SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE STROJNÍCKA FAKULTA

Transcript

1 SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE STROJNÍCKA FAKULTA Konštrukcia výfukového potrubia vznetového motora pre automobilovú aplikáciu Diplomová práca Študijný program: automobily, lode a spaľovacie motory Študijný odbor: motorové, koľajové vozidlá, lode a lietadlá Školiace pracovisko: Strojnícka fakulta STU v Bratislave Školiteľ: doc. Ing. Ján Lešinský, Csc. Konzultant: Ing. Zoltán Szamaránszky Bratislava 2009/2010 Bc. Michal Medelský

2 - 2 -

3 - 3 -

4 Čestné prehlásenie Vyhlasujem, že som záverečnú prácu vypracoval samostatne s použitím uvedenej literatúry. Bratislava, 11. júna

5 Ďakujem vedúcemu diplomovej práce doc. Ing. Jánovi Lešinskému, Csc za odbornú pomoc pri vypracovaní diplomovej práce. Bratislava, 11.júna 2010 Bc. Michal Medelský - 5 -

6 Názov práce: Konštrukcia výfukového potrubia vznetového motora pre automobilovú aplikáciu Kľúčové slová: výfuk, turbodúchadlo, AdBlue, katalyzátor, tlmič Abstrakt: V posledných rokoch došlo k výraznému obmedzeniu dovoleného množstva emisií vo výfukových plynoch u spaľovacích motorov. Súčasný trend núti výrobcov automobilov dodržiavať prísne kritéria na ochranu životného prostredia a z toho dôvodu boli výrobcovia donútení k vývoju maximálnej efektivity týchto technológií. V tejto práci aplikujem tieto poznatky pri jednom z mnohých riešení výfukového systému pre najbližšie obdobie. Title: Design exhaust system of diesel engine for automobile aplication Keywords: exhaust, turbocharger, AdBlue, catalysis, muffler Abstract: In last years cames to massive restriction allowed quantity of emission in exhaust gas. Present time force vehicle makers to observe laws about guard of living environment. Makers was forced to develop of maximal effectivity of this technologies. In this work I am using this knowledges for one of many solutions exhaust system for near future

7 Obsah Diplomová práca Úvod 8 1. História motorov 9 2. Emisie dopravných prostriedkov Výmena náplne Výfuk 4.1 Zberné potrubie EGR ventil Turbodúchadlo Čerpadlo sekundárneho vzduchu Katalyzátor AdBlue Filter pevných častíc Tlmič hluku Termoizolačná páska od firmy Thermo Tec Návrh konštrukcie Záver Použitá literatúra

8 Úvod Diplomová práca V tejto práci mám za úlohu navrhnúť výfukové potrubie vznetového motora určeného pre automobilovú aplikáciu. Po určitej úvahe som si ako modelový motor zvolil 3.0 litrový 6-valcový motor do V z dôvodu možného využitia impulzného preplňovania turbíny a jeho čoraz väčšiemu výskytu na našich cestách hlavne v automobiloch strednej triedy a SUV. Výfukový systém musí mať určité vlastnosti: - odvádzať bezpečne výfukové plyny do ovzdušia tak, aby nemohlo dôjsť k ich vniknutiu do kabíny vozidla - tlmiť hluk odchádzajúcich spalín, vrátane hluku vznikajúceho rázmi pri nepravidelnom prúdení výfukových plynov - prúd výfukových plynov behom tlmenia čo najmenej obmedzovať, aby tým nedošlo k zníženiu výkonu motora - účinne znižovať obsah škodlivých látok v spalinách na limity predpísané legislatívou Súčasti moderného výfukového potrubia vznetového motora: - zberné potrubie z hlavy valcov - turbodúchadlo - oxidačný katalyzátor - tlmič hluku - filter pevných častíc - rôzne sondy Rád by som mojou konštrukciu dosiahol splnenie noriem EURO 6 ktoré ešte len prídu do platnosti v roku

9 1. História motorov Diplomová práca Keď.ľudstvo objavilo.oheň, našli tým.spôsob, ako získať.energiu, pretože pri horení.sa uvoľňuje.teplo a svetlo. Trvalo.však 2 milióny rokov, kým.bol vynájdený.parný.stroj. Skonštruoval.ho škótsky.fyzik James Watt a.umožnil tak premeniť.tepelnú.energiu na.mechanickú, schopnú.konať prácu. Po počiatočnom.nadšení z výhod.parného stroja sa čoraz viac dostávali do.popredia.aj.jeho zjavné.nevýhody: malá.účinnosť premeny.energie paliva.a straty.v.dôsledku spaľovania paliva a prenosu energie mimo pracovný priestor motora. Za.prvý.spaľovací.motor (motor spaľujúci palivo priamo vo valci) môžeme.považovať.motor na.strelný prach.navrhnutý.holandským fyzikom Christianom Huygensom zostrojený.jeho.asistentom Denisom Papinom. Tento zanechal.svoje.pokusy kvôli.problémom so zásobovaním.motora palivom - strelným.prachom. Napriek.tomu, že prvé.prevedenie.bolo.neúspešné, samotná.myšlienka nezanikla, i keď.trvalo.viac.ako.sto rokov, kým.bola uvedená.do prevádzky. V roku 1786 si.dal patentovať.francúzsky.inžinier Philippe Lebon výrobu svietiplynu.z.dreva. Plynom vyrábaným.podľa svojho.patentu, vykuroval a osvetľoval.svoj.parížsky.byt, a čo je pre nás najdôležitejšie, poháňal ním svoj patentovaný motor. Lebonov motor bol dvojčinný zmes vzduchu a svietiplynu bola striedavo zapaľovaná na oboch stranách piestu. Napriek tomu, že jeho motor bol prakticky nepoužiteľný, naznačil ideu ktorou sa ľudstvo ďalej uberá. Neporovnateľne úspešnejšia myšlienka poháňať spaľovací motor skôr plynom ako tuhým palivom bola ďalej zdokonaľovaná. Belgičan Jean Joseph Etienne Lenoir a Nemec Nikolaus August Otto nezávisle na sebe skonštruovali malý, ľahký, úsporný a kdekoľvek použiteľný spaľovací motor. Stal sa ideálnym pomocníkom malých remeselníkov a výrobcov, ktorý si nemohli dovoliť v tej dobe drahší parný stroj

10 Tam, kde nebola možnosť použitia svietiplynu z plynárne, vyrábal sa plyn pre pohon motora priamo na mieste v generátore (z dreva, uhlia, koksu). Tento stabilný motor sa však nehodil pre mobilné stroje. Koncom 18. storočia sa vďaka zdokonaleniu výroby železa a ocele začali vyrábať výkonnejšie a spoľahlivejšie parné stroje. Významným objavom bola parná turbína, zásluhou najmä švédskeho fyzika C.G. Lavala a angličana Ch. Parsonsa. O niekoľko desaťročí sa začali vedci zaujímať o spaľovacie (plynové) motory. Prvým priekopníkom týchto strojov bol Jean Lenoir, Nikolaus August Otto ho zdokonalil a dostal naň patent v roku 1886.Neskôr sa začal používať praktickejší benzínový a neskôr naftový motor (skonštruoval ho Rudolf Diesel). Rozšírenie spaľovacieho motora v doprave bolo podmienené až vynálezom karburátora. Vynašiel ho roku 1887 Nemec Gottlieb Daimler. Týmto krokom sa spaľovací motor dostal do ďalšej etapy svojho vývoja. Druhým významným vynálezcom tejto etapy je taktiež Nemec Karl Benz. Približne v rovnakej dobe ako Daimler zostrojil spaľovací motor, poháňaný zmesou petroleja a vzduchu. Gottlieb Daimler v roku 1882 zakladá svoj vlastný podnik, spolu s konštruktérom Wilhelmom Maybachom. Spolu analyzovali základné nevýhody motorov vtedajších konštrukcií: explózie paliva v pracovnom valci nenasledovali dostatočne rýchlo po sebe a výkon bol tým pádom nízky, vyšším otáčkam motora bránili nedokonalé spôsoby zapaľovania. Preto sa úsilie oboch konštruktérov zameralo týmto smerom. Daimler navrhol nový systém zapaľovania založený na princípe žeraviacej trubičky. Žeraviaca trubička, bola nahrievaná zvonka malým plameňom a vyčnievala z hlavy valca. Pri každom stlačení zmesi sa zmes teplom žeraviacej trubičky zapálila. Napriek nemotornej konštrukcii prax ukázala spoľahlivosť tohto systému

