Technick´a univerzita v Liberci Fakulta strojn´ı
Katedra vozidel a motor˚u
H´alkova ul. 6 CZ-46117 Liberec
DIPLOMOV ´ A PR ´ ACE
Sledov´ an´ı technick´ eho stavu katalytick´ eho reaktoru v syst´ emu
EOBD
Monitoring of technical condition of catalytic converter under EOBD
Petr Teichmann
Ev. ˇc. 553565 PSM FS5
2007-01-05
Fakulta strojn´ı
Katedra vozidel a motor˚u H´alkova ul. 6
CZ-46117 Liberec
N´azev (DC.TITLE)
Sledov´an´ı technick´eho stavu katalytick´eho reaktoru v syst´emu EOBD
(ENG) Monitoring of technical condition of catalytic converter under EOBD
Pˇredmˇet a kl´ıˇcov´a slova (DC.SUBJECT)
spalovac´ı motor, katalyz´ator, emise, diagnostika, EOBD
Typ zdroje (DC.TYPE)
Diplomov´a pr´ace
Tv˚urce (DC.CREATOR)
Petr Teichmann
Pˇrispˇevatel (DC.CONTRIBUTOR)
Vedouc´ı diplomov´e pr´ace: Josef Laurin (TU Liberec) Konzultant: Harald Loeck (Volkswagen AG, Wolfsburg)
Identifik´ator zdroje (DC.IDENTIFIER)
Diplomov´a pr´ace:
Studijn´ı program: M2301 strojn´ı inˇzen´yrstv´ı
Studijn´ı obor: 2302T010 konstrukce stroj˚u a zaˇr´ızen´ı Zamˇeˇren´ı: P´ıstov´e spalovac´ı motory
Datum vytvoˇren´ı (DC.DATE.CREATION)
2007-01-05
Form´at (DC.FORMAT)
Adobe Portable Document Format, Adobe PostScript
Jazyk (DC.LANGUAGE)
CES
Bibliografick´e informace Rozsah pr´ace:
Poˇcet stran: 85 Poˇcet obr´azk˚u: 34 Poˇcet tabulek: 11
Poˇcet pˇr´ıloh: 1 ks CD-ROM
Spr´ava autorsk´ych pr´av (DC.RIGHTS)
rozˇsiˇrov´an´ı/distribuce omezena
Analytick´y list zpracov´an dle norem ISO 15836:2003 a ISO 5966:1982
Souˇcasn´e poˇzadavky na sniˇzov´an´ı emisn´ı z´atˇeˇze vedou i ve v´yvoji konstrukce spalovac´ıch motor˚u k hled´an´ı nov´ych technologi´ı pro zlepˇsov´an´ı emisn´ıch parametr˚u motor˚u. V pˇr´ıpadˇe z´aˇzehov´ych benz´ınov´ych motor˚u byly hled´any postupy mˇeˇren´ı a zpracov´an´ı parametr˚u katalyz´atoru v´yfukov´ych plyn˚u bˇehem provozu tak, aby pˇresnˇejˇs´ı data umoˇzˇnovala jak dalˇs´ı v´yvoj v oblasti kon- strukˇcn´ı a v oblasti vnitˇrn´ı regulace, tak i podklady pro v´yzkum. Na pokusn´em motoru byly zkouˇskami spoˇc´ıvaj´ıc´ımi pˇredevˇs´ım v j´ızdn´ıch testech poˇr´ızeny soubory dat. K jejich zpracov´an´ı byl navrˇzen inovovan´y zp˚usob pr´ace s daty poˇr´ızen´ymi na z´akladˇe pr´avˇe standardizovan´ych test˚u. Soubor navrˇzen´ych inovativn´ıch postup˚u spoˇc´ıval jak v nov´ych matematick´ych tak i programov´ych (manu´aln´ıch i automatick´ych) n´astroj´ıch. Zpracov´an´ı a vyhodnocen´ı poˇr´ızen´ych dat uk´azalo na kvalitativn´ı pˇr´ınosy pˇri pouˇzit´ı souboru tˇechto n´astroj˚u.
Current requirements for reducing of exhaust exposition force the designer of internal combustion engines to find and use the new technologies for improvements of its exhaust parameters. There were been looked for such measurements and computing of catalytic converter parameters in the case of petrol engines, to more accurate internal control and receiving another bases for research. There have been sampled many sets of data on the testing engine during many test driving cycles. There have been suggested set of improved procedures (mathematical and software) and tools (manual and automatic). Treatment and interpretation of those data sets have showed on qualitative acquisition by using these tools.
