Výpočet složek emisí spalovacího motoru

Díky provázanosti trhů a zvyšování životní úrovně jsou požadavky na dopravu stále vyšší. To klade zvýšené nároky na silniční dopravu, která je spojena se škodlivými emisemi, což se nejvíce projevuje ve velkých městech.

Legislativa emisních norem EURO a testování nových vozidel před jejich uvedením na trh, především výrobci nákladních vozidel, zavádějí opatření, která jim pomáhají redukovat spotřebu paliva a emise ve výfukových plynech.

Tento článek se zaměřuje na problematiku emisí ve výfukových plynech spalovacích motorů. Teoretickou část lze rozdělit na dvě hlavní kapitoly. První kapitola se zabývá vznikem a složením emisí a zároveň přibližuje téma jejich škodlivých vlivů. Druhá kapitola se zaměřuje na technická řešení, která byla zavedena i se staršími emisními normami, s cílem snížit emise ve výfukových plynech spalovacích motorů.

Vznik emisí ve výfukových plynech, jejich charakteristika a negativní vlivy

Spalování paliva ve spalovacích motorech vede k produkci emisí ve výfukových plynech. Mezi hlavní složky výfukových plynů patří:

• Oxid uhličitý (CO₂)
• Vodík (H₂)
• Dusík (N₂) a v případě vznětových motorů i složka O₂
• NOx, PM a SOx

Oxidačně stálejší uhlovodíky se menší měrou podílejí na tvorbě CO v procesu spalování, pokud je spalováno benzínové palivo s větším podílem alkenů nebo aromátů v palivu. Jak bylo již uvedeno, vznětové motory pracují s přebytkem vzduchu.

Čtěte také: Význam koeficientu ekologické stability

Oxid uhličitý je znakem dokonalé oxidace uhlíku. Pokud je vysoký obsah CO₂ ve výfukových plynech, značí to velmi účinné spalování. Ve výfukových plynech se vyskytují různé formy oxidů dusíku, včetně oxidu dusičitého (NO₂) a také oxidu dusného (N₂O). Dle Hromádky (2011) je u vznětových motorů výskyt NOx ve srovnání se zážehovými motory nižší. Šmerda, Čupera (2013) uvádějí, že všeobecná definice pro pevné částice neexistuje. Mohou se vyskytovat jak v kapalném, tak i plynném stavu např. paliva. Podíl oxidů síry je z celkové produkce emisí u spalovacích motorů zanedbatelný. Oxid siřičitý (SO₂) vzniká slučováním síry (S) s kyslíkem (O₂) obsaženým v nasávaném vzduchu.

Složení chemických škodlivin ve výfukových plynech je důsledkem spalovacího procesu. Kvalita paliv má také svůj vliv na výsledné složení emisí. Jakost motorové nafty značně ovlivní kouřivost motoru. Čím vyšší je její měrná hmotnost, tím spíše bude motor při použití těžké nafty silně kouřit.

Obsah emisí je stanoven celosvětově legislativou, k nimž patří složky NOx, HC, CO. Mezi další sledované škodliviny patří například benzen, formaldehyd, acetaldehyd. Vliv těchto škodlivin na lidské organismy a kvalitu ovzduší je v poslední době sledován.

Charakteristika emisí a jejich negativní vlivy

Oxid uhelnatý (CO) je bezbarvý plyn bez zápachu a prudce jedovatý. Váže se na hemoglobin, čímž se rozkládá. Nejmenší přímý vliv mají HC, které jsou obsaženy v palivech. Přípustné koncentrace např. alifatických uhlovodíků se určuje podle čichového prahu. Aldehydy silně dráždí sliznice a oči již při malé koncentraci.

Oxid uhličitý je bezbarvý plyn bez zápachu a nehořlavou. Přispívá tak ke vzniku tzv. skleníkového efektu. Oxidy dusíku mají určitou roli i při vzniku nádorových onemocnění.

Čtěte také: Objem nádob a třídění odpadu

Pevné částice mají velký povrch, který je schopný absorbovat různorodé směsi. Oxid siřičitý je bezbarvý štiplavý plyn. Sírany se postupně usazují na zemský povrch nebo jsou z ovzduší vymývány srážkami. Při nedostatku alkalických částic v ovzduší dochází k okyselení srážkových vod až na pH < 4.

