosférický, nebo přeplňováním dmychadlem vytvořením tlaku vyššího, než je tlak atmosférický. Přeplňování je řešeno pomocí dmychadla (mechanicky poháněná, turbodmychadla), tlakových vln (laděná sací potrubí, rotační rozdělovač Comprex), náporem vzduchu (při rychlosti jízdy vyšší než 100 km/h). Část vzduchu dopraveného do válce je spotřebována k vypláchnutí spalovacího prostoru, pro odvedení zbytků spalin a druhá část je určena k oxidaci hořlavých složek paliva. Na sací potrubí často navazuje i odvětrání klikové skříně. Na čištění vzduchu u motorů nákladních vozidel a traktorů je kladen zvlášť velký důraz, protože se pohybují většinou v prašných místech, jako jsou pole a stavby. 4.1.1 Filtrační vložky Filtrační systém motoru bývá zpravidla dvoustupňový. První část slouží k zachycení nejtěžších nečistot. U motorů Tatra je to hlavní filtrační vložka vyrobená z papíru a na ni navazuje pojistná filtrační vložka. U dnešních traktorů je v prvním stupni využito odstředivého čističe (cyklonu). Princip cyklonu je v zachycení hrubých nečistot, uvedením vzduchu do rotace spirálou umístěnou na vstupu potrubí nebo tečným vstupem vzduchu do čističe. Vzduch, který je takto uvedený do rotace způsobuje, že 36