MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA DIPLOMOVÁ PRÁCE. Bc. ANTONÍN SKŘIVÁNEK

MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA DIPLOMOVÁ PRÁCE BRNO 2011 Bc. ANTONÍN SKŘIVÁNEK

Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Vliv změny předstihu záţehu a směšovacího poměru na emisní parametry spalovacího motoru Diplomová práce Vedoucí práce: Ing. Jiří Čupera, Ph.D. Vypracoval: Bc. Antonín Skřivánek Brno 2011

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, ţe jsem diplomovou práci na téma VLIV ZMĚNY PŘEDSTIHU ZÁŢEHU A SMĚŠOVACÍHO POMĚRU NA EMISNÍ PARAMETRY SPALOVACÍHO MOTORU vypracoval samostatně a pouţil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloţeném seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a můţe být pouţita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne. podpis diplomanta.

Poděkování Děkuji vedoucímu diplomové práce Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D. za odborné vedení, cenné připomínky a komentáře, které mi vţdy ochotně poskytl a které významně přispěly ke konečnému znění diplomové práce.

ABSTRAKT Moje diplomová práce se zabývá vznikem emisí výfukových plynu především u záţehového motoru a jejich dopadem na člověka a jeho okolí. Jsou zde také popsané vybrané systémy pro redukci emisí. Dále jsou popsány systémy pro měření emisí výfukových plynu. V praktické části proběhlo měření a vyhodnocení vlivu předstihu záţehu a bohatosti směsi na emise výfukových plynu. Měření proběhlo v laboratorních podmínkách laboratoře Mendelovy univerzity v Brně. KLÍČOVÁ SLOVA: emise, analyzátor, motor, předstih záţehu, směšovací poměr ABSTRACT My diploma thesis deals with the formation of exhaust gases particularly for gasoline engines and their impact on man and his surroundings. It also describes selected systems to reduce emissions. Furthermore, there are described systems for measuring exhaust gas emissions. The practical part was carried out measuring and evaluating the impact of the ignition advance and the richness of the mixture on the exhaust gases. Measurement was carried out under laboratory conditions, the laboratory of the Mendel University in Brno. KEY WORDS: emissions, analyzer, engine, ignition advance, mixing ratio

OBSAH 1 ÚVOD... 8 2 VZNIK ŠKODLIVIN VE VÝFUKOVÝCH PLYNECH... 10 2.1 Sloţení výfukových plynů spalovacích motorů... 10 2.1.1 Charakteristika výfukových plynů... 11 2.1.2 Oxid uhelnatý CO... 11 2.1.3 Oxidy dusíku NO X... 12 2.1.4 Pevné částice PM... 12 2.1.5 Uhlovodíky HC... 13 2.1.6 Oxid uhličitý CO 2... 13 2.1.7 Oxid siřičitý SO 2... 13 2.2 Proces vzniku škodlivin... 13 2.2.1 Stechiometrický poměr... 14 2.2.2 Součinitel přebytku vzduchu λ... 14 2.2.3 Význam velikosti součinitele přebytku vzduchu... 14 2.2.4 Vliv součinitele přebytku vzduch na sloţení emisí... 15 2.2.5 Předstih záţehu motoru... 16 2.2.6 Vznik CO... 17 2.2.7 Vznik NO X... 17 2.2.8 Vznik HC... 17 2.2.9 Vznik PM... 18 2.2.10 Vznik CO 2... 18 2.3 Redukce škodlivin... 18 2.3.1 Katalyzátory... 19 2.3.2 Zásobníkový katalyzátor NO X... 20 2.3.3 Filtr pevných částic... 21

2.3.4 Redukce NO X technologie SCR... 22 2.4 Laboratorní přístroje k měření emisí výfukových plynů... 23 2.4.1 Absorpce infračerveného záření NDIR... 23 2.4.2 Absorpce ultrafialového záření... 24 2.4.3 Přístroje s vyuţitím chemické luminiscence... 25 2.4.4 Princip změny elektrické vodivosti vodíkového plamene... 26 2.4.5 Princip měření magnetických vlastností... 27 2.5 Laboratorní měření částic vznětových motorů... 28 2.5.1 Měření kouřivosti filtrační metodou... 28 2.5.2 Opacimetrie... 28 2.5.3 Hmotnostní měření koncentrace částic... 29 3 CÍL... 31 4 VLASTNÍ MĚŘENÍ... 31 4.1 Vlastnosti motoru... 31 4.2 Metodika měření... 32 4.2.1 Měřící přístroje... 33 4.2.2 Změna předstihu záţehu... 36 4.2.3 Změna směšovacího poměru... 36 4.3 Otáčková charakteristika... 38 4.3.1 Změna parametrů motorů vliv na CO... 39 4.3.2 Změna parametrů motorů vliv na CO 2... 41 4.3.3 Změna parametrů motorů vliv na NO X... 43 4.3.4 Změna parametrů motorů vliv na HC... 45 4.3.5 Změna parametrů motorů vliv na měrnou spotřebu... 47 5 ZÁVĚR... 49 SEZNAM POUŢITÉ LITERATURY... 51 SEZNAM OBRÁZKŮ... 53

1 ÚVOD První emise výfukových plynů ze spalovacích motorů, vznikly s objevem motoru jiţ v 19. století. Spalovací motor je výsledkem důkladného bádání a pochopení základu termodynamiky a velkou snahou nalezení náhrady za parní stroje. První patent na vozítko poháněné výbušnou směsí svítiplynu se vzduchem byl udělen v roce 1807 dělostřeleckému důstojníkovi švýcarské armády Issacu de Rivazovi. Po udělení patentu však jiţ v dalším vývoji nepokračoval. První funkční a pouţitelný dvoudobý motor na svítiplyn vynalezl aţ v roce 1859 belgický vynálezce Jean Joseph Etienne Lenoire, který si ho nechal patentovat v roce 1860. Tento motor se stal však úspěšným aţ po několika násobném vylepšení, které prováděl německý vynálezce Nikolaus Otto a r. 1878 se stal plynový motor komerčně úspěšným. Otto přijal čtyřtaktní cyklus sání - komprese expanze výfuk. Další konstruktéři jako Karl Benz, Gottlieb Daimler a Rudolf Diesel v 19. století doslova odstartovali automobilový průmysl a tím zároveň novou hrozbu pro lidstvo a to škodliviny výfukových plynů. Motorová vozidla se stala hlavním nástrojem nákladní a osobní přepravy. V posledních letech došlo k citelnému nárůstu dopravy, který je znatelný takřka po celém světě. Průměrně v letech 1990 do 2004 došlo k nárůstu o 32% vozidel. K největšímu nárůstu došlo např. v pobaltských státech, kde se počet automobilů téměř zdvojnásobil. Hustota automobilů je podle údajů z roku 2006 ve starých členských zemích EU 508 aut na 1000 obyvatel. V současné době je nejmasovější nárůst automobilů v Asii a to především v Číně a Indii. S tímto nárůstem dopravy by docházelo ke stejnému nárůstu emisí výfukových plynů. Avšak velký administrativní tlak na výrobce a konstruktéry se současným technickým pokrokem dokázal tento narůst sníţit. V dnešní době, kdy u záţehových motorů se stále více pouţívá přímé vstřikování benzínu a u vznětových motorů systém common rail, se podařila výrazně sníţit spotřeba paliva na jedno vozidlo a tím zároveň emise, které tyto automobily produkují. Také je znatelný pokrok v redukci škodlivin po spalování. Přes veškeré úsilí na sníţení emisí, je automobilová doprava velkým producentem skleníkových plynů. Automobilová doprava vyprodukuje např. v Evropě 20% skleníkových plynů a toto číslo stále narůstá, kdeţto u jiných odvětví dochází ke sniţování produkce skleníkových plynů. 8