11 Motor s týmto zapaľovaním dosiahol celých 900 otáčok za minútu namiesto vtedy obvyklých 200 otáčok za minútu. Najmasovejšiemu rozšíreniu motora Karla Benza vďačíme Henrymu Fordovi, ktorý začal s jeho ďalšou konštrukciou a výrobou. V ďalšom vývoji sa spaľovacie motory rozdelili na dve základné skupiny: motory zážihové a motory vznetové. Pri vznetových motoroch je najskôr nasávaný do valca motora čistý vzduch, ktorý piest stláča na tlak vysoký asi 4 MPa. Týmto stlačením sa vzduch ohreje na teplotu vyše 600 C. V tomto okamžiku je do valca vstreknuté palivo motorová nafta, ktorá sa vysokou teplotou sama vznieti a zhorí, bez toho, aby musela byť zapálená elektrickou iskrou. Preto hovoríme o motoroch vznetových. Princíp činnosti štvortaktného motora je nasledovný: U štvortaktného motora prebehne sled všetkých fáz za štyri zdvihy, teda za dve otáčky kľukového hriadeľa. 1.doba: Sanie piest ide z hornej do dolnej úvrate. Nad piestom vzniká podtlak (až 0,03 MPa), ktorý spôsobuje, že zmes paliva a vzduchu, vytvorená v karburátore, vniká pôsobením atmosférického tlaku otvoreným sacím ventilom do uvoľneného priestoru valca. 2.doba: Kompresia piest ide z dolnej do hornej úvrate a nasatá zmes je staláčaná podľa stupňa kompresie až na 1,1 MPa, pričom jej teplota stúpne na 300 až 350 C. Pred dosiahnutím hornej úvrate preskočí na elektródach zapaľovacej sviečky elektrická iskra, od ktorej sa zmes zapáli a začne horieť. 3. doba: Expanzia horením zmesi vzniká teplota až 4000 C, ktorá spôsobí prudký nárast tlaku na 4 až 5 MPa. Rozpínajúce sa plyny tlačia na piest a ten sa pohybuje z hornej do dolnej úvrate a koná prácu

12 4. doba: Výfuk pred koncom expanzného zdvihu, teda pred dolnou úvraťou, sa začne otvárať výfukový ventil a spálené plyny o tlaku až 0,5 MPa a teplote až 800 C odchádzajú výfukovým potrubím a sú ďalej vytláčané pri pohybe piestu z dolnej do hornej úvrate. Pred dosiahnutím hornej úvrate sa začne otvárať sací ventil a všetko sa znova opakuje. Najúspešnejším konštruktérom spaľovacieho motora bez pomocného zapaľovacieho zariadenia sa stal Rudolf Diesel. V roku 1892 získal patent na svoj nový typ spaľovacieho motora, avšak prvý trvalo použiteľný motor skonštruoval až v roku Výnimočnosť a pokrokovosť jeho vynálezu spočíva v jeho vysokej tepelnej účinnosti, okolo 30 percent, v lacnejšom palive, jednoduchšej konštrukcii a obzvlášť výhodnom samočinnom spôsobe zapaľovania. Princíp činnosti štvortaktného vznetového motora je nasledovný: Základným znakom vznetových motorov je, že nasávajú čistý vzduch a zápalná zmes sa tvorí v spaľovacom priestore vstreknutím jemne rozprášeného paliva (nafty) do stlačeného a ohriateho vzduchu, od ktorého sa zmes vznieti. Stavba vznetových motorov sa rýchlo rozšírila po celom svete a postupom času sa i Dieselov motor dočkal mnohých zdokonalení. Prvým bolo zdokonalenie vstrekovania paliva. Palivo možno vstrekovať priamo do kompresného priestoru valca, alebo do zvláštnej komôrky, ktorá je spojená s kompresným priestorom valca. Druhý smer zdokonaľovania spaľovacích motorov predstavuje prepĺňanie spaľovacieho priestoru valca vzduchom

13 To znamená, že sa množstvo náplne valcov dá výhodne zvýšiť stlačením vzduchu pomocou: - vhodne tvarovaného sacieho potrubia spôsobujúceho rezonanciu vzduchu s jeho následným urýchlením - plniaceho, mechanicky poháňaného kompresora - turbodúchadla, poháňaného spálenými plynmi

14 2. Emisie dopravných prostriedkov Emisie dopravných.prostriedkov.sú.produkty bežnej.prevádzky dopravných.prostriedkov. Väčšinou.majú nepriaznivý.účinok na.životné prostredie, na.človeka a jeho.zdravie. Medzi hlavné.zdroje emisií.patria dopravné.prostriedky.poháňané spaľovacími.motormi a medzi.nimi tie, ktoré spaľujú.uhľovodíkové palivá. Emisie sú často.stotožňované len.s výfukovými plynmi, tie však tvoria iba ich časť. Emisie rozdeľujeme na: - plynné - výfukové plyny ich zloženie závisí od typu motora, prevádzkových podmienok a použitého paliva - pary paliva uvoľňujú sa pri tankovaní, alebo z palivového systému vozidla hlavne vplyvom kolísania okolitých a prevádzkových teplôt - pevné vo forme sadzí a pevných častíc - hluku spôsobovaného činnosťou motora, ale aj odvaľovaním pneumatík, aerodynamickým hlukom karosérie pri vysokých rýchlostiach Mechanizmus vzniku sadzí: Sadze sa tvoria lokálne v miestach s nedostatkom kyslíka. V týchto oblastiach spotrebuje väčšinu kyslíka reaktívnejší vodík, následkom čoho zostávajú voľné molekuly uhlíka. Na ne sa naväzujú aj prítomné nespálené uhľovodíky a takéto zhluky sa spájajú do väčších častíc

15 Hodnotenie emisií Biologické pôsobenie emisií sa hodnotí z pohľadu: toxicity produkované emisie vyvolávajú otravy, genetiky pozornosť je venovaná látkam s karcinogénnymi a mutagénnymi účinkami, ekológie sledujú sa biotické a abiotické faktory. Z hľadiska rozsahu pôsobenia je možné rozlišovať: globálne emisie ktorých účinok presahuje okolie svojho zdroja, lokálne emisie ktoré pôsobia len v okolí svojho zdroja, t.j. tam kde sa nachádzajú ich najväčšie koncentrácie. Z ekologického hľadiska predstavujú veľké nebezpečenstvo nespálené resp. odparené uhľovodíky a oxidy dusíka. Tieto zložky sa spolu s geomorfologickými a klimatickými.faktormi a za.pôsobenia slnečného.žiarenia zúčastňujú.na tvorbe.fotochemického smogu a porušujú.ozónovú vrstvu. Z globálneho.hľadiska sú podstatné.emisie oxidu.uhličitého, ktorý spôsobuje.skleníkový efekt a.vplýva na globálne.otepľovanie. Výfukové emisie motorových vozidiel Vznetových naftových motorov sú prirodzeným produktom dokonalého spaľovania uhľovodíkového paliva: - C02 oxid uhličitý. - H2O voda

16 Okrem nich vznikajú škodlivé zlúčeniny: - NOx oxidy dusíka, najviac zastúpené oxidom dusičitým. Vznikajú disociáciou dusíka pri vysokých teplotách a jeho následnou oxidáciou. Následkom NOx vzniká smog a kyslé dažde. Psom sa NOx na rozdiel od ľudí odbúrava v dýchacích cestách. - NH3 amoniak. Vzniká nedostatočným spálením paliva. - CO - oxid uhoľnatý. Vzniká nedokonalým spaľovaním bez dostatočného prístupu vzduchu. - CHx nespálené uhľovodíky. Vznikajú nedostatočným spálením paliva. - S02 oxid siričitý. Vzniká spaľovaním prímesí síry v palive. - O3 ozón. Vzniká pri reakciách N0x a CHx. - pevné častice - rozpustné, alebo nerozpustné (sadze) - najmä pri motoroch spaľujúcich ťažko odpariteľné palivá. Spôsobujú respiračné ťažkosti. - aldehydy čiastočne naoxidované uhľovodíky. Emisie hluku motorových vozidiel Medzi zdroje hluku patrí: - spaľovací motor, - odvaľovanie kolies po vozovke, - prúdenie vzduchu okolo vozidla, - prúdenie vzduchu cez chladiaci a ventilačný systém vozidla. Hluk spaľovacieho motora je z veľkej časti tvorený hlukom spaľovania. Tento hluk závisí od úrovne tlakov vo valci a pri vznetových motoroch aj od množstva paliva dodávaného vo fáze prieťahu vznietenia

