Spalování a jeho produkty. Emise a jejich snižování Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je Ing. Radek Hladný Dostupné z Metodického portálu www.rvp.cz; ISSN 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR. Provozuje národní ústav pro vzdělávání, školské poradenské zařízení a zařízení pro další vzdělávání pedagogických pracovníků (NÚV) .

Látky vstupující do spalovacího procesu v motoru Vzduch – je to směs velkého množství plynů, z nichž největší část tvoří : - dusík N2 - kyslík O2 a dále oxid uhličitý, voda a další plyny. Palivo – nejčastěji se jedná o směs kapalných uhlovodíkových paliv (HC), ale můžou to být i plyny jako propan, butan či metan.

Spalování v motoru Ideální spalování : 12kg C + 32 kg O2 = 44 kg CO2(oxid uhličitý) 4 kg H2 + 32 kg O2 = 36 kg H2O (vodní pára) 32 kg S + 32 kg O2 = 64 kg SO2(oxid siřičitý) Bohužel spalování uhlíku ( dle 1. rovnice) neproběhne zcela ideálně a vzniknou i jiné, škodlivé látky.

Produkty spalování - neškodlivé produkty: Oxid uhličitý - CO2 Oxid uhličitý vzniká dokonalým spálením (oxidací) uhlíku (C) obsaženého v palivu prostřednictvím kyslíku (O2), který se nachází v nasávaném vzduchu. Oxid uhličitý je nejedovatý produkt spalování, ostatně ho vydechují i lidé a zvířata. Při vysoké koncentraci CO2 hrozí smrt zadušením. Rostliny přeměňují za působení slunečního záření CO2 na uhlík a kyslík, ale stoupající obsah CO2 v atmosféře způsobuje tzv. „skleníkový efekt", který je příčinou zvyšování teploty atmosféry

Produkty spalování - neškodlivé produkty: vodní pára - H2O Voda vzniká slučováním vodíku (H2), obsaženém v palivu, s kyslíkem (O2), který je obsažen v nasávaném vzduchu.

Produkty spalování -škodlivé produkty-emise: Oxid uhelnatý - CO Tento škodlivý plyn vzniká především spalováním bohaté směsi (λ < 1). Vzhledem k nedostatku kyslíku (O2) v bohaté směsi dochází k nedokonalému spalování uhlíku (C), který je obsažen v palivu, na oxid uhelnatý (CO). Oxid uhelnatý je velmi jedovatý, bezbarvý plyn. V krvi se váže na červené krvinky a tím brání jejich základnímu úkolu - dopravě kyslíku z plic do ostatních částí těla. Již koncentrace 0,5 objemového % ve vzduchu, který vdechujeme, může být během 30 minut smrtelná. Jelikož výfukové plyny jsou těžší než vzduch, nebezpečí hrozí zejména u podlahy a v montážních jámách dílen a garáží.

Produkty spalování -škodlivé produkty-emise: nespálené uhlovodíky HC Ve výfukových plynech se objevují jednak jak zcela nespálené uhlovodíky, tak také uhlovodíky, vzniklé nedokonalým spalováním směsí. K nespáleným uhlovodíkům patří především: Parafiny - látky s narkotickým působením a slabě dráždící pokožku. Olefiny, acetyleny - látky slabě dráždící pokožku, které se značně podílí na tvorbě smogu. Aromatické uhlovodíky – látky s narkotickým působením, známé jako nervové jedy s rakovinotvorným působením. Dále jsou to částečně spálené uhlovodíky, které i v malé koncentraci dráždí oči, nos a poznají se podle zápachu. Jelikož podíl HC je značně menší než CO, měří se pomocí analyzátorů výfukových plynů v ppm (parts per milion = počet částic na l milion). -Platí: l obj. % - 10 000 ppm ----- v -- .

