Produkce emisních složek výfukových plynů zážehové a vznětové motory Složky výfukových zplodin CO oxid uhelnatý Jedná se o bezbarvý jedovatý plyn, který je bez zápachu a již 0,5 objemového procenta ve vzduchu je během 30 minut smrtelná. Váže se na krevní barvivo intenzivněji než kyslík a tak jsou jednotlivé orgány poškozovány nedostatkem kyslíku. Nejdříve je poškozován mozek a proto je označován jako nervový plyn. Jeho koncentraci ve spalinách lze snížit větším přebytkem vzduchu. HC uhlovodíky Uhlovodíky jsou produktem nedokonalého spalování stejně jako CO. Podle jejich povahy jsou narkotické, rakovinotvorné, dráždí sliznice, způsobují zápach a v některých případech jsou mutagenní. Jejich nejnižší obsah je při součiniteli přebytku vzduchu λ = 1,1. NO x oxidy dusíku Kromě N 2 O jsou zootoxické i fytotoxické. Jejich množství ve výfukových plynech je závislé zejména na teplotě a čase působení vysoké teploty. saze Saze jsou formou čistého uhlíku a samy o sobě nejsou toxické. Mají však výborné sorpční vlastnosti a jsou nositelem dalších znečišťujících faktorů (oxid siřičitý je toxický ve větších koncentracích, olovo a jeho sloučeniny jsou zootoxické i fytotoxické) kromě svého působení na zhoršení dýchatelnosti. CO 2 oxid uhličitý Svou podstatou je neškodlivý, ale přispívá ke skleníkovému efektu. Je ukazatelem dokonalosti spalovacího procesu a také těsnosti výfukové soustavy. 1
Škodlivost složek v motorech Z hlediska škodlivosti se rozdělují složky výfukových plynů na škodlivé a neškodlivé. Mezi neškodlivé se počítá N 2, H 2 O, CO 2, O 2 a další. Neškodlivost je pouze relativní, protože přestože CO 2 se uvádí v této kategorii, tak patří k plynům, které vytvářejí skleníkový efekt. Mezi škodlivé patří CO, NO x, HC a pevné částice. Složka N 2 Zážehový motor Obsah Škodlivost 72,3 % Složka H 2 O 12,7 % H 2 O 7 % CO 2 12,3 % neškodlivé CO 2 7 % O 2 0,7 % 9,7 % Argon atd. 1,0 % NO x 0,15 % CO 0,85 % CO 0,05 % NO x 0,085 % saze 0,05 % škodlivé škodlivé HC 0,05 % HC 0,03 % saze 0,006% SO 2 0,02 % N 2 O 2 Vznětový motor Obsah 76 % Škodlivost neškodlivé Celkový počet vozidel v ČR 7000000 6000000 5000000 4000000 3000000 2000000 1000000 0 1988 1989 Spotřebované palivo 1990 1991 1992 1993 1994 1995 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 1996 K 1. lednu uvedeného roku 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 K 1.1. 2008 je v ČR 6.788.165 vozidel. Roční přírůstek činí 2-3 %. 350 300 250 200 150 100 50 Benzín natural Benzín olovnatý Motorová nafta LPG 0 0 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2
Složky na něž se vztahují emisní limity (tuna) Složky vytvářející skleníkový efekt (tuna, CO 2 tis. tun) Látky nelimitované s toxickým účinkem (tuna) Závislost složek na součiniteli přebytku vzduchu Závislost jednotlivých složek výfukových plynů zážehového vznětového motoru jsou na uvedeném příkladu. Hranicí pro běh zážehového motoru je součinitel přebytku vzduchu λ v rozmezí 0,7 až 1,3. U moderních motorů se vstřikováním a elektronickým řízením udržuje mírně chudá směs okolo hodnoty λ = 1,05 a u starších motorů s karburátorem mírně bohatá směs kolem hodnoty λ=0,95. 3
