Znižovanie emisií motorových vozidiel

Znižovanie emisií motorových vozidiel je možné dosiahnuť viacerými technickými prostriedkami. Tento článok uvádza prehľad v súčasnosti prakticky používaných techník pre znižovanie emisií hlavne spaľovacieho motora.

Znižovanie emisií vznetových motorov

Emisie výfukových plynov je možné ovplyvniť:

1. konštrukčnými úpravami motora:
   • konštrukcia piestovej skupiny
   • znižovanie vírenia náplne, optimalizácia rozvírenia náplne (swirl – tumble)
   • zvyšovanie kompresného pomeru
   • nové koncepcie spaľovacieho priestoru
   • zmenšovanie prierezu dýzy
   • optimalizácia polohy vstrekovačov
2. úpravami prevádzkových podmienok motora:
   • zvyšovanie množstva náplne na zdvih
   • znižovanie teploty náplne
   • optimalizácia zákona vstreku
   • zvyšovanie vstrekovacieho tlaku
   • využívanie žeraviacich sviečok aj pri čiastočnom zaťažení
   • optimalizácia teploty katalyzátora a filtrov
3. využitím prídavných zariadení a elektronických systémov:
   • riadená recirkulácia výfukových plynov (EGR)
   • vývoj a aplikácia DENOX katalyzátora
   • oxidačné katalyzátory
   • filtrácia výfukových plynov
   • elektronické riadenie vstrekovania
4. úpravou vlastností palív:
   • zvýšenie cetánového čísla paliva
   • znižovanie podielu uhlíka v uhľovodíkových palivách
   • znižovanie obsahu síry v palive
   • znižovanie obsahu polycyklických aromatických uhľovodíkov v palive

Emisie hluku priaznivo ovplyvňuje:

• zvyšovanie kompresného pomeru
• znižovanie prierezu dýzy
• zvyšovanie množstva náplne na zdvih
• znižovanie vstrekovacieho tlaku
• riadená recirkulácia výfukových plynov (EGR)

Znižovanie emisií zážihových motorov

Emisie výfukových plynov je možné ovplyvniť:

1. konštrukčnými úpravami motora:
   • variabilné časovanie ventilov (VVT)
   • zmenšenie trecích strát
   • priamy vstrek paliva (GDI), (OCP)
   • nekonvenčné koncepcie spaľovania
   • variabilný kompresný pomer
   • viacventilové hlavy valcov
2. úpravami prevádzkových podmienok motora:
   • zrýchlené zahrievanie
   • optimalizácia vstrekovania paliva
3. využitím prídavných zariadení a elektronických systémov:
   • katalyzátorová technika
   • riadená recirkulácia výfukových plynov (EGR)
   • On-Board Diagnostics (OBD II)
   • regulácia vypínaním valcov (CDA)

Znižovanie iných emisií vozidiel

Vo vozidlách poháňanými ľahkoodpariteľnými palivami sa využíva v palivovom systéme zapojený:

• systém odvetrania palivovej nádrže

Pôsobenie vybraných faktorov

Konštrukcia piestovej skupiny

Významný podiel na emisiách pevných častíc majú zvyšky mazacieho oleja ktoré sa dostávajú do spaľovacieho priestoru a zúčastňujú sa spaľovania. Optimalizáciou piestovej skupiny z hľadiska tesniacich vlastností, sa dosiahne zlepšenie emisií pevných častíc pri súčasnom znížení spotreby mazacieho oleja.

Znižovanie vírenia náplne

Znižovanie vírenia náplne u vznetových motorov zmenšuje makroskopický prenos paliva do zmesi a prenos nespálených oblastí zmesi do zóny plameňa. Následkom týchto javov dochádza k predlžovaniu času spaľovania, jeho posunu do expanzného zdvihu a zníženiu maximálnych teplôt vo valci, s účinkom na znižovanie emisií NO_x. Pri prechode na vyššie vstrekovacie tlaky menšie vírenie zmenšuje deformáciu palivového lúča a predchádza tak opätovnému zoskupovaniu atomizovaného paliva do oblastí s bohatou zmesou neumožňujúcou jeho dokonalé spálenie. Pôsobí preto súčasne aj na znižovanie emisií pevných častíc a CO.

