Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti 1. Spalovací motor jako zdroj energie. 2. Charakteristika automobilových paliv. 3. Pracovní.

Prezentace na téma: "Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti 1. Spalovací motor jako zdroj energie. 2. Charakteristika automobilových paliv. 3. Pracovní."— Transkript prezentace:

1 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti 1. Spalovací motor jako zdroj energie. 2. Charakteristika automobilových paliv. 3. Pracovní oběhy zážehových a vznětových motorů. 4. Tepelná bilance a účinnosti spalovacího motoru. 5. Kinematika a dynamika klikového ústrojí. 6. Základy konstrukce pístových spalovacích motorů. 7. Palivové soustavy zážehových motorů - nepřímé vstřikování. 8. Palivové soustavy zážehových motorů - přímé vstřikování. 9. Palivové soustavy vznětových motorů. 10. Ekologické aspekty provozu spalovacích motorů. 11. Charakteristiky, regulace a měření spalovacích motorů. 12. Zapalovací soustavy zážehových motorů. 13. Elektrické příslušenství spalovacích motorů. 14. Chladicí a mazací soustavy spalovacích motorů. Spalovací motory Ing. Jan Hromádko, Ph.D. Email: janhromadko@tf.czu.cz Témata přednášek

2 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Emise výfukových plynů Spalování paliv se vzduchem vzniká dokonalou oxidací oxid uhličitý (CO 2 ) a voda (H 2 O). Při nedokonalé oxidaci vzniká i oxid uhelnatý (CO) a vodík (H 2 ). Kyslík (O 2 ) se ve výfukových plynech zážehového motoru objevuje jen tehdy, byl-li v čerstvé směsi v přebytku, anebo se nevyužil z jiných důvodů. U vznětových motorů se objevuje vždy, protože vznětový motor pracuje s přebytkem vzduchu. Nejvýznamnější složkou spalin je dusík (N 2 ), z kterého za vysokých teplot vznikají (NO x ), tvořené zejména oxidem dusnatým (NO), v menší míře oxidem dusičitý (NO 2 ) a oxidem dusným (N 2 O). Při nepříznivých oxidačních podmínkách vznikají nespálené uhlovodíky (HC). U naftových motorů a nově u benzínových motorů s přímým vstřikem paliva vznikají za úplného nepřístupu vzduchu (uvnitř kapičky kapalného paliva) pevné částice (PM)

3 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Složení výfukových plynů

4 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Charakteristika škodlivých emisí Pro lidský organizmus je jedovatý. S krevním barvivem vytváří velmi pevný karboxyhemoglobin (200krát raději se váže na hemoglobin než kyslík), který omezuje přenos kyslíku z plic do krevního oběhu. Tím jsou jednotlivé orgány poškozovány nedostatkem kyslíku, i když by tento byl obsažen ve vdechovaném vzduchu v dostatečném množství. Oxid uhelnatý se dále podílí na vzniku fotochemického (letního) smogu. Celková roční emise CO z antropogenních zdrojů je řádově srovnatelná s přírodními emisemi. Oxid uhelnatý - CO

5 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Charakteristika škodlivých emisí Oxid uhličitý – CO 2 Jedná se o produkt dokonalé oxidace a jeho přítomnost ve spalinách je důsledkem kvalitně uskutečněného spalovacího procesu. Je to bezbarvý plyn, bez zápachu, velmi stabilní a málo reaktivní. Škodlivě působí na lidský organizmus, až když jeho koncentrace ve vdechovaném vzduchu začne vytěsňovat kyslík. Oxid uhličitý patří mezi tzv. skleníkové plyny, které způsobují vznik radiační clony, omezující sdílení tepla země s okolím. V důsledku průmyslové činnosti došlo ke zvýšení pozadí koncentrace CO 2 z 280 ppm na 350 ppm. V rámci antropogenních emisí obnáší podíl provozu spalovacích motorů přibližně 10 %

6 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Charakteristika škodlivých emisí Oxidy dusíku – NO x Přímá škodlivost oxidu dusnatého na živý organizmus je vcelku nízká. Při dalším pobytu v atmosféře dochází k jeho oxidaci na oxid dusičitý, jehož škodlivost je klasifikována jako závažnější. Při vdechování se na stěnách sliznice tvoří kyselina dusičná (HNO 3 ). Dýchací soustava reaguje na vdechování HNO 3 jako na začínající hoření a automaticky přivírá přístup vzduchu do plic. Důsledkem toho je pocit dušení a nucení ke kašli. Tento nežádoucí jev nastává již při velmi nízkých koncentracích, resp. při krátkých expozičních dobách. Oxidy dusíku se významně podílejí na tvorbě letního smogu. Spolupodílejí se též na tvorbě kyselých dešťů.

