Emise ve výfukových plynech PSM

KATEDRA VOZIDEL A MOTOR
Emise ve výfukových
plynech PSM
#11/14
Karel Páv
sobení emisí PSM na lov ka a na životní prost edí
Oxid uhli itý CO2:
Bez zápachu
i nadýchání zp sobuje zvýšení krevního tlaku
i koncentracích nad 8% zp sobuje bolest hlavy, pocení a ztrátu v domí po n kolika minutách
Oxid uhelnatý CO:
Bez zápachu
Váže se na hemoglobin v ervených krvinkách, snižuje množství O2 v krvi
Zp sobuje zrychlené dýchání, bolest hlavy, závra , ztrátu v domí až smrt
Jed zp sobující pouze akutní problémy bez zdravotních následk
Oxidy dusíku NOx:
NO2 je plyn ervenohn dé barvy s nep íjemným zápachem
Toxické, dráždí o i, plíce a dýchací cesty
Zp sobují nespavost, kašel, zrychlené dýchání, modrání k že
Nespálené uhlovodíky CxHy:
Zp sobují zápach výfukových plyn
Zvlášt nebezpe né jsou polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH)
Škodlivost se zvyšuje vazbou na povrch pevných ástic
Poškozují dýchací cesty, n které jsou karcinogenní
Pevné ástice:
Pevné i kapalné fáze
Tuhé ástice absorbují uhlovodíky, jejichž negativní ú inek se tak zv tšuje
Karcinogenní a mutagenní ú inky
ástice o rozm rech 0,1÷1 m jsou pro lidský organismus nejnebezpe
jší
2 / 13
sobení emisí PSM na lov ka a na životní prost edí
3 / 13
% obj.
Složení suchého
vzduchu:
Škodlivina
CO
Dusík N2
78.08
Kyslík O2
20.95
Argon Ar
0.93
Oxid uhli itý CO2
0.04
Vzácné plyny Ne, He, Kr, Xe
0.002
írodní zdroj
Zanedbatelný.
Vlhký vzduch b žn obsahuje
0,5÷2,5% H2O
Lidský zdroj
Dopad
Spalování bohatých sm sí
ve vozidlových motorech.
Váže se na hemoglobin v ervených
krvinkách, snižuje množství O2 v krvi.
NO, NO2
Blesky, bakteriální pochody v zemi.
Spalování za vysokých teplot.
Podrážd ní o í, plic a dýchacích cest.
Fotochemický smog a kyselé deš .
Poškozování ozonové vrstvy ve
stratosfé e.
Pevné
ástice
Lesní požáry, v trná eroze
a vulkanické erupce.
Spalování fosilních paliv, uhlí a
odpadu.
Dýchací potíže.
SO2
Vulkanické erupce a tlení.
Spalování uhlí, vysoké pece, rafinerie
a vzn tové spalovací motory.
Podrážd ní o í, plic a dýchacích cest.
Zdroj kyselých deš .
O3
Blesky, fotochemické reakce
v troposfé e.
Fotochemické reakce
ve fotochemickém smogu.
Podrážd ní o í, plic a dýchacích cest.
Poškozování plic.
CO2
Živo išné dýchání, tlení,
uvol ování z oceán .
Spalování fosilních paliv a d eva
(pouze 4% z p írodních zdroj ).
Podíl na skleníkovém efektu.
CH4
Anaerobní tlení, p ežvýkavci,
ropné vrty.
Úniky plynu a spalování.
Podíl na skleníkovém efektu.
CxHy
Biologické pochody.
Nedokonalé spalování a výpary.
Fotochemický smog.
Freony
Není.
Rozpoušt dla, hnací plyn, chladivo.
Poškozování ozonové vrstvy
ve stratosfé e.
sobení emisí PSM na lov ka a na životní prost edí
Mechanismy poškozování ozonové vrstvy
inek NOx
inek freon
irozená filtrace
UV-zá ení
4 / 13
sobení emisí PSM na lov ka a na životní prost edí
Skleníkový efekt
Cca 30% energie ze slune ního zá ení je odraženo ze Zemského povrchu do vesmíru.