Měření kouřivosti vznětového motoru Filtrační metoda Tato metoda je založena na zachycení částeček kouře na filtrační papírek, přes který se prosaje definované množství výfukových plynů definovanou rychlostí. Množství částic se vyhodnocuje opticky podle zčernání filtračního papírku v porovnání s novým papírkem. Pro dynamické měření spalovacích motorů je tato metoda nevhodná. Hmotnostní měření koncentrace částic Nejprve se provede zvážení filtračního elementu před měřením a poté následuje jeho opětovné zvážení po měření. Hmotnostní koncentrace částic v analyzovaném vzorku c se stanoví na základě vzorce, kde M představuje hmotnost buď nového M 1 nebo použitého M 2 filtračního elementu, V je objem prosátého množství spalin. Opacimetrie Pomocí opacimetru se měří pohltivost světla při průchodu výfukovými plyny na principu Behr-Lambertova zákona, kde Φ je dopadající světelný tok, Φ 0 je světelný tok vystupující ze zdroje, k je součinitel absorpce a L je účinná dráha světelných paprsků procházejících výfukovými plyny. Z výfukového potrubí jsou plyny vedeny do měřící trubice (2) opacimetru. Na jedné straně trubice je fotočlánek (4) a na druhé zdroj světla (1). Plyny procházejí trubicí a pohlcují část dopadajícího světla na fotočlánek. Vzniklý proud je indikován miliampérmetrem (5). Před vlastním měřením se nechá trubicí proudit čistý vzduch a potenciometrem (6) se nastaví N = 0. N je lineární stupeň absorpce světla a k součinitel absorpce. Toto jsou dvě nejčastější veličiny, přičemž je přesně definován jejich vztah. Měřený motor nelze zpravidla trvale zatěžovat a měření kouřivosti vyžaduje plnou dodávku paliva a proto se měření zpravidla provádí při rozběhu motoru na plnou dodávku paliva. Opacimetrie 1) zdroj světla, 2) měřící trubice, 3) ventil, 4) fotočlánek, 5) miliampérmetr, 6) potenciometr, 7) ventilátor 4
Měření koncentrace plynných složek Měření založené na principu absorpce infračerveného záření Při průchodu elektromagnetického záření vrstvou plynu je část procházející energie pohlcena. Pro zjištění přítomnosti individuálního plynu v analyzované směsi se využívá skutečnosti, že závislost absorpčního koeficientu na vlnové délce záření je individuální vlastností plynů, které obsahují v molekule alespoň dva různé atomy. Infraanalyzátor je nejjednodušší a také nejlevnější analyzátor s vlastnostmi, které se hodí k nasazení do výzkumu a vývoje. Měření koncentrace plynných složek Měření založené na principu absorpce ultrafialového záření Patří také do skupiny optických analyzátorů. Jako zářiče je zde použita plynová výbojka s dutou katodou. Ultrafialové záření prochází měřící kyvetou, kde dochází k pohlcení části záření absorpčně aktivními složkami přítomnými ve výfukových plynech, jimiž je kyveta kontinuálně proplachována. Referenční paprsek je veden přímo na korekční detektor. Selektivita přístroje je zajištěna volbou plynové náplně výbojky a náplně plynového filtru. V elektronických obvodech se generuje napětí, které je lineární funkcí koncentrace sledované složky plynu. Tento typ přístroje se užívá především na určování koncentrace oxidů dusíku ve výfukových plynech. Jejich životnost je omezena plynovou náplní výbojky, která se za provozu spotřebovává. 5
Měření koncentrace plynných složek Měření s využitím chemické luminiscence Chemická luminiscence je emise specifických energetických kvant (fotonů) provázející některé chemické procesy. V analýze výfukových plynů se tato metoda používá především pro stanovení koncentrace oxidů dusíku. Do chemické reakce kromě oxidů dusíku vstupuje také ozón, který je vyráběn v přístroji. Z oxidů dusíku je vstupní látkou pouze NO. Pro zjištění celkové emise NO x se přepnou elektromagnetické ventily tak, aby vzorek procházel vyhřívaným katalytickým reaktorem, ve kterém dochází k redukci oxidu