Tehnički napredak u pročišćavanju ispušnih plinova
Yüklə 61,12 Kb.
|
- Bu səhifədəki naviqasiya:
- Povijesni razvoj 2
- Usporedba potrebnih mjera za ispunjavanje zahtjeva Euro 3 i Euro 4
- Trokomponentni katalizator
- Kemijske pretvorbe u katalizatoru
- NO x apsorpcijski katalizator
- Predgrijavanje katalizatora
- Utjecaj sumpora u gorivu na štetnu emisiju Ottovog motora
- Godina Benzin Dizelsko gorivo
- Utjecaj sumpora na rad trokomponentnog katalizatora
- Utjecaj sumpora na rad apsorpcijskog NO x katalizatora
- Povrat ispušnih plinova (EGR 11 )
- Samokontrola sustava bitnih za kvalitetu ispušnih plinova (OBD sustavi)
- Lynntech Industries Inc.)
|
Tehnički napredak u pročišćavanju ispušnih plinova Ottovih motora za Euro 4 Technical development in the exhaust gas treatment of Otto engines to meet Euro 4 regulations Dragoslav Đurić, Dalibor Kraljić, Željko Marović, Siniša Mirković
Danas zaštita okoliša igra važnu ulogu u konstruiranju motora. Proizvođači u cilju smanjenja štetne emisije ispušnih plinova motora s unutarnjim izgaranjem i zadovoljavanja sve strožih normi ulažu goleme napore i velika financijska sredstva. Veliki napori se ulažu i u smanjenje potrošnje goriva koja rezultira i smanjenjem štetne emisije u ispušnim plinovima, kao i smanjenjem emisije CO2. Kod motora cestovnih vozila količina štetnih sastojaka (HC, CO, NOx, PM1) ograničena je zakonskim propisima o homologaciji vozila. U Europi su to ECE-direktive, dok na području Europske unije vrijede nešto strože EU-direktive. ECE-direktive donose se na temelju Sporazuma za Europu u Geneve iz 1958. godine, koji je donesen pri Ekonomskoj komisiji Ujedinjenih nacija. Dozvoljene razine štetne emisije Ottovih i Dieselovih motora za osobna vozila propisane su direktivom ECE R-83. 
Slika 1. Smanjivanje granica štetne emisije u zemljama Europe prema ECE direktivama (prikazano je relativno smanjenje, slika prema 4) Vrijednosti početnih ograničenja koja označavaju 100% su: 1970. – CO = 21,1 g/km, HC = 2,55 g/km, 1977. – NOx = 1,24 g/km 1988. – PM = 0,35 g/km (podaci prema 8)
U 50-im godinama 20-tog stoljeća u saveznoj državi Californiji u SAD-u provedeno je istraživanje koje je trebalo utvrditi razlog nastajanja fotokemijskog smoga u zraku. Istraživanjem je utvrđeno da je proces nastajanja smoga kompleksan, ali da su u njega uključeni dušikovi oksidi (NOx) i ugljikovodici (HC). Daljnja mjerenja su pokazala da su osobna vozila odgovorna za 70% emisije HC i 60% emisije NOx u zraku. To istraživanje bilo je prvi korak prema reduciranju štetnih ispušnih sastojaka motora s unutarnjim izgaranjem. Tijekom vremena neki od najznačajnijih događaja vezanih za razvoj metoda i propisa o štetnoj emisiji su bili: 1965. u SAD-u je donesen i prihvaćen prvi zakon o kontroli ispušnih plinova koji je ograničavao emisiju HC, CO i NOx. Zakon je vrijedio za osobna vozila proizvedena nakon 1968. 1970. donesena je dopuna zakonu koji zahtijeva smanjenje emisije CO, HC i NOx za 90% do 1975. Ustanovljeno je da same modifikacije motora nisu dovoljne da bi se dostigle granice. Budući da je vijek trajanja postojećih katalizatora bio kratak provedena su mnoga istraživanja kako bi se oni poboljšali. 1971. Johnson Matthey patentirao je upotrebu platine i rodija u smanjivanju dušikovih oksida (NOx) te ugljikovodika (HC) i ugljičnog monoksida (CO) u ispuhu. 1974. usavršena je tehnologija proizvodnje katalizatora i počela njihova velikoserijska proizvodnja. 1975. je ugrađen prvi oksidacijski katalizator (smanjuje CO i HC) u serijsko vozilo. U to doba je bezolovno gorivo već bilo široko dostupno. 1976. u Japanu na snagu stupaju zakoni o dozvoljenoj emisiji CO, HC i NOx. 1981. po prvi puta se primjenjuju zakoni o dozvoljenim granicama štetne emisije u Australiji i Njemačkoj. Da bi se postigle zahtijevane granice razvijeni su trokomponentni katalizatori (smanjuju CO, HC i NOx). Počela je i ugradnja On-board dijagnostičkih uređaja (OBD3). 