Spotřeba a emise

end-logo
Sdílejte:

 

Spotřeba a emise CO2 určují směry vývoje zážehových motorů

RNDr. Bohumil Ferenc, březen 2001

 



   V letáčku britské Vehicle Certification Agency se uvádí, že ve Spojeném Království vytvoří osobní automobily přibližně 15 % emisí oxidu uhličitého (CO2), který je nejdůležitějším z tzv. skleníkových plynů. Vzniká, spolu s vodními parami, při spalování benzinu a motorové nafy v motorech vozidel, procesu který uvolňuje energii chemicky vázanou v těchto palivech. Je všeobecně znám vliv skleníkových plynů na klimatické změny, které jsou hrozbou Zemi.

   Mezi dalšími údaji ve zmíněném letáčku se uvádí, že automobil během proběhu 10 000 km vytvoří zhruba tolik hmotnosti CO2, co sám váží. Z těchto důvodů má být v Británii zavedena nepřímá daň u osobních automobilů registrovaných od března 2001. Tato bude založena především na jejich emisích CO2. Ani v dalších zemích nezůstávají pozadu. Jak bylo uvedeno v článku v Automotive News Europe ze 24. dubna 2000, vytýčila Evropská komise cíl dosáhnout v roce 2008 omezení úrovně emisí CO2 na 140 mg na km, což představuje snížení asi o 25 % proti úrovni z r. 1995 (viz graf).

Regulace výkonu motorů

   Protože vznik CO2 je neodstranitelným důsledkem spalování uhlovodíkových paliv používaných v automobilových motorech, je jedinou možností jak dosáhnout vytýčeného cíle, snížit spotřebu. To především znamená maximálně využít energie obsažené v palivu, ale i dodávat jen tolik paliva, kolik je ho pro požadovaný výkon motoru potřeba.

   Jak známo, existují dva způsoby regulace výkonu motoru.

   První z těchto způsobů se používá výhradně u zážehových motorů, u kterých se vytváří směs paliva se vzduchem mimo spalovací prostor.

   Druhý je charakteristický především pro motory vznětové, u kterých se palivo vstřikuje do ohřátého vzduchu, jehož teplota je stlačením zvýšena natolik, že převyšuje zápalnou teploty paliva. To se pak ve spalovacím prostoru vznítí. Používá se ho ovšem i u některých zážehových motorů, u kterých se tvorba směsi uskutečňuje ve spalovacím prostoru válce. Jsou to motory s přímým vstřikováním benzinu.

   Vstřikování se dělí na vysokotlaké, kdy se palivo vstřikuje v tekutém stavu, a na nízkotlaké, kdy se do válce vstřikuje částečně připravená směs paliva se vzduchem.

   U obou druhů je palivo (nebo částečná směs) vstřikováno buď po odstranění zbytků shořené směsi, nebo se těchto zbytků využívá k doplnění nasávaného čerstvého vzduchu a tím k omezení úrovně emisí oxidů dusíku (NOx). Je to tzv. recirkulace spalin, také nazývaná recirkulací výfukových plynů.

Oběhové diagramy

   V současné době jsou u osobních automobilů nejrozšířenějším typem čtyřtaktní zážehové motory. Přeměna energie přivedené palivem na mechanickou práci u nich probíhá během čtyř zdvihů pístu ve válci. Tento proces nazývaný pracovním oběhem, je kruhový děj, který lze popsat tzv indikátorovým diagramem, závislostí tlaku p na objemu V válce v jednotlivých taktech.

   Průběh skutečného pracovního oběhu se stanoví měřením tlaku ve válci v závislosti na dráze pístu nebo na čase. Z diagramu se mohou odečíst odchylky od pracovního oběhu dokonalého motoru. Tento porovnávací, nebo ideální oběh je myšlený kruhový děj, podle kterého by pracoval ideální motor. Je stanoven výpočtem, zejména za následujících předpokladů:

   Jak je zřejmé z výše uvedených obrázků, pracovní oběh skutečného motoru se podstatně odlišuje od oběhu dokonalého motoru. Příčiny odchylek jsou především tyto:

   Zakreslí-li se do jednoho grafu ideální oběh i indikátorový diagram téhož motoru jsou zřejmé odchylky, které vedou ke snížení výkonu reálného motoru. Jsou patrné ztráty prouděním při sání a výfuku, jejich velikost charakterizuje tzv. smyčka střídavého plnění, dále výměnou tepla se stěnami a i rozdílný průběh spalování. Snížením uvedených ztrát a zlepšením průběhu spalování lze tedy dosáhnout zvýšení termodynamické účinnosti motoru a tím snížení jeho spotřeby s následným poklesem úrovně emisí CO2.