Zvyšovanie kompresného pomeru

Zvyšovanie kompresného pomeru vznetových motorov spôsobuje zvýšenie tlakov a teplôt v spaľovacom priestore na začiatku vstrekovania. Následkom toho sa skracuje prieťah vznietenia a množstvo kineticky spaľovaného paliva. V oblasti čiastočných a vysokých zaťažení uvedený efekt spôsobuje zníženie emisií NO_x a hluku. Vplyvom zmenšeného dohorievania sa znižujú aj emisie pevných častíc. So zvýšenou účinnosťou sa tiež zlepšuje spotreba paliva. K miernemu zhoršeniu NO_x vo voľnobežnom režime dochádza vplyvom vyššieho tepelného stavu motora, ktoré prevýši v tomto režime priaznivý účinok skrátenia prieťahu vznietenia.

Zvyšovanie množstva náplne na zdvih

Zvyšovanie množstva náplne na zdvih sa prakticky dosahuje preplňovaním. Z hľadiska emisií škodlivín a hluku má podobný učinok ako zvyšovanie kompresného pomeru.

Zmenšovanie prierezu dýzy

Zmenšovanie prierezu dýzy vedie k zvýšeniu prietokovej rýchlosti pri rovnakom čase vstrekovania a rovnakej dávke paliva a tým k lepšej atomizácii paliva. To má za následok zníženie emisií pevných častíc pri miernom zvýšení emisií NO_x. Pri súčasnom predĺžení doby vstrekovania má vplyvom menšieho množstva paliva spaľovaného v druhej fáze priaznivé účinky aj na znižovanie NO_x a hluku.

Optimalizácia polohy vstrekovačov

Pri stenách spaľovacieho priestoru dochádza k spomaleniu prípravy zmesi vplyvom nižšej teploty. Nedostatočne pripravená zmes pri následnom horení a dohorievaní nezhorí dokonale a vznikajú pevné častíce. Pri vhodnej polohe dopadá minimum vstreknutej dávky paliva na chladné steny spaľovacieho priestoru, čo zlepšuje ich emisie.

Znižovanie teploty náplne

Znižovanie teploty náplne pôsobí priaznivo na dosiahnutie nižšieho tepelného stavu motora a tým nižších maximálnych teplôt a spomaleniu rýchlosti kinetického spaľovania. Následkom pomalšieho vývinu tepla sa zlepšujú emisie NO_x. Znižovanie teploty ale súčasne predlžuje prieťah vznietenia a tým aj množstvo paliva ktoré je dostatočne pripravené pre druhú fázu spaľovania. Keďže tieto dva mechanizmy pôsobia protichodne, existuje optimálna teplota pri ktorej má priebeh NO_x minimum (30 °C). Znižovanie teploty spôsobuje, pri nezmenenej dávke paliva, vplyvom väčšej hustoty vzduchu ochudobnenie zmesi, čo priaznivo vplýva na emisie sadzí. Pri čiastočnom a vysokom zaťažení prevláda kladný efekt znižovania teploty náplne, pri nízkom záporný.

Optimalizácia vstrekovania

• Pre motory pracujúce s λ=1 riadením a trojcestným katalyzátorom je dôležité dodržať optimálne zloženie zmesi v každom prevádzkovom režime pre dosiahnutie vysokej účinnosti katalytickej premeny. V prechodových režimoch najmä pri akcelerácii, štarte, náhlom zvýšení záťaže vo voľnobehu, dochádza vplyvom rôzneho dopravného oneskorenia na vzduchovej a palivovej ceste k zmenám zloženia zmesi. Preto je nevyhnutné v uvedených režimoch optimalizovať vstrekovacie algoritmy riadiacej jednotky s využitím moderných poznatkov teórie riadenia.
• Pre motory s priamym vstrekom je nevyhnutné optimalizovať najmä časovanie vstreku paliva, ktoré výrazne závisí od otáčok (vírenie náplne) a zaťaženia motora. Tieto motory pracujú prevažne s veľmi chudobnou zmesou, ktorá pri dostatočnej homogenizácii nie je schopná zapálenia. Úlohou optimálneho časovania je dosiahnuť v okolí elektród sviečky mierne bohatú zmes v okamihu preskoku iskry. Ďalej je potrebné optimalizovať tvar lúča veľkosť kvapiek a časový priebeh dodávky paliva. Pri týchto motoroch je k dispozícii veľmi krátky čas na prípravu zmesi, preto hrozí riziko nedokonalého spaľovania a zvýšenia produkcie CO a CH_x. Optimalizácia vstrekovania má uvedený jav eliminovať.