Produkty spalování -škodlivé produkty-emise: Oxidy dusíku NOX Názvem oxidy dusíku označujeme směs oxidu dusnatého (NO) a oxidu dusičitého (NO2). Dusík se dostává do spalovacího prostoru v čerstvém vzduchu. Za vysokých teplot a tlaků reaguje dusík s kyslíkem ve spalovacím prostoru. Čím větší je teplota a tlak ve spalovacím prostoru motoru, tím více se tvoří NO, což je plyn bez barvy i bez zápachu. Ten se pak slučuje se vzdušným kyslíkem a vzniká NO2. To je ostře páchnoucí jedovatý plyn, který napadá plíce. Ve spalovacím motoru vzniklé NOX tvoří z 90% NO, který v přírodě oxiduje na NO2. Oxid dusičitý pak může spolu s vodou(např. v plicích) vytvářet kyselinu dusičnou (HNO3). Oxidy dusíku se stejně jako uhlovodíky (HC) podílí na tvorbě smogu.

Produkty spalování -škodlivé produkty-emise: Oxid siřičitý - SO2 Oxid siřičitý (SO2) vzniká slučováním síry (S) s kyslíkem (O2) obsaženým v nasávaném vzduchu. Síra je obsažena v palivu, přičemž limitní hodnoty jsou vyšší u motorové nafty než u benzinu. Sloučením SO2 s vodou (H2O) vznikají sirné kyseliny, které škodí životnímu prostředí ve formě tzv. „kyselých dešťů". Vzhledem k malému obsahu síry v palivech není tento produkt spalování v motorech tak významný.

Produkty spalování -škodlivé produkty-emise: pevné částice (saze) Pevná částice je mikroskopická částice Může být tvořena shlukem uhlíku (saze), uhlovodíkových sloučenin, sirných sloučenin, oxidů kovů a vody. Saze vznikají ve vznětových motorech při plném zatížení v důsledku krakování (štěpení uhlovodíkových řetězců), vysoké teploty a místního nedostatku vzduchu. Jako čistý uhlík obecně saze neohrožují zdraví člověka, ovšem mohou obtěžovat a omezovat viditelnost. Pokud jsou součástí sazí i uhlovodíky, počítáme je mezi škodlivé částice, Pokud se velmi malé částice sazí dostanou hluboko do plic, mohou při velké koncentraci nastat stejné potíže (mechanické podráždění) jako při vdechování jemných prachových částic.

Ostatní zbytkové plyny Zbytkovými plyny obsaženými ve výfukových plynech jsou : Dusík – byl obsažen v nasátém vzduchu a v motoru se reakcí nezúčastnil Kyslík – větší množství zbytkového kyslíku se může vyskytovat u vznětových motorů a zážehových motorů s přímým vstřikem, které pracují s chudou směsí (přebytkem kyslíku).

Zařízení pro snížení obsahu škodlivin ve výfukových plynech

Systémy sekundárního vzduchu U těchto systémů se využívá ke snížení obsahu HC a CO jejich dodatečného spalování ve výfukovém potrubí (při teplotě plynů nad 600° C), a to pomocí přídavného kyslíku, přivedeného do výfukového systému. Tento systém využívají některé motory s vícebodovým vstřikováním benzínu. Čerstvý vzduch může být dodáván do výfukových kanálů těmito způsoby : - pomocí tlakových pulzací ve výfukových kanálech - elektronicky řízeným elektromagnetickým ventilem - použitím tzv. „čerpadla sekundárního vzduchu".

Oxidačni katalyzátor (dvojčinný) Tento katalyzátor se využívá v současnosti u vznětových motorů, které pracují s chudou zápalnou směsí ( s přebytkem vzduchu). Dodatečnou oxidací se přeměňují nespálené uhlovodíky a oxid uhelnatý na oxid uhličitý a vodní páru.