V posledních letech významně poklesly emise vyprodukované evropskými automobily, a to díky stále přísnějším emisním normám EURO, které říkají, jaké emisní limity musí automobily splňovat v daný rok výroby. Uţ dnes dosahují emise CO 2 120 g/km u některých vozidel. Tato hodnota odpovídá cca 4,5l paliva na 100km. Tento limit původně poţadován evropskou unií aţ na rok 2020. Pro výrobce to znamenalo přestat vyrábět mohutná a výkonná auta a hledat další konstrukční rezervy. [1] 9

2 VZNIK ŠKODLIVIN VE VÝFUKOVÝCH PLYNECH Jiţ ze samotného označení příslušné sloţky jako škodliviny je zřejmé, ţe její absolutní a měrná produkce by měla být konstrukcí motoru a způsobem jeho provozování minimalizována. To je ovšem nezřídka spojeno se zhoršením jiných vlastností motoru (např. produkce jiných škodlivin), proto je vhodné v otázce emisních parametrů nasadit optimalizační postupy. Koncentrace emisí závisí převáţně na sloţení směsi a teplotě. [2] 2.1 Sloţení výfukových plynů spalovacích motorů Spalování paliva ve spalovacím prostoru pístového spalovacího motoru je slučování jeho spalitelných prvků, zpravidla uhlíku a vodíku, s kyslíkem. Spalování probíhá v krátkém časovém okamţiku a představuje soubor sloţitých fyzikálních a chemických jevů. Při pouţití vzduchu jako okysličovadla je vţdy nejvýznamnější (co do obsahu) sloţkou spalin dusík (N 2 ). Při spalování uhlovodíkového paliva se vzduchem vzniká dokonalou oxidací uhlíku a vodíku obsaţeného v palivu oxid uhličitý (CO 2 ) a voda (H 2 O). Při nedokonalé oxidaci těchto prvků jsou ve spalinách přítomny oxid uhelnatý (CO) a vodík (H 2 ). Kyslík (O 2 ) se objevuje ve výfukových plynech, kdyţ se celé jeho mnoţství nevyuţije k oxidaci paliva, protoţe byl v čerstvé směsi v přebytku, anebo se nevyuţil z jiných důvodů. Za vysokých teplot ve spalovacím prostoru vznikají oxidací vzdušného dusíku oxidy dusíku (NO X ) sestávající zejména z oxidu dusnatého (NO) a menšího mnoţství oxidu dusičitého (NO 2 ). Při velmi nepříznivých globálních, či lokálních podmínkách pro oxidaci paliva obsahují výfukové plyny nespálené uhlovodíky (HC) různého sloţení (co do obsahu individuálních uhlovodíků). U motorů s vnější tvorbou směsi se tato sloţka objevuje jako součást spalin i z důvodu úniku části čerstvé směsi přímo do výfukového traktu zkratovým vyplachováním. Za totálního nepřístupu vzduchu (uvnitř kapičky kapalného paliva) nastává při vysoké teplotě dekompozice molekul uhlovodíků, jejímţ výsledkem je přítomnost pevného uhlíku (sazí) ve spalinách. S výfukovými plyny odchází z motoru téţ jisté (velmi malé) mnoţství dalších (pevných) částic (vysokomolekulové produkty tepelné degradace mazacího oleje, prach, popel, částečky rzi atd.). [2] 10

Obsah síry v motorové naftě je jeden z legislativně sledovaných parametrů. Celosvětově je ţádané, aby obsah síry byl co nejniţší. Při spalování se uvolňují oxidy síry, které se při pouţití oxidačního katalyzátoru usazují na jeho aktivním povrchu a sniţuje jeho účinnost. [3] Z uvedených polutantů se mezi sledované škodliviny počítají CO, NO X, HC (u záţehových i vznětových motorů), saze a částice (pouze u vznětových motorů). [2] 2.1.1 Charakteristika výfukových plynů Účinky jednotlivých sloţek na lidský organismus se liší dle fyzických dispozicí jedinců a dobou expozice, poníţ je jedinec sloţce vystavován. 2.1.2 Oxid uhelnatý CO Oxid uhelnatý (CO) je bezbarvý plyn bez zápachu a chuti, o něco málo lehčí neţ vzduch. Reaguje s hemoglobinem a zabraňuje přenášení kyslíku do krve. Afinita hemoglobinu k oxidu uhelnatému je více neţ 200 krát vyšší neţ ke kyslíku. Protoţe oxid uhelnatý neproniká pokoţkou, je jedinou důleţitou expoziční cestou vdechování. Lehčí otravy se projevují bolestmi hlavy, bušením srdce v hlavě, tlakem na prsou, závratěmi. Dostavuje se celková nevolnost, zvracení. Můţe však dojít aţ ke smrti člověka. Otrava oxidem uhelnatým je jednou z nejčastějších otrav vůbec. [4] Obr. 1 Závislost doby expozice na koncentraci CO [2] 11

2.1.3 Oxidy dusíku NO X NO X je obecný termín pro mono-oxidy dusíku NO a NO 2. Oxid dusnatý je za normálních okolností bezbarvý jedovatý plyn, za přítomnosti vlhkosti leptající. Zajímavostí je, ţe má poměrně významnou biologickou roli v organismu. Přímá účinnost na lidský organismus je nízká. Oxid dusičitý NO 2 je červenohnědý, prudce jedovatý plyn. V ovzduší patří k plynům způsobující kyselé deště. V lidském organismu způsobuje záněty dýchacích cest od lehkých forem, aţ po edém plic. Příznaky otravy je dušení a nucení ke kašli. K tomu dochází jiţ při nízké koncentraci respektive při krátké expoziční době. Oxidy dusíku se téţ projevují na devastaci stavebních děl, v důsledku chemického napadení stavebních materiálů. [2] 2.1.4 Pevné částice PM Jde o malé částice vznikající u záţehových motorů s přímým vstřikováním a vznětových motorů. Pevné částice jsou převáţně tvořený sírany, amonné soli, uhlík, některé kovy, dusičnany, případně i těkavé organické látky nebo polyaromatické uhlovodíky. Částice dělíme podle velikosti PM 10,PM 2,5 a PM 1,0. Např. PM 10 jsou částice do velikost 10 µm. Čím je částice menší, tím déle se udrţí v ovzduší, neţ dojde k jejímu usazení. Částice PM 1,0 se můţe udrţet i několik týdnů v ovzduší, pokud nejsou spláchnuty deštěm. Částice větší neţ 10 µm, se obvykle zachytí jiţ na nosní sliznici, menší částečky, tedy právě PM 10, se usazují dále v průduškách. Při hlubším nádechu pak částice putují do vzdálenějších částí dýchacího ústrojí. Menší částice, PM 2,5 a PM 1,0, mohou někdy putovat přímo aţ do plicních sklípků a jsou proto nejnebezpečnější. [5] Prachové částice v průduškách a plicích škodí jednak samotným mechanickým zaprášením, mnohem větším problémem je pak obsah jedovatých a rakovinotvorných látek v prachu, například arzenu, kadmia, chromu, niklu, olova nebo manganu. Dlouhodobé vystavení vysokým koncentracím polétavého prachu, poškozuje dýchací a srdeční ústrojí, zkracuje délku ţivota a zvyšuje kojeneckou úmrtnost. Největším tvůrcem tohoto polutantu je právě automobilová doprava a to ze 2/3. [5] 12