17 Historický vývoj Znečisťovanie.ovzdušia a.automobily.boli po.prvýkrát dávané.do súvisu začiatkom 50 tych rokoch. Pri.výskume v Kalifornii.bolo.dokázané, že smogová.obloha nad Los Angeles bola.dôsledkom.prehustenej a.veľmi.pomaly sa posúvajúcej.masy.automobilov. V tom čase.obsahovali výfukové.plyny automobilov.približne nasledovné hodnoty emisií: - 8,1 g/km CHx; - 2,2 g/km NOx; - 54,1 g/km CO. Počiatky.regulácie emisií siahajú do 60 - tych rokov 20. storočia: V roku 1964 vyhlásil štát.kalifornia v.usa prvý.predpis, ktorý vyžadoval.riadiaci.systém na.kontrolu emisií.pre automobily od roku výroby Prvý predpis, ktorý sa vzťahoval na hluk motorových vozidiel bol vyhlásený EHK v roku 1969 ako EHK Predpis č.9. Tento predpis využil metodiku ISO 362 a stanovil medzinárodne dohodnuté maximálne prípustné hladiny vonkajšieho hluku motorových vozidiel. Znižovanie emisií vznetových motorov Emisie výfukových plynov je možné ovplyvniť: 1. konštrukčnými úpravami motora: - konštrukcia piestovej skupiny - znižovanie vírenia náplne, optimalizácia rozvírenia náplne - zvyšovanie kompresného pomeru - nové koncepcie spaľovacieho priestoru - zmenšovanie prierezu dýzy - optimalizácia polohy vstrekovačov

18 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)

19 Znižovanie emisií je možné dosiahnuť v oblastiach: 1. technickej: - konštrukciou motora, vozidla, pneumatík a iných súčastí, - prídavnými zariadeniami na znižovanie úrovne emisií, - úpravou palív, 2. prevádzkovej udržiavaním vozidiel v dobrom technickom stave vynucovanom zákonnými kontrolami technického a emisného stavu (technické a emisné kontroly)

20 3. Výmena náplne Diplomová práca Výkon.spaľovacích motor.závisí na.množstve.vzduchu a.palive, ktoré privedieme.do motora.na.spálenie. Výkon.môžeme zvýšiť.zväčšením zdvihového.objemu motoru, zvýšením.jeho otáčok.alebo zvýšením.plniacej účinnosti.motoru. Zväčšovanie zdvihového.objemu vedie.k.zväčšovaniu rozmerov.motora a zákonite k zvýšeniu.hmotnosti. Zvýšenie.otáčok si vyžaduje.veľké technické.náklady a prináša aj iné.nevýhody. Najvýhodnejším riešením.zvýšenia výkonu.ja zlepšenie.plnenia valcov.za pomoci preplňovania. Na.rozdiel.od.atmosférických nepreplňovaných.motorov, u ktorých.sa.vzduch dopravuje.do.valca podtlakom, je tu valec.plnený.nútene tlakom.vyšším ako atmosférický.tlak. Preplňovaním.sa.dostáva.do valca väčšie.množstvo vzduchu, a tak je možné.zväčšiť i dávku.paliva na jeden pracovný.obeh. Obr.1 Schematické znázornenie motora preplňovaného turbodúchadlom

21 Vzduch je stlačený ešte pred svojím vstupom do valca. U vozidlových motorov je turbína poháňaná výfukovými plynmi. Turbína následne poháňa dúchadlo cez spoločný hriadeľ, ktoré nasáva čerstvý vzduch a dopravuje ho s určitým pretlakom do valcov. Medzi dúchadlo a motor sa obvykle vkladá chladič stlačeného vzduchu, ktorý znižuje teplotu plniaceho vzduchu. Ochladením plniaceho vzduchu sa zvyšuje plniaca účinnosť motora. Obr.2 Porovnanie výkonu preplňovaného a nepreplňovaného motora

22 Preplňované motory majú pri porovnaní s nepreplňovanými určite špecifiká: Plnenie: V čase.plniaceho.zdvihu sa plní.valec motora.čerstvým vzduchom. Následkom.prietokových.odporov v plniacej.sústave a v plniacom.ventile.tlak vo valci je nižší ako teoretický.plniaci.tlak.pri.preplňovaní. Správny.priebeh tlaku.v.plniacom potrubí, a tým aj účinné naplnenie valca, sa hodnotí plniacou účinnosťou ηpl. Následkom uvedených prietokových odporov v plniacom a výfukovom systéme, ďalej.následkom.prietokových strát vo.vlastnom.dúchadle, a následkom.vyššieho.ohriatia vzduchu.oproti.teoretickým predpokladom, nie je tlak na konci.plniaceho.zdvihu taký, ako je teoreticky.predpokladaný.plniaci tlak. Obr. 3 Priebeh tlakov vo valci počas výmeny náplne pri mechanickom preplňovaní

23 Obr. 4 Priebeh tlakov vo valci počas výmeny náplne pri veľkých hydraulických stratách vo výfukovom systéme, prípadne vyvolaný vplyvom turbíny na výfukové potrubie. Obr. 5 Priebeh tlakov vo valci počas výmeny náplne pri vyšších zaťaženiach a vyšších otáčkach motora preplňovaného turbodúchadlom

24 Kompresia: Kompresia.prebieha pri stálej.výmene tepla.medzi náplňou, ktorá je vo valci, a stenami.spaľovacieho.motora, a tiež prebieha.pri určitom.unikaní časti náplne netesnosťami. Kompresia.pri.skutočnom motore.neprebieha izoentropicky, ale je to stavová.zmena s premenným.polytropickým.exponentom n1. Grafické znázornenie.takejto zmeny.leží medzi izotermou a izoentropou. Pri preplňovanom.motore prebieha.zmena n1 podobne ako pri motore nepreplňovanom, ale následkom.vyššej.teploty.náplne na začiatku kompresie vo valci.nastane.vyrovnanie.teplôt pracovnej látky a stien skôr. Stredná hodnota exponentu polytropy pri preplňovaných motoroch je 1,32 1,35. Obr.6 Zmena hodnoty exponenta n1 a tlaku vo valci pv pri kompresii, a,d) nepreplňovaný motor, b,e) preplňovaný motor c) n1 = k1-24 -

25 Tlak na konci kompresie p2 závisí od ďalej uvedených veličín: tlaku na začiatku kompresie, strednej hodnoty exponenta polytropy pri kompresii a tiež na kompresnom pomere ε. Pri vznetových motoroch sa využíva zmenšenie kompresného pomeru za účelom zníženia najvyššieho spaľovacieho tlaku, ktorý pri preplňovaní neúmerne rastie, tiež sa tým zabraňuje príliš vysokému mechanickému zaťaženia motora. Spaľovanie: Spaľovanie.sa.neprejaví.hneď po zapálení.zmesi, alebo vstreknutí paliva, pretože.chemické reakcie.potrebujú istý čas na svoj.rozvoj. Pri vznetových.motoroch.je.tento.čas tzv. prieťah.vznietenia.výrazne dlhší: 15 až 25. Spaľovanie trvá určitý čas a v závislosti od režimu motora môže dohorievanie prebiehať aj hlboko počas expanzného zdvihu. Vzduch.stlačený.v.dúchadle.a.dodávaný do valca má vyšší tlak ako pri atmosférickom.plnení. To spôsobuje.zvýšenie.tlaku a teploty.na konci kompresie. Vzduch.vo valci intenzívne.víri, pretože.vstupuje do valca.s.určitou rýchlosťou.spôsobenou.expanziou.pri otvorení plniaceho ventilu. Víriaci vzduchvnapomáha.príprave.vstrekovaného paliva po jeho vznietení.a tým.sa.skracuje prvá.fáza.spaľovania (prieťah vznietenia). Činiteľ ktorý tiež ovplyvňuje prieťah vznietenia je tiež množstvo kyslíka ktorý sme boli schopný dodať do valca. Skrátenie prieťahu priaznivo vplýva na mäkkosť chodu motora, pomerné zvýšenie tlaku υ a aj rýchlosť jeho narastania sa zmenšuje

26 Obr.7 Indikátorové diagramy pre nepreplňovaný (a) a preplňovaný (b) motor Obr.8 Indikátorové diagramy pre rôzne hodnoty plniaceho tlaku

