Řešení pro snížení emisí vznětových motorů

Spalovací motor bude hrát rozhodující roli při zajišťování individuální mobility i v budoucnosti a bude muset výrazným dílem přispívat k ochraně světového klimatu a našich omezených zásob fosilních zdrojů energie.

V současnosti jsou v mnoha zemích po celém světě stanoveny limity emisí CO2 jako dobrovolný závazek nebo legislativní požadavek. V Evropě měl v roce 2009 průměrný osobní vůz emise oxidu uhličitého 146 gramů na kilometr. Evropská komise stanovila členským státům cíl snížit do roku 2015 tyto emise o jedenáct procent na 130 gramů. Do roku 2020 má být dosaženo dalšího snížení o 35 procent na cílovou hodnotu 95 gramů CO2. Evropská komise dále požaduje, aby v roce 2025 mělo průměrné nové vozidlo emise CO2 ve výši 70 gramů na kilometr, což odpovídá průměrné spotřebě tři litry benzinu nebo 2,6 litru nafty na 100 kilometrů.

Také pro lehká užitková vozidla s celkovou hmotností do 3,5t definovala Evropská komise cílové hodnoty pro rok 2020. V závislosti na místních podmínkách sází jednotlivé trhy na různá technická řešení pro dosažení nižších emisí CO2. Například v Brazílii hraje důležitou roli technika Flex Fuel. Na velkých zemědělských plochách se tam pěstuje cukrová třtina, z níž se vyrábí etanol, který slouží jako alternativa ropných paliv. Tento ekologický efekt využívají také další země a regiony přimícháváním 5 až 20 procent biogenních složek do fosilních paliv, a to jak do benzinu, tak do nafty.

V Evropě sází řidiči a automobilový průmysl z 50% na vznětové motory jako na řešení, které snižuje spotřebu paliva a emise CO2. Indie je rovněž silným trhem pro vznětové motory. V USA zůstane i nadále první volbou zážehový motor, zatímco pro vznětový motor se bude rozhodovat jen malá, ale rostoucí skupina zákazníků. V Číně, která je nejrychleji rostoucím automobilovým trhem na světě, má v současnosti více než 99 procent nově registrovaných osobních vozů zážehový motor. Vznětovým motorem jsou v Číně vybavena tři procenta minibusů a tři čtvrtiny nově registrovaných lehkých užitkových vozidel.

Bosch na 59. mezinárodním kolokviu pro motoristický tisk v roce 2009 jasně uvedl, že ve střednědobém horizontu klesne spotřeba paliva spalovacích motorů, jak zážehových, tak vznětových, o 30 procent, což se projeví stejným poklesem emisí CO2. K tomu je nutné připočítat ještě možnosti úspor dosažitelných hybridizací pohonu, která sníží spotřebu paliva a emise CO2 přibližně o dalších deset procent. To znamená, že evropský cíl snížení emisí CO2 na 95 gramů na kilometr v roce 2020 je pro vozidla poháněná spalovacím motorem realizovatelný.

Čtěte také: Vše o emisních normách

Pokud se podrobněji podíváme na normované spotřeby paliva nových vozidel na evropském trhu, tak uvidíme, že již dnes jsou v Evropě nabízeny dokonce i ve střední třídě typy vozidel s emisemi CO2 pod hranicí stanovenou jako cíl pro rok 2015. Jako příklad může posloužit VW Golf TSI, zástupce nižší střední třídy poháněný zážehovým motorem s výkonem 77 kW a emisemi CO2 121 gramů, které odpovídají spotřebě 5,2 litru na 100 kilometrů. Stejný Golf se vznětovým motorem se může pochlubit hodnotami 99 gramů, resp. 3,8 litru. Také Volvo C30D s výkonem 84 kW má emise jen 99 gramů. Ale také ve vyšší střední třídě dosahuje BMW řady 5 s výkonem 135 kW spotřeby 4,9 litru nebo emisí 129 gramů. Vozy Peugeot 508 nebo VW Passat poháněné zážehovými motory mají emise 144 gramů, resp. 138 gramů. V nižší střední třídě stanovují měřítko v oblasti emisí CO2 hybridní vozy se zážehovým motorem z koncernu Toyota - v závislosti na modelu vykazují emise CO2 ve výši přibližně 90 gramů.

Technická řešení pro snižování emisí

Většina koncepcí dnes sériově vyráběných motorů nabízí ovšem ještě dostatek prostoru pro technická řešení snižující spotřebu paliva s cílem dosáhnout vytoužených flotilových hodnot. Nejúčinnějším konstrukčním opatřením je downsizing. Menší zdvihový objem a menší počet válců snižuje třecí ztráty a zmenšuje hmotnost pohyblivých dílů. Takový motor má také nižší tepelné ztráty. Výkon motoru mohou vývojáři zachovat navzdory zmenšenému zdvihovému objemu a nižšímu počtu válců, pokud je do motoru pro každý spalovací cyklus přiváděno více vzduchu, než může nasát vlastními silami.