2.1.5 Uhlovodíky HC Jsou to nejrůznější komponenty, které mají odlišné škodlivé účinky. Uhlovodíky obsaţené v palivu jsou nejméně nebezpečné pro lidský organismus. Proti tomu stojí nejnebezpečnější polutanty výfukových plynů - polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH), které mají rakovinotvorný účinek. Negativně působí při velmi malých koncentracích nebo expozičních dobách. V organismu působí na sliznice a poškozují dýchací cesty. Do výfukových plynů se dostávají z mazacího oleje. Polycyklické aromatické uhlovodíky (PAU) vstřebávají se v plicích a jsou převáţně karcinogenní a mutagenní. Existuje velké mnoţství PAU a nejznámějším je benzo-a-pyren (BaP), který je karcinogenní. Některé uhlovodíky se významně podílí na letním smogu. 2.1.6 Oxid uhličitý CO 2 Oxid uhličitý CO 2 je přímo pro lidský organismus neškodný plyn, avšak patří mezi nejdůleţitější skleníkové plyny, způsobující globální oteplování planety. Vytváří radiační clonu, která omezuje sdílení tepla ze zeměkoule sáláním tzv. skleníkový efekt. 2.1.7 Oxid siřičitý SO 2 Je bezbarvý, štiplavě páchnoucí plyn. Do lidského organismu se dostává přes dýchací ústrojí a vstřebává se v horní části dýchacích cest. Ve velké míře napadá sliznice a sniţuje odolnost vůči infekcím. Přispívá ke kyselým dešťům. 2.2 Proces vzniku škodlivin Spalování paliva v pístovém spalovacím motoru je velice sloţitý fyzikálně chemický děj, probíhající při kaţdém oběhu za velmi krátký čas. K oxidaci paliva, musí být vhodným způsobem přivedeno okysličovadlo, tj. kyslík z atmosférického vzduchu. K dokonalé oxidaci paliva, tj. k úplnému vyhoření všeho paliva a vzniku produktů dokonalého hoření (tj. CO2 a H2O) je zapotřebí přivést k 1 kg paliva nejméně 13

tzv. teoretické mnoţství suchého vzduchu. Směs paliva a vzduchu, která obsahuje pouze toto teoretické mnoţství vzduchu, se označuje jako směs stechiometrická. [6] 2.2.1 Stechiometrický poměr Ideální úplné spalování nastává u záţehového motoru při poměru 14,8 kg vzduchu na 1 kg paliva. U vznětového motoru je stechiometrický směšovací poměr 14,5 kg vzduchu na 1 kg paliva. [3] K rozpoznání toho, jakou mírou se odlišuje skutečný poměr vzduchu a paliva od teoreticky nutného (14,8:1), byl zaveden součinitel přebytku vzduchu (lambda λ). [3] 2.2.2 Součinitel přebytku vzduchu λ Součinitel přebytku vzduchu λ je hlavním určujícím faktorem sloţení spalin. Vyjadřuje poměr skutečně přivedené hmotnosti vzduchu k hmotnosti vzduchu potřebné ke stechiometrickému spalování. M V M p L VT hmotnost suchého vzduchu ve směsi [kg] hmotnost paliva ve směsi [kg] teoretické mnoţství suchého vzduchu potřebné k dokonalé oxidaci 1 kg paliva [kg/kg] 2.2.3 Význam velikosti součinitele přebytku vzduchu λ = 1 - skutečně přivedená hmotnost vzduchu odpovídá teoretické potřebě λ < 1 - nedostatek vzduchu, nebo-li bohatá směs. Nejvyššího výkonu se dosahuje při λ = 0,85 aţ 0,95. 14

λ > 1 přebytek vzduchu, nebo-li chudá směs, nastává od λ = 1,05 aţ 1,3 této hodnotě součinitele přebytku vzduchu lze pozorovat sniţující se spotřebu paliva a sníţený výkon. λ > 1,3 směs jiţ není schopna zapálení. Dochází k vynechávání spalování. Běh motoru je značně neklidný. [3] 2.2.4 Vliv součinitele přebytku vzduch na sloţení emisí Neexistuje ideální hodnota součinitele přebytku vzduch, při kterém dosahují sledované emisní sloţky nejideálnějších hodnot. Jako nejideálnější se osvědčily hodnoty součinitele přebytku vzduchu λ = 0,9 1,1 pro záţehové motory při provozu s homogenní směsí. Při vrstvené směsi se pohybuje součinitel přebytku vzduchu λ = 1,5 3,0. [3] Obr. 2 Vliv součinitele přebytku vzduchu λ na složení emisí u zážehového motoru [2] Pro moderní vznětové motory je součinitel přebytku vzduchu, při chodu na prázdno λ = 3,4 a při plném zatíţení se směs obohacuje aţ na mez kouření λ = 1,4 [3] 15

Obr. 3 Vliv součinitele přebytku vzduchu λ na složení emisí u vznětového motoru [2] 2.2.5 Předstih záţehu motoru Abychom dosahovali ideálního výkonu motoru, je velice důleţité správné načasování záţehu směsi ve válci. Ideální předstih záţehu je takový, při kterém dojde k dokonalému prohoření paliva a maximálního tlaku ve válci je dosaţeno těsně za horní úvratí. Předstih záţehu je vyjádřen ve stupních a říká kolik stupňů pootočení klikového hřídele dojde k záţehu před horní úvratí. Velikost předstihu záţehu je závislá především na rychlosti hoření a ta je závislá na mnoha faktorech např. sloţení směsi, teplotou, tlakem, dokonalostí vyplachování atd. Při zmenšování úhlu předstihu od ideální hodnoty se sníţí termická účinnost a vzroste měrná spotřeba, ale na druhou stranu dochází ke sníţení emisí NO X a HC a to z důvodu poklesu maximální teploty spalování. Při zvyšování úhlu předstihu zvýšíme točivý moment, ale dochází k nadměrnému klepání motoru. Z těchto důvodů se musí volit kompromis. [7] 16

2.2.6 Vznik CO Oxid uhelnatý vzniká, jako produkt nedokonalé oxidace uhlíku, obsaţeného v uhlovodíkových palivech. Z obr. 2 vyplývá, ţe nejvyšší koncentrace oxidů uhlíků je, při spalování směsi s λ menší jak 1, tedy směs s nedostatkem kyslíku bohatá směs. Nedostatek kyslíku se můţe vyskytnout u víceválcových motorů, třeba jen v některých válcích, nebo jen v určitých místech spalovacího prostoru. Nedokonalá oxidace můţe také probíhat, při spalování směsi okolo λ = 1, jako důsledek časové fluktuace směšovacího poměru. Z těchto důvodů, můţe být oxid uhelnatý obsaţen ve spalinách společně s kyslíkem. [2] 2.2.7 Vznik NO X Oxidy dusíku vznikají oxidací dusíku obsaţeného v atmosférickém vzduchu. Jejich koncentrace je závislá na teplotě a čase působení vysoké teploty. Nejvyšší koncentrace je při spalování mírně chudé směsi, kde se kombinuje vysoká teplota s dostatkem kyslíku. Při spalování výrazně bohatých směsí je tvorba NO X omezena nedostatkem kyslíku ve spalované směsi. Veškerá snaha o zvýšení energetické účinnosti motoru má za následek zvýšenou tvorbu oxidu dusíku. Výhodou oxidu dusíku je, ţe jeho dodatečná úprava zpět na dusík N 2 je vysoce účinná a jednoduchá. [2] [8] 2.2.8 Vznik HC Nespálené uhlovodíky jsou důsledkem nedokonalé oxidační reakce paliva se vzduchem, která s největší pravděpodobností ani neproběhla. Při spalování extrémně chudé směsi se objevuje vysoká koncentrace nespálených uhlovodíků, stejně jako při spalování bohatých směsí. Nespálené uhlovodíky se do spalin dostávají z míst spalovacího prostoru s nízkou teplotou hoření (okraje spalovacího prostoru, úzké štěrbiny). Tyto oblasti se někdy můţou zabývat zhášecí zóny. Dále při vnější tvorbě směsi, přímou ztrátou paliva při zkratovém vyplachování v období překrytí ventilů. 17