Systémy pro snižování emisí ve výfukových plynech

Opatření pro snižování emisí lze rozdělit do dvou hlavních skupin. První skupinu tvoří opatření před motorem a u motoru, které ovlivňují proces spalování a tím i složení výfukových plynů. Druhou skupinu tvoří opatření za motorem, nebo někdy také uváděné jako opatření vně motoru.

Opatření před motorem a u motoru

Mezi opatření před motorem a u motoru patří například:

• Zdokonalení přípravy směsi a konstrukce spalovacího prostoru
• Optimalizace vstřikování paliva
• Řízení spalování
• Recirkulace výfukových plynů (EGR)

Směšovací poměr tvořen je 1kg paliva na 14.7 kg vzduchu. Součinitel přebytku vzduchu λ (lambda) = 1. Z grafu produkce emisí zážehových motorů je patrné, že při hodnotě lambda = 1 jsou koncentrace oxidu uhelnatého (CO) a nespálených uhlovodíků (HC) maximální a koncentrace oxidu dusíku (NOx) jsou také maximální.

Vznik emisí ovlivňuje mnoho konstrukčních detailů při spalovacím procesu v motoru. Cílem je dosáhnout optimálního spalování, které zajistí vysoký točivý moment, klidný běh, dostatečný výkon a nízkou spotřebu paliva. Regulace recirkulace má větší schopnost redukovat emise NOx, a to díky regulaci přes tzv. kouřivost motoru. V oblasti plného zatížení, kdy je produkce emisí NOx maximální, se používají systémy s plným či částečným ochlazováním. Cílem je odvést teplo odebrané spalinám, což se může má určitý podíl na spotřebě paliva.

Čtěte také: Emisní povolenky a paliva

Opatření za motorem

Mezi opatření za motorem patří především katalyzátory výfukových plynů a systém selektivní katalytické redukce (SCR). Používají se pro úpravu výfukových plynů.

Třícestný katalyzátor se používá u zážehových motorů. Optimální poměr vzduchu a paliva je λ = 1, což znamená, že skutečně přivedené množství vzduchu odpovídá teoretické potřebě. Při správném poměru je ve výfukových plynech dostatek kyslíku pro oxidaci a také dostatek CO a HC pro redukci oxidu dusnatého. Lambda sonda ve výfukovém potrubí umístněná před katalyzátorem, reguluje přívod vzduchu pro jejich správnou funkčnost. Pokud není dodržen stechiometrický poměr složka NOx není v podstatě redukována (Vlk 2002).

Filtr pevných částic (DPF) se používá u vznětových motorů a slouží k zachycování pevných částic z výfukových plynů. Filtr pevných částic, jehož účinnost dosahuje v současné době až k 99 %. Vnitřní část filtru má voštinovou nebo vláknovou podobu. Vnitřní části filtru je nejčastěji na bázi spékaných kovů. Výfukové plyny se přes systém kanálků s porézním povrchem rozdělí a zanechávají tak na povrchu pevné částice (PM). Pevné částice se postupně kumulují ve filtru a dochází pomalu ke snížení jeho účinnosti. Proto musí být filtr pravidelně regenerován, aby si udržel svojí účinnost. Regenerace probíhá při teplotách 550 až 650 °C (pasivní systémy) a jejich spalování pak probíhá kontinuálně. Existují také filtry s aktivní vrstvou platiny. Regenerace probíhá automaticky každých 400 až 500 km po dobu cca 3 minut a to bez vlivu na činnost motoru. Životnost filtrů pevných částic se pohybuje mezi 80 000 - 120 000 km. Špatná funkce EGR ventilu či špatném vstřikovači paliva (Webové stránky DPF-TECH 2014) může mít vliv na životnost filtru. Dle konstrukce filtry pevných částic lze rozdělit po konstrukční stránce na uzavřené a otevřené.

