Transcript Emise, biopaliva - Kiwi.mendelu.cz

Emise spalovacích
motorů
1
Výfukové plyny obsahují:
neškodné látky - dusík N2
kyslík O2
vodní páry H2O a inertní plyny např. Argon
„oxid uhličitý CO2“
 škodlivé látky - oxid uhelnatý CO
oxidy dusíku NOx,
nespálené uhlovodíky HC
oxid siřičitý SO2 a pevné částice
2
 Oxid uhličitý CO2
 bezbarvý, málo reaktivní stabilní plyn
produktem dokonalé oxidace paliva – vzniká slučováním
uhlíku s kyslíkem
 při koncentracích 8-10% ve vzduchu pro člověka nebezpečný
 řadí se k tzv. skleníkovým plynům
 není administrativně limitován
slouží jako souhrnný diagnostický signál – slouží jako měřítko
pro kvalitu spalování, vypovídá o těsnosti
výfukové soustavy, činnosti
katalyzátoru atd.
3
 Oxid uhelnatý CO
 bezbarvý, bez chuti a zápachu
vysoce toxický – váže se rychle na hemoglobin a tím blokuje
okysličování krve
produktem nedokonalé oxidace paliva – vzniká při spalování s
nedostatkem kyslíku
vzniká i při spalování s vysokým přebytkem vzduchu díky
zpožděnému nebo málo aktivnímu spalování s nízkou reakční
rychlostí zejména na ochlazovaných stěnách a ve zhášecích
zónách
v atmosféře oxiduje na oxid uhličitý
slouží jako souhrnný diagnostický signál
4
 Nespálené uhlovodíky HC
 vysoce toxické - karcinogenní a mutagenní
 jsou částmi nespáleného paliva
tvořeny – nasycenými, nenasycenými a polycyklickými
aromatickými uhlovodíky, dále např. aldehydy atd.
podmínky vzniku jako u emisí CO (produktem nedokonalé
oxidace paliva)
vzniká i v oblasti chudých směsí (dochází k výpadkům
zapalování a ke zpožděnému nebo málo aktivnímu spalování)
vzniká i v místech kam se plamen nemůže dostat a při
uhasínání plamene u chladných stěn SP
vyšší podíl ve výfukových plynech poukazuje na energickou
ztrátu
5
 Oxidy dusíku NOX
 vznik: při vysokých teplotách v oblasti chudých směsí
při vysokých tlacích
 podmínky vzniku: A) vysoké teploty, které aktivují reakci
pomalu reagujícího dusíku ze vzduchu
B) volný kyslík, který už nemůže reagovat s
uhlíkem a vodíkem
tvoří je zejména - oxid dusnatý NO, oxid dusičitý NO2, oxid
dusný N2O, oxid dusičný N2O5
 podporují tvorbu smogu, ozónu a kyselých dešťů, u člověka
omezují jeho plicní funkce
6
 Pevné částice
 vznikají při nedokonalém spalování bohatých směsí, při
lokálním nedostatku kyslíku nebo při rychlém ochlazování
spalin
 tvoří je – saze – jádro tvořené uhlíkem
uhlovodíky – které jsou kondenzované, či
absorbované na saze
sulfáty, produkty tepelné degradace oleje, prach,
popel, části koroze a otěrové částice
řazeny do rakovinotvorných látek
 u vznětových motorů 3x větší produkce než u zážehových –
důvodem – krátká doba pro přípravu směsi - pro její
homogenizaci – lokální nedostatek i přes vysokou hodnotu
lambda)
Pokud nemá studené palivo dostatek času pro smísení s
horkým vzduchem, nedochází k reakci oxidační, nýbrž k reakci
krakovací (rozklad řetězců uhlovodíku a odštěpení uhlíku).
