Emise vznětového motoru a systém SCR

Emise vznětového motoru a systém SCR
Spalovací motor je již více než jedno století součástí vývoje a snahy využít tohoto tepelného stroje při
stále rozmanitějších, a tím také náročnějších podmínkách. Větší část této doby byly koncentrovány
především na provozní vlastnosti a spolehlivost a nebyl kladen velký důraz na negativní projevy
činnosti spalovacího motoru, které jsou především environmentální povahy. Konkrétně se jedná o
škodliviny ve výfukových plynech, hluk, úniky provozních náplní, spotřebování surovin pro výrobu
komponentů, produkce odpadů atd.
Všechny výše vyjmenované skutečnosti jsou v posledních 20 letech stále více sledovány pod
„drobnohledem“ veřejnosti, států a společenských institucí jako např. OSN, EU, EPA atd. Právě tyto
instituce vymezují pravidla environmentální povahy včetně úrovně již zmíněných emisí spalovacího
motoru.
Vzhledem k tomu, že zde existuje velká míra neinformovanosti právě v oblasti emisí spalovacích
motorů, se kterou je široká veřejnost seznamována, připravili jsme pro Vás tento příspěvek, který by
měl objasnit základy této problematiky.
1. Emise vznětového motoru
Činnost spalovacího motoru je založena na spalování směsi paliva a vzduchu na základě oxidace
hořlavých složek paliva s kyslíkem obsaženým ve vzduchu a palivu v podmínkách spalovacího
prostoru rychle se měnících teplot a tlaků. Během hoření dochází ke vzájemným reakcím jednotlivých
složek za vysokých teplot a tlaků při uvolňování tepelné a tlakové energie. Následkem reakcí dochází
k tvorbě složek ve všech skupenstvích vystupujících ze spalovacího prostoru a některé složky reagují a
vznikají až při průchodu výfukovým potrubím. Na průběh spalování mají vliv tepelné, tvarové a vírové
vlastnosti spalovacího prostoru a především způsob a kvalita vstřikování paliva [1]. Podle
dosavadních analýz obsahují výfukové plyny pístových spalovacích motorů téměř 160 jednotlivých
složek.[2]
K dokonalé oxidaci paliva a vzniku produktů dokonalého hoření tzn. CO2 a H2O lze popsat podle
následujících reakcí:
C + O2 → CO 2
Pro dokonalé spálení jednoho kilogramu C je potřeba 2,66 kg kyslíku což při 23 % zastoupení kyslíku
ve vzduchu znamená 11,6 kg vzduchu. Výsledným produktem dokonalého spálení 1 kg C je 3,67 kg
CO2.
2 H 2 + O2 → 2 H 2 O
Stejným způsobem lze postupovat i v případě vodíku. Pro dokonalé spálení jednoho kilogramu H2 je
potřeba 8 kg kyslíku, což při 23 % zastoupení kyslíku ve vzduchu znamená 34,78 kg vzduchu.
Výsledným produktem dokonalého spálení H2 je 9 kg H2O. Z tohoto rozboru lze pak stanovit při
známém zastoupení uhlíku (0,86) a vodíku (0,14) v motorové naftě stanovit výslednou produkci CO2 a
H2O:
Produkce CO2 při dokonalém spálení 1 kg nafty je 3,15 kg.
Pro dokonalé spálení 1 kg nafty se spotřebuje 3,4 kg O2.
Pro dokonalé spálení 1 kg nafty se spotřebuje 14,78 kg vzduchu.