Spotřeba a emise

   Spotřeba a s ní související emise CO2 nepatří k jediným parametrům, které jsou předmětem snah o zlepšení. Ještě závažnější jsou emisní požadavky na obsah škodlivých plynů, tj. CO, HC a NOx, ohrožujících životní prostředí i lidské zdraví. Předpisy na jejich přípustné hodnoty jsou stále zpřísňovány, takže snaha zlepšit termodynamickou účinnost motoru musí spolupůsobit s hledáním cest, jak dosáhnout splnění stávajících i připravovaných emisních předpisů.

   Oxid uhelnatý (CO) vzniká, když v důsledku nedostatku kyslíku nedochází k úplnému shoření paliva, tj. k přeměně na CO2 a H2O. Velikost emisí CO je tedy zcela závislá na složení směsi, daném poměrem vzduchu a paliva. I při přebytku vzduchu vzniká ve výfukových plynech koncentrace CO, jestliže je rozložení směsi ve spalovacím prostoru nehomogenní, nebo když cykl od cyklu její složení kolísá.

   Nedostatek vzduchu způsobuje i neúplné nebo částečné spalování paliva, takže ve výfukových plynech se objevují sloučeniny CmHn, tj. parafiny, olefiny a aromáty. Dalšími příčinami může být vynechání zážehu, zhasnutí zapálené směsi v důsledku její nízké teploty, zejména v blízkosti chladnějších stěn válce, nebo vlivem nedostatečné energie elektrického výboje při zážehu, případně i nerovnoměrného rozdělení směsi ve válci.

   Mimo důsledků nedokonalého spalování vznikají emise uhlovodíků „províváním“ nespálené směsi do klikové skříně netěsnostmi mezi pístními kroužky a stěnami válců při kompresním zdvihu, nebo únikem malého množství výfukových plynů stejnou cestou při expanzním zdvihu. Aby se zabránilo proniku zbytků paliva a výfukových plynů postranními cestami do atmosféry, jsou mnohá vozidla vybavena tzv. pozitivním odvětráváním klikové skříně, kterým jsou uhlovodíky odváděny zpět do sacího potrubí a následně do spalovacího prostoru.

   Dalším nezanedbatelným zdrojem nespálených uhlovodíků jsou odpařovací ztráty z palivové nádrže. Aby se zabránilo jejich šíření do ovzduší, jsou zachycovány v nádobce s aktivním uhlím, které má schopnost páry paliva zachycovat. Děje se to zejména u stojícího vozidla a pak za chodu motoru se odpařené palivo přivádí do sacího potrubí.

   Emise oxidů dusíku jsou silně závislé na teplotě ve spalovacím prostoru. Vznikají okysličením atmosférického dusíku obsaženého ve spalovacím vzduchu. Maximální teplota a doba jejího působení mají rozhodující vliv na koncentraci oxidu dusnatého (NO), který se rychle okysličuje na oxid dusičitý (NO2), v malém množství vzniká i oxid dusný (N2O). Tyto oxidy jsou společně označovány NOx.

Způsoby potlačení emisí

   K ovlivnění úrovně emisí různých složek byla u zážehových (ale i u vznětových) motorů vytvořena řada opatření, která lze rozdělit na „motorová“ a pro „následnou úpravu výfukových plynů“.

   K opatření na motoru patří především nastavení potřebného složení palivové směsi, tj. poměru vzduchu a paliva. To je závislé na potřebách motoru a mnohdy se liší od poměru optimálního z hlediska spalování. Mimo nastavení potřebného složení patří sem i kvalita, se kterou směs přichází do spalovacího prostoru. Z hlediska emisí má vliv na zapálitelnost směsi a průběh spalování rovnoměrnost rozložení paliva, případně jeho vrstvení k okamžiku zážehu. Vhodnými opatřeními je buď vytvoření homogenní směsi, nebo její vrstvení (bohatá směs u zapalovací svíčky, chudá ve spalovacím prostoru poblíž stěn).