Skleníkové plyny absorbují odražené infra ervené (dlouhovlnné) zá ení.
Absorbcí zá ení dochází k oh evu atmosféry.
Skleníkové plyny
Plyn
CO2
CH4
N2O
CFCl3
CF2Cl2
O3
Sou asná
koncentrace
Nár st za posledních
20 let (1975-1995)
Relativní p ísp vek
ke skleníkovému efektu
356 ppm
1.74 ppm
0.31 ppm
0.26 ppb
0.47 ppb
0.03 ppm
+ 0.4%
+ 0.6%
+ 0.25%
+ 2.1%
+ 2.3%
- 0.51%
50%
20%
5%
5%
10%
10%
5 / 13
sobení emisí PSM na lov ka a na životní prost edí
Fotochemický smog
Podmínky pro výskyt smogu jsou:
tší množství NO a CxHy v ovzduší.
Dostate né slune ní zá ení.
Bezv
í.
2NO
O2
NO 2
UV zá ení
O
NO
O2
O3
HC NO
2NO 2
Nejškodliv jší složky smogu:
NO
NO2, O3, peroxyacetylnitráty (PAN), aldehydy.
O
Zp sobují podrážd ní o í.
O3
Mohou zp sobit škody v zem
NO 2 O 2
O2
NO 2 PAN
Kyselý déš
SO 2 ( g ) NO( g ) O 2 ( g )
NO 2 ( g ) OH ( g )
H 2O
HNO3 ( g )
NO 2 ( g ) H 2SO 4 (l )
lství.
6 / 13
Mechanismus vzniku škodlivin PSM
Oxid uhelnatý CO
Neúplná oxidace na CO2
i nedostatku O2 (hlavn bohaté sm si).
Disociace produkt dokonalého spalování p i teplotách nad 2000°C.
Rychlá expanze (ochlazení) spalin, p i níž zamrznou oxida ní reakce.
Koncentrace CO je p evážn ur ena sou initelem p ebytku vzduchu .
Nespálené uhlovodíky HC
ed asné zastavení oxida ních reakcí na konci ho ení ve „zhášecích vrstvách“.
V malých št rbinách, kde se neší í plamen.
Pr nik nespálené sm si do výfuku v dob p est ihu ventil .
Z mazacího oleje (p es pístní kroužky, vodítka ventil , odv trání klikové sk ín ).
Vliv technického stavu a teplotního režimu motoru.
Vliv vlastností paliva.
Ší ka zhášecí vrstvy je ovlivn na:
Teplotní vodivostí nápln válce
Turbulencí nápln válce
Zápalnou teplotou paliva
Teplotou st ny
7 / 13
Mechanismus vzniku škodlivin PSM
8 / 13
Oxidy dusíku NOx – N2O, NO, NO2
Oxidace vzdušného dusíku kyslíkem p i vysokých teplotách (u VM hlavn b hem kinetické
fáze ho ení).
Rychlá expanze (ochlazení) spalin, p i níž zamrznou reakce.
U vzn tových motor (spalování chudých sm sí) m že být NO2 zastoupeno až v 60%.
U zážehových motor tvo í 95% NO.
inné snížení produkce pomocí chlazeného EGR.
ZM – inertní plyn,
VM – nižší
i kompresi, snížení koncentrace O2
Zeldovi
v mechanismus tvorby NO:
d [NO]
k1 N 2 O
dt
N2 O
NO N
N O2
NO O
N OH
NO H
k2 N O 2
k3 N OH
9
3150
T
9
19500
T
6.4 10 e
k2
1.5 10 e
k2
k1 NO N
k2 NO O
k3 NO H
Po áte ní tvorba NO:
d NO
dt
6 1016
e
T 0 ,5
69090
T
O2
0,5
e
N2
e
[O2]e - Rovnovážná koncentrace O2 [mol/cm3]
[N2]e - Rovnovážná koncentrace N2 ( konst.) [mol/cm3]
T
- Teplota [K]
9 / 13
Mechanismus vzniku škodlivin PSM
Pevné ástice PM
Neúplná oxidace palivové sm si p i lokálním sou initeli < 0,6.