Oxidačně-redukční katalyzátor (trojčinný, trojcestný) Tento katalyzátor se využívá v současnosti u všech benzínových motorů. Dodatečnou oxidací se přeměňují nespálené uhlovodíky a oxid uhelnatý na oxid uhličitý a vodní páru a dodatečnou redukcí se štěpí oxidy dusíku zpět na kyslík a dusík. Aby oba typy reakcí proběhly s co největší účinností, musí být složení směsi neustále blízké ideálnímu (lambda=1). O takovouto regulaci se stará řídící jednotka s pomocí lambda sondy. Pak mluvíme o řízeném katalyzátoru. V současnosti se využívají 2 lambda sondy - před a za katalyzátorem . S jejich pomocí je účinnost katalyzátoru ještě vyšší a je možno takto kontrolovat také jeho činnost v rámci EOBD.

Oxidačně-redukční katalyzátor (trojčinný, trojcestný) - konstrukce V plechovém ocelovém tělese katalyzátoru jsou zpravidla 2 katalytické vložky. Jejich nosná část může být keramická nebo kovová. Velké účinné plochy se dosahuje velkým množstvím kanálků, jejichž povrch je zvrásněn a tvoří jej oxid hlinitý. Na tomto povrchu je pak naneseno mikroskopické množství katalytických vzácných kovů. Pro oxidační reakce je to platina a paládium a pro redukční reakce rhodium. Pro svou činnost potřebuje katalyzátor určitou provozní teplotu. Ideální provozní podmínky jsou v teplotním rozpětí 400°C až 800°C. Při vyšších teplotách pak dochází ke spékání povrchové vrstvy, což výrazně snižuje životnost katalyzátoru. Pro katalyzátor jsou nebezpečné výpadky zapalování (roztavení nebo destrukce nosiče) a naprosto nepřípustné je použití olova v palivu (vzácné kovy zreagují s olovem a katalyzátor bude neúčinný).

Speciální konstrukce katalyzátorů pro zážehové motory s přímým vstřikem benzínu Protože tyto motory pracují v určitých provozních podmínkách s chudou směsí (přebytkem vzduchu), dochází k tvorbě zvýšeného množství oxidů dusíku. K jejich snížení není dostačující použití recirkulace výfukových plynů. Proto se využívá speciální konstrukce třícestného katalyzátoru. Prakticky se využívají následující 2 řešení.

Zásobníkový katalyzátor (VW) Tento katalyzátor dokáže na svém povrchu vázat oxidy dusíku, které vznikají při spalování chudé směsi, a to ve formě dusičnanů barya. Po určité době je katalyzátor nasycen (při provozu na chudou směs se tak stane přibližně během minuty) a dojde krátkodobě (l s až 2 s) k přepnutí na homogenní směs. Jejím shořením se nespálené uhlovodíky a oxid uhelnatý dostávají do katalyzátoru, kde slouží za přítomnosti ušlechtilých kovů jako redukční prostředek a rozloží dusičnany zpět na oxidy, které reagují s HC a CO za přítomnosti katalytických kovů jako u trojčinného katalyzátorů. Tím dojde k regeneraci zásobníkového katalyzátoru. To, že je katalyzátor „plný“ a vyžaduje regeneraci zjišťuje snímač NOX za katalyzátorem. Tento katalyzátor je velmi citlivý na síru v palivu, která ho ničí, neboť také reaguje s baryem (vznikají sírany) a k regeneraci je pak třeba častější a dlouhodobější přepínání na homogenní režim. Tím se do jisté míry ztrácí úspora spotřeby paliva motoru s přímým vstřikem.

Selektivní katalyzátor DeNOx (Mitsubishi) V podstatě se jedná o běžný třícestný katalyzátor u kterého je redukční účinek rhodia výrazně zvýšen jeho náhradou jinou látkou, zpravidla iridiem. Také u tohoto katalyzátoru je třeba pro dostatečnou redukci zvýšit obsah HC a CO, což se děje např. při akceleraci, změnou předstihu nebo dodatečným vstřikem paliva. I tento katalyzátor je také citlivý na síru v palivu. Proto se využívá zejména v zemích s velmi nízkým obsahem síry v palivu, např. Japonsko.

