Produkce emisních složek výfukových plynů

Produkce emisních
složek výfukových plynů
zážehové a vznětové motory
Složky výfukových zplodin
►
►
►
►
►
CO – oxid uhelnatý – Jedná se o bezbarvý jedovatý plyn, který je bez zápachu
a již 0,5 objemového procenta ve vzduchu je během 30 minut smrtelná. Váže se
na krevní barvivo intenzivněji než kyslík a tak jsou jednotlivé orgány poškozovány
nedostatkem kyslíku. Nejdříve je poškozován mozek a proto je označován jako
nervový plyn. Jeho koncentraci ve spalinách lze snížit větším přebytkem vzduchu.
HC – uhlovodíky – Uhlovodíky jsou produktem nedokonalého spalování stejně
jako CO. Podle jejich povahy jsou narkotické, rakovinotvorné, dráždí sliznice,
způsobují zápach a v některých případech jsou mutagenní. Jejich nejnižší obsah
je při součiniteli přebytku vzduchu λ = 1,1.
NOx – oxidy dusíku – Kromě N2O jsou zootoxické i fytotoxické. Jejich množství
ve výfukových plynech je závislé zejména na teplotě a čase působení vysoké
teploty.
saze – Saze jsou formou čistého uhlíku a samy o sobě nejsou toxické. Mají však
výborné sorpční vlastnosti a jsou nositelem dalších znečišťujících faktorů (oxid
siřičitý je toxický ve větších koncentracích, olovo a jeho sloučeniny jsou
zootoxické i fytotoxické) kromě svého působení na zhoršení dýchatelnosti.
CO2 – oxid uhličitý – Svou podstatou je neškodlivý, ale přispívá ke
skleníkovému efektu. Je ukazatelem dokonalosti spalovacího procesu a také
těsnosti výfukové soustavy.
1
Škodlivost složek v motorech
Z hlediska škodlivosti se rozdělují složky výfukových plynů na škodlivé a
neškodlivé. Mezi neškodlivé se počítá N2, H2O, CO2, O2 a další. Neškodlivost je
pouze relativní, protože přestože CO2 se uvádí v této kategorii, tak patří
k plynům, které vytvářejí skleníkový efekt. Mezi škodlivé patří CO, NOx, HC a
pevné částice.
Zážehový motor
Složka
Obsah
N2
72,3 %
H2O
12,7 %
CO2
12,3 %
Vznětový motor
Škodlivost
neškodlivé
Složka
Obsah
N2
76 %
H2O
7%
CO2
neškodlivé
7%
O2
0,7 %
O2
9,7 %
Argon atd.
1,0 %
NOx
0,15 %
CO
0,85 %
CO
0,05 %
NOx
0,085 %
saze
0,05 %
HC
0,05 %
HC
0,03 %
saze
0,006%
SO2
0,02 %
škodlivé
Škodlivost
škodlivé
K 1.1. 2008 je v ČR
6.788.165 vozidel.
Roční přírůstek činí
2-3 %.
7000000
6000000
5000000
4000000
3000000
2000000
1000000
0
19
88
19
89
19
90
19
91
19
92
19
93
19
94
19
95
19
96
19
97
19
98
19
99
20
00
20
01
20
02
20
03
20
04
20
05
20
06
20
07
20
08
K 1. lednu uvedeného roku
4000
350
3500
300
3000
250
Benzín natural
2500
200
Benzín olovnatý
150
Motorová nafta
2000
1500
LPG
100
1000
50
500
20
08
20
06
20
04
20
02
20
00
19
98
19
96
19
94
0
19
92
0
19
90
Celkový počet vozidel v ČR
Spotřebované palivo
2
Složky na něž se vztahují
emisní limity (tuna)
Složky vytvářející skleníkový
efekt (tuna, CO2 – tis. tun)
Látky nelimitované s
toxickým účinkem (tuna)
Závislost složek na součiniteli přebytku vzduchu
Závislost jednotlivých složek výfukových plynů zážehového vznětového motoru jsou na
uvedeném příkladu. Hranicí pro běh zážehového motoru je součinitel přebytku
vzduchu λ v rozmezí 0,7 až 1,3. U moderních motorů se vstřikováním a
elektronickým řízením udržuje mírně chudá směs okolo hodnoty λ = 1,05 a u
starších motorů s karburátorem mírně bohatá směs kolem hodnoty λ=0,95.