   Všechny válce mají mít stejné složení směsi, aby byl provoz optimální. Čím přesněji bude dodržen tentýž poměr vzduchu k palivu v jednotlivých válcích, tím menší bude neklid chodu motoru a také nižší úroveň emisí CO.

   Na zapálení směsi a tedy na průběh spalování a s ním i na spotřebu a úroveň emisí, mají vliv provedení zapalovací svíčky, její poloha ve spalovacím prostoru, případně i vyšší počet ve válci než jedna. Také energie výboje a doba jeho trvání, nebo počet opakovaných jisker při zážehu. Význam těchto faktorů roste s přebytkem vzduchu ve směsi.

   Velký vliv jak na úroveň emisí, tak na spotřebu má okamžik zážehu – předstih. Vychází-li se z jeho optimální hodnoty, pak při pozdějším nastavení se spalování prodlouží a probíhá i při otevřeném výfukovém ventilu. Pak ve výfukovém kanálu dojde k dodatečné termické reakci, kterou se sníží obsah oxidů dusíku a nespálených uhlovodíků, ale stoupá spotřeba. Naopak při nastavení dřívějšího předstihu úroveň emisí NOx a HC roste, může dojít k detonačnímu hoření – klepání motoru, s nárůstem teploty spalování. Moderní elektronické zapalovací soustavy upravují své parametry podle více proměnných a tak optimalizují úroveň emisí i výkon motoru v nejrůznějších provozních podmínkách vozidla.

   Mimo řízení přípravy směsi a optimalizace průběhu spalování, jejichž problematika byla podrobně popsána v dřívějších číslech AE, byla vyvinuta a zavedena řada dalších způsobů zlepšení průběhu oběhového diagramu motoru. Ty jsou ale do značné míry závislé na druhu regulace výkonu motoru (kvantitativní a kvalitativní způsoby – viz výše).

   Ke způsobům používaným ke zlepšení emise nespadajícím do opatření na motorech patří úprava výfukových plynů a jejich recirkulace za účelem snížení spalovací teploty.

Úprava výfukových plynů

   se již delší doby provádí pomocí katalyzátorů. Katalyzátor je látka, která způsobuje nebo urychluje chemickou reakci, aniž se přitom sama mění. Jak bylo výše uvedeno, nedokonalostmi přípravy směsi a průběhu procesu jejího spalování vznikají škodlivé emise CO, CH a NOx. Ty jsou obsaženy zejména ve výfukových plynech a účelem katalyzátoru je způsobit či urychlit jejich přeměnu na neškodné látky. Chemické reakce, při kterých k tomu dochází, jsou dvojího druhu:

   Protože reakce mají proběhnout pokud možno bez přidávání dalšího media, musí být potřebný kyslík nebo oxid uhelnatý přiváděn do katalyzátoru spolu s nežádoucími zplodinami spalování. Jestliže je do spalovacího prostoru přiváděna směs chudá, zůstává po spálení paliva nadbytečný kyslík a ten může být využit v katalyzátoru pro uvedenou reakci.

   Pro redukci je naopak potřebná bohatá směs, aby se vytvářel dostatek oxidu uhelnatého, potřebného k reakci s oxidem dusnatým.

   Mají-li být v katalyzátorech potlačeny všechny tři složky, tj. má-li proběhnout jak oxidace, tak redukce, musí být složení směsi co nejblíže rozhraní mezi bohatou a chudou směsí, při stechiometrické hodnotě, kdy je součinitel přebytku vzduchu lambda = 1.0.

   Tento poměr má být zachován při všech zatíženích a otáčkách motoru. Jak známo, výkon motoru závisí na množství paliva přiváděného do spalovacího prostoru válce. Se změnou požadovaného výkonu se tedy mění nejen množství paliva, ale i množství nasávaného vzduchu. Nevýhodou této „kvantitativní“ regulace výkonu motoru, prováděné škrtící klapkou v sacím potrubí, je zvýšení aerodynamického odporu této cesty a tím i růst ztrát prouděním.

