1 OPATŘENÍ SNIŽUJÍCÍ PODÍL ŠKODLIVIN

1
OPATŘENÍ SNIŽUJÍCÍ PODÍL ŠKODLIVIN
Podíly škodlivin ve výfukových plynech lze snížit :
• použitím vhodného paliva (nízkosirnaté, bezolovnaté),
• technickými opatřeními na motoru,
• úpravou výfukových plynů (sekundární vzduchový systém, katalyzátor).
1.1
OPATŘENÍ NA MOTORU
Kvalitu výfukových plynů lze zlepšit :
• vhodnou konstrukcí motoru
•
•
•
•
•
1.2
uspořádání spalovacího motoru, kompresní poměr, časování rozvodu, sací
potrubí s proměnlivou délkou, snížením
tření …,
druhem a kvalitou tvorby a složení směsi
karburátor, vstřikovací zařízení, směšovací poměr,
řízením okamžiku zážehu
optimalizace zapalování,
decelerací bez dodávky paliva
při brzdění motorem, uzavřením přívodu paliva při otáčkách motoru vyšších než cca 1600 min-1,
selektivním vypínáním (odpojováním) válců,
zpětným vedením výfukových plynů (recirkulace).
ZPĚTNÉ VEDENÍ VÝFUKOVÝCH PLYNŮ
• Část spalin je za výfukovým sběrným potrubí odebírána a znovu mísena se směsí paliva a vzduchu v sacím potrubí → následuje opětovné
nasátí do motoru.
• Zpětným vedením výfukových plynů válce méně plněny směsí paliva a
vzduchu.
• Výfukové plyny se nemohou dále podílet na spalování (mají charakter
inertních plynů) → snižuje se teplota spalování → vzniká výrazně méně
oxidů dusíku (až o 60%).
• Zvyšující podíl recirkulujících výfukových plynů vede ke zvýšení obsahu
nespálených uhlovodíků (HC) a vyšší spotřebě paliva → limitní faktor
horní hranice recirkulace → 15 až 20%.
PRI-TeO-PO3-04_03F Opatření snížující podíl škodlivin
1 /
PRINCIP ŘÍZENÍ RECIRKULACE výfukových plynů
• Do zpětného potrubí mezi výfukovým sběrným potrubím a sacím potrubím umístěn ventil zpětného vedení výfukových plynů EGR (Exhaust
Gas Recirculation) nebo AGR (Ab-Gas-Rückführ-Ventil)
• Recirkulace řízena v závislosti na :
o teplotě,
o zatížení,
o otáčkách motoru.
Poznámka :
Většina současných EGR ventilů je ovládána tlakem – pneumatické
EGR-ventily. Používají se jednoduché membránové ventily, případně
jednomembránové
ventily
se
snímačem
teploty
nebo
s potenciometrem snímání jejich polohy.
• Výstupním signálem z elektromagnetického převodníku je podtlak → jeho hodnota nastavena v závislosti na poměrném řídicím signálu řídící
jednotky → následně podtlak přiváděn do EGR-ventilu.
• Membránový EGR-ventil je v klidové poloze uzavřen přítlačnou silou
vinuté pružiny → v případě přivedení podtlaku nad membránu se ventil
otevře a spojí výfukové a sací potrubí → čím větší podtlak, tím větší zdvih
membrány AGR-ventilu a tím více spalin se přisává do sacího potrubí.
Jednomemránový pneumatický ventil recirkulace výfukových plynů
EGR – ventil firmy Pierburg)
Zpětné vedení výfukových plynů
PRI-TeO-PO3-04_03F Opatření snížující podíl škodlivin
2 /
1.3
ÚPRAVA VÝFUKOVÝCH PLYNŮ KATALYZÁTOREM
• Prováděna s ohledem na úplnou nebo částečnou přeměnu škodlivin
obsažených ve výfukových plynech (vznikají při spalování paliva) na neškodné, případně méně škodlivé látky.
• Nejúčinnějším postupem je úprava složení výfukových plynů použitím katalyzátoru.
Poznámka : Katalytický konvertor (obecně nazývaný katalyzátor) → zařízení
umístněné ve výfukovém systému motoru, Na základě chemicko-tepelné
reakce zabezpečuje chemickou přeměnu škodlivin na jiné látky, aniž by
došlo k jeho opotřebení.