Bosch bude od konce roku 2011 vyrábět ve společném podniku Bosch Mahle Turbo Systems moderní turbodmychadla, která jsou navržena speciálně pro nové koncepce přeplňovaných zážehových a vznětových motorů k pohonu osobních a užitkových vozů. Předpokladem pro splnění uvedeného úkolu je downsizing zaměřený na zvyšování výkonu z litru zdvihového objemu. U zážehového motoru představuje na této cestě překážku hranice klepání, za níž dochází k nekontrolovanému vznícení paliva, které může mít za následek poškození motoru. S přímým vstřikováním benzinu dosahují inženýři dobrého ochlazování spalovacího prostoru vstřikovaným palivem a zároveň i dobrého výplachu válce bez ztrát paliva během fáze výfuku a sání. Tím lze hranici klepání posunout do oblastí, které umožňují provoz s vysokým zatížením a stupněm přeplňování.

Ani u vznětového motoru nejsou dosud vyčerpány všechny možnosti downsizingu. Naši vývojáři musí s rostoucím plnicím tlakem turbodmychadla zvyšovat také vstřikovací tlak systému common rail. Vyšší vstřikovací tlak přináší několik výhod. Při stejné délce vstřikování lze do válce dopravit větší množství paliva a dosáhnout tak vyššího výkonu - specifický výkon vznětového motoru vzroste. Alternativně mají motoráři možnost zmenšit při stejném výkonu motoru průměr otvorů vstřikovacích trysek ve vstřikovačích. V kombinaci s vícenásobným vstřikováním před hlavním vstřikem a po hlavním vstřiku se tím zlepšuje tvorba směsi ve spalovacím prostoru, klesá spotřeba paliva a tvoří se méně škodlivých emisí ve výfukových plynech. Bosch uvede ještě letos do sériové výroby první systém common rail pro osobní vozy se vstřikovacím tlakem 2200 barů. A dnes již vývojáři společnosti Bosch pracují na systému common rail s tlakem 2500 barů.

Inženýři mají dnes k dispozici kromě filtrů pevných částic také systémy pro snižování obsahu oxidů dusíku ve výfukových plynech. První systémy pro osobní vozy se prodávají v USA od roku 2008 a od roku 2009 také v Evropě. Uvedené systémy DeNOx umožňují splnit přísnější limity budoucí emisní legislativy se vstřikovacím tlakem 1600 barů.

Čtěte také: Více o pamětních emisích

Dalšího snížení emisí CO2 lze dosáhnout také řízením činnosti vedlejších agregátů v závislosti na skutečných potřebách. Elektricky poháněná vodní čerpadla, elektrické posilovače řízení, ale i generátor, který dobíjí akumulátor převážně při setrvačné jízdě - to vše zlepšuje celkovou účinnost vozidla. Příkladem se značným přínosem je také systém Start-Stop od společnosti Bosch. Tento systém při zastavení na červeném semaforu vypne spalovací motor a před rozjezdem na zelenou jej ihned zase spustí.

Systém recirkulace výfukových plynů (EGR) a filtr pevných částic (DPF)

Vznětové motory nemají na rozdíl od zážehových regulaci množství nasávaného vzduchu. Variabilní turbodmychadlo sice reguluje plnící tlak podle provozních podmínek, nicméně při nízkém a středním zatížení je vzduchu vždy přebytek. Tento problém primárně řeší EGR (Exhaut Gas Recirculation) ventil. Tento ventil je ovládán řídící jednotkou motoru a pod jeho otáček, zatížení teploty chladící kapaliny či nasávaného vzduchu a dalších parametrů řízeně otvírán. A to tím více čím menší je zatížení motoru. Při plné zátěži pak obvykle bývá zcela uzavřen, stejně tak při studeném motoru. Při zatížením dílčím je otevírán a přepouští část spalin do sacího potrubí.

Výfukové zplodiny se ve spalovacím prostoru chovají jako interní plyn, snižují teplotu spalování, i obsah kyslíku a tím redukují tvorbu oxidů dusíku. Nedílnou součástí sytému zpětné recirkulace je chladič, který horké výfukové plyny ochlazuje, protože jinak by se snižoval efekt této činnosti i výkon motoru (zchlazený stlačený vzduch by byl opět zahříván což by nebylo žádoucí). S pomocí EGR ventilu lze bez problému splnit emisní stupeň IIIa a u traktorů Joh Deere díky dalších technickým vychytávkám i se značnou rezervou.