1993. u Europi su doneseni zakoni o obaveznoj upotrebi katalizatora na novim vozilima. Na snagu stupa Euro 1 norma, a u SAD-u Tier 1 1996. na snagu u Europi stupa Euro 2 norma, a u SAD-u LEV (Low Emission Vehicle) pri čemu se posebna pozornost posvećuje ispušnim plinovima nastalim prilikom hladnoga starta motora. 1999. u SAD-u stupa na snagu NLEV (National Low Emission Vehicle) norma sa zahtjevima za znatnim smanjenjem NOx u ispušnim plinovima. 2000. Euro 3 norma stupa na snagu u Europi. Ugrađuju se katalizatori s ulošcima gustoće 900 cpsi 4. 2005. na snagu stupa Euro 4 norma u kojoj se zahtijeva daljnje smanjenje granice štetnih emisija, naročito čestica kod Dieselovih motora.
Potrebne mjere za ispunjavanje Euro 3 norme:
Potrebne mjere za ispunjavanje Euro 4 norme:
Euro 4 norma za vozila M15 i N16 kategorije stupa na snagu od 01.01.2005. Tablica 1. Usporedba graničnih vrijednosti emisijskih faktora Euro 3, Euro 4 i Euro 5 norme za osobna vozila (podaci prema 4 i 5)
Emisija ugljičnog dioksida (CO2) nije ograničena važećom Euro normom (Euro 4) i nije predviđeno ograničenje sljedećom normom (Euro 5), ali postoji sporazum o smanjenju emisije CO2 između proizvođača članova ACEA7. 
Slika 2. Emisija CO2 kod vozila proizvedenih od strane proizvođača članova ACEA sa predviđanjima do 2008 prema sporazumu 1999/125/EC (graf prema [2) Proizvođači članovi ACEA 1999. godine sklopili su sporazum (1999/125/EC) kojim se obvezuju da će do 2008., godine poduzeti sve potrebne mjere koje će dovesti do smanjenja prosječne emisije CO2 cijele flote vozila proizvođača članova AECA na 140 g/km. Točka 3 istog sporazuma kaže da do 2000. godine svaki proizvođač član ACEA je trebao na tržište isporučiti model koji ima emisiju CO2, mjerenu prema 93/116/EEC direktivi, manju ili jednaku 120 g/km. Godine 2000. isti sporazum prihvatili su proizvođači članovi KAMA i JAMA8.
Prvi katalizatori koji su ušli u upotrebu bili su dvokomponentni, tj. u njima su pretvarani samo HC i CO (u CO2 i H2O). To je bilo dovoljno sve dok nije ograničena dopuštena emisija NOx u ispuhu. Na današnjim Ottovim motorima ugrađeni su isključivo trokomponentni katalizatori (smanjuju HC, CO i NOx) s dvije lambda sonde9 (ispred i iza katalizatora). Da bi katalizator dobro djelovao motorno gorivo ne smije sadržavati olovo (taloži se na aktivnom sloju i smanjuje efikasnost katalizatora te uništava λ-sondu) a goriva smjesa mora biti strogo stehiometrijska (λ = 1 ± < 2%), što se može postići jedino precizno reguliranim ubrizgavanjem goriva i mjerenjem protoka zraka, odnosno primjenom elektroničkih uređaja za upravljanje radom motora. Slika 3. Trokomponentni katalizatorRadna temperatura katalizatora je oko 650°C i u fazi zagrijavanja on ne radi punim intenzitetom. Zato mora biti smješten što je moguće bliže motoru, jer će tako najbrže dostići radnu temperaturu. U najnovijim motorima se koristi sekundarno upuhivanje zraka u ispuh kako bi se omogućilo sekundarno izgaranje koje zagrijava katalizator. Kemijske pretvorbe u katalizatoru  - oksidacija
 - oksidacija
 - redukcija
Obično se ugrađuje u motore koji imaju izravno ubrizgavanje goriva, u kombinaciji sa trokomponentnim katalizatorom. Kod rada sa stehiometrijskom smjesom trokomponentni i NOx apsorpcijski katalizator rade kontinuirano tj. ponašaju se kao dva trokomponentna katalizatora. Međutim, kod rada sa siromašnom smjesom trokomponentni katalizator i dalje oksidira CO i HC, a NOx apsorpcijski katalizator preuzima funkciju smanjenja NOx u dvije faze:
Sposobnost akumuliranja NOx-a u ovom tipu katalizatora je ovisna o temperaturi. Najveća pohrana NOx-a postiže se između 300 i 400°C što znači da je ova temperatura znatno niža od one na kojoj radi trokomponentni katalizator. Zato se trokomponentni katalizator postavlja bliže motoru, a NOx apsorpcijski katalizator dalje od motora. 