Tuto pr´aci vˇenuji sv´ym rodiˇc˚um Nadˇe a Janu Teichmannov´ym a bratrovi Jenovi za st´alou podporu, kterou mi vˇzdy poskytovali a pˇr´ıtelkyni Jitce, bez n´ıˇz by tato pr´ace nikdy nebyla vznikla.
Zde pˇredloˇzen´a diplomov´a pr´ace byla zpracov´ana v oddˇelen´ı K-EFVT (Ver- brennungsantriebe Thermodynamik) (Spalovac´ı pohony, termodynamika) podniku Volkswagen AG ve Wolfsburgu.
Tato pr´ace se t´yk´a ˇc´asteˇcnˇe v´yzkumn´ych oblast´ı, kter´e mimo podnik Volk- swagen AG nejsou zn´amy a proto podl´ehaj´ı povinnosti uchov´av´an´ı v tajnosti.
Zavazuji se t´ımto, ˇze po dobu pˇr´ıˇst´ıch pˇeti let nebudu z´ıskan´e znalosti bez pˇredchoz´ıho p´ısemn´eho souhlasu podniku Volkswagen AG ani zveˇrejˇnovat ani je neposkytnu v jin´e formˇe tˇret´ım osob´am.
Wolfsburg, duben 2002
T´ımto prohlaˇsuji, ˇze tuto diplomovou pr´aci jsem vypracoval samostatnˇe, s pouˇzit´ım uveden´e literatury a dalˇs´ıch pramen˚u a na z´akladˇe konzultac´ı s kozultantem a vedouc´ım diplomov´e pr´ace.
Byl jsem sezn´amen s t´ım, ˇze na mou diplomovou pr´aci se plnˇe vztahuje z´akon ˇc.121/2000 Sb. o pr´avu autorsk´em zejm´ena § 60 (ˇskoln´ı d´ılo) a § 35 (o nev´ydˇeleˇcn´em uˇzit´ı d´ıla k vnitˇrn´ı potˇrebˇe ˇskoly).
Beru na vˇedom´ı, ˇze TUL m´a pr´avo na uzavˇren´ı licenˇcn´ı smlouvy o uˇzit´ı m´e pr´ace a prohlaˇsuji, ˇze souhlas´ım s pˇr´ıpadn´ym uˇzit´ım m´e pr´ace (prodej, zap˚ujˇcen´ı apod.), budou-li respektov´ana vˇsechna omezen´ı vypl´yvaj´ıc´ı z ˇc´asti Dohoda o uchov´an´ı v tajnosti (p. 2).
Jsem si vˇedom toho, ˇze uˇz´ıt sv´e diplomov´e pr´ace ˇci poskytnout licenci k jej´ımu vyuˇzit´ı mohu jen se souhlasem TUL, kter´a m´a pr´avo ode mne poˇzadovat pˇrimˇeˇren´y pˇr´ıspˇevek na ´uhradu prokazateln´ych n´aklad˚u vynaloˇzen´ych univerzitou na vytvoˇren´ı d´ıla (aˇz do jejich skuteˇcn´e v´yˇse).
Liberec, leden 2007
V´yvoj alternativn´ıho postupu ke sledov´an´ı st´aˇr´ı katalyz´ator˚u s pomoc´ı statistick´ych korelaˇcn´ıch pozorov´an´ı
(v prostˇred´ı MATLAB)°r.
Aby byla zajiˇstˇena sluˇcitelnost s ˇzivotn´ım prostˇred´ım u vozidel poh´anˇen´ych spalovac´ımi motory po dobu cel´e jejich ˇzivotnosti, pˇredepisuj´ı americk´e ´uˇrady pro ochranu ˇzivotn´ıho prostˇred´ı pro vˇsechna vozidla, kter´a jsou schvalov´ana pro americk´y trh, trval´e sledov´an´ı (OBD) ˇcinnosti katalyz´ator˚u.
S´eriov´a vozidla v souˇcasn´e dobˇe pouˇz´ıvaj´ı metodu mˇeˇren´ı prostˇrednictv´ım porovn´av´an´ı sign´al˚u od λ-sond pˇred a za katalyz´atorem a porovn´an´ım tˇechto veliˇcin jako nepˇr´ımou m´ıru st´aˇr´ı katalyz´atoru.