Další moţností vzniku uhlovodíků je nedokonalá oxidace mazacího oleje. Zde by bylo ideální, aby tato rychlost reakce byla nulová, protoţe mazací olej nemá byt spalován (čtyřdobé spalovací motory). Neţádoucím vlivem nespálených uhlovodíků je nejen vliv na ţivotní prostředí, ale i vliv na energetickou (ekonomickou) ztrátu. Tyto nespálené uhlovodíky, mohly být přeměněny na tepelnou energii a následně na mechanickou práci. [2] [9] 2.2.9 Vznik PM Pevné částice neboli Particulate Matter, vznikají při spalování uhlovodíkových paliv jejich vysokoteplotním rozkladem bez přístupu kyslíku. Nejvyšší koncentrace tedy dosahují při niţším podílu kyslíku ve spalovacím prostoru. Příčinou vysoké koncentrace je nehomogenita směsi, vznikají uvnitř kapiček paliva, kde není kyslík obsaţen vůbec. [2] [9] Pevné částice byly dříve pouze problém vznětových motorů. Tento problém se dnes týká i záţehových motorů s přímým vstřikováním, kde vznikají stejným principem jako u vznětových motorů. 2.2.10 Vznik CO 2 Oxid uhličitý je výsledkem dokonalé oxidace uhlovodíkového paliva. Vysoký obsah je ukazatelem dokonale proběhnutého spalovacího procesu, jak po stránce energetické, tak i emisní. Oxid uhličitý není legislativně kontrolován, přesto jsou velké snahy na jeho sníţení. Jedinou cestou je pouţití menšího mnoţství uhlovodíkových paliv nebo pouţití neuhlovodíkových paliv. 2.3 Redukce škodlivin Při spalování uhlovodíkových paliv vznikají neţádoucí emisní sloţky i v těch nejlepších motorech. Proto jedinou cestou ke sníţení škodlivin je dodatečná úprava výfukových plynů. 18

2.3.1 Katalyzátory U záţehových motorů se pro dodatečnou úpravu spalin vyuţívá výhradně katalyzátoru. Účelem katalyzátoru je, aby škodliviny obsaţené ve výfukových plynech (CO, HC, NO X ), byly přeměněny na neškodné látky (CO 2, H 2 O, N 2 ), a zároveň aby nedošlo ke změně katalyzátoru. Všechny reakce v katalyzátoru by měly proběhnout bez přidání další látky, proto je zapotřebí, aby byl ve výfukových plynech obsaţen kyslík respektive oxid uhličitý pro oxidaci a nespálené uhlovodíky pro redukci. Při spalování chudých směsí, máme velký obsah kyslíku a nízký obsah uhlovodíku, proto můţe probíhat pouze dokonalá oxidace. Při spalování bohatých směsí, máme nízký obsah kyslíku a vyšší obsah uhlovodíku a oxidu uhelnatého, můţe probíhat pouze redukce. Redukce, kdy dochází k reakcím podle rovnic: 2 CO + 2 NO 2 CO 2 + N 2 kdy se redukuje oxid dusnatý na dusík a oxiduje oxid uhelnatý na oxid uhličitý, 2 NO + 2 H 2 N 2 + H 2 O kdy se redukuje oxid dusnatý na dusík a oxiduje vodík na vodní páru, HC + 2(m + n/4) NO (m + n/4) N 2 + n/2 H 2 O + m CO 2 kdy se redukuje oxid dusnatý na dusík a oxidují nespálené uhlovodíky na oxid uhličitý a vodu. Oxidace, kdy dochází k reakcím podle rovnic: 2 CO + O 2 2 CO 2 kdy se oxid uhelnatý mění na oxid uhličitý, HC + (m + n/4) O 2 m CO 2 + n/2 H 2 O kdy se nespálené uhlovodíky přeměňují na oxid uhličitý a vodní páru 19

2 H 2 + O 2 2 H 2 O kdy se vodík mění na vodní páru. Aby došlo ke všem uvedeným reakcím, je zapotřebí, aby směšovací poměr se blíţil co nejblíţe stechiometrickému poměru λ = 1. Pro přesné určení a zachování tohoto směšovacího poměru, se vyuţívá λ (lambda) sonda, nebo také kyslíková sonda. Jejím úkolem je, zjistit obsah kyslíku ve výfukových plynech před i za (při pouţití dvou sond) katalyzátorem a tuto informaci předat řídící jednotce, která provede úpravu vstřikované dávky paliva. Katalyzátor, ve kterém probíhají uvedené reakce se nazývá třícestný katalyzátor, nebo taky oxidačně redukční katalyzátor. Při pouţití λ (lambda) sondy, hovoříme o řízeném třícestném katalyzátoru. [7] Obr. 4 Řez třícestným katalyzátorem [7] 2.3.2 Zásobníkový katalyzátor NO X Tento typ katalyzátoru je zapotřebí tam, kde spalujeme směsi s velkým přebytkem vzduchu tj. u záţehových motorů s přímým vstřikováním. Při reţimu s vrstveným plněním je λ = 1,5 3, to má za následek, ţe třícestný katalyzátor nemůţe redukovat NO X. Jedná se o oxidační katalyzátor zařazený za klasickým katalyzátorem a mající speciální potah, který zachytí oxidy dusíku z proudu spalin. U katalyzátoru NO X se rozlišuje mezi dvěma různými provozními reţimy. V normálně chudém provozu (λ > 1) bude NO nejprve oxidovat na NO 2, a potom na nitrát (NO 3 ) na bázi oxidů kovů (např. oxid baria) v katalyzátoru. Je tedy nutné, 20

aby pro správnou funkci došlo k vyprázdnění (regeneraci) katalyzátoru. Pro regeneraci zásobníku musí být ve spalinách nastaveny podmínky bohaté směsi (λ < 1). Za těchto provozních podmínek je ve spalinách tolik redukčního prostředku (oxid uhelnatý, vodík a různé uhlovodíky), ţe 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 bodě motoru 30 aţ 60 sekund, regenerace je provedena za jednu aţ dvě sekundy. Aby se zjistila potřeba regenerace, je potřebná řada přídavných senzorů teploty a tlaku. Zásobníkový katalyzátor dokáţe sníţit emise NO X aţ o 85 %. [10] 2.3.3 Filtr pevných částic U vznětových motorů vzniká velké mnoţství pevných částic, které jsou legislativně regulovány jak do hmotnosti, tak i nově do svého počtu. Proto je byli výrobci nuceni výrazně redukovat pevné částice a to zejména pomocí filtru pevných částic FAP nebo taky DPF. Filtr pevných částic je zařazen za oxidačním katalyzátorem a jeho redukční schopnost dosahuje více neţ 95 %. Filtr je porézní, s povrchem, který je tvořen oxidem křemičitým. Výfukové plyny prochází tímto materiálem a částice jsou zde mechanicky zachyceny. Pro dokonalou funkci je zapotřebí regenerace keramického nosiče, která spočívá ve spalování zachycených částic. A to za teploty 550 C. Této teploty není moţné při normálním reţimu dosáhnout, proto je zapotřebí pomocných mechanismů. Jedna s moţností je, ţe systém vstříkne dodatečnou dávku paliva po hlavním vstřiku. Tím se docílí zvýšení teploty o 200 250 C vyšší. Dále probíhá spalování uhlovodíky, které pocházi s dodatečného vstřiku, v oxidačním katalyzátoru. To má za následek zvýšení teploty o dalších 100 C. Další moţností jak spalovat částice ve filtru je, ţe přidáme speciální aditivum (Eolys) do paliva. To způsobí sníţení teploty hoření pevných částic na 450 C. Toto vstřikování aditiva probíhá přímo v nádrţi, které zajišťuje řídící jednotka, která dostává informace s tlakového a teplotního čidla, umístěného u filtru pevných částic. [7] 21