7 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Charakteristika škodlivých emisí Nespálené uhlovodíky – HC Nespálenými uhlovodíky jsou směsi různých skupin uhlovodíků, které vstupují jako palivo do oxidačního procesu nebo vznikají v průběhu spalování paliva ve válci motoru. Nejmenší škodlivost obvykle mají některé původní skupiny uhlovodíkového paliva, větší škodlivost (někdy až extrémní) vykazují potom ty druhy uhlovodíků, které vznikají jako meziprodukty oxidace původní uhlovodíkové molekuly, u kterých vlivem různých okolností proběhne cyklus oxidačních reakcí pouze z části (např. účinkem ochlazení v blízkosti stěn válce). Některé meziprodukty oxidačních reakcí patří do skupiny rakovinotvorných látek a jejich škodlivost je potom navíc mimořádná ve spojení s další výfukovou škodlivinou, pevnými částicemi.

8 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Charakteristika škodlivých emisí Nespálené uhlovodíky – HC Z plynných škodlivin se z celé škály nespálených či částečně zoxidovaných uhlovodíků považují za nejnebezpečnější polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH), jejichž škodlivost je zesílena vazbou na povrch emitovaných pevných částic. Nejznámější polycyklický aromatický uhlovodík je benzo[a]pyren, u něhož byly karcinogenní účinky prokázány nejdříve. Mezi polycyklické aromatické uhlovodíky emitované spalovacími motory patří také benz[a]anthracen, benzo[b]fluoranthen, benzo[j]fluoranthen, benzo[k]fluoranthen a dibenzo[a,h]anthracen

9 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Charakteristika škodlivých emisí Oxidy síry – SO x Jsou produkovány především vznětovými motory. Podíl emisí oxidů síry, plynoucích ze spalovacích motorů, je na celkovou produkci zanedbatelný. Protože obsah síry v motorové naftě neustále klesá, klesají i emise plynoucí ze spalovacích motorů.

10 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Charakteristika škodlivých emisí Pevné částice – PM Vznikají převážně u vznětových motorů. Obsahují primární uhlík, organický uhlík a malé množství sulfátu, dusíku, vody a další neidentifikovatelné složky. Obsah základního uhlíku se blíží k 75 %. Nicméně složení je závislé na typu motoru a na dodatečných zařízeních, např. filtru pevných částic. Jádro částic se skládá z pevného uhlíku a popele. Organické a sulfátové směsi a další prvky jsou sorbované na povrch jádra během koagulace, adsorpce a kondenzace částic.

11 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Charakteristika škodlivých emisí Pevné částice – PM Krátkodobá expozice může způsobit podráždění oka, jícnu, průdušek, neurofyziologické symptomy, např. nucení ke zvracení a dýchací potíže (dušnost). Chronická expozice může způsobit zánět a histopatologické změny v plicích. Odhad takzvané referenční koncentrace, která nezpůsobuje rakovinotvorný efekt po dlouhou dobu expozice, je 5 mg·m -3 Nejproblematičtější je, že se na pevné částice vážou karcinogenní PAH, které se tak mnohem lépe roznášení po těle. Velké částice se zachycují v dýchacích cestách, částice pod 1  m mohou dosáhnout povrchu plic, částice pod 0,1  m se pak mohou dostat do krevního řečiště, viz následující obr.

12 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Charakteristika škodlivých emisí Pevné částice – PM

13 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Mechanizmus vzniku škodlivin Oxid uhelnatý - CO U zážehových motorů je produktem nedokonalé oxidace uhlíku obsaženého v uhlovodíkovém palivu. Prioritní příčinou jeho výskytu ve spalinách je nedostatek kyslíku ve spalované směsi. Znamená to provoz, kdy je součinitel přebytku vzduchu λ < 1 – bohatá směs. Nedostatek kyslíku může být místní (v některých válcích nebo v některých oblastech motoru) nebo časový (při hodnotě λ = 1 – stechiometrická směs – se v některých pracovních obězích spaluje bohatá směs, jako důsledek fluktuace směšovacího poměru). Oxid uhelnatý je pak přítomen ve spalinách spolu s kyslíkem.

14 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Mechanizmus vzniku škodlivin Oxid uhelnatý - CO U vznětových motorů, při vesměs velkých přebytcích vzduchu, CO oxiduje na CO 2. Koncentrace CO jsou desetinové ve srovnání se zážehovými motory. K výraznějšímu nárůstu dochází v oblastech vyššího zatížení, ale dříve než se projeví nárůst emisí CO, je dosažena hranice kouře, na kterou se nastavuje maximální dodávka paliva. Nejvyšší produkce emise CO se tvoří u spalovacích systémů s tvorbou směsi ze stěny při nízkém zatížení (běh na prázdno). Tvorba směsi je nepříznivě ovlivněna nízkou teplotou stěny.

15 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Mechanizmus vzniku škodlivin Oxidy dusíku – NO x Vznik oxidu dusnatého (NO) je velice závislý na výši teploty. Tvorba plynu je popsána Zeldvičovou řetězovou reakcí. Reakce mohou probíhat i obráceně v závislosti na okamžitých koncentracích volných radikálů N, O, H a teplotě reakce. K tvorbě těchto reakcí je zapotřebí vysokých teplot (1900–2000 °C) a dostatek času, jinak tyto reakce „zamrzají“ a nedojde k tvorbě oxidů dusíku.