3
Měření kouřivosti vznětového motoru
►
►
►
Filtrační metoda – Tato metoda je založena na zachycení částeček kouře na
filtrační papírek, přes který se prosaje definované množství výfukových plynů
definovanou rychlostí. Množství částic se vyhodnocuje opticky podle zčernání
filtračního papírku v porovnání s novým papírkem. Pro dynamické měření spalovacích
motorů je tato metoda nevhodná.
Hmotnostní měření koncentrace částic – Nejprve se provede zvážení filtračního
elementu před měřením a poté následuje jeho opětovné zvážení po měření.
Hmotnostní koncentrace částic v analyzovaném vzorku c se stanoví na základě
vzorce, kde M představuje hmotnost buď nového M1 nebo použitého M2 filtračního
elementu, V je objem prosátého množství spalin.
Opacimetrie – Pomocí opacimetru se měří pohltivost světla při průchodu
výfukovými plyny na principu Behr-Lambertova zákona , kde Φ je dopadající
světelný tok, Φ0 je světelný tok vystupující ze zdroje, k je součinitel absorpce a L je
účinná dráha světelných paprsků procházejících výfukovými plyny. Z výfukového
potrubí jsou plyny vedeny do měřící trubice (2) opacimetru. Na jedné straně trubice
je fotočlánek (4) a na druhé zdroj světla (1). Plyny procházejí trubicí a pohlcují část
dopadajícího světla na fotočlánek. Vzniklý proud je indikován miliampérmetrem (5).
Před vlastním měřením se nechá trubicí proudit čistý vzduch a potenciometrem (6)
se nastaví N = 0. N je lineární stupeň absorpce světla a k součinitel absorpce. Toto
jsou dvě nejčastější veličiny, přičemž je přesně definován jejich vztah. Měřený motor
nelze zpravidla trvale zatěžovat a měření kouřivosti vyžaduje plnou dodávku paliva a
proto se měření zpravidla provádí při rozběhu motoru na plnou dodávku paliva.
Opacimetrie
1) zdroj světla, 2) měřící trubice, 3) ventil, 4) fotočlánek, 5) miliampérmetr,
6) potenciometr, 7) ventilátor
4
Měření koncentrace plynných složek
►
Měření založené na principu absorpce infračerveného záření – Při
průchodu elektromagnetického záření vrstvou plynu je část procházející energie
pohlcena. Pro zjištění přítomnosti individuálního plynu v analyzované směsi se
využívá skutečnosti, že závislost absorpčního koeficientu na vlnové délce záření je
individuální vlastností plynů, které obsahují v molekule alespoň dva různé atomy.
Infraanalyzátor je nejjednodušší a také nejlevnější analyzátor s vlastnostmi, které
se hodí k nasazení do výzkumu a vývoje.
Měření koncentrace plynných složek
►
Měření založené na principu absorpce ultrafialového záření – Patří také
do skupiny optických analyzátorů. Jako zářiče je zde použita plynová výbojka
s dutou katodou. Ultrafialové záření prochází měřící kyvetou, kde dochází
k pohlcení části záření absorpčně aktivními složkami přítomnými ve výfukových
plynech, jimiž je kyveta kontinuálně proplachována. Referenční paprsek je
veden přímo na korekční detektor. Selektivita přístroje je zajištěna volbou
plynové náplně výbojky a náplně plynového filtru. V elektronických obvodech se
generuje napětí, které je lineární funkcí koncentrace sledované složky plynu.
Tento typ přístroje se užívá především na určování koncentrace oxidů dusíku ve
výfukových plynech. Jejich životnost je omezena plynovou náplní výbojky, která
se za provozu spotřebovává.
5
Měření koncentrace plynných složek
►
Měření s využitím chemické luminiscence – Chemická luminiscence je emise
specifických energetických kvant (fotonů) provázející některé chemické procesy.
V analýze výfukových plynů se tato metoda používá především pro stanovení
koncentrace oxidů dusíku. Do chemické reakce kromě oxidů dusíku vstupuje také
ozón, který je vyráběn v přístroji. Z oxidů dusíku je vstupní látkou pouze NO. Pro
zjištění celkové emise NOx se přepnou elektromagnetické ventily tak, aby vzorek
procházel vyhřívaným katalytickým reaktorem, ve kterém dochází k redukci oxidu
dusičitého na oxid dusnatý. Koncentrace NO2 se zjistí rozdílem předchozích dvou
hodnot. Pneumatický systém se vyznačuje poměrně velkou složitostí, protože jím
jsou ovlivněny odezvy fotonásobiče.