   Hlavní nevýhodou metody současného omezování všech tří škodlivých složek emisí je nutnost práce motoru se stechiometrickou směsí. Protože taková směs se nejdokonaleji spaluje, je obsah oxidu uhličitého ve výfukových plynech nejvyšší. A je zvyšován i přeměnou škodlivých složek emisí katalytickou cestou, jak bylo výše popsáno. Jedinou cestou, jak jeho obsah snížit, je omezit spotřebu uhlovodíkového paliva. Vzhledem k připravovaným opatřením, zmiňovaným v úvodu, hledají výrobci vozidel nejrůznější cesty, jak tohoto snížení spotřeby dosáhnout.

   Jednou z nich je použití „kvalitativní“ regulace výkonu motoru, kterému je dodáváno jen tolik paliva, kolik pro požadovaný výkon potřebuje. Přitom mají zůstat co nejnižší ztráty prouděním vzduchu sacím potrubím, zejména omezením škrtící klapkou. Je zřejmé, že podle požadovaného výkonu se bude měnit složení směsi a při malém zatížení motoru bude dosti vzdáleno od stechiometrické hodnoty. Dodatečná úprava výfukových plynů katalyzátory bude možná pouze oxidační reakcí. Úroveň oxidů dusíku ale bude značná, především při větším zatížení, kdy jsou navíc podmínky pro jejich tvorbu příznivější. U vznětových motorů, které pracují pouze s chudými směsmi, se k omezení oxidů dusíku běžně používá recirkulace (zpětného vedení) výfukových plynů do sacího potrubí a pak přivádění během následujícího sacího cyklu do spalovacího prostoru společně s čerstvou směsí nebo vzduchem. Tohoto způsobu se začalo používat i u zážehových motorů. Ty ale nepracují s tak ochuzenou směsí jako vznětové, protože energie jiskry nepostačí k jejímu zažehnutí a došlo by k nerovnoměrnému chodu motoru, ke zhoršení emisí HC a často i k vyšší spotřebě. S přísnějšími požadavky na úroveň emisí NOx také vzniká nutnost úpravy výfukových plynů katalyzátorem. Jak vyplynulo z předchozího, je u takového katalyzátoru využíváno jiného druhu chemické reakce než oxidace, která je u chudých směsí snadno realizovatelná.

   K tomuto účelu se obvykle používá (např. fa Bosch u systému Motronic MED 7) tzv. zásobníkového katalyzátoru, zařazeného do výfukového potrubí za předřadným. Za přítomnosti kyslíku obsaženého ve spalinách po shoření chudé směsi je katalyzátor schopem nahromadit na svém povrchu oxidy dusíku ve formě dusičnanů. Po vyčerpání své zásobníkové kapacity musí být regenerován, což se provede pomocí CO získaného krátkodobým obohacením směsi na hodnotu lambda asi 0.8. Přitom jsou dusičnany redukovány na dusík a oxid uhličitý. Společně s vyšším procentem recirkulovaných výfukových plynů je tímto způsobem snížen podíl NOx v emisích až o 70 %. Většímu rozšíření zatím brání nutnost nižšího obsahu síry v benzinu, prakticky o jeden řád proti dnes obvyklému stavu.

Recirkulace výfukových plynů

   se projevuje dvěma způsoby:

   Recirkulace může být buď vnitřní nebo vnější. Vnitřní vzniká překrytím ventilů, tj. sací ventil je již otevřen a výfukový ventil není ještě uzavřen. Podle velikosti ventilového překrytí se mění podíl zbytkových plynů, které jsou potom nasávány zpět do válce s čerstvou směsí nebo se vzduchem. Je zřejmé, že tento způsob se používá pouze u motorů se dvěma vačkovými hřídeli, jejichž vzájemné natočení se mění.

   Vnější recirkulace se uplatňuje tam, kde vnitřní způsob nepostačí splnit současné mezní hodnoty NOx. Jejich emise mohou být recirkulací omezeny až o 60 %. Je to však spojeno s nárůstem emisí HC. Pokud není množství recirkulovaných plynů větší než 10 až 15 %, nedochází prakticky ke zvýšení spotřeby, musí však být optimalizován předstih. Proto bývá hranice přípustného množství zpětně přivedených spalin stanovena vzrůstem emisí HC, spotřeby, případně i začátkem neklidu chodu motoru.