Slika 4. Izgled ispušnog sustava Ottovog motora sa dva katalizatora 1. Cilindar motora, 2. Prva upravljačka lambda sonda, 3. Trokomponentni katalizator, 4. Temperaturni osjetnik, 5. NOx apsorpcijski katalizator, 6. Kontrolna lambda sonda s NOx osjetnikom
Nakon pokretanja nezagrijanog motora (hladni start) potrebno je određeno vrijeme da katalizator dostigne radnu temperaturu od oko 650°C. Tijekom tog vremena efikasnost katalizatora je vrlo niska. Na slici 5. pokazana je ovisnost stupnja pretvorbe HC i CO o temperaturi katalizatora. Vidljivo je da pretvorba CO dostiže punu efikasnost na nešto nižim temperaturama nego pretvorba HC. Da se skrati vrijeme zagrijavanja katalizatora koriste se različite metode predgrijavanja katalizatora. Katalizator se može predgrijati elekričnim ili kemijskim postupcima. Kod električnog predgrijavanja koriste se otpornici ugrađeni u katalizatore koji se uslijed prolaska struje zagrijavaju i time zagrijavaju sam katalizator, dok se kod kemijskog postupka koristi vodik koji se iz posebnog spremnika dovodi u katalizator gdje izgara oslobađajući toplinu. Kod kemijskog postupka predgrijavanja vodik može biti dodatno korišten kao gorivo za pokretanje prilikom hladnog starta čime se dodatno smanjuje emisija štetnih plinova.
U Europskim zemljama specifikacije goriva su propisane direktivom EC 98/70. Prema toj direktivi maksimalni dopušteni udio sumpora u gorivu od 01.01.2005. iznosi 50 ppm. Prema direktivi 2003/17/EC od 01.01.2005. u zemljama članicama Europske unije mora biti ponuđeno i gorivo s maksimalnim sadržajem sumpora od 10 ppm, a od 01.01.2009. sva goriva ne smiju sadržavati više od 10 ppm sumpora. U Hrvatskoj se koristi gorivo prema normi HRN EN 228 koja propisuje sadržaj sumpora od 350 mg/kg za Eurodiesel i 150 mg/kg za Eurosuper 95 i omogućava zadovoljenje zahtjeva Euro 3 normi. U usporedbi s konvencionalnim gorivima, primjenom goriva bez sumpora10 (S<10 ppm) u ispušnim plinovima motora izravno se smanjuje sadržaj čestica HC, NOX i CO, a neizravno se smanjuje emisija CO2, jer se smanjuje potrošnja goriva zbog smanjene potrebe za regeneracijom katalizatora koja se provodi dodatnim ubrizgavanjem i izgaranjem goriva u katalizatoru. Tablica 2. Maksimalni dopušteni udio sumpora u gorivu
Trokomponentni katalizatori zadnje generacije izrađuju se upotrebom paladija; materijala koji ima bolju termičku stabilnost od platine i rodija. Nedostatak paladija je osjetljivost na sadržaj sumpora u gorivu. Utjecaj sumpora na kvalitetu rada trokomponentnog katalizatora dokazan je istraživanjem u kojem su se provodila ispitivanja goriva s različitim sadržajem sumpora u gorivu. Rezultati su prikazani na slici 6. Iz slike je uočljivo da su najveća poboljšanja postignuta smanjenjem sadržaja sumpora od 100 na 30 ppm. Do temperature od 450°C (proces zagrijavanja) sumpor se pohranjuje u katalizatoru, dok iznad temperature od 500°C (radna temperatura) oksidira i oslobađa se u obliku SO2. Iako bi efekt onečišćenja katalizatora sumporom trebao biti povratan, eksperimenti su dokazali da učinkovitost katalizatora bespovratno opada usprkos regeneraciji. 
Slika 6. Utjecaj sumpora na rad trokomponentnog katalizatora (slika prema [1])
Sumporni oksidi nastali izgaranjem goriva, koje sadrži sumpor, kemijski su slični dušikovim oksidima. Oni reagiraju s ostalim oksidima stvarajući pritom sulfate koji se pohranjuju u katalizatoru te na taj način smanjuju mogućnost pohrane NOx. Posljedica toga je smanjenje učinkovitosti katalizatora. Da bi katalizator ponovo dosegao svoju nazivnu početnu učinkovitost provodi se postupak desulfatizacije. Desulfatizacija je moguća samo na temperaturama iznad 650°C. Zbog toga se izvodi dodatno ubrizgavanje goriva pred kraj izgaranja čime ubrizgano gorivo zajedno s produktima izgaranja dolazi do katalizatora u kojem izgara zajedno s pohranjenim sulfatima. Time je oslobođen prostor za pohranu dušikovih oksida i katalizator dalje radi početnom efikasnošću. Taj se proces naziva regeneracijom katalizatora. Iz slike 7 je vidljivo da što je manje sumpora u gorivu vozilo će moći proći veću udaljenost (siva crta u dijagramu) bez potrebe za desulfatizacijom, te će povećanje potrošnje biti manje. Na primjer, kod goriva sa sadržaja sumpora od 20 ppm desulfatizacija je potrebna već nakon 600 km što dovodi do povećanja potrošnje goriva za 0,35%, dok kod goriva s 50 ppm sumpora zasićenost katalizatora, a time i potreba za desulfarizacijom, nastupa već na otprilike 200 km pa time potrošnja goriva poraste za 1%.
Da bi se zadovoljili zahtjevi Euro 4 na Ottovim motorima nije dovoljan samo katalizator, jer s današnjim katalizatorima redukcija NOx još uvijek nije na zadovoljavajućoj razini. Zbog toga kao jedno od rješenja nameće se metoda povrata ispušnih plinova (EGR). Ta metoda smanjenja NOx se već duže vrijeme primjenjuje na Dieselovim motorima koji imaju veću emisiju dušikovih oksida od Ottovih motora. Kod EGR-sustava dio ispušnih plinova se iz ispušne grane preusmjerava ponovo u usis. Ispušni plinovi koji se dovode ponovo u cilindar su inertni tj. ne sudjeluju u izgaranju, već samo troše toplinu da bi se zagrijali. To pridonosi smanjuju najveće temperature i tlaka u cilindru, koji su preduvjet za nastajanje NOx. Rezultat svega je smanjena količina NOx.
Za vrijeme rada motora računalo sustava za samokontrolu, ugrađeno u vozilo, prikuplja podatke s raznih osjetnika postavljenih na motoru, pristigle informacije uspoređuje s unaprijed pohranjenim uobičajenim vrijednostima s ovih senzora i na osnovi dobivene razlike zaključuje se da li odgovarajući sklopovi još uvijek ispravno funkcioniraju. Kada sustav registrira neispravnost nekog od sklopova, grešku pohranjuje u memoriju te upozorava vozača na neispravnost paljenjem kontrolne žarulje. Osnovni dijelovi i sustavi na motoru koje nadgleda OBD program su katalizator, povrat ispušnih plinova u usisnu granu, sekundarno upuhivanje zraka u ispušnu granu, spremnik para goriva, kontrola paljenja svakog pojedinog cilindra.