27 Expanzia: Expanzia je jediná pracovná fáza celého cyklu kde prebieha premena chemickej energie na tepelnú, ktorá sa vzápätí mení na energiu mechanickú. Expanzia a spaľovanie sú navzájom prepojené. Pre oddelenie taktov na účely výpočtu a modelovania sa za začiatok expanzie považuje okamih, keď sa vo valci dosiahne maximálny tlak. Expanzia končí otvorením výfukového kanálu, ktorý sa otvára ešte pred dosiahnutím dolnej úvrate. V skutočnom motore neprebieha expanzia izoentropicky, ale polytropicky podľa zmeny stavu, ktorá leží medzi izotermou a izoentropou s premenlivým exponentom. Príčinou toho je dohrievanie paliva, únik spalín netesnosťami z valca a tiež chladenie motora. Pri malej rýchlosti spaľovania vzrastie podiel paliva spáleného počas expanzie a polytropický exponent zmeny stavu sa zmenšuje Výfuk: Výfuk môže začínať v extrémnych prípadoch až 60 pred dolnou úvraťou a končiť až 80 po hornej úvrati takže trvá viac ako jeden zdvih. Môže trvať 190 až 320. Ešte kým je výfukový ventil otvorený, otvára sa súčasne sací ventil a vytvára sa interval prekrytia ventilov, ktorý môže trvať 3 až 120. Výfukový zdvih možno rozdeliť na 3 časti. Prvá časť sa začína v okamihu otvorenia výfukového ventilu a končí hneď za DÚ Po otvorení.výfukového.ventilu.čiastočky plynov.vplyvom.veľkého rozdielu tlakov prúdia.kritickou.rýchlosťou.do potrubia, dosahujúcou m.s -1 (v závislosti od teploty). Za ventilom.vzniká.tlaková.vlna, ktorá sa zväčšuje a niekde okolo DÚ dosahuje svoje maximum (u preplňovaných motoroch s turbínou a s rastom otáčok sa tento bod posúva viacej za DÚ), potom sa zmenšuje a tlaky sa vyrovnávajú. V ďalšej časti vychádzajú plyny z valca rýchlosťou menšou ako je kritická rýchlosť

28 Druhá fáza je trvanie výfuku, počas ktorého spaliny opúšťajú valec následkom pohybu piesta smerom nahor. Rýchlosť výfuku je v tejto dobe premenná a závisí od rýchlosti piesta, prietokovej plochy ventilov a nepriamo tiež od otáčok motora. Stredná rýchlosť je tu okolo m.s -1. V tretej fáze vystupujú z motora plyny vplyvom zotrvačnosti stĺpca plynu. Výfukový ventil preplňovaného motora sa zatvára za HÚ. Pri preplňovanom motore sa používa väčšie prekrytie ventil z dôvodu lepšieho vyplachovania valca. (Výfukové plyny sú vytláčane z valca čerstvou náplňou) Obr.9 Priebeh zmien tlakov vo valci a výfukovom potrubí v závislosti od uhla pootočenia kľuky; 1 priebeh tlaku vo valci, 2 priebeh tlaku v potrubí. Teplota.plynov, vychádzajúcich.z.valca, je pri otvorení výfukového ventilu asi K. Táto hodnota.je.len.orientačná, pretože je závislá najmä od súčiniteľa prebytku vzduchu, zaťaženia, tlaku a teploty plniaceho vzduchu a tiež od stupňa vyplachovania spaľovacieho priestoru

29 Hospodárnosť preplňovaného motora Síce hlavný cieľ preplňovania je zvýšenie výkonu motora, čo má za následok zvýšenie celkovej efektívnej účinnosti motora. Konkrétne hodnoty mernej efektívnej spotreby sú na obrázku: Obr.10 Merná spotreba paliva v závislosti od zaťaženia pre rôzne typy motorov; A zážihový nepreplňovaný, B nepreplňovaný vznetový komôrkový motor, C preplňovaný vznetový pe = 1,1-1,4 MPa, D vysokopreplňovaný vznetový pe je viac ako 2 MPa plynov. Lepšiu tepelnú účinnosť treba hľadať najmä za využívaním výfukových Teplo privedené v palive sa v spaľovacom motore rozdelí nasledovne: Qd = Qe + Qch + Qv + Qns + Qol + Qzv

30 - Qd - teplo dodané v palive - Qe - teplo ekvivalentné užitočnej práci motora - Qch - teplo odvedené do chladiacej sústavy - Qv - teplo odvedené výfukovými plynmi - Qns - teplo nevyužité nedokonalým spálením paliva, nazývané aj chemické straty - Qol - teplo odvedené mazacím olejom - Qzv - teplo nezahrnuté v predošlých členoch (iné straty) Podiel najvýraznejších zložiek rovnice je uvedený v tabuľke, pričom Qd zodpovedá 100 %. Druh motora % Qe % (Qch + Qol) % Qv zážihový 21 až až až 55 vznetový 29 až až až 45 Tepelná energia, ktorá spôsobuje ohrev motora a spalín (Qch, Qv, Qol) je nevyužiteľná a nazýva sa stratovou energiou. A tiež v tom, že mechanické (trecie) straty sú predovšetkým závislé od otáčok motora a menej.od.zaťaženia, a preto sú pri.preplňovanom.motore.len o málo väčšie ako pri nepreplňovanom. Ak sa indikovaný výkon preplňovaného motora.zvýši.podstatne a jeho.mechanické.straty len.nepatrne, je zrejmé, že mechanická účinnosť.preplňovaného.motora bude.výrazne.lepšia. V priemere preplňovaný.motor.dosahuje.maximálnu.mechanickú účinnosť pri zaťažení od 90% do 100%, čo je asi o 7% viac ako pri nepreplňovanom. Pri polovičnom zaťažení je jeho účinnosť vyššia o 10% a pri ¼ o 12% ako pri nepreplňovanom. Navyše preplňovanie umožňuje dosiahnuť vyššie tlaky v sacom potrubí ako vo výfukovom, čím získa kladnú prácu potrebnú na výmenu náplne

31 Vplyv preplňovania na emisie: Predpisy týkajúce sa škodlivín vo výfukových plynoch a jeho hluku sa stále sprísňujú. Cieľom je obmedziť produkciu škodlivín nie len vo vozidlových motoroch ale aj v motoroch stacionárnych. Tie nútia výrobcov hľadať nové a nové cesty na znižovanie produkcie CO, NOx, CHx, SOx, sadzí a znižovať tiež celkový hluk motora. Najprísnejšie predpisy platia v USA a Kanade. Cieľom preplňovania je okrem zvýšenia výkonu a zníženia jeho mernej spotreby, potláčanie plynných a pevných škodlivých látok vo výfuku ako aj jeho hlučnosti. Emisie pevných častíc dávajú pri vznetových motoroch jasnú.hranicu pre minimálnu.hodnotu.súčiniteľa prebytku.vzduchu. Pre nepreplňovaný a preplňovaný motor býva jeho výkon obyčajne ohraničený dosiahnutím tejto hranice. Množstvo.paliva.vstrekované do.valca sa.potom.nastaví na túto hranicu. Preplňovaný.vznetový motor.obyčajne nepracuje.na.hranici.dymenia, ale na hranici tepelného alebo mechanického zaťaženia určitých jeho konštrukčných.dielov. Množstvo.sadzí.potom.následkom väčšieho prebytku vzduchu klesá. K zhoršenie dymivosti dochádza najmä pri akcelerácii, keď vzhľadom na tzv. turbodieru nereaguje TD dostatočne.rýchlo.na.zvýšenú dávku paliva zvýšením množstva vzduchu. Pri nedostatku vzduchu môže pri akcelerácii.vzniknúť.silné.dymenie. Podobne emisie CO, NOx, CHx ktoré sa vzťahujú na výkon motora sa preplňovaním zmenšujú. Oxidy dusíka sú ovplyvnené.najmä.teplotou.pri.spaľovaní, preto.klesajú.len.vtedy, keď sa chladením plniaceho vzduchu nekompenzuje vyšší prebytok vzduchu vyššou dávkou paliva, a teda vyššími teplotami obehu

32 Obr.11 Vplyv preplňovania na emisie škodlivín vo výfuku vznetového vzduchom chladeného motora 1 bez preplňovania (zaťaženie 100%) 2 s preplňovaním bez chladenia vzduchu (zaťaženie 123%) 3,4 s preplňovaním a chladením plniaceho vzduchu (zaťaženie 123% a 154%) Napriek priaznivému vplyvu preplňovania na emisie, plniť emisné normy.euro.iba.použitím.preplňovania nie je.možné. Preto.sa.u.vznetových motorov využívajú nasledovné technológie, ktoré pomáhajú znižovať obsah škodlivín: Common Rail (vysokotlakové elektrické vstrekovanie paliva presné dávkovanie paliva je podstatné pre zníženie emisií), EGR (riadená recirkulácia výfukových plynov), oxidačný katalyzátor, viac ventilová technika, optimálne umiestnenie vstrekovača, TD s premenlivou geometriou turbíny, SCR katalyzátor (vstrekovanie amoniaku), filter pevných častíc a pod. Kritické emisie pri vznetových motoroch sú pevné častice PM a oxidy dusíka. Podstatnou zložkou pevných častíc sú sadze