Emise motorů obsahují stovky chemických látek v různých koncentracích, jejichž biologické vlastnosti
(účinky na zdraví člověka) nebyly doposud jednoznačně určeny [3]. Spalovací motory jsou
1
zodpovědné za více než 70% globální produkce CO emisí a 19% CO2 [4]. Mimo produktů dokonalého
spalování tzn. CO2, H2O, přebytku kyslíku, zbytkového dusíku, které tvoří dominantní zastoupení se
vyskytuje celé řada plynů a pevných látek z nichž největší pozornost se věnuje: oxidu uhelnatému CO,
nespáleným uhlovodíkům HC (Hydrocarbons) (parafiny, olefiny, aromatické uhlovodíky), částečně
spáleným uhlovodíkům (aldehydy, ketony), produktům štěpení (acetylen, ethylen, vodík, saze),
oxidům dusíku NOx (NO – oxid dusnatý, N2O oxid dusný, NO2 – oxid dusičitý) a pevným částicím PM
(Partikelmasse, Particulate Matter). [5]
Míra škodlivosti jednotlivých složek ve výfukových plynech se někdy uvádí srovnáním se škodlivostí
oxidu uhelnatého CO. Objektivní vyjádření jednotlivých úrovní škodlivosti je jistě obtížné, za
nejzávažnější škodlivinu výfukových plynů jsou však považovány tuhé částice. V porovnání se
škodlivostí CO se míra škodlivosti částic uvádí v násobku několika desítek, pro oxidy dusíku se
škodlivost uvádí rovněž více jak desetinásobná a u nespálených uhlovodíků se uvažuje násobek
škodlivosti v jednotkách. [6]
Složení emisí vznětového motoru ukazuje obr. 1, ze kterého je patrné nízké zastoupení sledovaných
složek na úrovni 0,1 %.
75,2
15
Dusík N2
Kyslík O2
Voda H2O
Oxid uhličitý CO2
Limitované škodliviny
2,6
7,1
0,1
Amoniak NH3
0,03
0,03
Aldehydy a ketony
Vodík H2
Oxid siřičitý SO2
Částice, saze atd.
Uhlovodíky HC
0,007
Oxidy dusíku NOx
0,006
0,013
0,01
0,002
0,0014
Oxid uhelnatý CO
0,00005
Ostatní
Obr. 1: Typické složení výfukových plynů vznětového motoru v % [7]
Oxid uhelnatý CO: vzniká nedokonalým spalováním při nedostatku kyslíku ve spalované směsi
nebo se může jednat o lokální nedostatek kyslíku ve spalovacím prostoru.
Nespálené uhlovodíky HC: jsou zastoupeny ve výfukových plynech v různé formě souhrnně
označované HC. Vznikají za velmi nepříznivých oxidačních podmínek. Vznikají buď z paliva
(uhlovodíky destilující na konci destilační křivky) jako výsledek předčasně zastavených reakcí
2
v tzv. zhášecích zónách (vysoký součinitel přebytku vzduchu, nízká teplota hoření (v blízkosti
stěn) nebo jako produkt tepelných krakovacích a dalších chemických reakcí.
Oxidy dusíku NOx: vznikají oxidací dusíku dopraveného do spalovacího prostoru v nasávaném
vzduchu společně s kyslíkem určeným pro oxidaci paliva nebo kyslíkem obsaženým v palivu.
Oxidy dusíku tvoří NO – oxid dusnatý, N2O oxid dusný a NO2 – oxid dusičitý. Oxidy dusíku
vznikají při vysokých teplotách (nutná velká aktivační energie pro zahájení reakcí) a tlacích ve
spalovacím prostoru a jejich tvorba je tedy závislá na bohatosti směsi a koncentraci kyslíku.
Největší zastoupený má oxid dusnatý z 95 %, který je také toxický.
Pevné částice PM se vyskytují v kapalném i plynném stavu např. saze, karbon, popel, zbytky
nespáleného motorového oleje a paliva, otěrové částice atd. Přitom neexistuje žádná
všeobecná definice pro pevné částice. Podle definice organizace EPA (Environmental Protection
Agency) se rozumí pod pojmem pevné částice všechny, které jsou při teplotě 51,7oC
v naředěném plynu v pevné nebo kapalné formě a jsou zachyceny na filtru. Saze (pevný uhlík)
se tvoří při spalování bez přístupu kyslíku s okolními vysokými teplotami, ke které může
docházet místně v důsledku nehomogenity směsi a souvisí s její přípravou. Ve většině případů
se rozměr částic pohybuje v rozmezí 10 – 300 nm a na jejich povrchu se usazují těžko
odpařitelné skupiny nespálených uhlovodíků PAH (polycyklické aromatické uhlovodíky), které
patří k hygienicky nejškodlivějším složkám. K usazování dochází ve výfukovém potrubí při
ochlazování spalin.
Obr. 2: Nový model pásového traktoru Quadtrac 600 je vybaven technologií SCR, (Foto autor)
3
V důsledku výše vyjmenovaných negativních vlivů provozu spalovacího motoru na okolní prostředí
začaly být aplikovány emisní limity, které musí každý spalovací motor splňovat při zavádění na trh.