16 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Mechanizmus vzniku škodlivin Oxidy dusíku – NO x Nejvyšších teplot se dosahuje spalováním mírně bohatých směsí. Podmínkou vysokých koncentrací NO x je však, kromě vysoké teploty, také dostatečný obsah kyslíku. Se stoupajícím přebytkem vzduchu je k dispozici více kyslíku, což převládá nad klesající teplotou. Z tohoto důvodu je maximum koncentrace NO x při = 1,05–1,1. U zážehových motorů je koncentrace NO x vyšší, ale je dobře zneškodňována v třícestném katalyzátoru, nepředstavuje tak závažný problém. U vznětových motorů je produkce nižší, nelze však použít třícestný katalyzátor, tudíž je produkce NO x u vznětových motorů problematická.

17 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Nespálené uhlovodíky – HC Spalovací motory Mechanizmus vzniku škodlivin Nespálené uhlovodíky jsou ve výfukových plynech obsaženy jako výsledek předčasně zastavených oxidačních reakcí, nejčastěji při chladnějších stěnách válce. Nebo vynecháním či poruchou spalování, jednak jako produkt tepelných krakovacích a dalších chemických reakcí, které byly ukončeny dříve, než mohl proběhnout celý proces jejich oxidace. Na obsah nespálených uhlovodíků má značný vliv teplotní režim motoru, konstrukce spalovacího prostoru a konstrukce samotného pístu (tzv. „zhášecí prostory“ s určujícím činitelem výšky uložení 1. pístního kroužku) a samozřejmě bohatost směsi. Optimální směšovací poměr z hlediska obsahu nespálených uhlovodíků je v oblasti chudé směsi při přebytku vzduchu = 1,1–1,2.

18 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Nespálené uhlovodíky – HC Spalovací motory Mechanizmus vzniku škodlivin K vytváření nebezpečných polycyklických aromatických uhlovodíků (PAH) v průběhu spalovacího procesu dochází zejména v případech, kdy původní uhlovodíková molekula obsahuje dva a více atomů uhlíku. Příklad vzniku PAH z nasycených uhlovodíků při nedokonalé oxidaci je znázorněn na následujícím obr. V obr. je výchozím produktem etan C 2 H 6. Při teplotách nad 500 °C dochází k porušování vazeb mezi vodíkem a uhlíkem a také mezi uhlíkem a uhlíkem, vznikají tak volné radikály. Vzniklé radikály se spojují do acetylénu a dále pak do polycyklických aromatických uhlovodíků, které jsou odolné vůči tepelné degradaci.

19 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Nespálené uhlovodíky – HC Spalovací motory Mechanizmus vzniku škodlivin

20 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Pevné částice – PM Spalovací motory Mechanizmus vzniku škodlivin Primární uhlík se tvoří při spalování neodpařených kapek paliva v prostředí s vysokou teplotou a při extrémně nízkých lokálních hodnotách přebytku vzduchu. Emise PM tedy souvisí zejména s kvalitou rozprášení paliva při jeho vstřikování do válce. Je zřejmé, že přísun kyslíku k částicím paliva se zlepšuje se zvětšováním celkového množství vzduchu, proto se emise částic snižuje s jeho rostoucí hodnotou. Organické složky pevných částic (SOF – Soluble organic fraction) pocházejí z nespáleného paliva, motorového oleje a produktů částečného spalování a pyrolýzy.

21 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Zážehový motor Spalovací motory Závislost emisí na

22 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Vznětový motor Spalovací motory Závislost emisí na

23 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Snižování emisí zážehový motor ovlivnění směšovacího poměru a tvorba směsi, tzv. opatření před motorem ovlivnění průběhu spalování, tzv. opatření u motoru dodatečná redukce škodlivin, tzv. opatření za motorem Opatření před motorem Volbou směšovacího poměru nemůžeme snížit všechny škodliviny současně. V oblasti minimálních koncentrací CO a HC jsou maximální koncentrace NO x. Pro dosažení co nejlepších výsledků je důležité dokonalé rozprášení a promíchání optimálního množství paliva se vzduchem a dodržování přesně stanoveného součinitele přebytku vzduchu.

24 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Opatření u motorem Volba kompresního poměru Snížení kompresního poměru sníží maximální teploty, což redukuje NO x. Při spalování stechiometrické směsi se příznivě projevuje i na snížení HC. Naopak snížený kompresní poměr snižuje výkon, zhoršuje tepelnou účinnost, zvyšuje měrnou spotřebu paliva m pe a měrné emise.

25 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Opatření u motorem Zmenšováním úhlu předstihu zapalování pod optimální hodnoty se snižuje termická účinnost, vzrůstá měrná spotřeba, ale současně se dosahuje poklesu maximální teploty spalování a vzrůstu teploty výfukových plynů. To má za následek snížení emisí NO x a HC. Zvyšování zapalovací energie vede ke zvýšení jistoty zážehu paliva a potlačení vzniku HC.

26 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Opatření u motorem Recirkulací částí výfukových plynů můžeme výrazně snížit emise NO x. Výfukové plyny s malým obsahem kyslíku je možno považovat za inertní plyn. Ve spalovacím prostoru se nezúčastňuje spalování, ale přejímá teplo vzniklé při hoření, a tím snižuje maximální teplotu hoření. Recirkulaci rozdělujeme na vnitřní a vnější. Vnitřní recirkulace je závislá na překrytí otevření sacího a výfukového ventilu v okamžiku výměny náplně válce. Při pohybu pístu do horní úvrati odchází, vlivem již otevřeného sacího ventilu, část výfukových plynů do sání. Při pohybu pístu do dolní úvrati dochází, vlivem ještě otevřeného výfukového ventilu, k nasátí části spálených plynů z výfukového potrubí. Výsledkem je zvýšené množství spálených plynů ve válci.