Systém selektivní katalytické redukce (SCR) se používá především k redukci oxidů dusíku. Při použití technologie SCR, je do výfukového potrubí vstřikováno speciální aditivum, což je vodný roztoku s názvem AdBlue. AdBlue je tvořeno z 32,5 % močoviny a zbývajících 67,5 % tvoří voda. Vlivem tepla se voda odpaří a roztok se pak rozkládá na amoniak (NH[3]) a oxid uhličitý CO[2]. Amoniak následně reaguje s NOx a dochází k přeměnu NOx na dusík a vodní páru, které jsou v přírodě neškodné. Důležité je zabránit k jeho úniku za SCR katalyzátorem. Pro správnou funkčnost SCR katalyzátoru je nutná provozní teplota 250 - 400 °C. Systém je vybaven senzory NOx z výfukového potrubí, jejich vyhodnocení upraví proces vstřikování kapaliny AdBlue.

Firma Bosch vyvinula systém dávkování AdBlue, který se skládá z několika prvků. Systém zajišťuje přesné dávkování močoviny, regulaci toku redukčního činidla a je schopen dávkovat i při teplotě -11°C, kdy dochází ke krystalizaci AdBlue. Zařízení s polopropustnými membránami odstraní z vody rozpuštěné minerály a soli, čímž vzniklý roztok obsahoval 32,5 % močoviny. Roztok má vysokou rozpustnost ve vodě a propustnost sít 1 mikrometr.

Emisní normy EURO

Emisní normy EURO a homologační testy stanovují limity pro emise škodlivin ve výfukových plynech u spalovacích motorů. V aplikační části této práce se budu věnovat analýze emisních norem EURO a jejich vývoji, a hodnoty emisních limitů pro jednotlivé kategorie vozidel. Dále se zaměřím na homologační testy a jejich rozsah se stručnou metodikou provádění testů.

Pro téma emisních norem a homologačních testů bude použita metoda analýzy dokumentů. Emisní normy EURO rozdělují vozidla do skupin podle typu spalovacího motoru. Měření emisí se provádí ve stanicích měření emisí (SME) se schválenými přístroji pro měření emisí.

První emisní předpisy vznikly v USA v 60. letech 20. století v reakci na zhoršující se životní podmínkám, což vedlo ke kritické situaci znečišťování ovzduší. Postupně, s mírnějšími předpisy tuto ekologickou legislativu následovaly i další státy světa. První vozidla, která musela splňovat emisní limity, byla určena k prodeji ve Spojených státech. Příčinou byla ropná krize (Takáts 1997).

S růstem počtu automobilů a technickému vývoji, byly postupně emisní požadavky zpřísňovány. Původní znění předpisu EHK 83 vstoupilo v platnost v roce 1989. Směrnice EHS 88/77. Označení "ES", nebo "EU", a to před nebo za číslem směrnice. Číslo za lomítkem udává pořadové číslo v daném roce. Směrnice 70/220, tj. podle předpisů platných pro OA a "malá" užitková vozidla. Do kategorie vozidel M2, M3 patří ostatní vozidla pro přepravu osob. Kategorie N jsou nákladní vozidla.

Od 1. 1. 1993 byl předpis označován jako EURO 1 a nahradil tak dosud platnou směrnici 70/220/EHS. V ostatní státy přišlo v roce 1995. Od 1. 1. 1997 byl předpis označován jako EURO 2. Cílem bylo zpřísnění požadavků na kontrolu a údržbu (včetně např. zdokonalení zkušební metody, např. trvanlivost protiemisních zařízení. Od 1. 1. 2001, kromě zpřísnění limitů pro emise z vozidel, zavedeny zkoušky zahrnující mimoměstský jízdní okruh. Součástí je i kontrola shodnosti výroby. Zavedena byla i zkouška systému OBD. Cílem je možné okamžitě zjistit závadu na zařízení snižujícím emise vozidla. Cílem je ochrana životní prostředí. Dále je zavedeno ověření průměrných emisí CO a HC z výfuku po studeném startu při nízkých teplotách okolí. Poslední zkouška je zkouška systému OBD. Cílem je snížení znečisťujícím látkám. Norma EURO 4 vstupuje v platnost od 1. 1. 2005 pro kategorii M do 2,5 tuny a pro kategorii N1 do 1305 kg. Od 1. 1. 2006 pro kategorii N1 a M nad 2,5 tuny. Norma vyžaduje kompatibilní systémy OBD a omezuje obsah síry a olova v palivu. Omezuje emise při měření u vozidel na LPG nebo NG. Norma EURO 5 vstupuje v platnost od 1. září 2009 a od 1. září 2010 pro třídy II a III a kategorie vozidel N2. Zaměřuje se na snížení spotřeby paliva a emisí oxidu uhličitého. Výrobci musí poskytovat informace o údržbě vozidla na svých internetových stránkách ve standardizovaném formátu. Státy mohou poskytnout finanční pobídky pro nákup vozidel, které splňují EURO 5. Příloha č. 11 uvádí emisní limity pro jednotlivé kategorie vozidel.