Emisní limity jsou stanovovány příslušnými vládami, které je obvykle přejímají v plném znění nebo
s výhradami, případně posunutou platnosti do své legislativy od organizací jejíchž členy jsou. Mezi
tyto organizace patří OSN resp. Evropská hospodářská komora EHK OSN, EU a EPA, které mají největší
vliv na tvorbu legislativy v této oblasti průmyslu. Tato globalizace usnadňuje výrobcům spalovacích
motorů jejich nastavovaní a opatření pro redukci emisí, aby nemuseli na každý trh přivádět motory
s různým stupněm nastavení. V rámci EU platí směrnice 97/68/EC z roku 1997 novelizovaná v roce
2004/26 EC, která se týká opatření proti emisím plynných znečišťujících látek a znečišťujících částic ze
spalovacích motorů určených pro nesilniční pojízdné stroje [9]. Do této skupiny patří traktorové
motory, lodní motory, motory pro lokomotivy atd. Přímo pro zemědělské traktory se používá
směrnice 2000/25/EC s novelou 2005/13/EC o opatřeních proti emisím plynných znečišťujících látek a
znečišťujících částic z motorů používaných k pohonu zemědělských a lesnických traktorů, která
respektuje metodiku a stanovené limity ze směrnice 97/68/EC. Emisní limity se vyjadřují pro
stanovený rozsah výkonu motoru a období platnosti a uvádí se v g/kW.h. Limitovanými emisemi jsou
oxid uhelnatý CO, uhlovodíky, resp. těkavé organické sloučeniny HC, suspendované částice PM a
oxidy dusíku NOx. Pro emisní limity se používá v EU výraz Stufe, Phase, Etapa, zatímco v USA Tier.
S tím jak se limity s přibývajícími roky zpřísňují, dochází ke snižování obsahu síry v motorové naftě.
Snižování obsahu síry je důležité z pohledu používaných technologií na následnou úpravu
limitovaných emisí např. filtry na pevné částice, u kterých působí síra snižování účinnosti jejich práce
a životnosti. Obsah síry je pro Etapu IIIa snížen na 300 mg/kg a pro etapu IIIb 10 mg/kg.
Přehled limitních hodnot je veden v tab. 1, 2, 3, 4 a 5.
Tab. 1: Stage I (Etapa I) Platnost po 30 červnu 1998
Netto výkon
CO
HC
P (kW)
g/kW.h
g/kW.h
130 ≤P≤560
5,0
1,3
75 ≤P≤130
5,0
1,3
37 ≤P≤75
6,5
1,3
Tab. 2: Stage II (Etapa II)
Netto výkon
CO
P (kW)
g/kW.h
130 ≤P≤560
3,5
75 ≤P≤130
5,0
37 ≤P≤75
5,0
18 ≤P≤37
5,5
Tab. 3: Stage IIIa (Etapa IIIa)
Netto výkon
CO
P (kW)
g/kW.h
130 ≤P≤560
3,5
75 ≤P≤130
5,0
37 ≤P≤75
5,0
19 ≤P≤37
5,5
HC
g/kW.h
1,0
1,0
1,3
1,5
NOx
g/kW.h
6,0
6,0
7,0
8,0
HC+NOx
g/kW.h
4,0
4,0
4,7
7,5
NOx
g/kW.h
9,2
9,2
9,2
PT
g/kW.h
0,2
0,3
0,4
0,8
PT
g/kW.h
0,2
0,3
0,4
0,6
PT
g/kW.h
0,54
0,70
0,85
Platnost
Po 31. prosinci 2000
Po 31. prosinci 2001
Po 31. prosinci 2002
Po 31. prosinci 1999
Platnost
Po 31. prosinci 2005
Po 31. prosinci 2005
Po 31. prosinci 2006
Po 31 prosinci 2005
4
Tab. 4: Stage IIIb (Etapa IIIb)
Netto výkon
CO
P (kW)
g/kW.h
130 ≤P≤560
3,5
75 ≤P≤130
5,0
56 ≤P≤75
5,0
37 ≤P≤56
5,0
Tab. 5: Stage IV (Etapa IV)
Netto výkon
CO
P (kW)
g/kW.h
130 ≤P≤560
3,5
56 ≤P≤130
5,0
HC
g/kW.h
0,19
0,19
0,19
NOx
g/kW.h
2,0
3,3
3,3
PT
g/kW.h
0,025
0,025
0,025
0,025
NOx
g/kW.h
0,4
0,4
PT
g/kW.h
0,025
0,025
4,7
HC
g/kW.h
0,19
0,19
Platnost
Po 31. prosinci 2010
Po 31. prosinci 2011
Po 31. prosinci 2011
Po 31. prosinci 2012
Platnost
Po 31. prosinci 2013
Po 30. září 2014
Metodika měření emisí je popsána ve směrnici 97/68/EC při použití vznětového motoru, jehož netto