27 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Opatření u motorem Vnější recirkulace se uplatňuje tam, kde vnitřní způsob nepostačí splnit současné mezní hodnoty NO x. Principem je přepouštění výfukových plynů do sání přes EGR ventil, který může být ovládán různými způsoby (podtlak v sání, elektronicky). Recirkulující množství označujeme EGR % (EGR – Exhaust Gas Recirculation). V závislosti na recirkulujícím množství lze snížit emise NO x o 50–60 %, ovšem za cenu zvýšení emisí HC. Do 10–15 % recirkulace se nemusí počítat se zvýšením spotřeby paliva. Vnější recirkulace se používá převážně u vznětových motorů. Vnitřní recirkulace se pak používá převážně u zážehových motorů.

28 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Opatření u motorem Závislost m pe, HC, NO x na podílu recirkulace Schéma vnější recirkulace, chladič spalin bývá použit později, většinou u vznětových motorů

29 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Opatření za motorem V současné době se používají výhradně katalyzátory. Katalyzátor je látka, která způsobuje nebo urychluje chemickou reakci, aniž se přitom sama mění. Účelem katalyzátoru je způsobit či urychlit přeměnu škodlivých emisí CO, HC a NO x na neškodné látky. Chemické reakce, při kterých k tomu dochází, jsou dvojího druhu: Oxidace a redukce. Oxidace, dochází k reakcím podle rovnic: 2CO + O 2  2CO 2 HC + (m + n/4) O 2  m CO 2 + n/2 H 2 O 2H 2 + O 2  2 H 2 O

30 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Reakce musí proběhnout bez přidání dalšího media. Z toho důvodů musí být tyto látky obsaženy ve spalinách ve správném množství. Správné množství a složení spalin, při kterém je redukce všech složek emisí nejvyšší odpovídá stechiometrickému spalovacímu poměru, tedy  = 1. Již velmi malé odchylky od  = 1 způsobují nárůst produkce škodlivých emisí. Spalovací motory Opatření za motorem Redukce, dochází k reakcím podle rovnic: 2CO + 2NO  2CO 2 + N 2 NO + 2 H 2  N 2 + H 2 O HC + 2(m + n/4) NO  (m + n/4) N 2 + n/2 H 2 O + m CO 2

31 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Opatření za motorem Katalyzátor, který je účinný v oblasti dodatečné likvidace všech tří hlavních skupin škodlivin, se nazývá třícestný katalyzátor (TWC – Three Way Catalyst). Někdy se také používá název oxidačně-redukční katalyzátor. V tomto názvu se vyskytuje pojmenování obou chemických reakcí, které probíhají uvnitř tohoto katalyzátoru (oxidace a redukce). Mají-li být v katalyzátorech potlačeny všechny tři složky, tj. má-li proběhnout jak oxidace, tak redukce, musí být složení směsi co nejblíže stechiometrické hodnotě, kdy je součinitel přebytku vzduchu = 1. Právě při tomto složení výbušné směsi obsahují výfukové plyny dostatek kyslíku pro oxidaci a zároveň dostatek oxidu uhelnatého i nespálených uhlovodíků pro redukci oxidu dusnatého.

32 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Opatření za motorem Aby byl tento poměr co nejvíce zachován, používá se před katalyzátorem lambda sonda, která měří množství kyslíku ve výfuku. Podle jeho obsahu nastavuje řídicí jednotka množství dodávaného paliva. Takto pracující systém se nazývá řízený třícestný katalyzátor, i když nemá žádný řídicí prvek, ani žádné tři cesty. Na obr. dále je znázorněna účinnost katalyzátoru v potlačení škodlivin v závislosti na součiniteli přebytku vzduchu. Dále je také uveden schématický obrázek třícestného katalyzátoru.

33 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Opatření za motorem účinnost katalyzátoru v závislosti na třícestný katalyzátor

34 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Opatření za motorem Pro motory s přímým vstřikem paliva FSI (Fuel Stratified Injection) je nutné použít zásobníkový katalyzátor, protože při spalování vrstvené směsi je celkový směšovací poměr větší než jedna, tudíž je třícestný katalyzátor málo účinný. Sběrný katalyzátor je napojen za předsazený třícestný katalyzátor a celý pak pracuje v režimu = 1 jako hlavní třícestný katalyzátor. Při provozu s přebytkem vzduchu ukládá s pomocí oxidů baria na jejich povrchu oxidy dusíku ve formě bariumnitrátů. Sběrný katalyzátor se musí vzhledem ke své omezené kapacitě regenerovat každých 30 až 60 sekund. Za tímto účelem přepne řídicí jednotka na základě signálu z čidla NO x na 1 až 2 sekundy provoz do režimu s bohatou směsí ( = 0,8). Tím stoupne podíl CO ve výfukových plynech a dochází k reakci s oxidy dusíku vázanými v bariumnitrátech.