1.3.1
KONSTRUKCE KATALYZÁTORU
Základní části katalyzátoru tvoří :
• obal
• vložka (nosič) katalyzátoru
• mezivrstva
• katalyticky aktivní vrstva
z nerezového ocelového plechu,
kovová nebo keramická (hliníko-hořčíkový
silikát),
pouze u keramického nosiče,
vlastní katalyzátor.
Katalyzátor s kovovou
vložkou
Konstrukce a činnost katalyzátoru s keramickou vložkou
Poznámka : Povrch keramických i kovových nosičů je opatřen základní nosnou vrstvou (podkladem) z oxidu hlinitého ("wash-coať'), která vzhledem ke svému nerovnému povrchu zvětšuje plochu nosiče až 7000 krát. Na základní vrstvu je nanesena napařováním vlastní aktivní vrstva platiny a palladia (oxidační katalyzátor) nebo platiny
a rhodia (třícestný katalyzátor). Platina a palladium urychlují oxidaci oxidu uhelnatého a uhlovodíků, rhodium redukci oxidů dusíku. V jednom katalyzátoru jsou 2g až
3g těchto vzácných kovů.
PRI-TeO-PO3-04_03F Opatření snížující podíl škodlivin
3 /
VÝHODY (keramického nosiče)
• podstatně jednodušší způsob zpětného získání vrstvy vzácných kovů při
recyklaci (oproti kovové vložce → lépe drží konstantní provozní teplotu,
výrobně levnější),
NEVÝHODY (keramického nosiče)
• velmi citlivý na nárazy a otřesy → uložení nosiče do tepelně odolného
drátěného pletiva s pláštěm z nerezového plechu,
• nižší teplotní odolnost,
• delší doba zahřívání,
• větší protitlak ve výfukovém systému → snižuje výkon motoru.
1.3.2
ČINNOST KATALYZÁTORU
• Nejčastěji používaný typ → katalyzátor oxidačně – redukční (třícestný).
• V jednom tělese katalyzátoru probíhají současně vedle sebe tři chemické
reakce (přeměny) :
o redukce NOx na dusík → uvolnění kyslíku
o oxidace CO na CO2 → spotřeba kyslíku
o oxidace sloučenin HC na CO2 a H2O → spotřeba kyslíku
• Podmínky zahájení chemických reakcí v katalyzátoru :
o dosažení teploty zahajující reakci
o směs vzduchu a paliva musí zhruba odpovídat stechiometrickému
součiniteli přebytku vzduchu (λ = 1).
• Katalyzátor podporuje přeměnu škodlivin pouze ve velmi úzké oblasti
směšovacího poměru (λ = 0.995 – 1) → okno λ → výfukové plyny vznikají ve složení, kdy kyslík (vzniká při redukci oxidů dusíku) postačuje
k téměř úplné oxidaci podílů HC a CO na CO2 a H2O.
Napětí sondy lambda při různých
poměrech vzduchu
PRI-TeO-PO3-04_03F Opatření snížující podíl škodlivin
4 /
1.3.3
KATALYZÁTOR S ŘÍZENÝM SYSTÉMEM PŘÍPRAVY SMĚSI
(řízený katalyzátor)
• Vhodného složení směsi lze dosáhnout pouze v uzavřeném regulačním
obvodu.
• Složení směsi kontrolováno podle složení výfukových plynů λ sondou.
• Při odchylce od přebytku vzduchu (λ = 1) je složení směsi korigováno ←
katalyzátor s řízeným systémem tvorby směsi.
• Maximální účinnost (míra přeměny) 94 až 98 % → 94 až 98 % škodlivin
se přemění (vzájemnou reakcí) na nejedovaté látky.
Funkční schéma L-Jetronicu s regulací λ
1.3.4
KATALYZÁTOR S NEŘÍZENÝM SYSTÉMEM PŘÍPRAVY SMĚSI
(neřízený katalyzátor)
• Není zde použita λ sonda.
• Tvorba směsi řízena pouze v závislosti na provozních stavech motoru.
• Složení výfukových plynů není kontrolováno.
• Maximální dosažená účinnost asi 60 %.
PRI-TeO-PO3-04_03F Opatření snížující podíl škodlivin
5 /
1.3.5
PROVOZNÍ PODMÍNKY KATALYZÁTORŮ
• Katalytické reakce mohou probíhat pouze při teplotě vyšší než asi 250°C
(teplota zahajující reakci) → dosažení teploty lze zkrátit po spuštění studeného motoru :
umístěním katalyzátoru blízko motoru,
vyhříváním katalyzátoru,
izolovaným sběrným výfukovým potrubím,
zkrácením předstihu zážehu (až o 15 %).
