Výfuková soustava diesel: Emise a principy

Doprava je v současnosti jedním z hlavních zdrojů znečištění životního prostředí, na pomyslném žebříčku předběhla i průmysl. Celkový počet motorových vozidel ve světě se pohybuje kolem jedné miliardy a neustále se zvyšuje.

Vidátor a doktor geologie Václav Vávra popisuje, jakou souvislost má automobilová doprava, emise oxidu uhličitého a skleníkové plyny. Zatímco u nových motorových vozidel se produkce emisí razantně snižuje, průměrné emise CO2 z automobilové dopravy se zatím stále zvyšují.

U nových osobních automobilů registrovaných v České republice klesly průměrné emise CO2 z 154,0 g/km v roce 2004 na 134,6 g/km v roce 2013 a od roku 2020 jsou v platnosti přísnější limity pro emise u nově prodaných automobilů, které mají v průměru dosahovat 95 gramů CO2 na ujetý kilometr. V roce 2018 se v České republice podílela doprava na emisi skleníkových plynů téměř 15 %, z toho 2/3 tvoří osobní automobilová doprava. Spalovací motory při své činnosti neprodukují pouze už zmíněný oxid uhličitý, ale také jiné skleníkové plyny jako jsou oxidy dusíku, oxidy síry a vodní páru.

Celkový počet motorových vozidel ve světě se v roce 2018 pohyboval kolem 1,3 miliardy a do roku 2040 se odhaduje nárůst na 2 miliardy. Motorových vozidel je tedy zhruba 10krát méně než obyvatel planety Země. Nejvyšší úroveň motorizace je v USA a v některých zemích západní Evropy (např. Velká Británie, Německo, Itálie, Francie). V zemích, jako je Bangladéš, Burundi nebo Mosambik, připadá na tisíc obyvatel pouze jeden automobil. Roční celosvětová produkce automobilů obnáší 91 milionů vozů nejrůznějších kategorií. V Evropě se ročně vyrobí téměř 20 milionů automobilů, z toho 1,3 milionu v České republice. V roce 2020 bylo ve 27 zemích Evropské unie v provozu 229 montážních závodů automobilového průmyslu, kde pracovalo 2,6 milionu zaměstnanců.

Skleníkový efekt a uhlíkový cyklus

Složení zemské atmosféry je významným faktorem, který určuje teploty na naší planetě. Průměrná celosvětová teplota atmosféry těsně nad zemským povrchem je 15 °C. Kdyby byla atmosféra bez skleníkových plynů, snížila by se tato teplota na pouhých -18 °C. Jde o zcela přirozený proces, ve kterém hlavní roli „skleníkového plynu“ hraje vodní pára, jakožto přirozená součást atmosféry. Z ostatních plynů jsou do určité míry přirozenou součástí atmosféry ještě oxid uhličitý, metan, oxid dusný a troposférický ozón. Některé syntetické látky jako freony byly do atmosféry dodány lidskou činností. Účinek jmenovaných skleníkových plynů není stejný.

Čtěte také: Principy fungování emisních systémů

Během čtvrtohor, tedy posledních asi 2,5 milionů let, kolísal obsah oxidu uhličitého v atmosféře mezi 200 a 280 ppm (0,020 - 0,028 %). V dobách ledových to byla nižší hodnota, v dobách meziledových vyšší hodnota. Je změřeno, že za posledních asi 200 let (od začátku průmyslové revoluce) narostl obsah CO2 v atmosféře z 280 ppm na současných 410 ppm. Je prakticky jisté, že nárůst hodnot je v současné meziledové době přirozený proces, ale je také pravda, že tak rychlý růst jeho obsahu v atmosféře způsobuje lidstvo svojí nešetrnou a často bezohlednou činností. Pokud by vás zajímalo, jak se tyto hodnoty měří, tak od roku 1958 se jako referenční hodnoty používají velmi přesná měření na stanici Mauna Loa na Havajských ostrovech.