výkon (80/1269/EEC) je nejméně 19 kW, avšak není větší než 560 kW, a který je provozován s
měnícími se otáčkami spíše než se stálými otáčkami. Metodika měření zahrnuje dva testovací cykly:
cyklus NRSC (Non-road steady cycle) (stacionární zkouška nesilničních pojízdných strojů) se
použije pro etapy I, II a III A a u motorů s konstantními otáčkami též pro etapy III B a IV v případě
plynných znečišťujících látek,
cyklus NRTC (Non-road transient cycle) (dynamická zkouška nesilničních pojízdných strojů) se
použije k měření emise částic pro etapy III B a IV u všech motorů s výjimkou motorů s
konstantními otáčkami. Podle volby výrobce může být tato zkouška použita též pro etapu III A a
pro plynné znečišťující látky v etapách III B a IV.
Tab. 6: Zatěžovací cyklus 8 bodového testu ISO 8178-4 pro měření emisí traktorových motorů
Číslo režimu
Otáčky motoru
Zatížení
Váhový faktor
1
Jmenovité
100
0,15
2
Jmenovité
75
0,15
3
Jmenovité
50
0,15
4
Jmenovité
10
0,10
5
Mezilehlé
100
0,10
6
Mezilehlé
75
0,10
7
Mezilehlé
50
0,10
8
volnoběžné
0,15
V případě zkoušek NRSC se používá metodika tzv. 8 bodového testu, při kterém se zatěžuje
samostatný motor na zkušební stolici na různé otáčky a točivý moment. Tento cyklus plně odpovídá
normě ISO 8178-4 C1 pro motory Off road vehicles s proměnlivým zatížením a otáčkami. Každý z 8
bodů má svoji váhu vyjádřenou konstantou, kterou se násobí naměřené hodnoty emisí. Přehled o
velikosti momentů, otáček a váhovou konstantou je v tab. 6. a také obr. 3.
5
Obr. 3: Příklad rozložení měřících bodů podle normy ISO 8178-4
4 C1, používané pro motory
traktorů v NRSC cyklu.
Mezilehlé otáčky se stanovují na základě velikosti otáček při nejvyšším točivém momentu ve vztahu
k jmenovitým otáčkám. Jedna z možností je, že to mhou být otáčky při max. točivém momentu pokud
leží mezi 60 – 75 % jmenovitých otáček motoru. Další možnosti jsou blíže specifikovány v normě
97/68/EC. Pro každý měřicí bod je zapotřebí
zapot
nejméně deset minut času.
asu. Hodnoty koncentrace
plynných emisí z výfuku se změří
ěří a zaznamenají v průběhu posledních tří minut režimu.
re
Druhý cyklus NRTC bude povinný od etapy IIIB (rok 2011) pro výkonovou kategorii 130 – 560 kW.
Měření se provádí u studeného motoru s teplotou chladící náplně v rozmezí 20°C do 30°C a také při
zahřátém motoru na provozní teplotu. Emise (v g/kWh) se měří v průběhu
hu obou režimů. Vážená
V
kombinovaná hodnota emisí se vypočítá
vypo
vážením výsledků získaných přii startu za studena faktorem
0,10 a výsledků získaných přii startu za tepla faktorem 0,90. Vážené
V
kombinovanéé hodnoty musí být v
souladu s normou.
rmou. Měření probíhá na zkušební stolici u samostatného motoru jako v předchozím
případě. Zatěžování probíhá automatický podle sestavené datové tabulky, ve které se mění velikost
otáček motoru a točivého momentu. Okamžité hodnoty nastavovaných tzv. normalizovaných
normali
otáček
a točivého momentu se zjišťují podle algoritmu uvedeného ve směrnici 97/68/EC. Celý cyklus má
1238 bodů se změnou každou sekundu. Příklad průběhu zatěžování je uveden na obr. 4. Hodnoty
emisí se dopočítávají při tomto testu podobně jako v předchozím případě z naměřené koncentrace
plynných složek násobené okamžitým hmotnostním průtokem výfukového plynu.