Obr. 5 Filtr pevných částic (FAP) [7] Dalším typem filtru pevných částic je tzv. suchý filtr. Tento filtr vyuţívá materiál na bázi spékaných kovů. Pevné částice procházející filtrem se v něm velmi rovnoměrně ukládají, čímţ dochází k jeho regeneraci. 2.3.4 Redukce NO X technologie SCR Při chodu motoru dochází k automatickému vstřikování aditiva do SCR katalyzátoru. Toto aditivum je tvořeno vodným roztokem močoviny o vysoké chemické čistotě (dnes nejčastěji prodáváno pod obchodním názvem AdBlue). Tento roztok je ve výfukovém potrubí za přispění tepla reaguje na oxid uhličitý CO 2 a amoniak NH 3. Právě amoniak je hlavní sloţkou reakce. Následně v chemickém procesu, probíhající v SCR katalyzátoru, jsou škodlivé NO X přeměněny působením amoniaku na dusík N 2 a vodu H 2 O. 22

Technologie vyuţívající AdBlue se nazývá selektivní katalytická redukce (SCR - Selective Catalytic Reduction). [11] Obr. 6 Schéma redukce NO X SCR katalyzátor [12] 1 Denoxtronic-transportní modul, 2 AdBlue-zásobník, 3 Filtr, 4 Senzor teploty, 5 AdBlue-senzor stavu naplnění, 6 Řídicí jednotka dávkování DCU, 7 Nastavovač, 8 senzory, 9 Motor-CAN, 10 Diagnostický CAN, 11 AdBlue-dávkovací modul, 12 Sensor spalin, 13 Oxidační katalyzátor, 14 SCR-katalyzátor, 15 Slip-katalyzátor 2.4 Laboratorní přístroje k měření emisí výfukových plynů 2.4.1 Absorpce infračerveného záření NDIR K zjištění analyzovaného plynu v přiváděné směsi se vyuţívá toho, ţe závislost absorpčního koeficientu na vlnové délce záření je individuální vlastnost plynu, který obsahuje v molekule minimálně dva různé atomy. Kaţdý druh plynu absorbuje jinou vlnovou délku a tak lze i ve směsi několika různých plynů určit přesně sloţení. Mezi plyny splňující tento poţadavek například SO2, NO, NH3, CO, CO2, H2O nebo CH4. 23

Zjistí se, které vlnové délky prošlého záření chybí, nebo jsou zeslabeny. Podle intenzity útlumu se pak určuje koncentrace kaţdého plynu obsaţeného ve směsi. [2] [13] Infračervené záření emitované zářičem, prochází kyvetami, které jsou vyrobeny s materiálu propouštějící příslušnou vlnovou délku. Srovnávací kyveta obsahuje plyn, který nepohlcuje infračervené záření např. N 2. Druhá kyveta je měřící, ta je proplachována analyzovaným plynem, takţe část záření je pohlcena. Rozdíl intenzity prošlého záření je výsledek koncentrace všech absorpčně aktivních plynů v analyzovaném plynu. Pro usnadnění dalšího vyhodnocení signálu se však tok záření moduluje rotující clonou (se sudým počtem křídel). [2] Obr. 7 Schéma infraanalyzátoru [2] 2.4.2 Absorpce ultrafialového záření Jako zdroj UV záření je pouţita výbojka s dutou katodou. Záření je časově modulováno rotující clonou a místně rozděleno polopropustným zrcadlem. Část záření prochází měřící kyvetou, která je stále proplachována analyzovaným plynem a zde dochází k částečnému pohlcení ultrafialového záření absorpčně aktivními sloţkami. Referenční paprsek je přímo přiveden na korekční detektor. [2] Absorpce ultrafialového záření se vyuţívá k analýze koncentrace oxidu dusíku NO i NO 2. 24

Obr. 8 Schéma analyzátoru s absorpcí ultrafialového záření [2] 2.4.3 Přístroje s vyuţitím chemické luminiscence Luminiscence, česky také světélkování, je vyzařování elektromagnetického záření po předchozím dodání energie, přičemţ se jedná o přebytek nad termodynamicky rovnováţným tepelným zářením. Pomocí těchto přístrojů analyzujeme koncentraci oxidu dusíku NO X. [14] Do chemické reakce kromě oxidů dusíku vstupuje také ozón, který je vyráběn v přístroji. Z oxidů dusíku je vstupní látkou pouze NO. Pro zjištěni 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 NO2 se zjisti rozdílem předchozích dvou hodnot. Pneumatický systém se vyznačuje poměrně velkou sloţitosti, protoţe jim jsou ovlivněny odezvy fotonásobiče. [2] 25

Obr. 9 Schéma chemiluminiscenčního analyzátoru [2] 2.4.4 Princip změny elektrické vodivosti vodíkového plamene FID (Flame Ionization Detector) analyzátory pracují na principu plamenné ionizační detekce, kde analyzovaný plyn se spaluje ve vodíkovém plameni. Organické sloučeniny přitom produkují kladně nabité ionty, které jsou "sbírány" válcovou elektrodou umístěnou nad plamenem kolektor. Vzniká tak slabý elektrický proud mezi platinovou dýzou a kolektorem, jehoţ velikost je úměrná právě koncentraci organických sloučenin v plynu. Uvedený princip je velmi citlivý a odezva je lineární přes několik řádů amplitudy proudu. FID jsou sice málo selektivní mezi jednotlivými organickými plyny, ale naopak reagují pouze na ně a ne jiné sloţky v plynné směsi obsaţené. [13] 26

Obr. 10 Schéma plamonoionizačního detektoru [2] 2.4.5 Princip měření magnetických vlastností Paramagnetické látky mají vysokou permeabilitu a jsou nejvíce vtahovány do magnetického pole. Největší permeabilitu má s analyzovaných plynů kyslík O 2, proto tato metoda je vhodná pro stanovení koncentrace kyslíku v analyzované směsi. Základním prvkem přístroje je ornamentní magnet, nebo elektromagnet, jehoţ magnetické pole přitahuje molekuly kyslíku. Dle způsobu organizace průtoku analyzované směsi a hlavně dle způsobů měření intenzity působení magnetického pole na vzorek se rozlišuje magnetomechanické, magnetopneumatické a termomagnetické. Obr. 11 Schéma termomagnetického analyzátoru [2] 27

2.5 Laboratorní měření částic vznětových motorů 2.5.1 Měření kouřivosti filtrační metodou Jedná se o měření pomocí ruční sondy. Před odběrem vzorku posuneme píst doleva a zajistí se. Do příslušného prostoru se zasune čistý analyzační papírek a nátrubek sondy se zasune do výfukového potrubí. Po odjištění pístnice, pruţina vykoná sací zdvih. Rychlost zdvihu je regulován škrcením odtoku vzduchu nad pístem. Kontaminovaný papírek se poté vyhodnotí reflekčním fotometrem, který reaguje na mnoţství světla, které se odráţí od plochy papírku ve kterém se nachází zachycené saze. Výsledkem je stupeň zčernání nebo SZ (Schwarzungszahl, někdy téţ BSZ Bosch Schwarzungszahl, či Bn Bosch Number) v jednotkách BOSCH (nebo se pouţívá přímo označení veličiny jako její rozměr). [2] Obr. 12 Schéma filtračního kouřoměru Bosch [2] 2.5.2 Opacimetrie Princip spočívá v prosvícení sloupce spalin viditelným světlem a následné vyhodnocení prostupnosti tohoto světla. Samotné prosvícení a vyhodnocení není problematické, ale je nutno zabezpečit stálou čistotu zdroje světla a čidla. Při provozu přístroje je optická dráha souosá se vzduchovou trubicí a přívod spalin je uzavřen. Pouze při měření se překlopí optická dráha do osy měřící trubice, do které se vpouští vzorek spalin. Po odečtu hodnoty se drţák se ţárovkou a fotonkou překlopí 28