Měření koncentrace plynných složek
►
Měření založené na principu změny elektrické vodivosti vodíkového
plamene – Po připojení elektrického potenciálu na vodíko-vzduchový plamen vzniká
velmi malý proud iontů. Přivedením organicky vázaného uhlíku do zóny hoření proud
iontů narůstá úměrně množství uhlovodíků. Difúzní vodíkový plamen se zapaluje při
spuštění přístroje žhavící svíčkou. Část vzduchu se mísí s vodíkem před vstupem do
hořáku, aby se podle koncentrace kyslíku ve vzorku neměnil příliš tvar plamene. Tlak
vodíku se reguluje v závislosti na tlaku spalovacího vzduchu, aby se zajistil trvale
přiměřený směšovací poměr.
Proud iontů se snímá dvojicí
elektrod, z nichž jedna je
obvykle tvořena samotným
ělesem hořáku, druhá je
umístěna na plameni a má
tvar šroubovice s proměnlivým
průměrem, nebo jen
jednoduchý rovný drát či
těleso trubkového tvaru.
6
Měření koncentrace plynných složek
►
Analyzátory pracující na principu měření magnetických vlastností –
Paramagnetické látky mají vysokou permeabilitu a jsou vtahovány do
magnetického pole. Z plynů má nejvyšší permeabilitu kyslík a proto se princip
měření magnetických vlastností používá pro stanovení koncentrace kyslíku.
Klíčovou součástí je permanentní magnet nebo elektromagnet, jehož pole
přitahuje molekuly kyslíku. Podle průtoku vzorku se rozlišují přístroje
magnetomechanické, magnetopneumatické a termomagnetické. Kyslík vtažený
do magnetického pole z levé větve prstence ztrácí při zvýšení teploty
magnetismus a je vytlačován přísunem
studeného kyslíku. Strháváním okolních
nemagnetických molekul vzniká stabilní
průtok příčným kanálem. Levé vinutí se
chladí stálým ofukováním studeným proudem
vzorku. Ochlazování pravého vinutí je méně
intenzivní, protože magnetický vítr je již zahřátý.
Rozdíl teplot vinutí je úměrný koncentraci kyslíku
ve vzorku.
Schéma měření založeného
na principu změny
elektrické vodivosti
vodíkového plamene
Schéma měření založeného
na principu měření
magnetických vlastností
7
Přechodové jevy analyzátorů
Koncentrace v komoře nikdy nedosáhne hodnoty c1. Proto se pro hodnocení
přechodových vlastností používá hodnota t90, která je definována jako doba, za
kterou dosáhne údaj přístroje 90 % hodnoty skokové změny na vstupu. Průtok Q
bývá u analyzátorů popsaných v předchozích bodech přibližně v rozmezí
0,5 – 2 dm3.min-1. Čas t90 bývá obvykle dlouhý pouze několik sekund. V praxi
se však vyskytují také přístroje bez pracovní komory, na hodnotě t90 se vůbec
nepodílí vyplachovací část a na charakteru výchylky ručičky je to poznat (např.
skoky při vysazení jiskry u zážehového motoru). Tento typ přístrojů je vhodný
pro dynamická měření.
Zvýšená hladina CO
Podmínky měření
►
motor ohřátý jízdou na provozní
teplotu
►
emise CO jsou nezávislé na úhlu
předstihu
►
těsná výfuková soustava
►
příliš bohatá směs v karburátoru
►
správně nastavené volnoběžné
otáčky
►
znečištěný vzduchový filtr
►
špatná funkce jehlového ventilu
►
při měření nesmí být v činnosti
obohacovač pro studený start
(sytič)
►
špatná funkce termostatu
►
sytič v činnosti i při zahřátém
motoru
►
vadná lambda sonda a jiné snímače
►
v případě automatických
převodovek je třeba zařadit N
►
správná funkce zapalovací soustavy
(předstih, kontakty, …)
►
plně funkční palivová soustava
(vzduchový filtr, správně nastavená
hladina plovákem, vstřikovací a
pracovní tlaky, volné trysky v
karburátoru …)
8
Opatření pro snížení produkce emisí u zážehových motorů
• Ovlivnění směšovacího poměru a tvorby směsi
• Vnitřní opatření motoru k ovlivnění průběhu hoření
• Dodatečná opatření, redukce škodlivých emisí za motorem
Opatření před motorem
►
Dokonalé rozprášení paliva a
dokonalé odpaření do vzduchu
►
NOx poklesne se snížením komprese
(klesne i teplota), sníží se i HC
►
HC závisí na tvaru spalovacího
prostoru, existence štěrbin
►
Obohacením směsi (λ<0,8) klesne
teplota, zpomalí se hoření, klesne
NOx a termická účinnost
►
Emise HC klesá s vrstvením směsi s
rozdílným přebytkem vzduchu
►
Recirkulace výfukových plynů sníží
teplotu hoření a tím NOx
Opatření za motorem
►
Dodatečné reakce (oxidace) –
dostatečná teplota a kyslíku ve
výfukových plynech (dodatečná
reakce CO a HC)
►
Termické reaktory – stejný princip,
ale plyn se nechává v uzavřené a
izolované nádobě pro větší účinnost
►
Katalytické reaktory – Jeho
schopností je urychlovat reakci tak,
aby výsledkem byly netoxické látky.