35 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Opatření za motorem Katalytický systém motoru FSI upravený pro periodickou likvidaci NO x

36 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Opatření za motorem Cyklus regenerace sběrného katalyzátoru

37 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Snižování emisí vznětový motor Spalovací motory Opatření před motorem Při tvoření směsi ve válci je důležitý optimální návrh plnící soustavy motoru s vytvořením řízeného pohybu náplně válce, obvykle ve tvaru tečné rotace. Tento požadavek nabývá na důležitosti s nižšími energiemi vstřiku paliva do válce (horší rozprášení paliva), počtem vstřikovacích otvorů trysky a u motorů s atmosférickým plněním (vlivem nižších rychlostí nátoku vzduchu do válce nižší turbulentní energie proudu). Cílem je zajištění co nejkratší doby pro vhodné promísení paliva se vzduchem ve válci po vstřiku paliva a optimálního průběhu spalování. U přeplňovaných motorů záleží na stupni přeplnění a případném mezichlazení plnícího vzduchu.

38 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Opatření u motoru Volba způsobu tvoření směsi již sama o sobě ovlivňuje emise škodlivin. Příklad emisí oxidů dusíku v závislosti na součiniteli přebytku vzduchu u motorů komůrkových a s přímým vstřikem je znázorněn dále. Nižší hodnoty emisí NO x komůrkových motorů, především při malých přebytcích vzduchu, jsou způsobeny výraznějším vrstvením směsi a pomalejší rychlostí hoření. Další příklad standardní vstřik a rozdělená dávka paliva při úhlovém odstupu 5° otočení klikového hřídele mezi první a druhou dávkou paliva. U rozdělené dávky se snížili emise NO x i HC.

39 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Opatření u motoru

40 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Opatření u motoru Pozdějším vstřikem paliva můžeme snižovat emise NO x, což se často využívá pro splnění emisních limitů, ale současně se zvyšuje spotřeba paliva, stoupá kouřivost motoru a emise CO. U přeplňovaných motorů můžeme snížení emisí NO x dosáhnout mezichlazením plnícího vzduchu. Emise nespálených uhlovodíků lze ovlivnit provedením vstřikovací soustavy a trysky. Snahou je zabránění dostřiku paliva po skončení vstřiku a zmenšení škodného prostoru pod sedlem jehly trysky. Na kouřivost motoru má především vliv přebytek vzduchu a rozprášení paliva při vstřiku do válce. Jemnějšího rozprášení se dociluje stále rostoucími vstřikovacími tlaky.

41 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Opatření u motoru Stejně jako u zážehových motorů se pro snižování emisí NO x použává recirkulace spalin. U vznětových motorů převládá vnější recirkulace přes EGR ventil. EGR ventil může být řízen přetlakově nebo elektronicky. Nově může být EGR ventil řízen širokopásmovou lambda sondou. Širokopásmová lambda sonda s velkým pracovním rozpětím měří kyslík ve výfukových plynech. Tuto informaci předává řídící jednotce, která informaci vyhodnotí a podle toho nastaví množství recirkulovaného plynu, tlaku plnicího vzduchu a okamžiku vstřiku paliva. Schéma systému je uvedeno na následujímcím snímku, taktéž je uvedeno množství recirkulovaných spalin na zatížení motoru.

42 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Opatření u motoru Schéma systému s lambda sondouSchéma množství recirkulovaných spalin

43 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Opatření za motorem Vznětové motory mohou pracovat s ohledem na přebytek vzduchu pouze s oxidačními katalyzátory, které snižují obsah oxidu uhelnatého (CO) a nespálených uhlovodíků (HC). Katalyzátorem jsou vrstvy drahých kovů (platina a paladium), které vyvolávají reakci nedokonalých produktů hoření s přebytečným kyslíkem.

44 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Opatření za motorem Dále se používá filtr pevných částic. Filtr je umístěný za oxidačním katalyzátorem a umožňuje dosáhnout snížení emisí pevných částic o více než 95 %. Filtr má porézní strukturu tvořenou oxidem křemičitým, která mechanicky zachycuje částice při průchodu výfukových plynů tímto prostředím. K zachování schopnosti dlouhodobě zachycovat pevné částice je třeba zajistit pravidelnou regeneraci filtru, protože čím více se keramický nosič pokrývá uhlíkem, tím menší má účinnost. Regenerace spočívá ve spalování zachycených částic. Ta probíhá v prostředí kyslíku, jestliže teplota výfukových plynů přesáhne 550 °C. Tak vysoká teplota není v normálním pracovním režimu motoru dosažena.

45 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Opatření za motorem Regeneraci filtru lze docílit dodatečným vstřikem paliva po základním vstřiku. Tento vstřik paliva zvýší teplotu spalin o 200–250 °C. Další nárůst přibližně o 100 °C je způsoben hořením nespálených uhlovodíků na oxidačním katalyzátoru. Taktéž je možné do paliva přidávat speciální adetivum (Eolys), které snižuje teploto vypalování pevných částic ve filtru. Princip regenerace filtru pevných částic je znázorněn na obr. na následujícím snímku.

