22 let na trhu autoopravárenství

EMISE – věc veřejná

20Pokračování článku najdete v 3. vydání časopisu AutoEXPERT 2016.

Emise – věc veřejná 1

 

Jedním z přednášejících na letošním Diagnostic CONU byl i Doc. Michal Vojtíšek, M.S., Ph.D. z Centra udržitelné mobility při strojní fakultě ČVUT v Praze. Pan docent se rovněž stal jedním členů správní rady nově vzniklé Asociace emisních techniků a opravářů. Jeho fakty nabitá přednáška vzbudila velkou pozornost a my jsme jej poprosili, aby na jejím základě připravil pro AutoEXPERT sérii článků.

 

 

Odhaduje se, že částice obsažené ve výfukových plynech zabíjejí stovky tisíc lidí v Evropské unii a tisíce lidí v České republice, což je zhruba desetkrát více než dopravní nehody. Stále se zpřísňující emisní limity pro nové motory byly zavedeny především pro ochranu našeho zdraví. A protože pokročilé technologie, potřebné pro dosažení nízkých emisí, jsou účinné pouze v případě, že pracují tak, jak mají, je na kvalitu jejich údržby kladen stále větší důraz.

 

 

<M>Co vzniká hořením paliva

Prakticky všechny motory jsou poháněny uhlovodíkovými palivy – benzinem, naftou, zemním plynem, zkapalněným plynem (propan-butanem, LPG), etanolem, bionaftou, tu a tam i rostlinnými oleji a různými dalšími experimentálními palivy. Při dokonalém spálení se uhlík v palivu sloučí s kyslíkem ze vzduchu a vzniká oxid uhličitý (CO2) a sloučením vodíku v palivu s kyslíkem vzniká voda (H2O). Obdobně, i když jiným způsobem, spalujeme uhlovodíky na CO2 a vodu v našem těle. V případě lidské stravy a biopaliv jde o přírodní koloběh uhlíku, protože do atmosféry vracíme pouze CO2 a vodu, které rostliny při svém růstu odebraly, aby fotosyntézou uhlovodíky vytvořily. V případě fosilních paliv však přidáváme do atmosféry CO2, který tam zůstává, a postupně se zvyšuje jeho koncentrace. CO2 pohlcuje tepelné záření a čím více je ho v atmosféře, tím hůře se naše planeta „chladí“ vyzařováním tepla do vesmíru a otepluje se. A tak jako i malé přidání plynu může způsobit vykypění polévky po celém sporáku, i malé navýšení teploty pořádně přidá energii vzdušným masám, což vede k častějším a silnějším extrémům (sucha, horka, mrazy, deště, větry a podobně).

Není-li při spalování dostatek kyslíku, místo CO2 může vzniknout CO (oxid uhelnatý), a je-li kyslíku ještě méně, vznikají různé uhlovodíky. Při extrémním nedostatku kyslíku se pak, stejně jako při výrobě dřevěného uhlí, oddělí vodík a téměř čistý uhlík tvoří částice černých sazí. Ačkoliv naftové motory prakticky vždy pracují s přebytkem vzduchu, a tedy s dostatkem kyslíku, vlastní hoření probíhá blízko povrchu kapiček nafty letících spalovacím prostorem ve válci, a uvnitř kapiček vzduch není. Stihne-li se však kapička zcela odpařit a smíchat se vzduchem, většina takto vzniklých částic shoří ještě během spalování. Tímto mechanismem vznikají částice i u zážehových motorů s přímým vstřikem, pokud je palivo vstřikováno relativně pozdě a nestačí se odpařit a smíchat se vzduchem. Částice vznikají také nedokonalým spálením motorového oleje a v menší míře otěrem částí motoru (například pístních kroužků a stěn válce). Částice produkují i benzinové a plynové motory se vstřikem do sání, pokud jsou provozovány s přebytkem paliva (bohatá směs).