do polohy, kde je intenzivně omýván čistým vzduchem, a udrţuje povrch těchto prvků čistý. Napětí fotoelektrického článku se přivádí na svorky ukazovacího přístroje. Nulová výchylka je při uzavření přívodu vzorku. Stupnice je lineárně rozdělena na 100 dílků (HSU Hartridge Smoke Unit). Z údaje stupnice se vypočítá absorpční koeficient k ( m -1 ). V laboratořích se nejčastěji pouţívá optimetr Hartridge, který je nepsaným, někdy i deklarovaným standardem. [2] Obr. 13 Schéma opacimetru Hartridge [2] 2.5.3 Hmotnostní měření koncentrace částic Filtrační element je tvořen skelnými vlákny potaţených teflonem. Před měřením se zjistí přesná hmotnost filtračního elementu na přesných laboratorních vahách. Pak se umístí do drţáku a přes něj je proháněn vzorek spalin. Po ukončení měření se filtr i s částicemi zváţí. Hmotnostní koncentrace se stanoví jako rozdíl hmotností v závislosti na mnoţství prosátého vzduchu. Měření koncentrace má význam pouze tehdy, pokud se podaří simulovat podmínky pro kondenzací různých frakcí uhlovodíku a jejich ukládání na částicích. 29

Proto se výfukové plyny ředí vzduchem dodávaným zvláštním dmychadlem, aby se napodobily podmínky míšení výfukových plynů s okolním vzduchem za ústím výfukového potrubí. [2] Obr. 14 Schéma tunelu na měření částic [2] 30

3 CÍL Cílem praktické části je provedení měření, následné vyhodnocení dat a vynesení grafických závislosti. Měření proběhlo v laboratorních podmínkách, při různých reţimech motoru. Na motoru byly měněny parametru předstihu záţehu a bohatosti směsi. Při těchto odlišných reţimech byl sledován vliv na vybrané škodliviny ve výfukových plynech, měrnou spotřebu a točivý moment motoru. 4 VLASTNÍ MĚŘENÍ Pro měření byl zvolen standardní, sériově vyráběný motor Peugeot V6 o výkonu 147 kw. Jedná se o starší typ motoru, který byl montován např. do Peugeot 605 a to v 90. letech. Elektronické řízení motoru je uskutečněné mocí programovatelné řídící jednotky motoru, která umoţňuje nastavování nejrůznějších provozních parametrů jako právě předstih záţehu a bohatost směsi a jejich opětovnou kontrolu. Mezi hlaví parametry měření patřilo výkon motoru, točivý moment, spotřeba paliva a velké mnoţství dalších veličin. Mezi emisní sloţky výfukových plynů byly sledovány CO, CO 2, HC, NO X. 4.1 Vlastnosti motoru Typ motoru: ZPJ4 Výkon motoru: 147 kw při 6000 min -1 Max. točivý moment: 260 Nm při 3600 min -1 Zdvihový objem: 2963 ccm 3 Počet válců: 6 Počet ventilů: 24 Vrtání: 93,0 mm Zdvih: 72,7 mm Kompresní poměr: 9,5:1 Palivo: Natural 95 31

Jedná se o vidlicový 6ti válec (90 ). Blok je z hliníkové slitiny s vloţenými válci. Hlava válců se čtyřmi ventily. Sací ventily jsou ovládány samostatnými vahadly, kdeţto dvojice výfukových jediným rozvidleným. Rozvod je OHC s jednou vačkovou hřídelí v hlavě poháněnou řetězem. Vymezování vůle ventilů je hydraulické. Zvláštností tohoto motoru (na tehdejší dobu) je tzv. variabilní sací potrubí. Tři elektricky ovládané klapky umoţňují změnit účinnou délku jednotlivých větví potrubí a dosáhnout příznivého průběhu točivého momentu v širokém rozpětí otáček. Díky tomu neklesá točivý moment mezi 1500 aţ 6000 min-1 pod 200Nm a mezi 3200 aţ 5500 min -1 pod 250Nm. [15] Obr. 15 Motor Peugeot V6 ZPJ 6 v řezu 4.2 Metodika měření Měření proběhlo dne 25. 1. 2011 v laboratoři Ústavu techniky a automobilové dopravy Mendelovy univerzity v Brně. Laboratoř umoţňuje měření parametrů motorů do výkonu 250 kw. Je moţné připojit 3 různá paliva jako nafta, benzin a LPG. 32

Všechny naměřené hodnoty byly odesílány a ukládány na serveru zkušebny se vzorkováním 10 Hz, to znamená časovou smyčku 100 ms. 4.2.1 Měřící přístroje 4.2.1.1 Měření točivého momentu K měření točivého momentu bylo vyuţito vířivého dynamometru od výrobce AVL s označením DynoPerform Alpha 250. Dynamometr umoţňuje měření aţ do výkonu motoru 250 kw. Dynamometr má kapalinové chlazení. Spojení mezi dynamometrem a motorem je přímé. Výkon motoru se odebírá přímo od klikové hřídele. Obr. 16 Dynamometr Alpha 250 33

4.2.1.2 Měření emisí K měření emisí výfukových plynů byl pouţitý emisní analyzátor MRU Vario Plus. Vzorek analyzovaných spalin byl odebírán z výfukového potrubí. Umístění sondy je viditelné na obrázku 16. Jedná se o elektrochemický analyzátor se sondou NDIR, ze kterého byly vyuţity následující parametry v tomto rozsahu hodnot. O 2 0 21 % CO Přímo měřeno pomocí sondy NDIR CO 2 Přímo měřeno pomocí sondy NDIR HC Přímo měřeno pomocí sondy NDIR NO 0 1.000 ppm (krátkodobě do 5.000ppm) NO 2 0 200 ppm (krátkodobě do 1.000ppm) NO X Dopočítáno analyzátorem Obr. 17 Analyzátor MRU Vario Plus 34

4.2.1.3 Měření spotřeby paliva Měření spotřeby paliva proběhlo pomocí dvojce coriolisových průtokoměrů. Typ průtokoměru Siemens - Sitrans FC6000, přesnost průtokoměru je 0,1% z měřené hodnoty, průtokoměry měří v rozsahu 0-300 kg/h. Jeden průtokoměr je umístěn na přívodu paliva k motoru a druhý je umístěn na přepadu od motoru. Jejich vzájemná diference je výsledná spotřeba paliva. Spotřeba paliva se vyjadřuje v kg/h. Obr. 18 Coriolisovy průtokoměry 4.2.1.4 Měření dalších veličin Ostatní veličiny, které byly naměřeny a zaznamenány: teplota nasávaného vzduchu, teplota paliva, teplota výfukových plynů, tlak sání. Tyto veličiny byly měřeny na přístrojovém vybavení laboratoře. Další parametry jako bohatost, předstih byly zjišťovány přímo z řídící jednotky. Hmotnost nasávaného vzduchu byla měřena pomocí externího snímače Bosch. Dále bylo kontrolováno např. teplota chladící kapaliny, teplota oleje a spousta dalších veličin. 35