Čistý uhlík chemicky reaguje jen velmi pomalu a pro jeho
spálení není dostatek času – důvod tvorby sazí
7
 Součinitel přebytku vzduchu a škodlivé
emise u zážehového motoru
8
 Součinitel přebytku vzduchu a škodlivé
emise u vznětového motoru
9
 činitelé ovlivňující vznik škodlivých emisí
 druh použitého paliva
volba nastavení systému přípravy směsi
předstih zapalování
homogenita směsi
konstrukce motoru
způsob provozování motoru
10
Opatření ke snížení škodlivin
Zážehové motory
-ovlivnění směšovacího poměru a tvorba směsi, tzv. opatření před
motorem
-ovlivnění průběhu spalování, tzv. opatření u motoru
-dodatečná redukce škodlivin, tzv. opatření za motorem
Opatření ke snížení škodlivin
Katalyzátor
Oxidace
2CO + O2  2 CO2
HC + (m+n/4) O2  mCO2 + n/2 H2O
2 H2 + O2  2H2O
Redukce
2 CO + 2 NO  2 CO2 + N2
2 NO + 2 H2  N2 + H2O
HC + 2(m+n/4) NO  (m+n/4) N2 + n/2 H2O + m CO2
- Lambda sonda snižuje
emise až o 99%
-Řídí směs vzduchu a
paliva, aby zajistila
optimální práci
katalyzátoru
-Ušetří až 15 % nákladů na
palivo ročně
-Optimalizuje výkon
motoru
-Vyloučí nákladnou
výměnu poškozeného
katalyzátoru
 Zásobníkový katalyzátor
13
Opatření ke snížení škodlivin
Vznětové motory
-přívod vzduchu a tvorba směsi, tzv. opatření před motorem
-ovlivnění průběhu spalování, tzv. opatření u motoru (dělený vstřik,
EGR,…)
-dodatečná redukce škodlivin, tzv. opatření
-za motorem.(kat. oxidační, filtr,SCR)
15
16
Alternativní paliva
Rozdělení paliv pro spalovací motory
Ropný plyn LPG
• Směs propanu a butanu
• Za normálního klimatu plynný
• Nízký tlak zkapalnění
Ropný plyn LPG
• Palivová soustava pro LPG
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
a - tlaková nádrž
b - plnící koncovka
c - multiventil
1 - řídící jednotka
2 – vstřikovací ventily
3 – elektromagnetický
ventil LPG
4 – výparník
5 – chladící systém
motoru
6 – sací potrubí
7 – přepínač
8 – snímač tlaku
Ropný plyn LPG
• Výhody LPG
–
–
–
–
vyšší výhřevnost
vysoká antidetonační odolnost
možnost dosažení lepší homogenity směsi
nižší výfukové emise ve všech sledovaných složkách (zejména u
karburátorových motorů)
– vyšší ekonomičnost
– nižší hlučnost a klidnější chod motoru
– větší akční rádius (kombinovaný pohon plyn a benzin)
Ropný plyn LPG
• Nevýhody
– řidší síť čerpacích stanic LPG
– zvýšení hmotnosti automobilu (snížení užitečné hmotnosti
automobilu)
– zmenšení zavazadlového nebo užitkového prostoru
– přísnější bezpečnostní podmínky např. při parkování, opravách
atd.
– nutnost absolvovat pravidelné kontrolní prohlídky
– nižší výkon při přestavbě
Zemní plyn CNG a LNG
• CNG (Compressed Natural Gas)
– Stlačený na 20 MPa
– Energetická hustota 4 -5 krát menší než kapalná paliva
• LNG (Liquified Natural Gas)
– Kryogenní nádrže tlak 0,15MPa, teplota -162°C, 600x menší
objem, výhřevnost 22 MJ/l
– V ČR se nepoužívá
Zemní plyn CNG a LNG
• Palivový systém
Zemní plyn CNG a LNG
NOx
CO
HC
PT
CH4
g/kWh
g/kWh
g/kWh
g/kWh
g/kWh
Motor na naftu
13,4
4,6
5,9
0,3
-
Motor na zemní plyn
2,9
0,3
0,03
0,06
2,7
• Výhody CNG
– menší produkce nejen sledovaných složek výfukových plynů,
ale i dalších škodlivých látek včetně oxidu uhličitého
– Vnitřní části nejsou zaneseny karbonovými úsadami
– menší náklady na pohonné hmoty
– lepší tvorba spalované směsi a s tím související rovnoměrnější
chod motoru, provoz s přebytkem vzduchu
– tišší chod motoru
– snazší startovatelnost zejména za nízkých teplot
– u dvoupalivových systémů větší akční rádius
– vyšší bezpečnost díky vyšší zápalné teplotě oproti benzinu a
velice odolným tlakovým nádržím
– jednoduchá distribuce k uživateli již existujícími plynovody
Zemní plyn CNG a LNG
• Nevýhody CNG
– nedostatečná infrastruktura, zejména malý počet čerpacích
stanic
– vyšší pořizovací náklady na vozidlo (přestavba)
– zhoršení stávajícího komfortu v důsledku zmenšení
zavazadlového prostoru
– zvýšení hmotnosti vozidla a tím snížení užitečného zatížení
– snížení výkonu motoru (u dodatečných přestaveb)
– zpřísněná bezpečnostní opatření při parkování a opravách