Neúplná oxidace p i nízkých teplotách ho ení.
Tvo í je saze, karbon, popel, oxidy síry, sírany kov , voda, palivo, olej.
Na povrchu se usazují t žko odpa itelné nespálené uhlovodíky (zejména PAH).
Velikost emitovaných ástic je 20 nm až 2 m (nejvyšší etnost je kolem 100 nm).
evážn u vzn tových motor a u zážehových motor s p ímým vst ikem paliva.
Produkci PM lze snížit lepší atomizací vst ikovaného paliva (problém u konce vst iku).
i se ízení VM se v tšinou jedná o kompromis mezi NOx a PM:
Spalovací proces
Zárodky ástic
0,001 ÷ 0,01 m
Zv tšování
povrchu
Slu ování
PM
Atmosférické
podmínky
Primární ástice Aglomerace Emitované ástice
0,01 ÷ 0,03 m (Shlukování)
0,02 ÷ 2 m
Oxidy síry SOx
Oxidace síry obsažené v palivu a oleji v pr
evážn SO2.
Zp sobují „otravu“ katalyzátoru.
NOx
hu ho ení.
10 / 13
Se ízení vzn tových motor
Hlavními sledovanými parametry jsou m rná spot eba paliva, emise NOx, kou ivost a
hluk.
Dalšími sledovanými veli inami jsou teplota výfukových plyn , otá ky turbodmychadla,
maximální spalovací tlak a ostatní složky emisí výfukových plyn .
tšinou se jedná o nalezení kompromisního nastavení.
6
NOx [g/kWh]
5
4
3
2
1
0
6
Kourivost [-]
5
4
3
2
1
0
BSFC [g/kWh]
260
255
250
245
240
235
230
2
3
4
5
6
7
8
9
Pocatek vstriku [°KH pred HU]
10
11
12 0.0
2.5
5.0
7.5
10.0
12.5
EGR [%]
15.0
17.5
20.0
22.51.98
2.00
2.02
2.04
2.06
2.08
Lambda [-]
2.10
2.12
2.14
11 / 13
Mechanismus vzniku škodlivin PSM
Úsady absorbují HC
NO p i vysokých
teplotách spalin
CO p i vysokých
teplotách a bohaté sm si
HC na konci ho ení
i nedokonalé oxidaci
Vrstva oleje
absorbuje HC
NOx
Komprese
S klesající teplotou spalin
zamrzají reakce s NO a poté s CO
Nespálená
sm s vniká
do št rbin
Saze
Ho ení
HC se uvol ují z úsad
HC
Strhávání HC ze
st n do plynu
Úniky HC ze št rbin,
ho ení n kterých HC
HC se uvol ují
z olejové vrstvy
Píst separuje
HC ze st n
Expanze
Výfuk
12 / 13
Typické koncentrace emisí
Objemové podíly surových emisí p i r zných provozních režimech a r zném se ízení motor :
20
2000
Zážehové motory
5
CO [ppm]
10
„suché“
CO [%]
Vzn tové motory
1500
1000
500
8000
2000
6000
1500
4000
NOX [ppm]
0
„vlhké“
0
1000
500
0
0
4000
200
3000
2000
1000
0
HC (C3H8) [ppm]
2000
„vlhké“
NOX [ppm]
HC (C3H8) [ppm]
„vlhké“
„vlhké“
„suché“
15
150
100
50
0
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
[-]
1.6
1.8
2.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
[-]
3.5
4.0
4.5
5.0
13 / 13
Typické koncentrace emisí
18
120
Zážehový motor
Benzínová sm s
s vysoušením
bez vysoušení
16
100
14
H2O
CO2
80
pH2O [kPa]
12
yi [%]
10
8
60
40
6
20
4
H2
O2
CO
0
2
-20
0
20
H2O
0.7
60
80
100
t' [°C]
0
0.6
40
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
[-]
Objemové podíly po vysoušení:
yi
H 2O
yi
1 y H 2O
H 2O
1 y H 2O
y H 2O
pH 2O (T )
p
p’, T’ … podmínky v analyzátoru
výfukových plyn (kondenzátoru),
obvykle t’ = 4 ÷ 8 °C