33 Zvýšením.prebytku.vzduchu.sú ale.teploty počas.spaľovania vyššie, čo vedie k zvýšenej tvorbe NOx, keďže.tieto sú.závislé.od 4.mocniny.teploty počas spaľovania. Zníženie teploty sa dá dosiahnuť prevádzkou motora s vysokým prebytkom.vzduchu, alebo.pridávaním.inertného.plynu do.náplne.keďže pri preplňovanom motore sú vyššie tlaky a teploty na konci kompresie, preto môžeme.začiatok vstreku.hlavnej dávky.paliva posunúť.viac za HÚ. To prispieva.k zníženiu.spaľovacích teplôt. Všetky.zariadenia, ktoré.pomáhajú znižovať.emisie sa umiestňujú v časti.výfukového systému, ktorá je.napojená na.výstup z turbíny TD. Ak sú umiestnené pred turbínou, spôsobujú významné tepelné straty a majú neželateľné.dôsledky.v.poklese plniaceho.tlaku.motora

34 4.1 Zberné potrubie Diplomová práca Ako som už uviedol, zvolil som si štandardný motor 3.0 TDI V6 s výkonom 165kW a krútiacim momentom 450 Nm a objemom 2967 cm 3. Výfukové ventily má orientované do vonkajšej strany bloku motora. Zberné potrubie musí byť schopné odolávať maximálnemu tlaku pri maximálnej teplote. Chcem dosiahnuť to, aby zberné potrubie malo z každého valca rovnakú dĺžku až k ich spojeniu. Výfukový systém privedie spaliny do dvojvstupového turbodúchadla. Potrubie musí byť schopné odolávať tepelnému a cyklickému namáhaniu od tlaku plynov v rozmedzí MPa. Výfukový ventil sa otvára 40 stupňov pred dolnou úvraťou (ďalej už len DÚ) a zatvára 15 stupňov za hornou úvraťou (ďalej už len HÚ). Vďaka tomu, že do jedného zberného potrubia pôjdu výfukové spaliny len z 3 valcov, dosiahneme impulzové preplňovanie turbodúchadla, čo bude mať za následok vyššiu účinnosť turbíny. Výhody impulzového preplňovania: - vyššia efektívna účinnosť celého obehu motora spolu s turbodúchadlom vzhľadom na lepšie využitie energie výfukových plynov. Možnosť zlepšiť hospodárnosť motora o 5 6%. - väčší výkon turbíny asi do 25% pri vyšších stupňoch preplňovania, a teda vyšší plniaci tlak a väčšie hmotnostné množstvo vzduchu dodávaného dúchadlom, z čoho vyplýva aj väčšia pružnosť chodu motora. - vzhľadom na rýchly prenos energie výfukových plynov k turbíne je rýchlejší nárast výkonu dúchadla, a teda rýchlejšia dodávka väčšieho množstva vzduchu, čo má tiež za následok menší sklon k dymeniu, rýchlejšiu akceleráciu a priaznivejšie prechodové režimy

35 Obr.12 Priebeh tlaku v plnení (pp), vo valci (pv) a vo výfuku (pvy) pri impulzovom preplňovaní Obr.13 Priebehy tlakov pri impulznom preplňovaní zoskupenie 3 valcov do jednej výfukovej vetvy, pv tlak vo valci, pvy tlak vo výfukovom kanáli, pp plniaci tlak, po tlak okolia, VO výfuk otvára, PO plniaci otvára

36 Obr.14 Priebeh zmien tlaku vo valci a výfukovom potrubí v závislosti od uhla otočenia kľuky; 1 priebeh tlaku vo valci, 2 priebeh tlaku v potrubí 4.2 EGR ventil Recirkulácia výfukových plynov je technológia, ktorá umožňuje zvýšiť ekonomické a ekologické parametre spaľovacích motorov. Je založená na tom, že časť odvedených výfukových plynov sa privedie v nasledujúcom pracovnom cykle späť do spaľovacieho priestoru. Technológia je známa aj pod skratkami EGR - Exhaust Gas Recirculation, alebo AGR - Abgasrückführung. Pod recirkuláciou v tomto zmysle sa presnejšie myslí riadená recirkulácia výfukových plynov. K neriadenej recirkulácii môže dochádzať u spaľovacích motorov pri nepriaznivých tlakových a dynamických podmienkach vo výfukovom potrubí, keď časť spalín zostáva vo valci. Takáto recirkulácia je všeobecne považovaná za nežiadúcu

37 Recirkulácia sa využíva viac u vznetových motorov, ale jej využitie je možné aj pri zážihových. Prvýkrát sa objavila recirkulácia výfukových plynov v roku 1972, keď sa výrobcovia motorov snažili splniť limity emisií NOx. Hlavnými riadiacimi parametrami pre recirkuláciu sú otáčky, zaťaženie a teplota motora. Prítomnosť spalín v obehu riedi pripravenú zmes, následkom čoho klesá rýchlosť spaľovania, znižujú sa maximálne teploty a prispieva sa tak k znižovaniu emisií NOx a hluku. Na druhej strane recirkulácia spôsobuje zvýšenie počtu oblastí, v ktorých je nedostatok kyslíka pre dokonalé spaľovanie, čo má za následok zvýšenie emisií pevných častíc a CO v režimoch mimo voľnobehu. Na veľkosť účinku popísaných javov má vplyv podiel recyklovaných výfukových plynov v náplni valca. Optimálny podiel recirkulovaných plynov je v rozmedzí 10 až 20 %. Pre oblasť voľnobehu, kde recirkulácia pôsobí priaznivo aj na emisie pevných častíc môže byť podiel aj vyšší (70 %). Lepšie výsledky sa dosahujú pri použití chladenia recirkulovaných výfukových plynov. Vplyv na zníženie emisií pevných častíc je podobný ako znižovanie teploty náplne v celom rozsahu zaťažení, pri vyšších zaťaženiach dochádza aj k miernemu zlepšeniu emisií NOx. Pri.nižších.zaťaženiach.dochádza.naopak k.miernemu zvýšeniu NOx a hluku.vplyvom.zväčšenia.času prieťahu.vznietenia.a tým zväčšenia množstva pripraveného.paliva pre.druhú fázu. Toto mierne zvýšenie emisií NOx je ale vyvážené výrazným zlepšením emisií pevných častíc, navyše je možné posunúť.podiel recirkulovaných.plynov k.vyšším hodnotám, ktoré kompenzujú.nepriaznivý.vývoj.emisií NOx

38 Vonkajšia recirkulácia výfukových plynov za pomoci EGR ventilu. K tomu slúži elektronicky ovládaný ventil nachádzajúci sa v prednej časti výfukového potrubia, ktorý je ovládaný cez riadiacu jednotku motora. EGR ventilom sa spaliny odvádzajú späť do sacieho potrubia. Tým je stanovený podiel spalín v náplni. EGR ventil má dve hlavné funkcie: - do určitého množstva vrátených spalín pozitívne vplýva na spotrebu paliva - ďalšie zvyšovanie množstva vedia k redukcii maximálnej teploty pri spaľovaní a tým pozitívne vplýva na tvorbu NOx hlavne pri štarte motora. Zároveň však zvýšením podielu zbytkových plynov nad istú hranicu vedie k nedokonalému spaľovaniu a tým k zvýšení emisií uhľovodíkov, spotreby paliva a nekľudnému chodu motora. Recirkulácia u vznetových motorov sa používa hlavne v oblasti čiastočného zaťaženia. Tým sa zmenšuje koncentrácia kyslíku v nasávanom vzduchu. Okrem toho majú výfukové plyny vyššiu mernú tepelnú kapacitu ako vzduch a podiel vody vo vrátených výfukových plynoch znižuje dodatočne teplotu spaľovania. Tieto vplyvy majú za následok zníženie podielu NOx a okrem toho zmenšujú množstvo výfukových plynov odvádzaných do ovzdušia

39 Obr.15 Systém recirkulácie výfukových plynov u vznetových preplňovaných spaľovacích motoroch; 1 elektromagnetický ventil EGR, 2 snímač hmotnosti vzduchu, 3 riadiaca jednotka, 4 katalyzátor, 5 turbodúchadlo, 6 elektromagnetický ventil recirkulácie spalín, 7 vákuové čerpadlo, 8 snímač polohy v EGR-ventile (len v prípade, pokiaľ nepoužijeme turbodúchadlo s variabilnou geometriou), 9 chladič plniaceho vzduchu, 10 chladič EGR