46 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Opatření za motorem

47 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Opatření za motorem Dále se používá selektivní katalytická redukce ke snižování emisí NO x. Jako redukční činidlo se používá sloučenina amoniaku (močovina ve vodě). Tryska vstříkne do výfukového systému kapalinu ve formě aerosolu společně se vzduchem proti proudu výfukových plynů z SCR katalyzátoru. Ve druhé fázi se spojí oxidy dusíku z výfukových plynů s amoniakem. Vznikne tak dusík a voda. Schéma SCR redukce je znázorněno na obr. na následujícím snímku.

48 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Opatření za motorem

49 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Měření produkce emisí Spalovací motory Měření produkce emisí lze rozdělit do dvou skupin: homologační testy - typové schvalování vozidel nových, nebo poprvé uváděných do provozu emisní kontroly - pravidelná emisní a někdy i technická kontrola všech vozidel v provozu Měření emisí je v těchto dvou skupinách odlišné. Rozdílné jsou nejen příslušné legislativní předpisy, ale i úrovně emisních limitů, metodiky měření, požadované přesnosti měření, cenové relace, technická úroveň měřící techniky a statutární zajištění.

50 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Homologace vozidel do 3,5 t, ČR a EU Spalovací motory Pro homologaci těchto vozidel se používá simulace jízdního cyklu na řízeném válcovém dynamometru. Cyklus se souhrnně nazývaná NEDC (New European Driving Cycle). Cyklus zahrnuje 4x režim základního městského cyklu ECE 15 a označuje se jako městský cyklus UDC a 1x režim mimo-městského cyklu EUDC. Měření jsou provedena bezprostředně za sebou (UDC + EUDC). Test se začíná při studeném motoru. Před zkouškou se automobil temperuje min. 6 hod. na teplotu 20 - 30 °C. Hodnoty jednotlivých emisí se stanovují kumulativně za celý test a přepočítávají na g/km.

51 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Homologace vozidel do 3,5 t, ČR a EU Spalovací motory Produkce emisí je stanovena metodou CVS (Constant Volume Sampling). Při tomto způsobu měření jsou spaliny odsávány velmi výkonným ventilátorem. Nedochází ke změně průtoku vzduchu ale pouze se mění koncentrace emisí. Vzorek emisí je odebírán do sběrných vaků. Emise jsou pak přepočteny na g/km. Schéma systému je na obr. na následujícím snímku. Na dalším snímku je uvedeno schéma jízdního cyklu. Dále je uvedena tabulka s parametry cyklu.

52 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Homologace vozidel do 3,5 t, ČR a EU Spalovací motory

53 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Homologace vozidel do 3,5 t, ČR a EU Spalovací motory Průběh zkušebního cyklu pro homologační měření emisí vozidel do 3,5 t

54 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Homologace vozidel do 3,5 t, ČR a EU Spalovací motory Parametry zkušebního cyklu pro homologační měření emisí vozidel do 3,5 t část cyklu doba [s] dráha [m] Ø zrychlení [m  s -2 ] volnoběh doba [s] Ø rychlost [km  h -1 ] max.rychlost [km  h -1 ] UDC (4 ECE15)7804 0520,48725227,6050 EUDC4006 9550,3954169,70120 UDC+EUDC118011 0070,45829344,70120

55 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Homologace vozidel do 3,5 t, ČR a EU Spalovací motory Standardní limity emisí (g/km) osobní vozidla do 3,5t, vznětové motory předpisplatnostCOHCHC+NOxNOxPM Dieselg·km -1 Euro 119922,72-0,97-0,14 Euro 2 - IDI19961-0,7-0,08 Euro 2 - DI19991-0,9-0,1 Euro 32000.010,64-0,560,50,05 Euro 42005.010,5-0,30,250,025 Euro 52009.090,5-0,230,180,005 Euro 62014.090,5-0,170,080,005

56 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Homologace vozidel do 3,5 t, ČR a EU Spalovací motory Standardní limity emisí (g/km) osobní vozidla do 3,5t, zážehové motory předpisplatnostCOHCHC+NOxNOxPM Petrol (Gasoline)g·km -1 Euro 11992.072,72 (3,16)-0,97 (1,13)-- Euro 21996.012,2-0,5-- Euro 32000.011,20,2-0,15- Euro 42005.0110,1-0,08- Euro 52009.0910,1-0,060,005 Euro 62014.0910,1-0,060,005

57 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Homologace vozidel nad 3,5 t, ČR a EU Spalovací motory Pro homologaci vozidel nad 3,5 t platí zkušební testy ESC (European Stationary Cycle), ETC (European Transient Cycle) a pro vznětové motory platí navíc test ELR (European Load Response) pro měření kouřivosti motoru. Limity emisí CO, HC, NOx a pevných částic, příp. kouřivosti, jsou opětovně stanovené specificky pro každou kategorii vozidel velmi přísně, na hranicích technické, technologické a ekonomické dosažitelnosti. ESC (European Stationary Cycle ) Jedná se o stacionární test, při kterém se zkouší samotný motor na zkušebním stanovišti. Zatěžovacím režimem je tzv. 13-ti bodový test, 13 předepsaných ustálených režimů otáček a zatížení motoru. Každému režimu je přiřazena „váha“, která se zahrne do výpočtů měrných emisí g/kWh.