Recirkulace výfukových plynů Jedná se o zpětné vedení části výfukových plynů do čerstvě nasávaného vzduchu. To má za následek snížení špičkové spalovací teploty ve válci, což se projeví snížením oxidů dusíku ve výfukových plynech . Toto opatření pro snížení oxidů dusíku je využíváno již dlouho u vznětových motorů, ale již několik let se využívá také u zážehových motorů Množství plynů je regulováno otevřením AGR (EGR) ventilu dle datového pole, uloženého v paměti řídící jednotky motoru. Otevření ventilu a tím množství recirkulovaných plynů je závislé na druhu motoru ( u vznětového až 50%), na otáčkách a zatížení motoru, tlaku okolního vzduchu a teplotě motoru. Konstrukčně může být AGR ventil ovládán podtlakově (starší VM), elektromagneticky nebo regulační klapkou ovládanou stejnosměrným motorkem, Poloha ventilu je zpětně hlášena ŘJ přes potenciometr.

Vstřikování močoviny (Ad Blue) Tento způsob snižování množství oxidů dusíku ve výfukových plynech se využívá především u novějších vznětových motorů užitkových vozidel, neboť samotná recirkulace je pro splnění přísných emisních limitů zpravidla nedostačující. Systém je složitější, ale v principu jde o nástřik vodného roztoku močoviny do výfukového potrubí. Nejdříve dochází ke katalyticky urychlené hydrolýze močoviny na amoniak . Ten pak vstupuje do redukční sekce katalyzátoru společně s výfukovými plyny a redukuje NOX na dusík. Případný přebytek amoniaku se pak v další, oxidační sekci katalyzátorové nádoby oxiduje rovněž na dusík. Vodný roztok močoviny (něco přes 30%) se u čerpacích stanic prodává zpravidla pod obchodním označením AdBlue. Vozidlo má na něj speciální nádrž s upraveným hrdlem. Neboť tento roztok může zmrznout, musí systém řešit jeho ohřev.

Filtr pevných částic – význam Jedná se o zařízení využívané u vznětových motorů k dočasnému zachycování pevných částic, které musí být po určité době vypáleny. Ke spálení těchto částic je třeba více než 600ºC. Dosáhnout takovéto teploty výfukových plynů je běžně u vznětových motorů obtížné. Proto musí mít systém řízení filtru další komponenty a vlastní systém regulace.

Filtr pevných částic – konstrukce a filtrace částic Filtr může mít samostatnou konstrukci a umísťuje se za oxidační katalyzátor nebo může být s tímto katalyzátorem integrován a umístěn co nejblíže motoru, čímž systém nepotřebuje vzhledem k vyšším teplotám aditivum. Aditivum, dávkované ze speciální nádržky do paliva způsobuje snížení teploty vzplanutí sazí asi o 100 až 150 stupňů Celsia. Vlastní filtr je zpravidla keramický z karbidů křemíku a tvoří jej velké množství rovnoběžných mikroskopických kanálků s porézními stěnami. Plyny musí projít póry ve stěnách z jednoho kanálku do druhého, čímž se pevné částice zachytí na stěnách kanálků. Mezi těmito částicemi se také usazují částečky aditiva.

Filtr pevných částic – regenerace Po několika stovkách kilometrů dojde k zanesení filtru pevnými částicemi a musí dojít k regeneraci – vypálení. Řídící jednotka motoru rozpozná naplnění filtru porovnáním průtoku výfukových plynů a tlakového rozdílu plynů před a za filtrem. V okamžiku regenerace dojde k přerušení recirkulace výfukových plynů a provede se dodatečný vstřik paliva v době expanze, aby se zvýšila teplota výfukových plynů. Následně dojde k vypálení pevných částic ve filtru. Současně se provede zásah do množství nasávaného vzduchu, aby nedošlo ke změně točivého momentu motoru. K určení přesného okamžiku a množství dodatečně vstřikovaného paliva se využívá signál ze širokopásmové lambda sondy před katalyzátorem. Při častém provozu s nízkou teplotou výfukových plynů nebude možno provést regeneraci filtru, což může později vést k poškození či ucpání filtru.