6
Obr. 4: Průběh normalizovaného točivého momentu podle testu NRTC [10]
2. Snižování emisí
Snižování emisí výše popsaných a vymezených normami lze provádět v podstatě dvěma
cestami. Jedna vede k přizpůsobování procesů hoření tak, aby již ve spalovacím prostoru vznikalo
minimum sledovaných složek, a druhá cesta provádí tzv. následnou úpravu emisí ve výfukovém
potrubí poté, když byly vytvořeny. Cíl mají obě cesty stejný, snížit produkci NOx, kde dochází
k největší redukci mezi jednotlivými úrovněmi, ale způsob řešení podstatných způsobem ovlivňuje
spotřebu paliva. Základ pro obě zmíněná řešení vychází ze základních poměrů mezi produkcí emisí a
předvstřikem paliva. Ta je popsána v obr. 5.
7
Obr. 5: Závislost produkce emisí na předvstřiku
před
paliva u vznětového motoru
před
dochází k nárůstu produkce NOX a ke snížení
Jak je vidět z obr. 5, pak s dřívějším předvstřikem
produkce HC zatímco pro opožděný
opožděn předvstřik je situace přesně opačná. Namístě je zde uvést, že
produkce HC (uhlovodíků) představuje nespálené palivo a jeho energie tak není využita pro činnost
motoru. Převedením této skutečnosti do účinnosti práce motoru pak vyšší produkce HC znamená
nižší
žší účinnost a vyšší spotřebu paliva, zatímco nízká produkce HC vyvolává přesně opačný efekt.
V praxi se tak lze setkat se dvěma směry technických řešení:
• Použití následné
sledné úpravy emisí NOx pomocí systému SCR.
SCR
• Použití technologie EGR a filtrů na pevné částice
ice tzn. kombinace dvou řešení,
omezení produkce NOx přímo ve spalovacím prostoru a následné snížení produkce
pevných částic jako důsledek vysokých hodnot HC ve výfukových plynech.
8
Systém SCR
Systém SCR je určený pro snižování NOx prostřednictvím chemických reakcí za působení
vhodného katalyzátoru např. oxidů zirkonia mezi oxidy dusíku a amoniaku, a jejich přeměně na dusík
N2 a vodu H2O. Technologie SCR je patentována od roku 1957 a implementována do konstrukce
nákladních až osobních vozidel. Konstrukčně je uspořádána z následujících komponentů, které jsou
uvedeny na obr. 6.
;
1
2
3
4
5
6
Obr. 6 : Základní části systému SCR
1-plnící hrdlo, 2-řídící jednotka a dopravní čerpadlo, 3-vyhřívací těleso a ukazatel stavu AdBlue, 4vstřikovací jednotka, 5-Snímače teploty a koncentrace NOx, 6-SCR katalyzátor,
Každý stroj vybavený systém SCR obsahuje nádrž odpovídajícího objemu na AdBlue. Obvykle je
koncept navržen tak, aby nádrž na palivo bylo cca 3 – 5 x větší než AdBlue. Množství a teplota AdBlue
je sledováno pomocí sdruženého elektronického převodníku integrovaného do tělesa vyhřívacího
potrubí. Tím je do nádrže přiváděna chladící kapalina spalovacího motoru aby při nžších teplotách
došlo k zabránění stuhnutí kapaliny Adblue. Pro tyto účely je soustava dále vybavena elektrickýmy
vyhřívacími elementy.
Z nádrže je kapalina dopravována pomocí membránového čerpadla dále do okruhu. Čerpadlo je
společně s dalšími komponenty uloženo v boxu, kde se nachází také řídící jednotka SCR, viz obr. 7.
9
Z čerpadla je AdBlue vedeno přes hlavní filtr a dvoucestný ventil do vstřikovacího modulu, který se
nachází na výfukovém potrubí. Dvoucestný ventil přes který přechází AdBlue umožňuje v jedné
poloze dopravu kapaliny do vstřikovacího modulu a ve druhé poloze zpětné odvedení kapaliny do
nádrže po vypnutí spalovacího motoru. Je to z toho důvodu, aby se zabránilo omezení průtoku při
nižších teplotách kdy může dojít k zamrzání.