dusičitého na oxid dusnatý. Koncentrace NO 2 se zjistí rozdílem předchozích dvou hodnot. Pneumatický systém se vyznačuje poměrně velkou složitostí, protože jím jsou ovlivněny odezvy fotonásobiče. Měření koncentrace plynných složek Měření založené na principu změny elektrické vodivosti vodíkového plamene Po připojení elektrického potenciálu na vodíko-vzduchový plamen vzniká velmi malý proud iontů. Přivedením organicky vázaného uhlíku do zóny hoření proud iontů narůstá úměrně množství uhlovodíků. Difúzní vodíkový plamen se zapaluje při spuštění přístroje žhavící svíčkou. Část vzduchu se mísí s vodíkem před vstupem do hořáku, aby se podle koncentrace kyslíku ve vzorku neměnil příliš tvar plamene. Tlak vodíku se reguluje v závislosti na tlaku spalovacího vzduchu, aby se zajistil trvale přiměřený směšovací poměr. Proud iontů se snímá dvojicí elektrod, z nichž jedna je obvykle tvořena samotným ělesem hořáku, druhá je umístěna na plameni a má tvar šroubovice s proměnlivým průměrem, nebo jen jednoduchý rovný drát či těleso trubkového tvaru. 6
Měření koncentrace plynných složek Analyzátory pracující na principu měření magnetických vlastností Paramagnetické látky mají vysokou permeabilitu a jsou vtahovány do magnetického pole. Z plynů má nejvyšší permeabilitu kyslík a proto se princip měření magnetických vlastností používá pro stanovení koncentrace kyslíku. Klíčovou součástí je permanentní magnet nebo elektromagnet, jehož pole přitahuje molekuly kyslíku. Podle průtoku vzorku se rozlišují přístroje magnetomechanické, magnetopneumatické a termomagnetické. Kyslík vtažený do magnetického pole z levé větve prstence ztrácí při zvýšení teploty magnetismus a je vytlačován přísunem studeného kyslíku. Strháváním okolních nemagnetických molekul vzniká stabilní průtok příčným kanálem. Levé vinutí se chladí stálým ofukováním studeným proudem vzorku. Ochlazování pravého vinutí je méně intenzivní, protože magnetický vítr je již zahřátý. Rozdíl teplot vinutí je úměrný koncentraci kyslíku ve vzorku. Schéma měření založeného na principu změny elektrické vodivosti vodíkového plamene Schéma měření založeného na principu měření magnetických vlastností 7
Přechodové jevy analyzátorů Koncentrace v komoře nikdy nedosáhne hodnoty c 1. Proto se pro hodnocení přechodových vlastností používá hodnota t90, která je definována jako doba, za kterou dosáhne údaj přístroje 90 % hodnoty skokové změny na vstupu. Průtok Q bývá u analyzátorů popsaných v předchozích bodech přibližně v rozmezí 0,5 2 dm 3.min -1. Čas t90 bývá obvykle dlouhý pouze několik sekund. V praxi se však vyskytují také přístroje bez pracovní komory, na hodnotě t90 se vůbec nepodílí vyplachovací část a na charakteru výchylky ručičky je to poznat (např. skoky při vysazení jiskry u zážehového motoru). Tento typ přístrojů je vhodný pro dynamická měření. Podmínky měření Zvýšená hladina CO motor ohřátý jízdou na provozní teplotu těsná výfuková soustava správně nastavené volnoběžné otáčky při měření nesmí být v činnosti obohacovač pro studený start (sytič) v případě automatických převodovek je třeba zařadit N správná funkce zapalovací soustavy (předstih, kontakty, ) plně funkční palivová soustava (vzduchový filtr, správně nastavená hladina plovákem, vstřikovací a pracovní tlaky, volné trysky v karburátoru ) emise CO jsou nezávislé na úhlu předstihu příliš bohatá směs v karburátoru znečištěný vzduchový filtr špatná funkce jehlového ventilu špatná funkce termostatu sytič v činnosti i při zahřátém motoru vadná lambda sonda a jiné snímače 8