Používanými prvky jsou platina,
paládium a rhodium
Katalytické reaktory
Výhody katalyzátoru
► snížení reakční doby
► zvýšení reakční rychlosti při
srovnatelné teplotě
► činnost reaktoru při širším rozmezí
teplot
► jednodušší připojení katalyzátoru k
motoru
Typy katalyzátoru
Oxidační (CO, HC)
► Redukční (NOx)
► kombinované
►
Oxidace
2CO + O2 → 2CO2
HnCm + (m + n/4) . O2 → mCO2 + n/2 . H2O
2H2 + O2 → 2H2O
Redukce
2NO + 2CO → N2 + 2CO2
2NO + 2H2 → N2 + 2H2O
HnCm + 2. (m + n/4).NO → (m + n/4).N2 +
n/2. H2O + mCO2
9
Konstrukce katalyzátoru
Katalyzátor je vytvořen jako ocelový
tubus obsahující porézní vložku, na
které je nanesena aktivní hmota.
Tubus se montuje asi 0,5m za
sběrné potrubí do výfuku. Jako
katalytický materiál je používána
platina a rhodium v poměru 5:1. Na
jeden katalyzátor je použito 1 až 3
gramy směsi. Tato směs je výrazně
poškozována zbylým nespáleným
palivem.
Porézní vložka
►
Volně sypané kuličky nebo tělíska s
nanesenou aktivní vrstvou
►
Monolitický keramický katalyzátor je
tvořen porézním keramickým
blokem (magnesium-aluminiumsilikát). Vyžadovaná pórivotst je
5000 kanálků na cm2
►
Kovový katalyzátor je vytvořen
střídáním hladkého a vlnitého
plechu. Jeho výhodou je odolnost
proti otřesům a teplotám
Snižování škodlivin u vznětových motorů
►
Aplikace filtrů pro snížení obsahu pevných částic (obdoba katalyzátoru)
►
Vstřikování močoviny do výfuku
►
Ocelová nebo keramická konstrukce
►
Na materiál jsou kladeny nároky malých hydraulických odporů a nízké ceny
►
Kanálky jsou střídavě zaslepeny keramickými zátkami
►
Částice se v uzavřených kanálcích hromadí
►
Nastává regenerace katalyzátoru spálením sazí při teplotě 600 °C
►
Vzniká CO2
►
K udržení teploty je třeba filtr důkladně izolovat
►
Používá se také aktivní vrstva manganu, který sníží teplotu až na 200 °C
►
Keramika je náchylnější na otřesy a svou velkou tepelnou kapacitou je
předurčena k tomu, že potřebuje delší dobu ohřevu
10
Tvorba emisních map
►
►
Emisní mapa je plocha v níž je zobrazena produkce konkrétní složky v závislosti
na otáčkách a zatížení motoru (městský x mimoměstský provoz)
Čím více bodů je měřeno, tím je plocha přesnější
Emisní plochy
11
Porovnání spotřeby paliva z palivoměru a z emisí
Dodávka paliva podle
palivoměru (kg/h)
Dodávka paliva podle
emisí (kg/h)
Porovnání spotřeby paliva z palivoměru a z emisí
Přesnost v těsné
blízkosti měřených bodů
(%)
Přesnost v celé pracovní
oblasti (%)
12
Produkce emisních
složek výfukových plynů
zážehové a vznětové motory
13