40 4.3 Turbodúchadlo Diplomová práca Turbodúchadlo je sústrojenstvo plynovej turbíny a lopatkového dúchadla spojených jedným hriadeľom. Turbína zabezpečuje pohon dúchadla a dúchadlo vykonáva želanú prácu - stláčanie nasávaného plynného média, najčastejšie vzduchu. Turbodúchadlá sa používajú najčastejšie v spojení s piestovými spaľovacími motormi, špeciálne s motormi motorových vozidiel. Použitie turbodúchadiel zvyšuje účinnosť, zvyšuje výkon a znižuje spotrebu spaľovacích motorov, pretože využíva energiu odchádzajúcich výfukových plynov. Princíp práce: Piestový.spaľovací.motor.opúšťajú.výfukové.plyny s.dostatočnou energiou. Tieto.sú vedené.k lopatkám.turbíny, kde ich.tlaková a.kinetická energia.silovo.pôsobí.na lopatky, čím.roztáča obežné.koleso.turbíny. Z turbíny sa krútiaci.moment.prenáša.na.dúchadlo, ktoré naopak.lopatkami urýchľuje nasávaný.vzduch, zvyšuje jeho.kinetickú energiu, ktorá.sa.v.skrini dúchadla mení.na.tlakovú. Následne môže.spaľovací motor.spracovávať.viac zmesi, pretože.je plnený.vzduchom s.vyšším tlakom. Pracovné režimy: 1. Ak je medzi pracovnými valcami motora a turbínou dostatočne veľký zásobník, v ktorom sa ustália hodnoty tlaku a teploty spalín, turbína turbodúchadla bude pracovať ako rovnotlaková. Tento spôsob je výhodný vtedy, ak pomer tlaku vo valci pri otvorení ventilu a priemerného tlaku pred turbínou nie je veľký

41 2. Ak sa spaliny privádzajú k turbíne priamo vo forme krátkych tlakových impulzov podľa toho, ako sa otvárajú výfukové ventily - turbína pracuje ako impulzová. Pre vysokú účinnosť prenosu treba dodržať vhodný tvar výfukového potrubia a ďalšie parametre motora. 3. Tretím spôsobom je kombinovaný systém prenosu energie s využitím tlakových konvertorov, ktorý kombinuje výhodné vlastnosti dvoch predošlých režimov. Bude sa jednať o dvojvstupové turbodúchadlo s variabilnou geometriou lopatiek. To môže byť preto väčšie (pohotovejšie zaberá odspodu) a dokáže dopovať motor aj pri vysokých otáčkach. Konvenčné turbodúchadlá musia byť aj z dôvodu chladenia pri vyšších otáčkach výrazne regulované, čo je vysvetlením, prečo nemá cenu niektoré prepĺňané naftové motory vytáčať do príliš vysokých otáčok (aj napriek tomu, že ich vstrekovacie čerpadlo by bez problémov zvládlo zásobovať valce aj v červenom poli otáčkomera). Variabilné natáčanie klapiek turbodúchadla zabezpečí jeho lepší plniaci výkon aj pri nižších otáčkach motora. Obr.16 Prúdenie plynov potrubím s rôznych priemeroch

42 Obr.17 Motor beží v nízkych otáčkach a je požadovaný dostatočný plniaci tlak. Pomocou nastaviteľných rozvádzacích lopatiek sa zmenší prierez, ktorým prúdia výfukové plyny na lopatky turbíny. Výfukové plyny prúdia zúženým miestom rýchlejšie, čím roztáčajú turbínové koleso na vyššie otáčky. Vďaka vysokým otáčkam turbíny sa i pri nízkych otáčkach motora dosiahne potrebný plniaci tlak. Výsledkom je pomerne vysoký točivý moment v dolnom rozsahu otáčok. Tlak výfukových plynov pred rozvádzacími lopatkami sa zvýši. Obr.18 Motor beží vo vysokých otáčkach, plniaci tlak nesmie prekročiť maximálnu hodnotu

43 Rozvádzacie lopatky sa nastavia tak, že sa vstupný prierez zväčší natoľko, aby prúd výfukových plynov otáčal turbínovým kolesom rýchlosťou potrebnou pre zachovanie výkonu TD, a pritom nebol prekročený maximálny dovolený plniaci tlak. Tlak výfukových plynov pred rozvádzacími lopatkami poklesne. Na rozdiel od regulácie obtokom prechádza turbínou stále celý objem výfukových plynov. Obr.19 Nastavovanie rozvádzacích lopatiek; 10 rozvádzacia lopatka, 11 ovládací valec, 13 otočný nastavovací krúžok, 17 vodiaci čap, 18 hriadeľ, 19 otvárací mechanizmus, 20 čap ovládacieho mechanizmu, 21 nosný krúžok Hriadelíky rozvádzacích lopatiek prechádzajú nosným krúžkom a sú na konci zapojené na vodiaci čap. Vodiaci čap je spojený s nastavovacím krúžkom. Všetky nastavovacie lopatky tak môžu byť rovnomerne a súčasne nastavované za pomoci nastavovacieho krúžku. Nastavovací krúžok pohybuje čapom ovládacieho mechanizmu, ktorý je spojený s podtlakovým ovládacím valcom. Natočenie rozvádzacích lopatiek a tým aj reguláciu plniaceho tlaku riadi elektronická riadiaca jednotka motora prostredníctvom elektromagnetického ventilu

44 Výhody motorov preplňovaných turbodúchadlom: - pomer hmotnosti a výkonu (kw/kg) je vyšší - zastavaný priestor je u preplňovaného motoru menší ako u nepreplňovaného pri rovnakom výkone - priebeh točivého momentu je možno vhodnou reguláciou stanoviť lepšie. Výsledkom je veľmi plochá charakteristika, čo v praxi znamená, že sa v stúpaní nemusí tak často radiť a jazda je potom plynulejšia - chovanie preplňovaných motorov vo vyšších nadmorských výškach je výrazne lepšie (zníženie výkonu každých 1000 m je oproti nepreplňovanému motoru o 7 9% nižší) - znižuje emisie - preplňovaný motor je tichší (samotná turbína pôsobí ako dodatočný tlmič hluku) Obr.20 Oblasť prevádzky motora (hrubé čiary) vyznačená v charakteristike dúchadla

45 4.4 Čerpadlo sekundárneho vzduchu Obr. 21 Schéma zapojenia čerpadiel sekundárneho vzduchu Sekundárny vzduchový systém je navrhnutý na doplnenie kyslíka do výfukového systému. Čerstvý vzduch je čerpaný do výfuku buď cez elektrické alebo mechanické pumpy, alebo osobitný jednosmerný jazýčkový ventil, ktorý využíva pulzáciu výfukových plynov z valca k nasávaniu čerstvého vzduchu do výfukového systému. Sekundárny vzduch potom vstupuje do výfukového potrubia, katalyzátora, alebo do oboch súčasne. Sekundárny vzduch sa používa najčastejšie v prvých sekundách štartu studeného motora pre rýchle ohriatie katalyzátora. Katalyzátor sa zvyčajne ohreje na prevádzkovú teplotu za 2 až 3 minúty a po tomto čase sa systém sekundárneho vzduchu vypne. U niektorých väčších vozidlách ako sú nákladné vozidlá a vozidlá typu SUV-a sa sekundárny vzduch aj naďalej vstrekuje počas normálnej prevádzky do katalyzátora na uľahčenie reakcií

46 4.5 Katalyzátor Diplomová práca Katalyzátor je technické zariadenie vo výfukovom systéme spaľovacieho motora, ktorého úlohou je upraviť zloženie výfukových plynov do neho vstupujúcich tak, aby na výstupe obsahovali menší (najlepšie nulový) podiel škodlivých zložiek - exhalátov, alebo emisií. Katalyzátor pri svojej činnosti využíva prítomnosť látky - katalyzátora, ktorý sa počas chemickej reakcie nemení, ale významne ovplyvňuje jej rýchlosť. Odtiaľ bolo odvodené jeho meno. Ako katalyzačná látka sa obvykle používa platina. Katalyzátor je väčšinou konštruovaný ako keramické teleso valcového tvaru s množstvom malých kanálikov, s povrchom obsahujúcim katalyzačnú látku. Takéto riešenie zabezpečuje čo najväčšiu pracovnú plochu, pri minimálnych rozmeroch. Zvolený materiál zároveň umožňuje dosahovať a udržať vysokú pracovnú teplotu. Obr.22 Rez katalyzátorom