Opatření pro snížení produkce emisí u zážehových motorů Ovlivnění směšovacího poměru a tvorby směsi Vnitřní opatření motoru k ovlivnění průběhu hoření Dodatečná opatření, redukce škodlivých emisí za motorem Opatření před motorem Dokonalé rozprášení paliva a dokonalé odpaření do vzduchu NO x poklesne se snížením komprese (klesne i teplota), sníží se i HC HC závisí na tvaru spalovacího prostoru, existence štěrbin Obohacením směsi (λ<0,8) klesne teplota, zpomalí se hoření, klesne NO x a termická účinnost Emise HC klesá s vrstvením směsi s rozdílným přebytkem vzduchu Recirkulace výfukových plynů sníží teplotu hoření a tím NO x Opatření za motorem Dodatečné reakce (oxidace) dostatečná teplota a kyslíku ve výfukových plynech (dodatečná reakce CO a HC) Termické reaktory stejný princip, ale plyn se nechává v uzavřené a izolované nádobě pro větší účinnost Katalytické reaktory Jeho schopností je urychlovat reakci tak, aby výsledkem byly netoxické látky. Používanými prvky jsou platina, paládium a rhodium Katalytické reaktory Výhody katalyzátoru snížení reakční doby zvýšení reakční rychlosti při srovnatelné teplotě činnost reaktoru při širším rozmezí teplot jednodušší připojení katalyzátoru k motoru Typy katalyzátoru Oxidační (CO, HC) Redukční (NO x ) kombinované Oxidace 2CO + O 2 2CO 2 H n C m + (m + n/4). O 2 mco 2 + n/2. H 2 O 2H 2 + O 2 2H 2 O Redukce 2NO + 2CO N 2 + 2CO 2 2NO + 2H 2 N 2 + 2H 2 O H n C m + 2. (m + n/4).no (m + n/4).n 2 + n/2. H 2 O + mco 2 9
Konstrukce katalyzátoru Katalyzátor je vytvořen jako ocelový tubus obsahující porézní vložku, na které je nanesena aktivní hmota. Tubus se montuje asi 0,5m za sběrné potrubí do výfuku. Jako katalytický materiál je používána platina a rhodium v poměru 5:1. Na jeden katalyzátor je použito 1 až 3 gramy směsi. Tato směs je výrazně poškozována zbylým nespáleným palivem. Porézní vložka Volně sypané kuličky nebo tělíska s nanesenou aktivní vrstvou Monolitický keramický katalyzátor je tvořen porézním keramickým blokem (magnesium-aluminiumsilikát). Vyžadovaná pórivotst je 5000 kanálků na cm 2 Kovový katalyzátor je vytvořen střídáním hladkého a vlnitého plechu. Jeho výhodou je odolnost proti otřesům a teplotám Snižování škodlivin u vznětových motorů Aplikace filtrů pro snížení obsahu pevných částic (obdoba katalyzátoru) Vstřikování močoviny do výfuku Ocelová nebo keramická konstrukce Na materiál jsou kladeny nároky malých hydraulických odporů a nízké ceny Kanálky jsou střídavě zaslepeny keramickými zátkami Částice se v uzavřených kanálcích hromadí Nastává regenerace katalyzátoru spálením sazí při teplotě 600 C Vzniká CO 2 K udržení teploty je třeba filtr důkladně izolovat Používá se také aktivní vrstva manganu, který sníží teplotu až na 200 C Keramika je náchylnější na otřesy a svou velkou tepelnou kapacitou je předurčena k tomu, že potřebuje delší dobu ohřevu 10
Tvorba emisních map Emisní mapa je plocha v níž je zobrazena produkce konkrétní složky v závislosti na otáčkách a zatížení motoru (městský x mimoměstský provoz) Čím více bodů je měřeno, tím je plocha přesnější Emisní plochy 11
Porovnání spotřeby paliva z palivoměru a z emisí Dodávka paliva podle palivoměru (kg/h) Dodávka paliva podle emisí (kg/h) Porovnání spotřeby paliva z palivoměru a z emisí Přesnost v těsné blízkosti měřených bodů (%) Přesnost v celé pracovní oblasti (%) 12
Produkce emisních složek výfukových plynů zážehové a vznětové motory 13