Nejaktuálnějším předpisem je emisní norma EURO 6. Tento předpis má platnost od 1. 9. 2014 a základ má v stejném nařízení Evropského parlamentu a Rady (ES) č. 715/2007. Norma se zaměřuje na zlepšení diagnostických systémů z hlediska emisí. Platnost normy EURO 6 pro nové registrace vozů je od 1. 1. 2015. Vozidla s naftovými motory by měly plnit limit pro NOx do 0,08 g/km. Norma EURO 6 zpřísňuje požadavky na měření emisí v reálném provozu, a to na hodnotu 0,17 g/km. Norma EURO 6 se vztahuje na vozidla s ujetím 160 000 km nebo 5 let provozu, dříve to bylo pouze 100 000 km. Nařízením Komise (EU) č. 582/2011 ze dne 25. května 2011 se provádějí předpisy pro vozidla (Euro VI). Jsou zavedeny katalyzátory chudých NOx. Vozidla byla vybavena systémem OBD. Zkoušky se provádějí na zkušebním vzorku tří motorů. Příloha č. 12 uvádí emisní limity pro jednotlivé kategorie vozidel.

Emisní normy EURO se neustále vyvíjejí a zpřísňují, aby se snížil negativní dopad dopravy na životní prostředí. Předpis EHK č. 83 se vztahuje na vozidla s referenční hmotností nepřesahující 2 610 kg. Postupně se rozšiřuje na kategorie vozidel na vozidla s referenční hmotností nepřesahující 2 840 kg. Paliva pro testování zahrnují směs bionafty a motorové nafty, vodík.

Homologační testy

Homologační testy jsou zkoušky typu vozidla a požadavky na způsob odběru vzorků emisí škodlivin. Homologační testy zahrnují postup odběru a hodnocení vzorků a postihy při nedodržení shodnosti. Důležitý je obsah zkoušek, které musí vůz splnit. V příloze č. 13 jsou uvedeny emisní limity pro schválení jednotlivých typů motorů v závislosti na použitém palivu. Pro dvě nejpočetněji zastoupené skupiny vozidel (PŘEDPIS č. 83) se provádí zkouška, která se skládá ze dvou částí. První část zkoušky je tvořena čtyřmi základními městskými cykly. Viz. obrázek č....

Podmínky pro zkoušky emisí při skutečném provozu (PEMS) zahrnují:

• 4.1. Výkonnost z hlediska emisí při skutečném provozu se prokazuje zkoušením vozidel na silnici v normálním jízdním režimu, za běžných jízdních podmínek a s normálním užitečným zatížením.
• 4.3. Schvalovací orgán navrhne zkušební jízdu v městském prostředí, v prostředí mimo město a na dálnici, aby byly splněny požadavky bodu 6.
• 5.2.1. Zkouška se provádí v okolních podmínkách stanovených v tomto oddíle.
• 6.2. Jízdní sekvence se skládá z jízdy v městském provozu, po které následuje jízda mimo město a na dálnici.
• 6.6. Celková ujetá vzdálenost se skládá přibližně z 34 % jízdy ve městě, 33 % jízdy mimo město a 33 % procent jízdy na dálnici.
• 6.7. Rychlost vozidla za běžných okolností nepřesahuje 145 km/h.
• 6.8. Průměrná rychlost (včetně zastávek) během jízdy ve městě by se měla pohybovat v rozmezí od 15 do 30 km/h.
• 6.9. Rozmezí rychlosti při jízdě na dálnici řádně pokrývá škálu rychlostí od 90 do nejméně 110 km/h.