4.2.2 Změna předstihu záţehu Předstih záţehu byl upraven přímo v řídící jednotce. Měření bylo provedeno ve třech různých otáčkových charakteristikách, vţdy s jiným předstihem. První měření bylo se základním předstihem, který je optimální pro daný motor. V dalších dvou měření byl předstih sníţen přibliţně o 5. Přesto, ţe byl nastaven předstih o 5 niţší, řídící jednotka provedla mírnou korekci předstihu, proto výsledný předstih není přesně odstupňován. Otáčky motoru byly navyšovány po 500 min -1 od 1500 do 6000 min -1. V následující tabulce 1 je znázorněn, při jakých hodnotách předstihu bylo měření prováděno. Tab. 1 Změna předstihu zážehu Otáčky motoru Předstih 1 2 3 min -1 1500 19 14,5 10 2000 23 18,5 14 2500 27 22 17,5 3000 27 22 17,5 3500 27 22 17 4000 27 22 17 4500 27 22 17 5000 27 22 17 5500 32 27 22,5 6000 31,5 26,5 22 4.2.3 Změna směšovacího poměru Směšovací poměr byl upravován přímo v řídící jednotce a to tím, ţe docházelo ke zvyšování dávky paliva na jeden vstřik a poloha škrtící klapky byla stále ve stejné poloze tj. 55%. Tím se měnila bohatost směsi λ-1 neboli součinitel přebytku vzduchu λ, jak je uvedeno v tabulce 2. Stejně jako u předstihu, byly naměřeny tři otáčkové charakteristiky, vţdy s jinou bohatostí směsi. 1. Měření proběhlo při optimální bohatosti pro daný motor, v dalších měřeních byla navýšena bohatost o 0,1. Podobně jako u předstihu není přesné odstupňování z důvodů korekce řídící jednotkou. 36

Tab. 2 Změna směšovacího poměru Otáčky motoru Bohatost směsi λ -1 a součinitel přebytku vzduchu λ (-) 1 2 3 min -1 λ -1 λ λ -1 λ λ -1 λ 1500 1,04 0,96 1,15 0,87 1,26 0,79 2000 1,04 0,95 1,15 0,87 1,26 0,79 2500 1,04 0,95 1,15 0,87 1,25 0,80 3000 1,03 0,97 1,13 0,88 1,23 0,81 3500 1,03 0,96 1,14 0,88 1,24 0,81 4000 1,03 0,96 1,13 0,88 1,21 0,83 4500 1,07 0,93 1,19 0,84 1,31 0,76 5000 1,07 0,93 1,19 0,84 1,31 0,76 5500 1,09 0,93 1,20 0,83 1,30 0,77 6000 1,15 0,87 1,26 0,79 1,31 0,76 37

Točivý moment M k (Nm) Měrná spotřeba Mpe (g. kw -1. h -1 ) Výkon P (kw) 4.3 Otáčková charakteristika 340 130 320 120 300 110 100 280 90 260 80 240 70 220 60 50 200 40 180 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Otáčky motoru (min -1 ) Točivý moment Měrná spotřeba Výkon 30 Obr. 19 Otáčková charakteristika Z otáčkové charakteristiky na obr. 19 vidíme, ţe motor dosahuje nejvyššího točivého momentu 251 Nm při 4000 min -1 a nejniţší měrnou spotřebu 259 g. kw -1. h -1 dosahuje při 3000 min -1 a 4000 min -1. 38

CO (%) 4.3.1 Změna parametrů motorů vliv na CO 5 4 3 2 1 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Otáčky motoru (min -1 ) Základní předstih Předstih o 5 niţší Předstih o 10 niţší Obr. 20 Vliv předstihu zážehu na CO Z grafu na obr. 20 vyplývá, ţe předstih nemá významný vliv na vznik CO. Můţeme říct, ţe základní předstih je ideálním kompromisem pro vznik CO. 39

CO (%) 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Otáčky motoru (min -1 ) Základní bohatost Bohatost vyšší o 0,1 Bohatost vyšší o 0,2 Obr. 21 Vliv bohatosti směsi na CO Na obr. 21 je vidět velká závislost bohatosti směsi na CO. Je způsobeno tím, ţe při vysoké bohatosti, nedochází k dokonalé oxidaci CO na CO 2. Ideální bohatost je tedy základní, protoţe dosahujeme nejniţší hodnoty CO. 40

CO 2 (%) 4.3.2 Změna parametrů motorů vliv na CO 2 14 12 10 8 6 4 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Otáčky motoru (min -1 ) Základní předstih Předstih o 5 niţší Předstih o 10 niţší Obr. 22 Vliv předstihu zážehu na CO 2 Dle obr. 22 je viditelné, ţe změna předstihu na produkci CO 2 má větší význam neţ na produkci CO. Výhodnější by bylo, mírné zvýšení předstihu a tím by došlo ke sníţení CO 2 takřka ve všech reţimech motoru. To by mělo za následek nepatrné zvýšení měrné spotřeby, jak můţeme vidět na obr. 28 41

CO 2 (%) 14 12 10 8 6 4 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Otáčky motoru (min -1 ) Základní bohatost Bohatost vyšší o 0,1 Bohatost vyšší o 0,2 Obr. 23 Vliv bohatosti směsi na CO 2 Na obr. 23 je viditelná závislost bohatosti na CO2. Tento obrázek koresponduje s obrázkem 25. Zde se odráţí dokonalá oxidace CO na CO 2 při méně bohaté směsi. Tedy pří menší bohatostí je vyšší CO 2, protoţe dochází k dokonalé oxidaci paliva. 42

NO X (ppm) 4.3.3 Změna parametrů motorů vliv na NO X 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Otáčky motoru (min -1 ) Základní předstih Předstih o 5 niţší Předstih o 10 niţší Obr. 24 Vliv předstihu na NO X Na obr. 24 je viditelná nevelká závislost předstihu záţehu na NO X. Nejniţších hodnot NO X v celé otáčkové charakteristice jsme docílili při zvýšení předstihu záţehu o 10. Tento reţim, ale jiţ není pro provoz ideální, pravděpodobně bude jiţ znatelné klepání motoru a také dochází k prudkému nárůstu měrné spotřeby paliva, jak je viditelné na obr. 28. 43

NO X (ppm) 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Otáčky motoru (min -1 ) Základní bohatost Bohatost vyšší o 0,1 Bohatost vyšší o 0,2 Obr. 25 Vliv bohatosti směsi na NO X Vznik NO X souvisí významně s teplotou. Při bohaté směsi, teplota ve spalovacím prostoru klesá, proto můţeme vidět výrazný pokles emisí NO X při bohatší směsi. 44

HC (ppm) 4.3.4 Změna parametrů motorů vliv na HC 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Otáčky motoru (min -1 ) Základní předstih Předstih o 5 niţší Předstih o 10 niţší Obr. 26 Vliv předstihu na HC Z obr. 26 vyplývá, ţe závislost předstihu na HC je značný. Nejniţších hodnot jsme dosáhli, kdyţ jsme předstih sníţili o 5. Radikální zvýšení HC u předstihu o 5 niţší je zanedbatelné, protoţe v tomto provozním reţimu, za běţného provozu by se motor udrţoval krátkodobě a téměř výjimečně. 45

HC (ppm) 2300 2100 1900 1700 1500 1300 1100 900 700 500 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Otáčky motoru (min -1 ) Základní bohatost Bohatost vyšší o 0,1 Bohatost vyšší o 0,2 Obr. 27 Vliv bohatosti směsi na HC Na obr. 27 je viditelná závislost bohatosti na HC. Při niţších otáčkách by bylo výhodnější pouţít bohatší směs, ale při vyšších otáčkách je znatelné navýšení HC, protoţe palivo nestihne celé zoxidovat a část vyjde spolu se spalinami do ovzduší. 46

Měrná spotřeba Mpe (g.kw -1.h -1 ) 4.3.5 Změna parametrů motorů vliv na měrnou spotřebu 360 350 340 330 320 310 300 290 280 270 260 250 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Otáčky motoru (min -1 ) Základní předstih Předstih o 5 niţší Předstih o 10 niţší Obr. 28 Vliv změny předstihu zážehu na měrnou spotřebu paliva Na obr. 28 je viditelný rozdíl mezi různými předstihy záţehu na měrnou spotřebu. Nejmenší rozdíl je mezi základním a zvýšeným předstihem o 5 a vyšším rozdílem pro nejvyšší předstih coţ koresponduje se sledovanými emisními parametry. Nejvýhodnější je tedy předstih základní neboli udaný výrobcem, protoţe dosahujeme nejniţší měrné spotřeby. 47