• Optimální pracovní teplota katalyzátoru je 400 až 800°C .
• Při teplotě vyšší než 800°C → začátek
tepelného stárnutí katalyticky aktivní
vstvy.
• Při teplotě vyšší než 100°C → trvalé tepelné (spálení) poškození katalyzátoru
→ příčiny : vynechávání zapalování →
do katalyzátoru se dostává nespálené
palivo → shoří se zbytkovým kyslíkem
ve výfukových plynech.
• Pro zabránění kontaminace katalyticky
Roztavený katalyzátor
aktivní vrstvy a ztráty účinnosti je nutno :
o používat výhradně bezolovnatý benzin,
o zamezit
poškození
pístních
kroužků
(zbytky
spalování
z motorového oleje),
o omezit nadměrné opotřebení válců.
• Za příznivých podmínek je životnost katalyzátoru asi 100000 km.
1.3.6
REGULAČNÍ OBVOD λ
• Stálého složení směsi je dosaženo pomocí lambda regulace.
• Kyslíková sonda umístněna ve výfukovém potrubí před katalyzátorem
(měří množství kyslíku ve výfukových plynech).
• V případě chudé směsi (λ>1) vytváří sonda elektrické napětí asi 100 mV,
v případě bohaté směsi (λ<1) napětí až 900 mV. V oblasti λ = 1 se jmenovité napětí sondy mění skokově.
• V závislosti na signálech zatížení a otáček motoru určí řídící jednotka novou dobu vstřiku → sníží se bohatost směsi tak, aby odpovídala stechiometrické směsi → λ = 1.
PRI-TeO-PO3-04_03F Opatření snížující podíl škodlivin
6 /
1.3.6.1
LAMBDA REGULACE SE DVĚMA KYSLÍKOVÝMI SONDAMI
• Z důvodu zlepšení odstranění škodlivin z výfukových plynů se umistňuje
za katalyzátor další sonda.
• Zabezpečuje dlouhodobou stabilizaci složení zápalné směsi.
Konstrukce λ sondy
PRI-TeO-PO3-04_03F Opatření snížující podíl škodlivin
7 /
1.4
SEKUNDÁRNÍ VZDUCHOVÝ SYSTÉM
• Dodatečným (sekundárním) vefukováním vzduchu se následným spalováním snižují hodnoty škodlivin HC a CO ve fázi spouštění studeného
motoru a jeho následném ohřevu (λ < 1) ← řízený třícestný katalyzátor
není zcela připraven k provozu.
• Do sběrného výfukového potrubí je přiváděn přídavný vzduch ještě před
katalyzátorem.
VÝHODY :
• Katalyzátor rychleji připraven k provozu.
• Katalyzátor lze umístit ve větší vzdálenosti od výfukového potrubí → zvýšení životnosti.
Schéma sekundárního vzduchového systému
PRI-TeO-PO3-04_03F Opatření snížující podíl škodlivin
8 /
TÉMATICKÉ OKRUHY
(Emise škodlivin ve výfukových plynech)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
Vysvětlete pojmy homologace vozidla a emise škodlivin.
Které hlavní složky tvoří plynné emise škodlivin ?
Znázorněte graficky a) ideální b) skutečný průběh spalování. Jaké podmínky
platí pro „skutečné“ spalování ?
Jakým způsobem lze snížit podíly škodlivin ve výfukových plynech ?
Jakými opatřeními na motoru lze zlepšit kvalitu výfukových plynů ?
Popište princip zpětného vedení výfukových plynů.
Popište princip řízení recirkulace výfukových plynů. Popište princip činnosti
EGR ventilu.
Popište schéma zpětného vedení výfukových plynů.
Popište princip činnosti oxidačně-redukčního katalyzátoru.
Popište konstrukci katalyzátoru.
Jaké jsou výhody nevýhody keramického nosiče katalyzátoru.
Uveďte podmínky zahájení chemických reakcí v katalyzátoru.
Uveďte stručnou charakteristiku neřízeného katalyzátoru.
Popište provozní podmínky katalyzátoru.
Uveďte opatření, bránící kontaminaci katalyticky aktivní vrstvy a ztráty účinnosti.
Popište princip sekundárního vzduchového systému.
Uveďte výhody použití sekundárního vzduchového systému.
Popište schéma sekundárního vzduchového systému.
PRI-TeO-PO3-04_03F Opatření snížující podíl škodlivin
9 /