1
3
2
Obr. 7: Kontrolní box, který obsahuje řídící jednotku SCR (1), dopravní čerpadlo (2) a rozvaděč (3).
Plnící tlak z čerpadla dosahuje 5 bar, který je i tlakem vstřikovacím. Vstřikovací modul obsahuje
vstřikovací ventil, podobně jako u vstřikování paliva v zážehových motorech. Množství vstřikovaného
AdBlue je dáno dobou otevření ventilu. Přepadem se odvádí kapalina zpět do kontrolního boxu a
vrací se do okruhu, viz obr. 8 a 9.
10
Obr. 8: Pohled na vstřikovací trysku z prostoru vedení výfukových plynů
Obr. 9: Řez vstřikovacím ventilem
11
Po vstřiknutí AdBlue dochází k odpaření vody a průběhu chemických
chemických reakcí souhrnně označováných
jako termolýza a hydrolýza, při kterých se uvolňuje čpavek, který je touto látkou potřebnou pro
snižování NOx při vhodném působení katalyzátoru. Získaný čpavek ve výfukovém potrubí je unášen
proudem výfukových plynů do katalyzátoru,
ka
kde dochází k reakci čpavku, oxidů dusíků a katalyzátoru
na přeměnu NOx do N2 a H2O.
Obr. 11: Řez skříní s SCR katalyzátorem
Amoniak je toxická látka a z toho důvodu se získává až chemickou cestou po vstřiknutí kapaliny
„AdBlue““ do výfukového potrubí. Kapalina AdBlue
A
je složena z 32,5 % z močoviny (CO (NH2)2) a zbylou
částí je demineralizovaná voda, která se po vstřiknutí odpaří a využije se dále při chemických
reakcích. Kvalita AdBlue závisí především na teplotě skladování a platí
platí zde stejné podmínky jako pro
0
motorovou naftu. Při teplotě 11 C dosahuje stabilita 36 měsíců a při 25 0C je to 18 měsíců.
Obr. 11 – Způsob doplnění kapaliny AdBlue
12
Před a za katalyzátorem se nachází snímače teplot a také snímač obsahu koncentrace NOx, aby řídící
jednotka měla přehled o účinnosti konverze oxidů dusíků na N2. Zařazením SCR katalyzátoru tak
může docházet k jejich snižování o více než 90% [5] a k poklesu pevných částic o 30% [11]. Pokles
pevných částic způsobuje režim práce motoru, jak bylo zmíněno výše.
Nižší spotřeba paliva při provozu traktoru s SCR systémem.
V úvodu byla zmíněna nižší spotřeba paliva, pokud je spalovací motor vybaven SCR systémem.
V rámci Evropského představení nových modelů Case IH pro letošní rok, který se konal poprvé
v historii v České republice, nedaleko Prahy bylo provedeno i testování traktorů s a bez systému SCR.
Pod slovem testování se skrývá praktické měření parametrů motoru tzn. točivého momentu, otáček
motoru, spotřeby paliva a výpočtu výkonu motoru. Při tomto měření byly vedle sebe postaveny dva
traktoru Puma CVX, které se lišily jen tím, že jeden byl bez systému SCR (Puma CVX 225) a druhý
(Puma CVX 230) byl vybaven právě tímto systémem. Pro měření točivého momentu byly použity dva
elektrické dynamometry a spotřeba byla odečítána ze sběrnice Can Bus.
Obr. 12 – Pohled na traktor CASE IH s připojeným dynamometrem
13
Obr. 13 – Testované traktory připravené na měření
Při měření byly oba traktory současně zatíženy na stejný výkon motoru s postupně přibývající
hodnotou výkonu. Výsledky jsou uvedeny v tabulce 7.