Měrná spotřeba Mpe (g. kw -1. h -1 ) 400 390 380 370 360 350 340 330 320 310 300 290 280 270 260 250 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Otáčky motoru (min -1 ) Základní bohatost Bohatost vyšší o 0,1 Bohatost vyšší o 0,2 Obr. 29 Vliv bohatosti směsi na měrnou spotřebu Na obr. 29 je viditelná závislost bohatosti směsi na měrné spotřebě paliva. Základní bohatost je nejideálnější, protoţe v tomto reţimu je nejniţší měrná spotřeba. 48

5 ZÁVĚR Z měření je patrné, ţe výrobcem definovaný předstih záţehu je ideální. Je to kompromis mezi hranicí klepání, výkonem, emisemi a spotřebou. Měrná spotřeba je velice důleţitý ukazatel, protoţe čím niţší spotřeba, tím niţší emise. Vyšší emise v nejrůznějších reţimech motoru, se téměř vţdy dají dokonale redukovat dodatečnou úpravou spalin za motorem pomocí katalyzátoru, nebo pomocí dalších redukčních zařízení. Při změně bohatosti se ukázalo, ţe výrobcem stanovená bohatost se dá povaţovat za ideální. Nejvyšší CO 2 při nejniţší bohatosti, je ukazatelem dokonalé oxidace paliva se vzduchem. Výsledkem dokonalé oxidace uhlovodíkového paliva se vzduchem je CO 2 a H 2 O. Můţeme si všimnout vysokého NO X při základní bohatosti. NO X je velice jednoduše zredukovatelné v katalyzátoru. Jak je patrné na obrázku 24. se sniţováním předstihu docházelo ke sniţování NO X, jak je popsané v kapitole 2.2.5. Tato skutečnost souvisí, ţe tvorba NO X je závislá na velikosti teploty ve spalovacím prostoru, takţe při sníţení předstihu dojde ke sníţení maximální teploty ve spalovacím prostoru a tím k niţší tvorbě NO X. V případě, ţe bychom chtěli zkontrolovat, zda měřený motor v jakémkoli reţimu splňuje legislativní poţadavky (rok výroby 1994 odpovídající norma EURO 2). Tak zjistíme, ţe toto není moţné a to ze dvou hlavních důvodů. První důvod je, ţe ve výfukovém potrubí, není zařazen katalyzátor. Pokud by byl pouţit katalyzátor, tak by byly hodnoty výrazně jiné. Druhým důvodem je odlišná metodika měření, pro schvalování motoru z hlediska dodrţování emisních limitů. Rozdíl v metodice je, ţe pro legislativní schválení motorů, je motor měřen nezatíţený a naše měření probíhalo při zatíţení motoru. Nezatíţený motor, se chová z hlediska emisí úplně jinak a to je způsobeno tím, ţe motor pro tyto reţimy není konstruován. Motor je konstruován na zatíţení, protoţe v tomto reţimu pracuje téměř po celou svoji ţivotnost. Tato skutečnost platí nejen pro schvalování nových motorů, ale také pro pravidelné měření emisí. V současné době, je pro spotřebitele ukazatelem ekologičnosti automobilu údaj CO 2, který mimo jiné, mají výrobci povinnost uvádět v reklamách. CO2 výhradně souvisí se spotřebou paliva a to z toho důvodu, ţe je spolu s H 2 O výsledkem dokonalé oxidace, samozřejmě tato hodnota navýšena a ovlivněna dodatečnou oxidací 49

v katalyzátoru. S největší pravděpodobnosti dojde v blízké době i k legislativnímu omezení a sniţování CO 2. Je pravděpodobné, ţe fyzikální účinnost motoru nebude jednoduché zvýšit, proto výrobci přešli k tzv. alternativním pohonům. V současné době, je z hybridních automobilů nejznámější kombinace klasického spalovacího motoru a elektromotoru. V oblasti alternativních paliv, je nejznámější LPG (z angličtiny Liquefied Petroleum Gas) neboli zkapalněný ropný plyn a CNG (z angličtiny Compressed Natural Gas) neboli stlačený zemní plyn. Také se objevují další alternativní pohony, jako třeba vodík přeměňován na elektrickou energii v palivových článcích a elektromobily. Největším problémem alternativních pohonů vozidel je cena, protoţe náklady na výrobu jsou stále vysoké náklady a tím i pořizovací cena pro spotřebitele. K niţší ceně by mohly pomoci jednotlivé státy, kdyby dokázaly např. daňově zvýhodnit tato vozidla, tím by vzrostla větší sériová výroba a výrobní náklady by mohly klesnout. Další problém jsou stanice, pro doplnění zdroje energie. Toto opět souvisí s počtem automobilů a přirozeně s poptávkou. Je zcela jasné, ţe naše závislost na ropě se musí sníţit, proto jedinou cestou jsou alternativní pohony. 50

SEZNAM POUŢITÉ LITERATURY [1] Boj o sníţení emisí CO2 u aut pokračuje. EVROPSKÝ PARLAMENT. [Online] [Citace: 01. 04 2011.] http://www.europarl.europa.eu/sides/getdoc.do?type=im- PRESS&reference=20070913STO10369&language=CS. [2] Takáts, Michal. Měření emisí spalovacích motorů. praha : Vydavatelství ČVUT, 1997. 80-01-01632-3. [3] Vlk, František. Paliva amaziva motorových vozidel. Brno : Prof. Ing. František Vlk, DrSc., 2006. 80-239-6461-5. [4] Směrnice pro kvalitu ovzduší v Evropě. [Online] 2011. [Citace: 08. 02 2011.] http://www.ecmost.cz/ver_cz/ovzdusi/smernice/smernice4.htm. [5] Hluk a emise. [Online] [Citace: 09. 02 2011.] http://hluk.eps.cz/hluk/emise/poletavy-prach- -neviditelna-hrozba/. [6] Beroun, Stanislav. Vozidlové motory. scribd. [Online] [Citace: 2011. 02 11.] http://www.scribd.com/doc/29560735/vozidlove-motory-prof-ing-stanislav-beroun- CSc. [7] Hromádko, Jan, Hromádko, Jiří a Honig, Vladimír. SPALOVACÍ MOTORY. Praha : autor neznámý, 2008. [8] [Online] [Citace: 15. 02 2011.] http://tf.czu.cz/~pexa/predmety/td/prednasky/7p_techdiag.pdf. [9] Emise: čím jsou nebezpečné? (první část). zavolantem.cz. [Online] [Citace: 15. 02 2011.] Emise: čím jsou nebezpečné? (první část). [10] zásobníkový katalyzátor. Bosch. [Online] [Citace: 15. 02 2011.] http://rbkwin.bosch.com/cz/cs/powerconsumptionemissions/exhaustgastreatment/dieselengines/exhaust-gas_management/storagecatalyticconverter.html. [11] Technologie SCR. AdBlue. [Online] [Citace: 15. 02 2011.] http://www.adbluebluesky.cz/o-technologii-scr.php. [12] SCR-katalyzátor. Robert Bosch GmbH. [Online] [Citace: 21. 03 2011.] http://rbkwin.bosch.com/cz/cs/powerconsumptionemissions/exhaustgastreatment/dieselengines/exhaustgas_management/denoxtronic/scr_catalytic_converter.html. [13] Vojáček, Antonín. Principy analyzátorů plynů. [Online] [Citace: 17. 02 2011.] http://jonatan.spse.pilsedu.cz/~mazanec/principy_analyzatoru_plynu.htm. 51