   Tato hranice je v poslední době posouvána k vyšším množstvím různými opatřeními v konstrukci motorů i v přípravě směsi. Patří k nim řízení pohybu směsi ve válci a její vrstvení tak, aby se v blízkosti zapalovací svíčky nacházela při zážehu zapálitelná směs, případně aby nedocházelo k jejímu neúměrnému smísení s recirkulovanými plyny. O některých z takových způsobů bude uvedeno v dalším.

Opatření ke snížení emisí

   CO2 při kvantitativním řízení výkonu motoru.

   I přes možnost snížit spotřebu a s ní emise CO2 využitím kvalitativní regulace výkonu motoru, tj. dávkováním množství paliva podle zatížení a otáček motoru, je více užíváno regulace kvantitativní. Při ní má být v „užitém“ objemu motoru rovněž jen takové množství paliva, jaké je potřebné pro požadovaný výkon motoru. Protože je žádoucí, aby složení směsi a její rozložení ve spalovacím prostoru odpovídalo optimálním podmínkám, jak z hlediska optimální termodynamické účinnosti spalovacího procesu, tak potřeby co nejvíce snížit úrovně emisí škodlivých emisí (CO, HC a NOx), musí být tomu přizpůsobeno i množství vzduchu přiváděného s palivem do válců motoru. Hmotnosti obou složek, tj. paliva i vzduchu musí odpovídat stechiometrickému poměru 14.7:1 (vzduchu k palivu). Jinak není dosahováno optimální účinnosti katalytické přeměny škodlivých emisních složek. Přitom rozložení směsi ve spalovacím prostoru má být co nejblíže k homogennímu, aby došlo k dokonalému spálení všeho paliva, bez neshořených nebo částečně shořených zbytků. Další podmínkou je správná hodnota předstihu zážehu, aby shoření paliva proběhlo v optimálním čase a dosáhlo se co nejlepší přeměny tepelné energie v mechanickou práci.

   Právě kvantitativní regulace výkonu motoru poskytuje více možností než kvalitativní způsob a navíc za ekonomicky výhodnějších podmínek. Jaké jsou směry ve vývoji zážehových motorů bylo popsáno např. v ročence „Automotive Technology International 1998″ v článku o budoucích trendech v technologii automobilových motorů. Autor, Peter Walzer z FEV Motorentechnik ze SRN, uvádí tři technologie a to zmenšení objemu motoru pomocí přeplňování, provoz bez škrtící klapky a přímé vstřikování paliva. Ve srovnání se soudobými motory uvádí očekávané zlepšení úspory paliva mezi 15 až 25 %, podle použité metody.

   Pro splnění budoucích emisních předpisů je předpokládáno využití zmenšování objemu motoru, případně proměnné časování ventilů, v obou případech spolu s třísložkovými katalyzátory. U přímého vstřikování paliva je uváděna potřeba zásobníkového katalyzátoru k omezení emisí NOx. To však platí pro případ vysokotlakého přímého vstřikování, tedy s kvalitativní regulací výkonu. V časopise Automotive Industries z listopadu 2000 byl stručně popsán motor vyvíjený fou Saab ve spolupráci s dalšími firmami (australská Orbital a americká Delphi). Pracuje se stechiometrickou směsí, jejíž množství se mění podle požadovaného výkonu motoru, přičemž další objem spalovacího prostoru válce je zaplňován recirkulovanými výfukovými plyny. Množství těchto plynů se řídí proměnným časováním ventilů, tedy řízením vnitřní recirkulace. Jak bude dále popsáno, řízením pohybu recirkulovaných plynů a nasávaného vzduchu, spolu s použitím nízkotlakého vstřikování paliva, lze dosáhnout širokého rozmezí jeho dávkování a to při zachování stechiometrického složení směsi.

   Strategií podstatného zlepšení palivové ekonomie je zmenšení obsahu motoru při zachování průběhu jeho kroutícího momentu v celém otáčkovém rozmezí. V diagramu v uvedeném článku jsou uspořádány možnosti různých opatření umožňujících dosáhnout stejného průběhu kroutícího momentu motoru s menším objemem válců a jejich přínos pro palivovou ekonomii. Diagram vychází z moderního čtyřventilového motoru, na kterém jsou příslušná opatření realizována.

Spotřeba a emise 4.00/5 (80.00%) 1 vote


banner pro vstup do katalogu MJauto
Sdílejte: