Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování

1. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování • Rekapitulace základních poznatků o hoření homogenních a heterogenních směsí (deflagrace, detonace, difúzní plamen - Sandia diagram, vliv EGR). • Měření emisí • Testy emisí • Limity emisí • Vliv spalování • Homogenní směs a deflagrace – řešení pro TWC. Nízká zatížení - EGR? • Provedení katalyzátorů • Chudé směsi a DISI • vrstvená směs DISI a moderní koncepty řízeného tvoření směsi • HCCI a CAI – řízení EGR (interní a externí) a vznětu • homogenní deflagrace, urychlení tumble, NOx trap, regenerace • Heterogenní směsi nafta/vzduch – trade-off saze/NOx • preference sazí a DPF, regenerace • preference NOx a SCR (obsah S znemožní NOx trap) • kombinace • Provedení katalyzátorů a DPF • Heterogenní směsi benzin/vzduch?

2. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezováníOmezované škodliviny

3. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezováníRozdělení škodlivin z dopravy

4. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování Rekapitulace základních poznatků o hoření • homogenních směsí (deflagrace, detonace) • heterogenních směsí (difúzní plamen) • vzniku škodlivin z disociace produktů a nedokonalého spalování • vzniku NOx • vzniku sazí (částic)

5. Směs plynů s O2 Při O2 Chemie hoření uhlovodíkových a jim podobných paliv Přiměřená teplota a koncentrace Palivo Teplota>600 K: krakování CnH2n+2 -CxH2x+1+-Cn-xH2(n-x)+1 Teplota>800 K: předplamenné endotermní reakce - odtrhávání krajních vodíkových atomů, -O-O-H + -Rx, organické peroxidy Rx-O-O-H Bez O2 -Rx Rozpad Rx-O-O-H na formaldehyd, -OH (hydroxyl) a zbytek řetězce -Rx-1 Tvorba stabilních sloučenin s nedostatkem vodíku - např. aromáty Oxidace HCHO za vzniku -CHO, -OH, -O-O-C-H i H2O a CO Vznik a růst zárodků uhlíkových částic (sazí) Oxidace CO+O2 pomocí -OH Hoření sazí na jejich povrchu Teplota>1700 K: disociace spalin CO2 a H2O na CO a H2 Vznik CO2 a H2O

6. Deflagrace připravené směsi Hoření - deflagrační plamen připravené směsi Malý objem fronty plamene postupující válcem - obvykle po SI, MJ-DF, v deflagračním plameni laminární prohořívání turbulentních vírů (flamelets) nebo CAI malého rozsahu (CHEMIE HOŘENÍ při O2) Heterogenní teplotní pole, pokud O2, pak tvorba NO (CHEMIE TVORBY NO) Rozpad fronty plamene do plaménků v turbulentních vírech, rotujících beze smyku. Působí i jejich expanze Turbulentní 1-D plamen – hasnutí plamene v chladných zónách a štěrbinách Turbulentní 1-D plamen v motoru není izobarický - fronta nesena expanzí spalin, plamen roztahován, což jej turbulizuje a rozděluje na hořící ostrůvky (flame stretch) Laminární 1-D plamen - vliv vedení tepla a difuse

7. Hořící pomocné nebo hlavní palivo - MJ. Pozdní dodávka MJ pro zvýšení teploty (spálení sazí) nebo pro dodávku nespálených HC Ohřev směsi přestává být dostatečný pro udržení minimální teploty dostatečné rychlosti předplamenných reakcí v důsledku klesajícího výkonu plamene a expanze - pokles tlaku a tím teploty směsi i spalin. Difuse látek (i radikálů) z plamene převyšuje dostupnost kyslíku. Hoření - konec Výsledná chemická účinnost hoření pro připravenou směs (homogenní) a tvořící se difusní plamen (heterogenní) Dodávka dalšího paliva: Ohřev paliva, případně odpařování paliva (FYZIKA TVORBY SMĚSI Z PLYNNÉHO ... nebo ... KAPALNÉHO…) Případně krakování paliva (CHEMIE HOŘENÍ...PALIV, větev Bez O2). Podpora redukční atmosféry nebo vysoké teploty konce expanze. Pomalé průběh předplamenných reakcí v důsledku nedostatku kyslíku. Uvolňování nespálené směsi nebo paliva z míst nízké teploty (olejový film, štěrbiny - crevice) bez možností zapálení. Detonace zbytkové směsi Zamrzání (nespálení) produktů disociace nebo sazí vzniklých v předchozím procesu. Konzervace nespálených uhlovodíků, postupná kondenzace na povrchu částic (jsou-li). Zamrznutí rozpadu NO. Konec hoření ve válci, další významné reakce až na povrchu katalyzátoru nebo po výfuku do atmosféry (styk s kyslíkem). Detonace zbytkové po SI (nežádoucí) nebo CAI (žádoucí) Homogenní teplotní pole v plameni, pokud málo výhřevná směs, omezená tvorba NO

8. Poloha fronty plamene: NO se pozdí! Chemie vzniku oxidů dusíku O2+N2+H2O+... Teplotní, rychlostní a koncentrační pole Palivo Přítomnost dusíku vázaného palivu - rozpad na radikály s N Teplota>1700 K: aktivace kyslíku i dusíku za přítomnosti -OH: N2+O-NO+N- O2+N-NO+O- -OH+N- -H+NO a např. rovnováhy rozpadu N2, O2, H2O, CO+H2O Rychlá tvorba oxidu dusnatého NO Potřebná vysoká teplota >1700K, přítomnost dusíku i kyslíku (rychlá disociace T>2500K) a dostatečný čas Vznik NO2 další oxidací přebytkovým O2(aktivace O2 nespálenými uhlovodíky) Teplota>2000 K: disociace NO na N2+O2 (rovnováha)

9. Deflagrační hoření - simulace teploty vrstev náplně válce a tvorby oxidu dusnatého NO (Takáts) I v homogenní směsi existují v důsledku nestacionárního spalování nehomogenity. Vrstvení teploty v důsledku průchodu plamene a tlakové historie vrstev (komprese pístem, komprese okolními spalinami, expanze). Viditelný rozdíl mezi rovnovážnou a skutečnou (zamrzlou) koncentrací NO v expanzi Skutečná [NO] ve vrstvě Skutečná [NO] střední Rovnovážná [NO] ve vrstvě Teplota vrstvy Střední teplota náplně válce Teplota neshořelé směsi

10. Kapky (FYZIKA…ROZPRAŠOVÁNÍ) nebo proud paliva (vstřik, vefuk) vytváří smykovou oblast a strhává okolní plynné prostředí Difusní plamen tvořící se směsi Hoření - difusní plamen Přebytek vzduchu z par paliva Hořící odpařené palivo na ploše lambda = 1. Stabilizace díky nemožnosti průniku paliva nebo kyslíku frontou plamene do směsi s opačnou složkou. Difuse spalin na obě strany fronty plamene. Průnik ohořívajících kapek frontou plamene a její roztahování, také v důsledku turbulence volného proudu. Palivo + difundující spaliny Lift-off Length Vzduch + difundující spaliny

11. Rovnovážné podíly CO Oxidace sazí=kyslík+teplota Při vysokých teplotách se saze tvoří jen při velmi bohaté směsi NO Typická trajektorie spalin Podíly NO Režimy tvorby škodlivin (zejména v difúzním plameni) Úprava SANDIA diagramu, S. Pischinger, RWTH VKA Aachen 2004 Nespálená směs/palivo Hranice zamrzání CO

12. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování Důsledky pro typická spalování heterogenní směs – nízké emise pro vysoký přebytek vzduchu, ale špatně odstranitelné; vysoké emise pro vysoké zatížení; částice jsou specifické; vysoká účinnost homogenní směs – vysoké emise, ale pro =1 lze kombinovat oxidaci a redukci; pro nízká zatížení se škrtí, klepání omezuje , malá účinnost

13. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování Měření emisí - analyzátory • CO, CO2, CH4: nedisperzní infračervený absorpční analy-zátor (NDIR). Suché plyny. CO2 pro kontrolu. • O2: paramagnetický analyzátor. Suché plyny. Pro kontrolu. • HC: podle ionizace (ze změny elektrické vodivosti) jinak nevodivého vodíko-kyslíkového plamene (FID). Vlhké neochlazené plyny, pokud přímo v surových spalinách. • NO, NO2: intenzita chemiluminiscence) v ultrafialové oblasti při oxidaci NO ozónem (CLA). Suché plyny. • PM: nepřímo – z kouřivosti – se měří opticky v surových spalinách. Po stabilizaci – vychlazení zředěných výfukových plynů – gravimetricky.

14. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování Měření emisí – příprava vzorku • vysušení nebo udržení na teplotě – výzkumná měření, často v suchých spalinách; přímé jímání spalin do vaku během nestacionárního testu pro pozdější analýzu – zážehové (SI) motory • stabilizace zředěním a vychlazením nutná pro vznětové (CI) motory • nutno zajistit známé množství vzorku, případně směšovací poměr: • CVS (konstantní kritický průtok zřeďovacího vzduchu prosávanou tryskou do zřeďovacího tunelu, do něhož přicházejí všechny spaliny); • zředění jen části výfukových plynů ve zřeďovacím minitunelu (izokinetický odběr bez narušení rychlostního pole ve výfukovém potrubí s dílčím průtokem regulovaným podle okamžitého průtoku + CVS nebo zřeďovacím poměrem kalibrovaným podle obsahu CO2 ve směsi) - Smart Sampler atp. • při nestacionárních homologačních měřeních se vzorek jímá do vaků, analyzují se průměrné hodnoty za test; měření okamžitých veličin je složité a málo přesné – jen pro výzkum.

15. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování Testy emisí • testy mají simulovat provozní nestacionární podmínky včetně neustálených teplotních režimů; • vyhodnotit se musí tak, aby bylo podchyceno působení na člověka v prostředí s emisemi, tj. po stabilizaci emisí v atmosféře; • vyhodnotit se musí s přihlédnutím k zátěži prostředí příslušným vozidlem (podle toho jsou stanoveny i limity): • osobní auta produkce na zkušební dráze; • nákladní auta produkce na vážený výkon ve stacionárním testu nebo na výkon potřebný k překonání zkušební dráhy. • obdobný postup je použit i pro test provozní spotřeby paliva a pro emise CO2.

16. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování Vyhodnocení testu emisí • za nestacionárních podmínek se musí vyhodnocovat integrací jednotlivých emisí, tj. vážením okamžitého průtoku hmotnostním podílem emitované škodliviny; za stacionárních podmínek (evropský HD 13bodový test) se váží poměrným časovým využitím režimů; • při jímání celkového průtoku plynů – ať přímo nebo zředěného s velkým nadbytkem vzduchu metodou CVS – se integruje automaticky („analogově“); • přípustné limity jsou stanoveny s přihlédnutím k zátěži prostředí příslušným vozidlem.

17. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování Testy emisí • testy mají simulovat provozní nestacionární podmínky včetně neustálených teplotních režimů; • testy se provádějí zkouškou celého vozidla na válcovém dynamometru se simulací setrvačnosti vozidla v akcelerační i decelerační fázi předepsaného průběhu rychlosti vozidla (obvyklé u osobních automobilů) nebo zkouškou na rychle reagujícím (elektrickém) dynamometru s řídicím programem simulujícím dynamiku vozidla (motory pro nákladní vozidla, zejména v Evropě – v USA vyžadován často i zde test celého vozidla).

18. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování • Evropský test (městská část se začíná se studeným motorem a opakuje po jeho zahřátí silniční fází) ECE+EUDC=NEDC

19. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování • Evropské testy pro nákladní vozidla – 13 bodový stacionární (ESC), nestacionární pro kouřivost (ELR), nestacionární (ETC) pro plynové motory

20. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování Poznámka: • Kromě testů provozu motoru jsou požadovány i testy dalších emisních vlastností vozidel, zejména úniku odparu z palivové nádrže (test v uzavřeném prostoru - shed test). • Palivová nádrž je navenek odvětrávána přes filtr s aktivním uhlím, který se za provozu motoru občas prosává vzduchem a absorbované páry se nasávají do motoru.

21. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování Limity emisí – osobní vozy V Evropě stále existuje rozdíl mezi limity SI a CI (v USA limity rozlišují zařazení do emisní třídy vozidel, např. Ultra Low Emission Vehicle)

22. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování Limity emisí - nákladní vozy (HD)

23. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování • Emise CO2 jako skleníkového plynu závisejí jen na spotřebě paliva a jeho složení (NG je výhodný). Závazek ACEA 2008

24. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování Účinnost pohonů vztažená na kola vozidla z chemické energie paliva (TTW, tank-to-wheels)

25. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování Účinnost pohonů na kolech vozidla z primárního zdroje energie (WTW, well-to-wheels)

26. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování pomocí nových koncepcí spalování • Homogenní směs a deflagrace – řešení pro TWC. Spotřeba paliva vysoká – nízký kompresní poměr kvůli klepání, škrcení pro nízká zatížení. • Pro odstranění škrcení možno použít masivní EGR, ale pak nutno vyřešit stabilitu hoření (např. zapalovací komůrkou se zápalnou směsí) a kondenzaci v chladiči EGR.

27. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování: • Dodatečná velmi účinná úprava výfukových plynů pro homogenní stechiometrickou směs. Nutná dostatečná teplota katalyzátoru. • Při odchylkách od stechiometrického složení klesá účinnost konverze, nutná zpětná vazba na přebytek vzduchu („“ sonda kyslíku ve výfuku – elektrochemický článek s elektrolytem ZrO2, propouštějícím ionty O zatepla). • Regulace složení směsi podle nespojitého průběhu (on-off) napětí na sondě vyhovuje díky absorpční kapacitě povrchu katalyzátoru pro emise i kyslík (časové konstanty řádu sekundy).

28. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování:Úprava výfukových plynů – konstrukce katalyzátorů • nosič katalyzátoru keramický nebo kovový (tenký antikorozní plech); • podkladová porézní vrstva keramiky, např. Al2O3 (washcoat) • sycená Pt + Rh nebo Pd. • Důležitost části rychlého ohřevu na startovací teplotu (cca 300°C) a zároveň akumulace tepla v katalyzátoru pro následné střídavé režimy: • co nejvyšší hustota kanálků a co nejtenčí stěny; • rozdělení do vstupní části s malou a výstupní části s velkou tepelnou kapacitou; • umístění co nejtěsněji za (izolované) sběrné výfukové potrubí motoru; • současně ovšem nutno zajistit omezení pracovní teploty za provozu shora pro dostatečnou životnost.

29. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování Chudé směsi a DISI • homogenní deflagrace, urychlení tumble, NOx trap, regenerace • vrstvená směs DISI a moderní koncepty řízeného tvoření směsi • HCCI a CAI – řízení EGR (interní a externí) a vznětu

30. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování:Úprava výfukových plynů pro chudé homogenní nebo vrstvené směsi • Chudá směs – adsorpce NOx s občasnou redukční regenerací po krátkém přechodu na bohatou směs. V palivu nesmí být S, tedy nevhodné pro naftu. U vrstvené směsi nutno počítat s navýšením NOx, pokud se nepoužije EGR (pak problematičtější stabilita zážehu)

31. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezováníChudé vrstvené směsi – režimy práce adsorbéru a motoru Závazek ACEA 2008

32. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování – technické prostředky DISI Umožněno: • variabilním časováním a zdvihem ventilů; • piezoelektrickými vstřkovači benzinu pro středotlaký CR; • novými zapalovacími systémy s vysokou energií, řízeným průběhem jiskry a adaptivní regulací předstihu zážehu; • variabilním kompresním poměrem. Principy zařízení budou ještě vysvětleny v dalších přednáškách. Kompenzátor teplotních dilatací Jehlový ventil Hydraulický zesilovač a utěsnění ovladače Piezo ovladač

33. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování - DISI Umožněno: • piezoelektrickými vstřikovači benzinu pro středotlaký CR – zejména pro rychlý ohřev katalyzátoru a rychlý přechod mezi režimy vrstvené směsi, homogenní směsi =1 ve vyšším zatížení a <1 pro regeneraci; • novými zapalovacími systémy s vysokou energií, řízeným průběhem jiskry a adaptivní regulací předstihu zážehu; • variabilním časováním a zdvihem ventilů pro vnitřní EGR, např. v průběhu; • případně variabilním kompresním poměrem. Výsledná strategie práce s homogenní směsí =1 pro udržení teplot (hnědě), regenerací podle signálu NOx nebo s využitím vhodného zatížení při akceleraci (zeleně) a vrstvenou směsí v testu NEDC. Při městském cyklu neklesá teplota TWC katalyzátoru ani NOx adsorbéru (NSC) pod 300°C. Oblasti nutných režimů s homogenní (hnědě) a vrstvenou směsí v testu NEDC. Při městském cyklu klesá však teplota katalyzátoru pod 300°C.

34. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování: HCCI-CAI Umožněno: • variabilním časováním a zdvihem ventilů; - EGR je podmínkou pro udržení vysoké teploty • piezoelektrickými vstřikovači benzinu pro středotlaký CR s časováním podle potřeby rozděleným; • případně variabilním kompresním poměrem. Výhoda: • nepotřebuje (?) katalytické ošetření výfukových plynů; • nevýhoda: nízké teploty výfuku, přechod do vyšších zatížení může zastihnout nepřipravený katalyzátor.

35. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování - CI Heterogenní směsi nafta/vzduch – trade-off saze/NOx • preference sazí a DPF, problematická regenerace filtru, vysoká spotřeba paliva • preference NOx a SCR (obsah S znemožní NOx trap), navíc přídavné činidlo – roztok močoviny, nízká spotřeba paliva • kombinace

36. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování – CI – technické prostředky Heterogenní směsi nafta/vzduch – trade-off saze/NOx • akumulační vstřikování CR umožňuje velmi pružné změny strategie tvoření směsi. • Pricipy budou ještě vysvětleny později.

37. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování:Úprava výfukových plynů po difúzním plameni se sazemi • Chudá směs – adsorpce NOx s občasnou redukční regnerací po krátkém přechodu na bohatou směs. V palivu nesmí být S a mnoho sazí, tedy nevhodné pro naftu. • Selektivní katalytická redukce pomocí NH3 (SCR); amoniak připravován hydrolýzou močoviny. • Filtrace částic vznětových motorů (DPF).

38. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování – CI DPF: Úprava výfukových plynů po difúzním plameni se sazemi – filtry částic (DPF) s různou regenerací • katalytický efekt na povrchu filtru, • dostatečně vysoká teplota spalin (možnosti využití CR vstřikování s dostřikem do expanze), • podpora tvorby NOx (možnosti využití CR vstřikování s velkým předstihem a snížením přebytku vzduchu + oxidační katalyzátor), • oxidační činidlo přidané do paliva.

39. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování:Úprava výfukových plynů – SCR • SCR umožňuje podstatně snížit měrnou spotřebu paliva za cenu tankování přídavného činidla; • SCR vyžaduje přípravu amoniaku, jeho dávkování podle obsahu NOx proti úniku NH3 a malou tvorbu N2O (skleníkový efekt); • nesmí být citlivá na částice a síru v palivu; • musí – zejména u osobních vozů – reagovat rychle v ohřívací fázi; • uspořádání systémů zatím nejsou ustálena s ohledem na řazení oxidačního katalyzátoru (případně dokonce adsorbéru NOx a pořadí SCR – DPF (pokud filtr použit).

40. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování:Úprava výfukových plynů – SCR • uspořádání systémů zatím nejsou ustálena s ohledem na řazení oxidačního katalyzátoru (případně dokonce adsorbéru NOx a pořadí SCR – DPF (pokud filtr použit), zejména pro osobní vozy; • u autobusů zatím – Euro 4 – buď DPF nebo SCR.

41. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování:Úprava výfukových plynů – konstrukce výplně katalyzátoru • úpravy nosiče katalyzátoru z plechu pro zvýšení přestupu látky (zvýšená turbulence, omezení tloušťky mezní vrstvy jejím opakovaným vytvářením); • komunikace mezi kanálky pro zlepšené využití povrchu katalyzátoru • lze použít pro odstranění ostřiku jen části vstupního průřezu katalyzátoru po odtržení proudu ve vstupním hrdle, • zde příklad pro rozvádění vstřikovaného paprsku roztoku močoviny).

42. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování - CI Heterogenní směsi nafta/vzduch • snížení kompresního poměru; • velká recirkulace při nízkých zatíženích; • přechod na HCCI při nízkých zatíženích. To je umožněno: • piezoelektricky řízenými velmi rychlými vstřikovači CR s mnoha otvory, v budoucnosti více jehel; • variabilním časováním ventilů VVT a VVA; • variabilním kompresním poměrem.

43. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování Heterogenní směsi nafta/vzduch • snížení kompresního poměru; • velká recirkulace při nízkých zatíženích; • přechod na HCCI při nízkých zatíženích. To je umožněno: • piezoelektricky řízenými velmi rychlými vstřikovači CR s mnoha otvory, v budoucnosti více jehel; • variabilním časováním ventilů VVT a VVA; • variabilním kompresním poměrem.

44. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování:Úprava výfukových plynů - závěry • Produkty spalování při =1 – trojcestný (oxidačně redukční katalyzátor). • Chudá směs – adsorpce NOx s občasnou redukční regnerací po krátkém přechodu na bohatou směs. V palivu nesmí být S, tedy nevhodné pro naftu. • Selektivní katalytická redukce pomocí NH3 (SCR); amoniak připravován hydrolýzou močoviny. • Filtrace částic vznětových motorů (DPF). • Další okolnosti – např. vliv ohřívací fáze, vliv stárnutí katalyzátoru, možnosti OBD atp.

45. Spalování, emise a moderní trendy v jejich omezování - budoucnost HCCI pro CI – např. NADI (narrow angle direct injection) Heterogenní směsi benzin/vzduch?