PRO ZLOM: SEM OBR 1

<M>Zabiják číslo jedna: částice PRO ZLOM: SEM OBR 2

Částice jsou velmi malé, převážně o průměru jednotek až desítek nanometrů. Pokud je jich mnoho, shlukují se do větších aglomerátů, a jakmile dorostou do velikosti vlnové délky viditelného světla (stovky nanometrů) nebo větší, jsou vidět okem jako černé saze. Pro porovnání – lidský vlas má průměr desítek tisíc nanometrů (to jest desítek mikrometrů nebo setin milimetru), a zvětšíme-li jej do velikosti vlaku, budou v tomto měřítku částice velké jako zrnka máku, hrášky, fazole až třešně, jejich shluky viditelné okem budou velké jako mandarinky až grapefruity a prach odvátý větrem z pole bude jako melouny.

Částice o velikosti desítek nanometrů se velmi špatně filtrují. Větší částice jsou těžké a spadnou na zem, velmi malé částice poletují a zachytávají se na povrchu. Ze všech velikostí vdechnutých částic mají právě částice o velikosti desítek nanometrů největší pravděpodobnost zachycení v plicních sklípcích a odtud poměrně účinně pronikají buněčnou membránou, která větší částice nepropustí, do krevního oběhu. Na tyto částice jsou navázané různé organické látky, například rakovinotvorný benzo(a)pyren. Částice ve výfukových plynech vznětových motorů byly deklarovány jako rakovinotvorná látka a například dlouhodobý pobyt v blízkosti frekventovaných silnic byl v mnoha studiích spojen s vyšším rizikem astmatu a dalších onemocnění dýchacích cest, infarktu myokardu, onemocnění nervové soustavy nebo poškození genetické informace.

PRO ZLOM: SEM OBR 3

 

<M>Zabiják číslo dvě: oxidy dusíku

Z hlediska zdravotního rizika jsou částice na prvním místě, na druhém jsou oxidy dusíku (NOx), konkrétně oxid dusnatý (NO) a dusičitý (NO2). NO vzniká z dusíku přítomného ve vzduchu za vysokých teplot ve spalovacím prostoru. NO se v atmosféře a v některých typech oxidačních katalyzátorů používaných u naftových motorů přeměňuje na dráždivý červenohnědý oxid dusičitý (NO2). Za přítomnosti organických látek a slunečního záření se oxidy dusíku podílejí na tvorbě troposférického ozonu, který reaguje s organickými látkami (používá se například k bělení papíru nebo k dezinfekci vody) a poškozuje například sliznice.

 

<M>Snižování emisí

Emise částic se daří snižovat dokonalejším spalováním díky pečlivě navrženým tvarům spalovacích prostorů, geometrii a časování vstřikování paliva, regulaci dávky paliva, snížení spotřeby motorového oleje, u zážehových motorů regulací stechiometrického poměru palivo-vzduch (při daném množství vzduchu protékajícího motorem není ani přebytek paliva, ani přebytek vzduchu), u vznětových motorů vyššími vstřikovacími tlaky a dalšími opatřeními.

PRO ZLOM: SEM OBR 4

 

<M>Filtry částic

V posledních desetiletích se velmi významným pomocníkem stal filtr pevných částic, vyrobený z porézní keramiky, například karbidu křemíku. Filtr má podélné kanálky, které jsou zaslepeny střídavě na jednom nebo na druhém konci. Jednou polovinou kanálků přitékají výfukové plyny, prochází porézní stěnou do jednoho ze sousedních kanálků a vytékají jimi ven. Na povrchu porézní stěny se částice zachytávají stejně jako sněhové vločky na mříži od kanálu – jakmile se vytvoří vrstva částic, zachytává i ty nejmenší částice.

 

<M>Regenerace filtru částic

Většina nachytaných částic se průběžně nebo pravidelně při vysoké teplotě výfukových plynů spálí (tento proces se nazývá regenerace filtru), malé množství otěru z motoru, popele z paliva a motorového oleje, minerálního prachu, který prošel filtrem vzduchu, a další nespalitelné zbytky ve filtru zůstávají a musí se pravidelně odstranit. Ve většině případů stačí k odstranění nespalitelných zbytků profouknutí vzduchem ve speciálním zařízení, případně prohřátí v peci na teplotu kolem 650 °C, kdy shoří uhlíkaté látky. Mnohé nové filtry mají částečnou samočisticí schopnost, kdy nespalitelné částice postupně procházejí póry stěny a odcházejí s výfukovými plyny.