14
Tab. 7: Výsledky měření výkonu motoru traktorů CASE IH
Měření č.1
Výkon motoru
(k)
Puma CVX 225
(l/h)
Puma CVX 230
(l/h)
Rozdíl
Δ (l/h)
Úspora
(%)
160
35,5
30,2
5,3
14,9
180
39,0
34,6
4,4
11,3
190
40,7
36,4
4,3
10,6
200
42,9
38,0
4,9
11,4
Výkon motoru
(k)
Puma CVX 225
(l/h)
Puma CVX 230
(l/h)
Rozdíl
Δ (l/h)
Úspora
(%)
160
35,3
29,8
5,5
15,6
180
38,9
34,0
4,9
12,6
190
40,6
35,8
4,8
11,8
200
42,9
37,7
5,2
12,1
Měření č.2
Úspora hodinové spotřeby paliva za stejných podmínek dosahuje od 4,3 až 5,5 l/h což v procentech
znamená 10 až 15 % úsporu pouhým provozem traktoru bez důrazu na ekonomický provoz. Spotřeba
AdBlue se přitom pohybuje v rozmezí 1 až 5 %, což při jednoduché kalkulaci nákladů zůstává pokryto
úsporou paliva.
Uděláme – li si modelový příklad, založený na datech z výsledků měření při výkonu 180 k, pak je
zřejmé při respektování cen motorové nafty a AdBlue dosahuje čistá úspora 114,7 Kč za hodinu
provozu. Budeme li počítat s ročním provozem 500 h, pak dosahuje 57 350 Kč (viz tab. 8).
15
Tab. 8: Modelový příklad ekonomické efektivity
Puma CVX 225 Puma CVX 230 EP
39
Spotřeba nafty [l/h]
Spotřeba AdBlue%
Provozní hodiny za rok
Počet traktorů
34,6
5,0%
500
1
1 170,00 Kč
Cena nafty [Kc/h]
Úspory na palivu [Kc/h]
Náklady na AdBlue [Kc/h]
Cista úspora [Kc/h]
Úspora paliva [Kc/rok]
Náklady na AdBlue [Kc/rok]
Čistá úspora [Kč/rok]
1 038,00 Kč
132,00 Kč
17,30 Kč
114,70 Kč
66 000,00 Kč
8 650,00 Kč
57 350,00 Kč
Úspora na palivu CVX 225 vs. CVX 230 EP
Kč 0
Kč 10 000
Kč 20 000
Cista uspora [Kc/rok]
Cena nafty 30,00 Kč
Cena AdBlue 10,00 Kč
Kč 30 000
9,80%
Kč 40 000
Kč 50 000
Naklady na AdBlue [Kc/rok]
Kč 60 000
Kč 70 000
Upora paliva [Kc/rok]
Obr. 14: Výsledky z tabulky 8 převedeny do grafické podoby
Kombinace EGR a filtru na pevné částice
Druhá možnost jak splnit emisní limit „Úroveň 3b“ provozovat motor s menším předstihem vstřiku
viz.obr. 5 a tím produkovat méně NOx ale více HC a tím také pevných částic. Kromě úpravy časování
vstřikování je součástí redukce emisí také recirkulace výfukových plynů EGR, při které se vrací část
výfukových plynů zpět do spalovacího potrubí. Druhou částí je systém pro zachytávání pevných
16
částic. Pro tyto účely se používá filtr na pevné částice,
částice, přes který prochází proud výfukových plynů a
pevné částice jsou v něm zachytávány. Existují zde dva základní principy zachytávání pevných částic:
1. Uzavřený systém_výfukové plyny musí procházet přes stěny
s
filtru
2. Otevřený systém_výfukové plyny jsou směřovány na odrazové desky ve kterých se
zachytávají pevné částice.
Tím jak dochází k zaplňování filtru, zvyšuje se tlak mezi výstupem a vstupem do filtru. Řídící jednotka
snímá uvedené tlaky, a pokud dosáhne
dosáhne tlakový rozdíl mezní hodnoty, pak musí dojít k jeho
„vyčištění“. Pro tyto účely existuje několik možností:
• Výměna filtru za nový.
• Zvýšením teploty filtru a vypálením zachycených částic.
částic
Pokud se používá druhá možnost, pak se vyšší teplota dosahuje dodatečným vstřikováním paliva za
horní úvrať komprese, aby došlo k nárůstu teploty výfukových plynů.. Tak zvaným vypálením dochází
k oxidaci pevných částic a jejich shořením na CO2 s malým podílem sazí.
Aby docházelo ke spalování (vypalování) sazí, musí se
se teplota výfukových plynů zvýšit nad hodnotu
o
meze zápalnosti, tzn. 600 C.
A
B
Obr. 15: Existují dva základní systémy zachytávání pevných částic, A-Uzavřený
A Uzavřený systém, B-otevřený
B
systém.
Filtry pevných částic mají aktivní vrstvy pokryty vzácnými kovy např. silicium,
um, cordieritu, spékané kovy
atd. Tyto materiály jsou velmi citlivé na kontakt se sírou. Ta je obsažena jak v palivu, jejíchž
17
zastoupení se výrazně snižuje, ale především v motorovém oleji, kde má velmi důležitou funkci
s pojenou s aditivy, která ovlivňují např. filtrovatelnost, čistotu, únosnost ol. filmu, zabraňují
pěnivosti atd. Aditiva obsahují síru a fosfor, které při kontaktu s povrchem filtru způsobují pokles jeho
životnosti. Proto se při použití filtru na pevné částice (jsou tvořeny i zbytky motorového oleje) musí
použít oleje s nízkým obsahem síry a fosforu, což se projevuje nižší obsahem aditiv, která zvyšují
životnost komponentů spalovacího motoru. Jedná se o pokles antioxidantů, detergentů a
protioděrových aditiv. Oleje vhodné pro provoz motoru s filtry pevných částic se označují jako low
SAPS, avšak ani specifikace API SM či ACEA Cx nedosahuje tohoto označení (zůstává v kategorii mild
SAPS).[12]. To v konečném důsledku znamená snížení intervalu údržby výměny motorového oleje.
V závěrečném porovnání jsou shrnuty výhody a nevýhody obou systémů. (tab. 9),
Tab. 9: Srovnání výhod a nevýhod systému SCR a konvenčního EGR
SCR systém
Výhody
Nevýhody
Snížení spotřeby paliva
Použití dodatečné
10 až 15 %
kapaliny AdBlue
Servisní interval výměny
motorového oleje je 600
mth
Používání u široké škály
motorových
vozidel
s motorem
podobným
zemědělským strojům
Příznivý průběh točivého
momentu
(velké
převýšení
točivého
momentu) daný větší
volností pro nastavení
parametrů spalovacího
motoru, kde se nemusí
brát ohled na produkci
emisí.
EGR a filtr na pevné částice
Výhody
Nevýhody
Bez další provozní
Zvýšení spotřeby paliva
kapaliny
Snížené
intervaly
servisní
Omezená
životnost
filtru daná počtem
regeneračních cyklů
Vysoká citlivost na síru
Přísnější emisní limity, které vstoupily v platnost v 2011, vyžadují implementaci nových zařízení, která
umožňují jejich splnění a přitom budou přínosem nejenom z pohledu environmentálního, ale také
přinesou výhody pro uživatele strojů. Z porovnání výhod je patrné, že systém SCR je správnou volbou,
která zohledňuje požadavky předpisů a uživatelů současně.
Autoři:
Ing.Tomáš Šmerda, Ph.D.
Agri CS, Vedoucí technického oddělení,
[email protected]
Ing.Jiří Čupera, Ph.D,
Mendelova univerzita, Ústav techniky a automobilové dopravy, Odborný asistent
[email protected]
18
Článek byl vypracován za podpory projektu Interní grantové agentury IGA Mendelovy univerzity
v Brně, TP1/2011 – Monitorování výkonových parametrů traktorového motoru.
Literatura:
1. Beroun S, Scholz C., Blažek J, 2002: Parametry hoření motorových paliv ve válci pístových
spalovacích motorů
2. GHG Data 2006. Highlights from greenhouse gas (GHG) emissions data for 1990–2004 for
Annex I Parties. United Nations Framework Convention for Climate Change.
3. World Health Organization (1998) Selected non-heterocyclic polycyclic aromatic
hydrocarbons
4. Mustafa Balat – Recent trends in global production and utilisation of bio-ethanol fuel
5. R. Bosch - Automotive Handbook
6. Beroun S: Spalovací proces ve válci pístového spalovacího motoru-Výfukové emise
7. Pflanzenolbetriebe Blockheizwerke Teil 1, Bayerisches Staatsministerum fur
Landeentwickelung und Umweltfragen
8. Beroun S., 2005: Vozidlové motory – elektronický text
9. DIRECTIVE 97/68/EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 16 December
1997
10. SMĚRNICE EVROPSKÉHO PARLAMENTU A RADY 2004/26/ES
11. Selective Catalytic Reduction Urea Infrastructure Study - National Renewable Energy
Laboratory
12. Černý J., 2010: Dopad emisních limitů na motorové oleje, Paliva 2/2010
19