58 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory ESC (European Stationary Cycle ) Průběh ESC testu Parametry ESC testu

59 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory ETC (European transient cycle) Byl zaveden v EU spolu s ESC testem. Jedná se o jízdní cyklus, při kterém se opětovně zkouší samostatný motor na zkušebním stanovišti. FIGE institut vyvinul ETC cyklus ve dvou variantách: jednak jako zkoušku na válcovém dynamometru a dále pak jako zkoušku motoru na zkušebním stanovišti. V homologační praxi se používá pouze varianta motorového testu. Jízdní cyklus pro testy celých vozidel je uveden na následujícím snímku. Dále je pak uvedena varianta pro motorovou zkoušku.

60 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory ETC (European transient cycle) Průběh jízdního cyklu ETC na válcovém dynamometru

61 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory ETC (European transient cycle) Průběh otáček motoru při ETC cyklu na motorovém dynamometru Průběh točivého momentu při ETC cyklu na motorovém dynamometru

62 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory ELR (European Load Response) Test ELR se skládá ze sekvence tří zátěžových úrovní střídavě mezi 10 % a 100 % v každé ze tří frekvencí otáček motoru definovaných jako u cyklu ESC, tj. A (cycle 1), B (cycle 2) a C (cycle 3), následovaný cyklem 4, který je volitelný v mezích otáček mezi A a C a dolní zatížení mezi 10 % a 100 %,

63 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory předpisNOxCOHCPMTest Euro 1 (1992) všechna vozidla Euro 2 (1996) 8,00 7,00 4,5 4,01,10 (THC) 0,35 0,15 ECE R49 (13 mode cycle) ECE R49 Euro 3 (2000) Conventional engines5,02,10,66 (THC)0,10ESC Euro 3 (2000.10) Advanced engines5,05,45 0,78 (NMHC) 1,6 (CH 4 ) 0,16ETC Euro 4 (2005.10)3,5 1,5 4,0 0,46 (THC) 0,55 (NMHC) 1,1 (CH 4 ) 0,02 0,03 ESC ETC Euro 5 (2008.10)2,0 1,5 4,0 0,46 (THC) 0,55 (NMHC) 1,1 (CH 4 ) 0,02 0,03 ESC ETC Euro 6 (2013.01)0,4 1,5 4,0 0,13 (THC) 0,16 (NMHC) 0,5 (CH 4 )0,01 ESC ETC EU standardní limity emisí (gkWh-1) pro vozidla nad 3,5 t

64 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Homologace vozidel do 3,5 t, USA Spalovací motory Postup je obdobný jako u vozidel v do 3,5 t v EU, s tím rozdílem že platí jiné zkušební testy a jiné limitní hodnoty. Vozidla musí být dodatečně testována dalšími dvěma doplňkovými federálními testy SFTP (Supplemental Federal Test Procedure). US06 (aggressive, high speed driving) – cyklus simulující agresivní způsob jízdy. SC03 (the use of air conditioning) – simulace jízdy při zapnuté klimatizaci. Jízdní cyklus používaný v USA je uveden na dalším snímku. Dále jsou pak uvedeny oba doplňkové testy.

65 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Homologace vozidel do 3,5 t, USA Spalovací motory Časový průběh rychlosti vozidla ve zkušebním cyklu FTP 75

66 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Homologace vozidel do 3,5 t, USA Spalovací motory Časový průběh rychlosti vozidla ve zkušebním jízdním cyklu US06 Časový průběh rychlosti vozidla ve zkušebním jízdním cyklu SC03

67 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Homologace vozidel nad 3,5 t, USA Spalovací motory Situace je obdobná jako v EU při homologaci vozidel nad 3,5 t. Pouze platí jiné zkušební testy. Vozidla musí být dodatečně testována dalšími dvěma doplňkovými federálními testy. SET (Supplemental Emission Test) SET test je 13-módový stacionární test, který slouží pro kontrolu emisí při provozu ve stacionárních stavech (např. dálniční provoz). Test je totožný s ESC testem (v US obvykle označovaném jako "Euro III" test). NTE (Not-to-Exceed) NTE stanovuje plochu (NTE zone) pod křivkou točivého momentu motoru, ve které nesmějí emise motoru převyšovat jakoukoli specifickou hodnou z regulovaných emisí.

68 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Homologace vozidel nad 3,5 t, USA Spalovací motory Časový průběh točivého momentu a otáček motoru při zkušebním cyklu Heavy-Duty FTP Transient Cycle

69 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Emisní kontroly vozidel v ČR Spalovací motory V ČR povinnost pravidelného měření emisí u vozidel v provozu vyplývá ze zákona č. 56/2001 Sb., přičemž rozsah a praktické provedení emisních kontrol je dán vyhláškou MDS č. 302/2001 Sb. o technických prohlídkách a měření emisí vozidel. Cílem legislativy je udržet škodlivé emise vozidel v provozu na přijatelné úrovni v průběhu celé životnosti vozidla. Za přiměřené ukazatele technického stavu vozidla z hlediska emisí se u zážehových motorů pokládají zejména emise CO, měřené při volnoběhových a vyšších volnoběhových otáčkách, motorů bez katalyzátoru nebo s neřízenými katalyzátory je předepsáno také měření HC ve stejných otáčkách. U vznětových motorů je limitována kouřivost měřená při opakovaných volných akceleracích.

70 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Emisní kontroly vozidel v ČR Spalovací motory vizuální kontrola skupin a dílů ovlivňujících tvorbu emisí ve výfukových plynech zaměřená na úplnost a těsnost palivové, zapalovací, sací a výfukové soustavy a těsnost motoru kontrola seřízení motoru zahřátého na provozní teplotu, otáček volnoběhu, úhlu sepnutí kontaktů přerušovače u zapalovacího zařízení s kontaktním přerušovačem, úhlu předstihu zážehu, obsahu oxidu uhelnatého (CO) a uhlovodíků (HC) při volnoběžných otáčkách kontrola stejných parametrů jako při volnoběhu ve zvýšených otáčkách v rozmezí 2500 až 2800 min -1, pokud výrobce nestanoví jinak porovnání výsledků kontroly s předepsanými hodnotami U vozidla se zážehovým motorem s neřízeným emisním systémem, nebo s neřízeným emisním systémem s katalyzátorem se při měření emisí provádí:

71 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Emisní kontroly vozidel v ČR Spalovací motory vizuální kontrola v rozsahu jako u vozidla s neřízeným emisním systémem, rozšířená o kontrolu stavu katalyzátoru, stavu lambda sondy, přídavných nebo doplňkových systémů ke snižování emisí a příslušné elektroinstalace kontrola funkce řídícího systému motoru, čtení paměti závad pomocí diagnostického zařízení v rozsahu a způsobem předepsaným výrobcem vozidla u motoru zahřátého na provozní teplotu změření otáček volnoběhu a obsahu CO ve volnoběhu a obsahu CO a součinitele přebytku vzduchu lambda při zvýšených otáčkách v rozmezí 2500 až 2800 min -1, pokud výrobce vozidla nestanoví jinak porovnání výsledků kontroly s předepsanými hodnotami U vozidla se zážehovým motorem s řízeným emisním systémem s katalyzátorem se při měření emisí provádí:

72 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Emisní kontroly vozidel v ČR Spalovací motory vizuální kontrola skupin a dílů ovlivňujících tvorbu emisí ve výfukových plynech zaměřená na úplnost a těsnost palivové, sací a výfukové soustavy a těsnost motoru u řízených systémů kontrola funkce řídicího systému motoru pomocí diagnostického zařízení v rozsahu a způsobem předepsaným výrobcem vozidla kontrola seřízení motoru zahřátého na provozní teplotu, zejména volnoběžných otáček motoru, pravidelnosti chodu motoru při volnoběžných otáčkách, maximálních otáček (kontrola regulátoru) a měření kouřivosti motoru metodou volné akcelerace porovnání výsledků kontroly s předepsanými hodnotami U vozidla se vznětovým motorem se při měření emisí provádí:

73 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Emisní kontroly vozidel v ČR Spalovací motory Emisní limity pro zážehové motory dle vyhlášky MD č. 302/2001 Sb. rok výroby vozidlaemisní systém CO [%] HC [ppm] do 31.12. 1972neřízený62000 1.1.1973 – 31.12.1986neřízený ( katalyzátor)4,51200 od 1.1.1987 neřízený + katalyzátor3,5800 řízený + katalyzátor 0,5 0,3 (λ=1±0,03) - volnoběhvyšší otáčky λ - součinitel přebytku vzduchu lambda vypočítává přístroj pro měření emisí zážehového motoru z obsahu složek výfukového plynu podle Brettschneiderova vzorce.

74 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Emisní kontroly vozidel v ČR Spalovací motory Limitní hodnoty kouřivosti motorů dle vyhlášky MD č. 302/2001 Sb. Typ vozidel uvedených do provozu Limit [m -1 ] Automobilypřed rokem 19804 Automobilypo roce 19802,5 + 0,5 Traktorypo roce 19803,5 + 0,5 Vozidlapo roce 1999štítkový údaj + 0,5

75 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Použitá literatura: 1.BAUMRUK, P.: Příslušenství spalovacích motorů, ČVUT Praha, 1996, ISBN 80-01- 02062-2 2.BEROUN, S.: Vozidlové motory. Studijní opory, TU Liberec 3.Firemní literatura AVL 4.Firemní literatura BOSCH 5.MACEK, J: Spalovací motory I, ČVUT Praha, 2007, ISBN 978-80-01-03618-1 6.MAXWELL, T., T.: Alternative Fuels – Emissions, Economics, and Performance. Society of Automotive Engineers, U.S.A, 1995, ISBN 1-56091-523-4 7.RAUSCHER, J.: Spalovací motory, Studijní opory, VUT FSI Brno, 2004 8.TAKÁTS, M.: Měření emisí spalovacích motorů, ČVUT Praha 1997 9.VLK, F.: Vozidlové spalovací motory. Nakladatelství a zasilatelství Vlk, Brno, 2002. ISBN 80-238-8756-4