47 V mojej aplikácii by som zvolil nasledovné zapojenie katalyzátorov: Oxidačný katalyzátor, DeNOx katalyzátor, filter pevných častíc, vstrekovač AdBlue, SCR katalyzátor Oxidačný katalyzátor: Oxidačný katalyzátor sa používa pre vznetové motory, ktoré síce pracujú s vysokým prebytkom vzduchu, ale pri ich mechanizme spaľovania dochádza mikroskopicky k spaľovaniu veľmi bohatej zmesi, pretože kvapôčky rozprášeného paliva môžu byť priveľké. Katalyzátor je určený na redukciu škodlivín CHx a CO. Pri vysokej teplote katalyzátora dochádza k dodatočnému spaľovaniu pevných častíc vo výfukových plynoch v prebytkovom kyslíku, ktorý vždy obsahujú. Spaľovaním sa zmenšuje veľkosť častíc, prípadne mikročastice zhoria úplne. Oxidačný katalyzátor prevádza spaliny vznetového motora obsahujúce uhľovodíky (CH) a oxid uhoľnatý (CO) na vodu a oxid uhličitý (CO2). Okrem toho oxiduje oxid dusný (NO) na oxid dusičitý (NO2). Oxidačný katalyzátor pozostáva z nosného telesa z keramiky alebo kovu s axiálne priechodnými kanálmi so šírkou hrany približne jeden milimeter. Steny sú potiahnuté platinou alebo ródiom ako katalyticky pôsobiacej substancie. Vo vozidlách s filtrom častíc je pred filter zaradený oxidačný katalyzátor. V katalyzátore uvoľnený NO2 oxiduje v čiastkovom filtre zvyšné sadze, ktoré pozostávajú hlavne z uhlíka, na neškodlivú zložku vzduchu dusík (N2) a na oxid uhličitý

48 Redukčný katalyzátor: Katalyzátor pre redukciu NOx (známy aj pod označením DeNOx). Podľa princípu možno rozdeliť katalyzátory na dva typy: So selektívnou katalytickou redukciou (SCR), ktorý je schopný znižovať iba emisie NOx - vysoká účinnosť premeny nad 90 % - vysoká cena - vstrekovanie redukčných činidiel do výfukových plynov (amoniak, močovina) pred katalyzátor - je potrebná regulácia dynamického dávkovania činidiel - je nevyhnutný prídavný oxidačný katalyzátor pre redukciu pevných častíc Akumulačný DeNOx katalyzátor - zásobníkový katalyzátor - nízka cena - regenerácie pri prechodových režimoch - využitie CHx a CO ako redukčných činidiel - je možná súčasná oxidácia pevných častíc, CHx a CO - potrebná úprava motorov a prevádzkových podmienok tak, aby dochádzalo k vyšším emisiám CHx a CO (redukčné činidlá), bez nutnosti vstrekovať uhľovodíky do spalín pred katalyzátorom, čo má za následok zvyšovanie spotreby paliva. Katalyzátorom sú v našom prípade slabé vrstvičky drahých kovov (napr. paládia a rhodia) nanesené na mriežke katalyzátoru, ktoré vyvolávajú reakcie produktov nedokonalého horenia a ich rozklad na menej nebezpečné látky. Optimálna pracovná teplota vnútri katalyzátoru je medzi 300 až 600 C, pri vyšších teplotách by mohlo dôjsť k jeho poškodeniu

49 Nové katalyzátory sú pri optimálnych podmienkach schopné znížiť emisie oxidov dusíka, oxidu uhoľnatého a uhľovodíkov takmer o 90%. Tento efekt je však znížený počas doby od studeného štartu motora až po jeho zohriatie na optimálnu teplotu (na vyhrievanie katalyzátora počas štartu využijem systém sekundárneho vzduchu) a tiež počas rýchlej akcelerácie vozidla. Pri režime z chudobnou zmesou nedokáže katalyzátor úplne eliminovať oxidy dusíka. Preto sa používa tzv. zásobníkový katalyzátor NOx, ktorý má okrem vrstiev platiny, paládia a rhodia ešte špeciálne prísady, ktoré môžu ukladať oxidy dusíka. Typické zásobníkové materiály obsahujú oxidy draslíka, vápniku, stroncia, zirkónu, lanthanu barya. Pôsobením aktívnej vrstvy z ušľachtilých kovov pracuje zásobníkový katalyzátor NOx za lambdy = 1, ako trojcestný katalyzátor, Okrem toho redukuje oxidy dusíku, ktoré nie sú redukované v spalinách s prebytkom vzduchu. Akumulačná schopnosť zásobníkového katalyzátora výrazne závisí na teplote a maxima dosahuje v rozmedzí stupňov. Z tohto dôvodu je zásobníkový katalyzátor NOx umiestnený ďalej od motora. Pri katalyzátore NOX sa teda rozlišuje medzi dvomi rôznymi prevádzkovými režimami: V normálne chudobnej prevádzke (Lambda > 1) bude NO najskôr oxidovať na NO2 a potom na nitrát (NO3) na báze oxidov kovov (napr. oxid baria) v katalyzátore. Rovnako ako pri čiastkovom filtri zaisťuje tiež zásobníkový katalyzátor NOx regeneráciu, teda periodické vyprázdňovanie zásobníka podľa príslušných požiadaviek. Pre regeneráciu zásobníka musia byť v spalinách nastavené podmienky bohatej zmesi (Lambda < 1). Za týchto prevádzkových podmienok je v spalinách toľko redukčného prostriedku (oxid uhoľnatý, vodík a rôzne uhľovodíky), že sa odrazu uvoľnia nitrátové väzby a priamo v katalyzátore obsahujúcom ušľachtilé kovy dochádza k redukcii na nejedovatý dusík (N2). Doba naplnenia predstavuje v

50 závislosti od prevádzkového bodu motora 30 až 60 sekúnd, regenerácia je vykonaná za jednu až dve sekundy. Aby sa zistila potreba regenerácie, je potrebné množstvo prídavných senzorov teploty a tlaku. Zásobníkový katalyzátor dokáže znížiť emisie NOX až o 85 percent. Popis reakcií: - SCR: 4NO + 4NH3 + O2 4N2 + 6H2O 2NO2 + 4NH3 + O2 3N2 + 6H2O NO + NO2 + 2NH3 2N2 + 3H2O sekundárne reakcie: 2SO2 + O2 2SO3 2NH3 + SO3 + H2O (NH4)2SO4 NH3 + SO3 + H2O NH4HSO4 4NO + 2(NH2)2CO + O2 4N2 + 4H2O + 2CO2 - Oxidačný katalyzátor: CO + ½O2 CO2 [HC] + O2 CO2 + H2O Obr.23 Oxidačný katalyzátor

51 4.6 AdBlue Diplomová práca Technológia SCR využíva zmes nazvanú AdBlue, ktorá sa vstrekuje do výfukových plynov pred tým, ako prejdú cez konvertor katalyzátora SCR. V katalyzátore sa oxid dusíka mení na neškodný plynný dusík a paru - teda látky, ktoré sa zvyčajne nachádzajú v bežnom prostredí. Zloženie, vlastnosti, vzhľad: AdBlue je 32,5% vodný roztok močoviny vyrobený z technicky čistej močoviny a demineralizovanej vody. Je to bezfarebná, číra kvapalina slabo zapáchajúca po amoniaku. Roztok je bez toxických vlastností, na ľudský organizmus nepôsobí agresívne. Nemá horľavé vlastnosti a nie je zatriedený ako nebezpečný na prepravu. Je známy pod označením AUS 32 ( anglická skratka pre Aqueous Urea Solution - vodný roztok močoviny ). Technická špecifikácia: hustota pri 20 C kg/m3 počiatočná teplota kryštalizácie -11 C Požiadavky na kvalitu sú v zmysle normy DIN Použitie: AdBlue je činidlo na redukciu NOx plynov, ktoré je potrebné pre použitie katalyzátorov so selektívnou redukciou ( SCR) v motorových vozidlách s dieselovým motorom. Spotreba: cca 4% spotreby paliva pri EURO 4 cca 6% pri motoroch EURO

52 Pri spotrebe 1000 litrov nafty je pri motoroch EURO 5 spotreba 60 litrov AdBlue. Špecifická nízka spotreba AdBlue umožňuje prekonať medzi dvoma čerpaniami veľké vzdialenosti. Na nízku hladinu AdBlue je vodič opticky upozornený. SCR - náklady: - vyššia cena vozidla o nutnosť aditíva AdBlue SCR - kompenzácia: - úspora spotreby paliva o 5-7 % (oproti Euro 3) pretože vďaka SCR môže byť motor prevádzkovaný vždy s optimálnou účinnosťou. - možnosť zníženia daní z vozidla Vozidlo Mercedes-Benz Actros s SCR systémom ušetrí ročne cca 2000 l paliva ( pri prejdenej vzdialenosti 150 tis. km). Náklady Zavedenie tejto technológie je výhodné pretože vďaka technike SCR môže byť motor prevádzkovaný vždy s optimálnou účinnosťou