Úprava vstrekovacieho tlaku

Vstrekovací tlak pôsobí protichodne na emisie škodlivín a hluku.

So zvyšovaním vstrekovacieho tlaku (140 – 180 MPa) sa dosahuje lepšia atomizácia paliva, potrebná pre dobrú prípravu zmesi. Dobre pripravená zmes sa spaľuje pri menších emisiách pevných častíc. Súčasne ale dochádza k zrýchleniu spaľovania, ktoré mierne zhoršuje emisie NO_x a zvyšujú sa tiež emisie hluku.

Naopak znižovanie vstrekovacieho tlaku vplýva na zhoršenie prípravy zmesi, následne sa spomaľuje rýchlosť spaľovania s priaznivým vplyvom na emisie NO_x a emisie hluku.

Zmenšovanie trecích strát

Zmenšovanie trecích strát zvyšuje mechanickú účinnosť, čo má za následok zvýšenie celkovej účinnosti, zníženie spotreby paliva a tým zníženie produkcie všetkých sledovaných emisií. Z tohto hľadiska sú v nevýhode motory s viacventilovou technikou, ktoré vzhľadom na vyšší počet trecích dvojíc v rozvode majú vyššie trecie straty. Perspektívnym riešením pre znižovanie trecích strát je zavedenie nemechanických rozvodov (elektromagnetické, pneumatické, hydraulické prípadne ich kombinácia). .

Viacventilové hlavy valcov

Využitie viacventilovej techniky:

1. zlepšuje plniacu účinnosť motora v každom prevádzkovom režime. Rovnaký výkon je možné dosiahnuť pri nižších otáčkach, a teda nižších mechanických stratách piestovej skupiny a rotačných častí.
2. znižuje prietokové odpory plniaceho aj výfukového traktu čím znižuje veľkosť práce potrebnej na výmenu náplne

Oba javy priaznivo vplývajú na zvýšenie učinnosti, následkom čoho sa zníži spotreba paliva a tým produkcia všetkých škodlivín. Na začiatku spaľovania sa dosahujú vyššie tlaky a zmes obsahuje menej zvyškových spalín, čo priaznivo pôsobí na rýchlosť a kvalitu spaľovania. Dokonalejšie spaľovanie vytvára menej CH_x a CO pri miernom zvýšení podielu N0_x.

Zrýchlené zahrievanie motora

Hlavnou úlohou zrýchleného zahrievania motora je odstránenie studených štartov. Pracuje sa najmä na vývoji tepelných zásobníkov, ktorých úlohou je akumulovať teplo počas prevádzky motora a toto teplo odovzdať počas studeného štartu .

• Zahrievanie pracovného priestoru motora zmenšuje množstvo dohorievaného paliva a znižuje emisie CH_x.
• Zahrievanie sacieho potrubia pri motoroch s nepriamym vstrekom zlepšuje prípravu zmesi, znižuje množstvo paliva obsiahnutého v palivovom filme, pri miernom znížení plniacej účinnosti, čo priaznivo pôsobí na obmedzenie emisií CH_x a CO.
• Zahrievanie olejovej náplne znižuje trecie straty a cez zvýšenie efektívnej účinnosti znížuje spotrebu paliva a pôsobí priaznivo na všetky sledované emisie.

Zdroje

• Seiffert U.:ENVIRONMENT: Continous challenge for automobile R * D. International Seminar on Application of Powertrain and Fuel Technologies to Meet Emissions Standards.24 – 26 jún 1996, Londýn.
• Zelenka P., Kriegler W., Herzog P.L., Cartellieri W.P. : Ways Toward the Clean Heavy-Duty Diesel. SAE paper 900602. International Congress and Exposition, Feb.1990.(in) Diesel Particulate Emissions: Measurement Techniques, Fuel Effects and Control Technology PT-42, (ed.) Johnson J.H., SAE, Inc Warrendale, PA USA,1992.
• Zelenka P., Burgler L., Herzog P.L., Winklhofer E., Cartellieri W.P. : NOx Reduction Strategies for DI Diesel Engines. SAE paper 920470. International Congress and Exposition, Feb.1992.(in) Diesel Particulate Emissions: Measurement Techniques, Fuel Effects and Control Technology PT-42, (ed.) Johnson J.H., SAE, Inc Warrendale, PA USA,1992.