Hlavní příčinu zvyšujících se obsahů CO2 v atmosféře představuje spalování fosilních paliv (ropa, uhlí, zemní plyn), některé průmyslové činnosti produkující oxidy dusíku, metan a dříve také freony a samozřejmě i doprava. Objektivně změřeným důsledkem našeho bezohledného počínání je nárůst teploty na planetě, který představuje od poloviny minulého století v celosvětovém průměru jeden stupeň, ale např. Atmosféra má ve změnách globálního klimatu nezastupitelný význam. Je to médium, které velmi rychle (řádově hodiny a dny) absorbuje nebo uvolňuje teplo a transportuje ho na velké vzdálenosti. Dopad zvyšujících se teplot atmosféry v globálním měřítku je velmi široký, uveďme jen několik příkladů. Teplejší atmosféra více ohřívá mořskou vodu, což negativně ovlivňuje nejen vodní organismy (např. korály), ale teplejší oceánská voda umožňuje snazší vznik tropických cyklón nebo může narušit přirozený běh mořských proudů.

Změna distribuce tepla v atmosféře způsobuje v určitých oblastech úbytek srážek, jinde zase vzniká nadbytek srážek a jsou zde častější povodně. V přírodě probíhá velké množství chemických reakcí mezi živou a neživou přírodou a uhlík je prvkem, který se na těchto procesech podílí velkou měrou. Jednotlivé procesy jsou propojeny do uhlíkového cyklu a probíhají v určitém pořadí a s různou rychlostí. Součástí tohoto cyklu je i vznik a spotřeba oxidu uhličitého. Celý cyklus probíhá na planetě prakticky od jejího vzniku, tak jak ho známe dnes, funguje asi 3,5 miliardy let, kdy se objevily první fotosyntetizující organismy.

Uhlík je prvek, který je zcela zásadně obsažen v živých organismech, velké množství je uloženo v litosféře a nezanedbatelně je obsažen také v atmosféře a hydrosféře. Nás zajímá především jeho obsah v atmosféře, budeme tedy sledovat procesy, které obsahy uhlíku snižují (tzv. sinky) a procesy, které naopak obsahy oxidu uhličitého v atmosféře zvyšují. Na kontinentech jsou molekuly CO2 odebírány z atmosféry rostlinami při fotosyntéze a vznikají z nich složitější uhlíkaté sloučeniny (bílkoviny, cukry, tuky). Rostliny pak slouží jako potrava živočichům, kteří tyto energeticky bohaté uhlovodíky dále zpracovávají. Všechny organismy dýchají, takže část uhlíku se vrací do atmosféry jako CO2. Pokud rostlina nebo živočich odumře, mikroorganismy jejich tělo rozloží a na konci vznikne voda a oxid uhličitý.

Do tohoto cyklu však vstupuje člověk, který do atmosféry přidává oxid uhličitý především spalováním fosilních paliv. Celou situaci ještě komplikuje skutečnost, že člověk má stále vyšší nároky na prostor a potravu, takže intenzivně redukuje rostlinné porosty na planetě. Pro úplnost ještě dodejme, že obrovské množství uhlíku se vyměňuje na hranici atmosféra - půda. Jiná část uhlíkové cyklu probíhá na hranici atmosféra - oceán. Obrovská množství CO2 se rozpouští ve studených vodách povrchových částí oceánů ve vyšších zeměpisných šířkách, aby se pak v teplejších rovníkových oblastech zase uvolňoval zpátky do atmosféry. Do atmosféry se ale vrací jen menší část, protože velké množství oxidu uhličitého je využíváno mořským fytoplanktonem (řasy a sinice). Ten je základem potravního řetězce směrem k vyšším živočichům. Významný může být v některých případech i tok uhlíku z litosféry do atmosféry. Děje se tak při každé sopečné erupci. Některé vulkanické události jsou takového rozsahu, že produkují obrovské množství CO2, často ve spojitosti s jinými plyny a pevným znečištěním atmosféry (popílek).

Čtěte také: Snižování emisí CO2: Podrobná analýza

Všechny uvedené procesy jsou po milióny let v rovnováze, i když rychlost a objem některých reakcí se může měnit v závislosti na klimatických změnách.

Regulace emisí a alternativní pohony

Evropská unie vyvíjí značný tlak na snižování emisí skleníkových plynů a to i v oblasti dopravy. Zatím se většina automobilových koncernů ubírá směrem k elektromobilitě nebo hybridním typům automobilů. Na spalovací motory jsou kladeny stále vyšší nároky, což v konečném důsledku představuje hlavní úkol pro jejich konstruktéry - snižování spotřeby paliva. Vzrůst prodeje elektromobilů je v posledních letech nepřehlédnutelný. Podle Mezinárodní agentury pro energii (IEA) jezdilo v roce 2019 po silnicích celého světa 7,2 milionu elektromobilů, z toho 47 % v Číně.

Přechod ke kompletnímu elektrickému vozovému parku není úplně snadný a levný. Pravdou je, že elektromotor je složen z méně součástek než motor spalovací, jednodušší je převodovka a zcela odpadá výfuková soustava s katalyzátorem či filtrem, což představuje asi o 30 % menší pracnost při výrobě. I tak je cena vozu téměř dvojnásobná v porovnání s konvenčním, protože bateriové články tvoří 30 až 50 % ceny vozu. Abychom mohli bez omezení používat elektromobily, potřebujeme dostatečně silnou elektrickou infrastrukturu - zejména síť dobíjecích stanic. Dosavadní statistiky ukazují, že více jak 90 % všech dobíjení se děje doma nebo v zaměstnání.

Masivní zavádění elektromobilů vyžaduje adekvátní technická řešení. Můžeme to ukázat na příkladu České republiky. Odborníci předpokládají, že v roce 2030 zde bude jezdit 250 - 500 tisíc elektromobilů. To bude vyžadovat instalaci až 40 000 dobíjecích stanic, což představuje náklady kolem 40 miliard korun.

Kromě přechodu na elektrovozidla existují i jiné postupy, které vedou ke snižování dopravních emisí. Některá evropská města zakázala nebo zpoplatnila vjezd starším automobilům a vozidlům s dieselovým motorem. Velké rezervy jsou také v objemech dopravovaného zboží, je mnohem efektivnější využívat lokální produkty a výrobky, než vozit prakticky stejné přes polovinu světa. Nemalé rezervy máme také ve větším využívání železniční dopravy při přepravě osob i zboží. Podle Českého statistického úřadu narostl v roce 2020 objem přepravovaného zboží oproti roku 2010 o 30 %. V roce 2020 se přepravilo po silnicích téměř 500 tisíc tun zboží, zatímco železnice přepravila pouhých 90 tisíc tun nákladů. Alternativou k elektrické mobilitě jsou vozidla na vodíkový pohon.

Čtěte také: Diesel vs. Benzín: Kompletní rozbor emisí

Turbodmychadla a snižování emisí

Turbodmychadlo je podobný revoluční vynález jako spalovací motor sám. Turbodmychadla slouží ke snižování emisí a optimalizaci výkonových parametrů. Turbodmychadlo zvyšuje účinnost motoru a tím i celkového výkonu motoru prostřednictvím efektivnějšího využití vzduchu a paliva. Snižování emisí a optimalizace výkonových parametrů, i výkonu motoru bez nutnosti zvětšování jeho zdvihového objemu. V dnešní době se spíše prováděl opak, a to tzv. downsizing. Tedy zmenšování objemu motoru a jeho následné přeplňování turbodmychadlem, mnohdy nejedním.

Konstrukčně jsou sice turbodmychadla velmi podobná, nikoliv však stejná. Liší se především svým koncového použití. Turbodmychadla se tedy liší použitím pro vysokootáčkových a pomaloběžných motorů, ale také se liší materiály nebo typem regulace.

Typy turbodmychadel:

• Single-turbo: Znamená to, že se na motoru nachází pouze jedno turbodmychadlo. Toto řešení je u osobními, užitkovými i nákladními auty dnes převažuje.
• Bi-turbo: Systém bi-turbo využívá dvě turbodmychadla menší velikostí ke zlepšení výkonu motoru. Menší turbodmychadla se rychleji roztáčejí ve vyšších otáčkách, čímž se minimalizuje prodleva v akceleraci.
• Twin-turbo: Systém twin-turbo přivádí stlačený vzduch do druhého, které ho dále stlačuje před vstupem do motoru. Dosahuje rychlejší odezvy motoru, která je téměř okamžitá a vyššího plnícího tlaku.
• Hybridní turbodmychadla: Hybridní turbodmychadla je kombinací dvou různých turbodmychadel do jednoho.

Turbodmychadlo je podobný revoluční vynález jako spalovací motor sám. Turbodmychadla slouží ke snižování emisí a optimalizaci výkonových parametrů. Turbodmychadlo zvyšuje účinnost motoru a tím i celkového výkonu motoru prostřednictvím efektivnějšího využití vzduchu a paliva. Snižování emisí a optimalizace výkonových parametrů, i výkonu motoru bez nutnosti zvětšování jeho zdvihového objemu. V dnešní době se spíše prováděl opak, a to tzv. downsizing. Tedy zmenšování objemu motoru a jeho následné přeplňování turbodmychadlem, mnohdy nejedním.

Konstrukčně jsou sice turbodmychadla velmi podobná, nikoliv však stejná. Liší se především svým koncového použití. Turbodmychadla se tedy liší použitím pro vysokootáčkových a pomaloběžných motorů, ale také se liší materiály nebo typem regulace.

Funkce a konstrukce turbodmychadla

Kompresorové kolo: Je klíčovou součástí turbodmychadla, které zvyšuje výkon motoru. Nasává okolní vzduch, stlačovat jej a následně dodávat do spalovacího prostoru motoru. Zvyšuje množství kyslíku dostupného pro spalování, což vede k vyššímu výkonu motoru. Kompresorové kolo a řídí tok nasávaného a stlačeného vzduchu. Zvyšuje množství kyslíku dostupného pro spalování, což vede k vyššímu výkonu motoru.

Turbínové kolo: Je poháněno výfukovými plyny na lopatky turbíny. Optimalizovala účinnost pohonu kompresorového kola. Teploty a tlakové namáhání. Energie výfukových plynů na turbínové kolo.

Regulace plnicího tlaku: Zabraňuje přetlaku a zajišťuje efektivní chod motoru. Řízení plnícího tlaku na základě aktuálních provozních podmínek motoru.

Materiály používané v turbodmychadlech

Turbodmychadla jsou vyráběna z materiálů s vysokou pevností, žáruvzdorností a odolností proti opotřebení. Kompresorová skříň je obvykle vyrobena z lehkých slitin hliníku (AlSilOMg) kvůli dobré výrobě, korozivzdornosti a přesnosti výroby. Turbínová skříň je často vyrobena z tvárné litiny (GGG40), která má ideální vlastnosti pro použití v náročných podmínkách.

Pro výrobu turbínových kol se používají slitiny titanu (Ti-6Al-4V) nebo niklové slitiny (Inconel), které nabízejí vysokou pevnost, odolnost proti korozi a teplotní stálost za vysokých teplot. Ložiska turbodmychadel jsou mazána chladící kapalinou z olejového hospodářství motoru.

Výrobci turbodmychadel

Na trhu existuje mnoho výrobců turbodmychadel, kteří se zaměřují na různá odvětví a aplikace. Mezi významné výrobce patří:

• Garrett - dodavatel turbodmychadel do prvovýroby (OEM).
• BorgWarner - výrobce turbodmychadel pro automobilový průmysl.
• Holset (Cummins Turbo Technologies) - výrobce turbodmychadel pro průmyslové využití.
• IHI Turbo - divize IHI Corporation, vyrábí turbodmychadla od roku 1953.
• Mitsubishi Turbocharger - výrobce turbodmychadel pro automobilový průmysl.

tags: #výfuková #soustava #diesel #emise #princip

Oblíbené příspěvky:

• Metody tavení kovů a životní prostředí
• Legislativa pro nebezpečný odpad
• Miluše Maryšková a její ekologické farmaření
• Jak vybrat koš na odpad
• Průvodce instalací odpadní hadice