Pro dosažení emisního limitu IIIb je nezbytné doplnit systém recirkulace výfukových plynů též oxidačním katalyzátorem a filtrem pevných částic. Oxidační katalyzátor pracuje na principu oxidace jak je patné z jeho názvu. Oxid uhelnatý je v něm přeměňován na oxid uhličitý, nespálené uhlovodíky opět na oxid uhličitý a vodu. Filtr pevných částic obsahuje hustou síť malých kanálků z keramiky nebo ušlechtilých kovů. Kanálky jsou na koncích uzavřené a výfukové plyny musejí přes částečně propustnou stěnu proudit do sousedních kanálků, které jsou na koncích otevřené.

Plyné složky výfukových plynů procházejí, zatímco pevné částice o velikosti 0,1 až 1 mikrometr se zachytávají. Tím se z výfukových plynů odstraňuje velké množství sazí, které jsou velkým problémem vznětových motorů, neb tyto malé částečky se při vdechování se usazují v plicích a mají karcinogenní účinky. Je samozřejmé že po určité době se filtr částic sazemi zanese. Aby nebylo nutné jej hned měnit za nový používá se sytém regenerace filtru.

Čtěte také: CIM Ministerstvo Emise: Vysvětlení

Selektivní katalytická redukce (SCR)

Emisní normy nutí výrobce automobilů neustále vyvíjet nové ekologicky šetrnější technologie. Jednou z nich je i selektivní katalytická redukce (SCR), díky níž je za pomoci vodného roztoku syntetické močoviny (AdBlue) možné významně snížit škodlivé emise oxidů dusíku ve výfukových plynech dieselových motorů. Z výfuku pak odchází neškodná vodní pára a dusík. Se zavedením Euro 6 musejí AdBlue využívat i mnohé osobní vozy. Podle odborníků budou diesely s SCR tvořit velký podíl na prodeji.

Selektivní katalytická redukce (Selective Catalytic Reduction, SCR) umožňuje výrazně snížit škodlivé emise oxidů dusíku (NOx) u dieselových motorů. Před katalyzátor výfukových plynů je vstřikována kapalina s obchodním názvem AdBlue, díky níž vozidlo ve výfukových plynech vypouští převážně vodní páru a dusík. AdBlue je vodný roztok močoviny, který se skládá ze 32,5 % z technicky čisté močoviny a ze 67,5 % z destilované vody.

Zavedení emisní normy Euro 6 od září 2014 totiž přineslo vznětovým motorům další razantní snížení emisí oxidů dusíku. „Kromě nákladních vozidel tak musejí výrobci řešit snižování emisí pomocí technologie SCR katalyzátoru rovněž u výkonnějších dieselů osobních vozidel s objemem motoru nad 1,6 l,“ upozorňuje Václav Loula, podle něhož dnes katalyzátor SCR využívají všechny turbodiesely Volkswagen, některé motory Audi a dále vybrané motory u koncernu PSA. Některé další automobilky pak SCR využívají u výkonnějších turbodieselů. Podle odborníků má využití AdBlue i v osobních vozech budoucnost.

Spotřeba AdBlue se u osobních vozů běžně pohybuje kolem 0,8 až 1,2 litru na 1000 kilometrů. Močovinu lze doplnit v autoservisu nebo individuálně z kanystru prodávaného na čerpací stanici. „Přibývá však i čerpacích stanic, kde lze AdBlue tankovat přímo ze stojanu.

Budoucí vývoj emisních norem

Nároky státních orgánů a Evropské unie na straně jedné a technologický pokrok na straně druhé jsou určitým způsobem limitující faktory, které ohraničují rámec nově utvářených zákonných požadavků na budoucí emise nově vyráběných a homologovaných silničních vozidel. Úvodem je dobré zopakovat, že soudobé legislativní požadavky jsou souhrnně označované pojmem Euro 6 (pro osobní a lehká užitková vozidla) nebo Euro VI (pro nákladní vozidla a autobusy. V případě traktorů jsou označované jako stupeň V (nebo Stage V), což technologicky odpovídá silničním (těžkým) motorům Euro VI.

Přestože stále, bohužel, chybí jasně definované požadavky budoucích norem úrovně Euro 7/VII, z dostupných informací lze usoudit, že přichází v úvahu různé scénáře možného zpřísnění emisních limitů, z nichž některý může být zvolen jako základ pro Euro 7/VII. V kontextu je vhodné připomenout současné limity Euro 6/VI, kde v případě NOx u osobních vozidel činí 80 mg/km a v případě užitkových vozidel s naftovým motorem činí 460 mg/kWh (pro dynamický měřicí cyklus WHTC).