– při pohonu pouze na CNG menší akční rádiu
Bionafta 1.generace - MEŘO
Bionafta 1.generace - MEŘO
• Výhody MEŘO
–
–
–
–
obnovitelný zdroj energie
snížení kouřivosti
neobsahuje síru
snížení obsahu CO a HC ve spalinách
• Nevýhody MEŘO
–
–
–
–
–
–
pokles výkonu asi o 4%
zvýšení měrné spotřeby
mírné zvýšení emisí NOx
zvýšená tvorba úsad v motoru – vznik látek polymerní povahy
rychlejší znehodnocování motorového oleje
agresivní chování vůči pryži
Bionafta 2. generace
• Směsné palivo 31% MEŘO
• Aditiva
– detergenty s označením FIC (Fuel Injector Cleanliness) výrazně
ovlivňují čistotu trysek a tím dokonalost úhlu rozstřiku paliva a tím i
emise
– stabilizátory paliva – antioxidační aditiva – působí proti tvorbě pryskyřic
a úsad na stěnách nádrže, na sítkách čerpadla, proti tvorbě sedimentů
– protikorozní aditiva působí proti korozi jak nádrží, tak přívodních cest
ale zejména vstřikovacího čerpadla
– zlepšovače maznosti ovlivňují zejména vibrační opotřebení u rotačních
čerpadel rychloběžných vznětových motorů
– zlepšovače tekutosti paliva MDFI zlepšují zejména nízkoteplotní
vlastnosti a bod tuhnutí
– protipěnící aditiva - ANTIFOAM aditiva – zabraňují pěnění paliva při
plnění nádrže nebo cisterny a tím urychlují plnění bez čekání na opad
pěny
Bionafta 2. generace
• Výhody
–
–
–
–
obnovitelný zdroj energie
snížení kouřivosti motorů
snížení obsahu pevných částic ve spalinách
lepší biologická odbouratelnost (oproti motorové naftě)
• Nevýhody
–
–
–
–
mírné snížení výkonu motoru
mírné zvýšení měrné spotřeby
problémy s dlouhodobějším skladováním
agresivní chování vůči pryži
Etanol
• Výroba fermentací – kvašení cukernatých roztoků a
následnou destilací
• Na 1 l asi 2,8 kg obilí, z 1kg cukru – 0,65 l
• Směšovací poměr 9 : 1
• Vyšší oktanové číslo (106)– vyšší kompresní poměr
• Výhřevnost 26,9 MJ/kg
• Velké výparné teplo (příznivé ovlivnění naplnění válce
motoru – odpaření v průběhu plnícího a kompresního
zdvihu – snížení teploty)
Etanol
• Výhody
–
–
–
–
–
–
Dokonalejší a rychlejší spalování (jednodušší struktura)
dosažení vyššího výkonu
snížení emisí CO, HC, PM a NOx
snížení závislosti na ropě
tvorba pracovních příležitostí v zemědělství
možnost tvorby směsných paliv s benzínem a naftou
Etanol
• Nevýhody
–
–
–
–
korozní účinky na palivovou soustavu
agresivní chování vůči plastickým hmotám
výpary negativně ovlivňují schopnost řízení vozidla
zhoršení startovatelnosti při nízkých teplotách (zápalná teplota 425°C)
– zvýšení emisí aldehydů ve spalinách
– nutnost použití aditiv zlepšující mazací vlastnosti
– vyšší spotřeba z důsledku nižší výhřevnosti
Metanol
• Výroba ze zemního plynu, zplyněním uhlí, z biomasy (destilací z
dřevního odpadu)
• Vznětové motory doplněny pomocným zapalováním
• Vysoké oktanové číslo (105)
• Snížení emisí ve srovnání se vznětovým motorem
• Stechiometrická směs 6,5 : 1
• Použití jako směsné nebo čisté palivo
• Výhřevnost 19,7 MJ/kg
Snížení emisí
NOx
65%
CO
95%
HC
95%
PT
100%
Metanol
• Výhody
–
–
–
–
–
–
spolehlivé a široce využívané výrobní technologie
širší potenciál vstupních surovin
nižší výrobní náklady (oproti etanolu)
vyšší oktanové číslo (vyšší účinnost motoru)
vyšší účinnost spalování
nižší emise škodlivých látek
– vyšší bezpečnost při nehodě (nižší teplota hoření)
Metanol
• Nevýhody
– formaldehydový zápach při studeném startu (odstraněno
katalyzátorem)
– nižší energetická hustota – vysoká spotřeba
– toxický
– vyšší výrobní cena (oproti benzinu)
Vodík
• Akumulátor energie
• Uchování kryogenních nádržích (-253°C)
• Energetická hustota 5 kWh/kg X benzín 10kWh/kg
• Výroba
• Štěpení uhlovodíků
(ropa, zemní plyn)
• Elektrolýza vody
•
Opel Zafira, 200 palivových
článků, trvalý výkon 80
kW/109 k a maximální výkon
120 W/163 k
Vodík
• Výhody
– jediným škodlivým produktem spalování jsou NOx
– nízká spotřeba při částečném zatížení
– obnovitelný zdroj energie
• Nevýhody
–
–
–
–
nákladná výroba
menší měrný výkon motoru
těžká a objemná palivová nádrž
vodík ve směsi se vzduchem silně výbušný
Děkuji za pozornost!