Ispušni plinovi motora s unutarnjim izgaranjem su jedan od najvećih zagađivača okoliša. Štetna emisija najveća je u velikim gradovima gdje je promet najgušći. U budućnosti će zbog strogih normi i sve većeg broja vozila biti potrebno razviti nove metode i poboljšati stare u cilju smanjenja štetne emisije i potrošnje goriva. Zbog toga se razvijaju katalizatori s većom efikasnošću (veća gustoća ćelija) i mogućnošću bržeg zagrijavanja. U narednim godinama vjerojatno će se ograničiti i emisija CO2 u ispušnim plinovima. Sam plin CO2 nije štetan za zdravlje već njegovo akumuliranje u atmosferi uzrokuje globalno zagrijavanje. Smanjenje CO2 za sada je moguće samo smanjenjem potrošnje goriva. Tehnologije koje omogućuju smanjenu potrošnju kod Ottovih motora su izravno ubrizgavanje goriva u cilindre, varijabilno otvaranje usisnih ventila bez zaklopke u usisnoj grani, isključivanje rada određenog broja cilindara pri smanjenom opterećenju i druge. Jedna od tehnologija koja je u fazi razvoja je elektromagnetsko otvaranje ventila čime bi se izbacilo bregasto vratilo iz motora i tako povećala korisnost motora, a time i smanjila potrošnja. Izvori podataka:
Sažetak U radu je opisan tehnički napredak u pročišćavanju ispušnih plinova Ottovih motora. U prvom dijelu kronološki je prikazan razvoj uređaja za pročišćavanje ispušnih plinova i normi za ograničavanje štetne emisije. Nadalje su opisani katalizatori, predgrijavanje katalizatora te utjecaj kvalitete goriva (sadržaj sumpora) na njihovu efikasnost. Navedena je i usporedba potrebnih mjera za zadovoljenje normi Euro 3 i Euro 4 kod Ottovih motora. Također je opisan princip rada sustava samokontrole na vozilu (OBD) kao i sustava za povrat ohlađenih ispušnih plinova (EGR) kojim se smanjuje emisija NOx u ispuhu. Ključne riječi: Motori s unutarnjim izgaranjem, Otto, ispušni plinovi, pročišćavanje, Euro 4 Summary Main subject of this work is technical development of the exhaust gas cleaning systems in gasoline engines. First part describes chronological development of the exhaust gas cleaning device (catalytic converter) and limiting regulations. Further on, operation of the catalytic converters is discussed, the preheating of catalytic converters and the influence of fuel quality on converters efficiency. Comparison of requirements to satisfy Euro 3 and Euro 4 regulations are also mentioned. In the following text of work, Exhaust Gas Recirculation (EGR), system which has been used for NOx reduction and On-Board Diagnostic (OBD) systems, are described. Key words: Internal combustion engine, Otto, exhaust gases, exhaust gas aftertreatment, Euro 4 Autori Dragoslav Đurić, Dalibor Kraljić, Željko Marović, Siniša Mirković studenti IX. Semestra e-mail: zmarovic@net.hr Sveučilište u Zagrebu Fakultet strojarstva i brodogradnje Katedra za motora i vozila HR-10000 Zagreb, Ivana Lučića 5 1 Čestice (engl. Particulate Matter) 2 Prema izvoru „30 Years in the Development of Autocatalysts“ (www.platinum.matthey.com/uploaded_files/Pt2004/30%20Years%20of%20Autocats.pdf) 3 Samokontrola sustava na vozilu bitnih za kvalitetu ispušnih plinova (engl. On-Board Diagnostic) U literaturi se koristi i naziv EOBD-European On-Board Diagnostic, da bi se napravila razlika između američkog i europskog sustava. 4 Ćelija po kvadratnom inch-u (engl. Cells per square inch) 5 Kategorija M1 odnosi se na cestovna vozila za prijevoz putnika sa 3 ili 4 kotača i najvećom dopuštenom masom do 2,5 t. 6 Kategorija N1 odnosi se na cestovna vozila koja služe za prijevoz tereta i koja imaju najmanje 4 ili 3 kotača i najveću dopuštenu masu do 3,5 t 7 Udruženje europskih proizvođača osobnih vozila (engl. Association of European Automobile Manufacturers), popis proizvođača članova na http://www.acea.be 8 Udruženje korejskih i japanskih proizvođača osobnih vozila (engl. Korea Automobile Manufacturers Association, Japan Automobile Manufacturers Association) 9 Lambda sonda je osjetnik koji mjeri sadržaj kisika u ispuhu i šalje signal upravljačkoj jedinici 10 Pod gorivom bez sumpora podrazumijeva se gorivo s maksimalnim sadržajem sumpora od 10 ppm. 11 Povrat ispušnih plinova (engl. Exhaust Gas Recirculation ili njem. AGR – Abgasrückfuhrüng) Yüklə 61,12 Kb. Dostları ilə paylaş:
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