V případě osobních automobilů (Euro 7) navíc hrozí zpřísnění při RDE, kdy by se tzv. faktor shody (conformity faktor, CF) snížil u NOx na možná jen 1,32 (z dnešních 1,43), anebo se zcela odbourá, navíc ještě s možným rozšířením okrajových podmínek RDE (nižší minus teploty, vyšší zatížení vč. jízdy s přívěsným vozíkem atp.), což by znamenalo stejné limity pro reálnou jízdu jako pro emisní laboratoř. Různé technologie následného zpracování výfukových plynů pracují na různých principech a každá má své výhody a nevýhody - bude nutné řešit také problémy se sekundárními emisemi škodlivin, je např. problematické snižování NH₃ u benzinových motorů nebo N₂O/skleníkový plyn u vznětových motorů.

Zároveň se očekává také zvýšení nároků na zaručenou emisní životnost: v případě osobních automobilů na 240 tis. km (z dnešních 160 tis. km), nebo 15 let; u užitkových (kat. N3) na 1200 tis. km (z dnešních 600 tis. Z technického pohledu se však jeví nezbytné, aby při stanovení nových emisních limitů byly zohledněny možnosti současné měřicí techniky, včetně existující nepřesnosti měření způsobené metodou měření, způsob stanovení emisních limitů odvislý např. od kategorie vozidla či použitého paliva, i fakt, že nastavené limity se budou uplatňovat při kontrolních ověřovacích měřeních z hlediska stability parametrů sériově vyráběných vozidel a jejich pohonných agregátů.

Funkce OBM (On Board Monitoring)

V rámci nových norem Euro 7/VII se rýsují i další nadstavbové požadavky na funkce OBD (On Board Diagnostic), přičemž OBD zůstane klíčovým prvkem vnitřní diagnostiky za účelem sledování emisně-relevantních funkcí a monitorování pravděpodobných příčin jejich neshody, pakliže se vyskytne. Nicméně jeho konstrukční softwarovou nadstavbou bude zřejmě funkce tzv. OBM (On Board Monitoring).

Kromě funkcí spadajících pod OBD by tak z funkce OBM mělo být možno získat informace o tom, zda je vozidlo technicky způsobilé k emisnímu kontrolnímu přeměření (pomocí speciálního sdělovače tzv. TCI, Testing Conformity Indicator), zda má vozidlo fyzicky odpovídající spotřebu paliva (pomocí funkce OBFCM, On Board Fuel Consumption Monitoring) nebo zda nebyly provedeny nežádoucí zásahy do továrního nastavení (chiptuning, který by neměl být již vůbec proveditelný, a tak se i zde objeví nová opatření na „cybersecurity“).

Funkce OBM bude patrně využívat signály řízení motoru a senzory primárně určené pro OBD. S jeho vývojem se však předpokládá doplnění o detailnější analýzu emisních škodlivin, kritické jsou z pohledu zákonodárců, i zde zejména NOx a PN (počet částic, tj. nad rámec hmotnostní zaplněnosti filtru pevných částic ať už u benzinových nebo naftových vozidel). K tomu budou muset být použity odpovídající snímače koncentrací těchto látek ve výfukovém potrubí - O₂ (širokopásmová lambda-sonda), NOx, PM (dnes standardně na bázi diferenciálního tlaku filtru DPF a teplot) a dále také NH₃ (podobně jako NOx dnes), počet částic PN (s novými principy měření - odporové, elektrostatické, tzv. diffusion charger nebo laserové), výhledově také škodlivin CO, HC, popř.

Geofencing

Poměrně novým tématem, které se do některé legislativní podúrovně Euro 7/VII může dostat, je také funkce tzv. geofancingu (s využitím konektivity vozidel). Jedná se prakticky o vlastnost vozidel v souvislosti se zónou či regionem, do kterého tyto vozy budou vjíždět. Funkce umožní včas nastavit jízdní režim např. v čistě elektrickém módu při vjezdu do centra měst, regulaci rychlosti jízdy pomocí adaptivního tempomatu, prediktivní nastavení chování energetického řetězce vozidla v závislosti na zvolené a satelitem sledované jízdní trase, případně i budoucí sdílení informací mezi jednotlivými vozidly apod.

Aktivace geofancingu pro správnou ekologicko-energetickou funkcí pohonného agregátu bude logicky umožněna při splnění některých nezbytných podmínek, zejména nechybových údajů z OBD a dostatečným stavem nabití trakčních akumulátorů příp.

tags: #emise #vznětových #motorů #řešení #snížení

Oblíbené příspěvky:

• Stanovisko k O2 Sport
• Ohrožení Britannicu: Stojí za přečtení?
• Praktické řešení pro kuchyni
• Nakládání s nemocničním odpadem v ČR
• Více o třech kvalitách