Protože teplota výfukových plynů u vznětových motorů málokdy dosahuje 550–650 °C, kdy samovolně hoří saze, některé systémy využívají NO2, produkovaný v oxidačním katalyzátoru, který je reaktivnější a spaluje částice při teplotě o dvě stě a více stupňů nižší. Jiné systémy využívají katalyzátor, buď oxidy železa nebo ceru vznikající spalováním speciální přísady do paliva, nebo tenkou katalytickou vrstvu nanesenou přímo na povrchu filtru. I přes průběžné snižování teplot regenerace je stále potřebné dosahovat teplot výfukových plynů, dle typu a provedení katalyzátoru, 250–400 °C, což může být problematické u motorů pracujících na zlomkový výkon, například je-li automobil využíván ke krátkým pomalým pojížďkám po městě (pro udržení padesátikilometrové rychlosti jsou třeba pouze 2–3 kW, pro pojezd v koloně ještě méně). Proto pokud se filtr delší dobu neregeneruje, dochází k tzv. aktivní regeneraci, kdy se teplota výfukových plynů zvýší spalováním paliva před filtrem – mnohdy je toto palivo dodáno vstřikovači v pozdní fázi expanze, kdy již nestačí shořet ve válci a dohořívá v oxidačním katalyzátoru. Zatímco při vstřiku paliva blízko horní úvrati je vstřikovač obklopen prohlubní v pístu, vstřikováním paliva v pozdní fázi expanze zpravidla dochází k ulpívání paliva na odkrytých stěnách válce a pronikání paliva do motorového oleje. Je-li jako palivo používána bionafta nebo rostlinné oleje, tyto se z motorového oleje neodpaří a za vyšších teplot a přítomnosti kyslíku a katalyzátoru ve formě kovových částeček (všem těmto podmínkám je motorový olej vystaven) postupně degradují, a není-li olej dostatečně často měněn, zprvu pomalu a následně velmi prudce se zvyšuje jejich viskozita, což může vést k „zalepení“ a zadření motoru.

 

<M>Vznětovým motorům svědčí těžší nasazení PRO ZLOM: SEM OBR 5

 

Z uvedeného je zřejmé, že vznětové motory s filtrem částic jsou výbornou a osvědčenou technologií pro „průmyslová“ těžká vozidla, která jsou provozována intenzivněji a při vyšších zatíženích motoru, zatímco pro rodinné automobily, vystavené častým studeným startům a krátkým pojezdům po městě, je úspěšné zvládnutí této technologie náročnější. Lze si též logicky odvodit, že provoz motoru s nedostatečným filtrem vzduchu, motorovým olejem nebo palivem s velkým obsahem nespalitelných zbytků, jakákoli závada vedoucí k nadměrné produkci částic a jakýkoli jiný zásah do motoru vedoucí k nadměrné produkci částic (například neodborné „seřizování“ motoru na vyšší výkon bez ošetření produkce částic) povedou k rychlému zanášení filtru a následným problémům. Problémy s filtrem částic jsou tak zpravidla druhotné a následkem jiného problému.

 

Pokračování příště

 

POPISKY OBR:

Obr. 1:

Na motory jsou dnes kladeny mnohem přísnější požadavky než na jakékoli stacionární spalovací zdroje emisí, například lokální topeniště.

 

Obr. 2:

Výsledky reálného měření koncentrace částic u školy. Takovéto vysoké koncentrace jsou způsobeny tím, že rodiče ráno posadí děti do nezahřátého vozidla a pak je na krátkou vzdálenost vezou ke škole.

 

Obr. 3:

Výsledky měření emisí pevných částic nákladního vozu.

 

Obr. 4:

Filtr pevných částic se v posledních desetiletích stal velmi významným pomocníkem.

 

Obr. 5:

Provozování vozidel bez filtrů pevných částic lze bohužel nazvat doslova „Česká cesta“. Jak vypadá vnitřek výfukového potrubí vozu bez filtru částic provozovaného při nízkých zatíženích, vidíte vpravo.

 

 

PRO ZLOM: HLASKY DO TEXTU:

 

HL 1

Většina emisí částic pochází