Systém PEMS se skládá z analyzátorů, průtokoměrů, čidel a signálů. Odběr vzorků emisí musí být reprezentativní a provádí se v místech, kde jsou výfukové plyny řádně promíchány a v nichž je vliv okolního vzduchu v potrubí ve směru toku za místem odběru plynů minimální.

Stanice měření emisí (SME) provádí měření a porovnávání výsledků kontroly a naměřených hodnot se stavem a hodnotami stanovenými výrobcem vozidla. Při měření emisí se kontroluje i soulad vozidla s technickým průkazem vozidla, byl-li již vystaven. Konkrétní postupy při měření emisí se řídí předpisy výrobce vozidla nebo výrobce emisního systému. Přístroje pro měření emisí musí odpovídat základním charakteristikám podle přílohy č. 2. Postupy pro schvalování přístrojů jsou uvedeny v příloze č. 3. Lhůty kalibrace stanoví příloha č. 2. Motorové vozidlo z hlediska měření emisí vyhovuje, jestliže na jeho technickém stavu nebyly zjištěny závady mající vliv na zhoršení emisního chování vozidla a kontrolované parametry se nacházejí v mezích stanovených výrobcem vozidla.

Základní údaje a názvosloví pístových spalovacích motorů

Pístové spalovací motory jsou v současnosti nejdůležitějším a nejrozšířenějším prostředkem (pohonnou jednotkou) přeměny energie pro mobilní, zejména pozemní využití. Účelem přeměny energie pro mobilní využití je měnit energii obsaženou v palivu na pohybovou energii.

Mezi alternativní pohony patří generátoru, elektrického akumulátoru (Li-ion), elektromotoru, popř. akumulátorové (Li-ion), s nabíjením akumulátoru z elektrické sítě.

Kompresní poměr Ɛ je tedy poměr mezi objemem pracovního prostoru válce - Vp = Vz + Vk (objem nad pístem, který je v DÚ), k objemu kompresního prostoru Vk (tj. k objemu nad pístem, když je v HÚ). U vznětových motorů s přímým vstřikem paliva do válce 16 : 1 až 20 : 1. se zjišťuje na motorové brzdě a provádí se obvykle jen u výrobce a ve specializovaných velkých opravnách motorů.

U čtyřdobých pístových spalovacích motorů pracovní cyklus probíhá během čtyř přímočarých vratných pohybů pístu ve válci motoru. Válce je nahoře uzavřen hlavou válce se sacími a výfukovými ventily.

Činnost čtyřdobého motoru:

• Sání - píst se pohybuje směrem dolů, z horní úvrati do dolní a přes otevřené sací ventily je do prostoru nad píst obvykle nasávána směs paliva se vzduchem. U motoru s přímým vstřikováním (označovaných např. až do válce motoru nad píst a nasáván je čistý vzduch.
• Komprese - píst se pohybuje směrem nahoru. Všechny ventily jsou uzavřené. Směs se vzduchem se stlačuje do menšího prostoru. a teplota směsi zvyšuje, palivo se odpařuje a promíchává se vzduchem.
• Expanze - všechny ventily jsou uzavřené. Směs jiskrou hoří (v = 5 až 50 m/s). tlak spalovaných plynů. Tato tzv.
• Výfuk - píst se pohybuje směrem nahoru. Výfukové ventily jsou otevřené. Komprese - díky většímu stlačení se vzduch více zahřívá (600-900°C). Expanze - směs paliva a vzduchu zapálená samovznícením shoří.

Dvoudobé motory mají na druhé straně výhodu ve své jednoduchosti, menší hmotnosti a nižší pořizovací ceně. orientace v číslování válců a jejich pracovního pořadí. mechanizmus, tj. obvykle na opačné straně než je odebírán výkon. výkon. Odstup zážehů a vznícení hořlavé směsi paliva se vzduchem udává, v jaké úhlové vzdálenosti následují po sobě pracovní doby. válců. [°].

tags: #vypocet #slozek #emisi #spalovaciho #motoru

Oblíbené příspěvky:

• Regulace OZE v České republice
• Environmentální žal
• Robustní nerezové výlevky
• Čističe štětců bez chemie
• Přehled evropské legislativy pro ekologické produkty