53 4.7 Filter pevných častíc Diplomová práca Názov tuhé častice sa vzťahuje na emisie širokého rozsahu vetrom unášaných častíc od prachových častíc až po najmenšie takmer neviditeľné častice s veľkosťou 0,1 až 10 µm. Tuhé častice, ktoré predstavujú zmes látok pozostávajúcu z uhlíka, prachu a aerosolov, vznikajú v doprave, hlavne pri spaľovaní nafty. Je zaujímavé, že až donedávna sa pokladala nafta za čistejšie palivo ako benzín, nakoľko pri jej spaľovaní dochádza k menším emisiám CO a NOx. Avšak práve v dôsledku emisií tuhých častíc (menších ako 10 µm) a ich vážnemu vplyvu na zdravie ľudí došlo k zmene pohľadu na toto palivo. Hladina tuhých častíc (TČ) vo vzduchu predstavuje pre zdravie človeka vážne riziko. Svetová zdravotnícka organizácia zatiaľ nestanovila prah pre tuhé častice, pretože sa predpokladá, že aj minimálne úrovne TČ vo vzduchu spôsobujú zdravotnú ujmu. Hoci EÚ takýto limit stanovila na úrovni 50 µg/m 3 ako 24 hodinový priemer pre koncentráciu mikročastíc (veľkosť častíc menšia ako 10 µm PM10), v súčasnosti takmer vo všetkých európskych mestách je táto úroveň prekračovaná. Filter pevných častíc sa pri vysokých rýchlostiach za pomoci zvýšeného prívodu nafty vypaľuje, čím neprichádza k jeho zahlteniu a tým nestráca svoju funkciu. Filter pevných častíc pre naftové motory je vlastne systém čistenia naftových sadzí (čierneho dymu) z výfukových plynov naftových motorov. Ako funguje: Fáza 1 : filtrácia Táto prvá fáza spočíva v zachytávaní častíc sadze vo filtri z karbidu kremíka pórovitej štruktúry

54 Fáza 2 : odstránenie (eliminácia) častíc Následne prebieha vo fáze regenerácie eliminácia častíc sadze. Táto pravidelná operácia (po niekoľkých stovkách kilometrov) je automatická a vodič ju vôbec nepocíti. Spočíva jednoducho v spálení častíc sadze nahromadených vo filtri pri veľmi vysokej teplote. Filter pevných častíc bez aditív sa používa pri vozidlách, v ktorých je umiestnený v blízkosti motora. Filter pevných častíc s aditívami sa používa pri vozidlách, kde nie je možné umiestniť filter blízko motora. Táto sekvenčná regenerácia sa vykoná vďaka spojenej akcii: - systému Common Rail, ktorý zabezpečuje post vstrekovanie paliva vhodné na zvýšenie teploty výfukových plynov tak, aby sa táto teplota priblížila k teplote spaľovania častíc sadze. - aditíva, ktoré sa automaticky pridáva vo veľmi malých dávkach do nádrže na naftu a ktorého úlohou je znížiť na 450 C teplotu potrebnú na spálenie sadzí. Pravidelná údržba filtra sa postupne zmenila z km na km a vzhľadom na postupné optimalizovanie filtra a aditíva je táto periodicita údržby v súčasnosti nad km. Obr.24 Ilustračná fotografia filtra pevných častíc

55 Filter s katalytickou povrchovou vrstvou pracuje bez aditív a využíva pritom povrchovú vrstvu z ušľachtilých kovov, ktorá pôsobí dvojitým spôsobom. Pri pasívnom čistení dochádza k pomalej a šetrnej premene sadzí v katalyzátore na CO2. Tento proces sa deje pri teplote od C a bez zvláštnych opatrení prebieha plynule hlavne pri jazde na diaľnici. Len pri dlhšej premávke s nižším zaťažením, napríklad v meste, zabezpečuje aktívne zvýšenie teploty výfukových plynov na asi 600 C dodatočné čistenie filtra. Častice zachytené filtrom pri tejto teplote zhoria. Pri systéme s aditívami znižuje prísada teplotu na spálenie sadzí pri asi 500 C. Podľa spôsobu jazdy je nutné vyčistiť filter po každých 500 až 700 km. Aditíva sa pridávajú do paliva, ktoré tankujeme. Pritom jeden liter aditív stačí na asi litrov paliva

56 4.8 Tlmič hluku Diplomová práca POVOLENÉ HLADINY HLUKU I.1. Limity Hladina hluku vozidiel limituje smernica EHS. "Vozidlo" znamená akékoľvek motorové vozidlo určené na prevádzku na ceste, s karosériou alebo bez nej, s najmenej štyrmi kolesami a s maximálnou konštrukčnou rýchlosťou presahujúcou 25 km/hod, s výnimkou vozidiel, ktoré sa pohybujú po koľajniciach a poľnohospodárskych traktorov a strojov a pracovných strojov, nesmie presiahnuť tieto hladiny akustického hluku: - vozidlá určené na prepravu cestujúcich a najviac s deviatimi miestami vrátane miesta vodiča. (82 db) - vozidlá určené na prepravu cestujúcich s viac ako deviatimi miestami vrátane miesta vodiča, s maximálnou povolenou hmotnosťou nepresahujúcou 3,5 t. (84 db) - vozidlá určené na prepravu tovaru, s maximálnou povolenou hmotnosťou nepresahujúcou 3,5 t. (84 db) - vozidlá určené na prepravu cestujúcich s viac ako deviatimi miestami vrátane miesta vodiča, s maximálnou povolenou hmotnosťou presahujúcou 3,5 t. (89 db) - vozidlá určené na prepravu tovaru, s maximálnou povolenou hmotnosťou presahujúcou 3,5 t. (89 db) - vozidlá určené na prepravu cestujúcich s viac ako deviatimi miestami vrátane miesta vodiča, s výkonom motora rovnajúcim sa, alebo väčším ako 200 HP DIN. (91 db) - vozidlá určené na prepravu tovaru alebo materiálov s výkonom motora rovnajúcim sa, alebo väčším ako 200 HP DIN a maximálnou povolenou hmotnosťou presahujúcou 12 t. (91 db)

57 Podľa spôsobu tlmenia poznáme 3 typy tlmičov hluku: absorpčný, rezonančný a absorpčne rezonančný. U absorpčných tlmičoch môže plyn voľne prechádzať. Tlmenie hluku prebieha cez perforované trubky, ktoré sú obklopené hluk-pohlcujúcim materiálom, buď vzduchovými komorami alebo skleným vláknom. U reflexných tlmičoch sú vo vnútri používané reflektujúce prekážky, ktoré eliminujú nežiaduce zvukové frekvencie. Väčšina predných tlmičov hluku je absorpčná, vzhľadom k vyšším prevádzkovým teplotám okolo 800 C sa hluk absorbuje do vzduchových komôr. U koncového tlmiča hluku, kde teploty dosahujú maximum okolo 350 C a nehrozí tak poškodenie tlmiaceho materiálu, sa častejšie používa absorpčný, alebo kombinácia týchto dvoch tlmičov. Všetky tlmiče, nadmerne ohnuté potrubie ale hlavne katalyzátory, bránia voľnému priechodu výfukových plynov, čím zvyšujú protitlak vo výfukovom potrubí, čo sa prejavuje na znížení výkonu motora. Najlepší výkon sa dá dosiahnuť u absorpčného tlmiča, kde plyn môže voľne prechádzať. Obr.25 Rezonančný tlmič hluku

58 4.9 Termoizolačná páska od firmy Thermo Tec Originálne výfukové termo pásky boli vyvinuté pred dvadsiatimi rokmi americkou firmou Thermo-Tec. Ide o spôsob, ako docieliť nárast výkonu a znížiť teplotu pod kapotou. Takto omotané zvody, prípadne výfukové potrubie, udržujú výfukové plyny ohriate (ochladené výfukové plyny strácajú rýchlosť) a zabezpečujú tak rýchlejšie a účinnejšie vyprázdnenie výfukovej sústavy. Termo pásky majú tepelnú odolnosť až do 1100 C a redukujú teplotu pod kapotou až o 70 %. Termo pásky Thermo-Tec používajú špeciálne vyvinutú technológiu Thermo- Conductive-Technology (T-C-T). Tá účinne vedie teplo cez obal na povrch. Tento unikátny poťah kontroluje nahromadenie tepla a jeho rozptyl. Termo páska: - znižuje teplotu pod kapotou až o 70 % - zvyšuje výkon a účinnejšie spaľuje palivo - má teplotnú odolnosť až do 1100 C (2000 F) - predlžuje životnosť motora a elektronických súčiastok. Obr.26 Použitie termo pásky na zvodoch výfuku

59 Obr.27 porovnanie výkonu a krútiaceho momentu bez termoizolačnej pásky (červená čiara), pri použití termoizolačnej pásky (žltá čiara) na automobile Chevrolet Corvette Z