Ukolem t´eto pr´ace bylo vypracov´an´ı alternativn´ı metody ke sledov´an´ı ´´ uˇcinnosti katalyz´atoru s pomoc´ı statistick´ych vyhodnocovac´ıch metod pouˇz´ıvaj´ıc´ıch st´avaj´ıc´ı eventuelnˇe pˇr´ıdavn´e sensory v´yfukov´ych plyn˚u.
Pro pouˇzit´ı metody jsou k dispozici soubory namˇeˇren´ych dat ze zkuˇsebn´ıch vozidel s katalyz´atory rozd´ıln´eho stupnˇe st´aˇr´ı pˇri normovan´ych j´ızdn´ıch cyk- lech (FTP, NEFC, HDC) na zkuˇsebn´ım stavu.
0 Uvod´ 13
0.1 Pˇredmluva . . . 13
0.2 Metodika ˇreˇsen´ı . . . 15
1 Dodateˇcn´e zpracov´an´ı v´yfukov´ych plyn˚u 17 1.1 Katalyz´ator . . . 17
1.1.1 Stavba 3-cestn´eho katalyz´atoru . . . 18
1.1.2 Poˇskozen´ı a st´arnut´ı katalyz´ator˚u . . . 18
1.2 Moˇznosti a sn´ımaˇce mˇeˇren´ı emis´ı . . . 18
1.2.1 Mˇeˇren´ı souˇcinitele pˇrebytku vzduchu λ . . . 20
1.2.2 Mˇeˇren´ı koncentrac´ı oxid˚u dus´ıku . . . 21
1.2.3 Dalˇs´ı mˇeˇric´ı zaˇr´ızen´ı . . . 26
2 Struktura mˇeˇr´ıc´ı techniky 28 2.1 Motorov´e zkuˇsebn´ı stanoviˇstˇe . . . 28
2.2 Vozidlov´e v´alcov´e zkuˇsebn´ı stanoviˇstˇe . . . 28
2.3 Metody zpracov´an´ı emis´ı z j´ızdn´ıho cyklu . . . 30
2.3.1 Metoda CVS . . . 30
2.3.2 Dalˇs´ı sbˇern´e zp˚usoby . . . 30
3 Realizace j´ızdn´ıch test˚u 32 3.1 Vozidlo a motor . . . 32
3.2 Elektronick´a ˇr´ıd´ıc´ı jednotka motoru . . . 32
3.3 Mˇeˇr´ıc´ı aparatura . . . 33
3.3.1 ASCET . . . 37
3.4 Pouˇzit´e katalyz´atory . . . 38
4 Metody monitorov´an´ı stavu katalyz´atoru 40
4.1 Amplitudov´a anal´yza se dvˇema λ-sondami . . . 40
4.2 DKATSP . . . 40
4.3 Integr´aln´ı krit´erium KZK . . . 42
5 Zpracov´an´ı namˇeˇren´ych v´ysledk˚u 43 5.1 Prvotn´ı zpracov´an´ı dat . . . 43
5.1.1 Naˇcten´ı dat . . . 43
5.1.2 Interpolace a vzorkov´an´ı . . . 43
5.1.3 Harmonizace a uloˇzen´ı . . . 44
5.2 Druhotn´e zpracov´an´ı dat . . . 44
5.2.1 Regresn´ı (automatick´a) synchronizace . . . 44
5.2.2 Synchronizace s nekonstantn´ım ˇcasov´ym posunem . . 46
5.2.3 Manu´aln´ı synchronizace . . . 47
5.3 3D-z´avislosti . . . 51
5.3.1 Regresn´ı anal´yza - program AUTOREG . . . 51
5.3.2 Interpolaˇcn´ı matice . . . 51
6 Z´avˇer a v´yhled 56 7 Podˇekov´an´ı 58 Seznam literatury 59 Pˇr´ılohy 61 A Paliva, spalov´an´ı a v´yfukov´e emise 61 A.1 Ropa . . . 61
A.2 Rafinace . . . 62
A.2.1 Separace, oddˇelov´an´ı . . . 62
A.2.2 Konverze . . . 63
A.2.3 Dodateˇcn´e ´upravy a zuˇslecht’ov´an´ı . . . 65
A.3 Paliva pro z´aˇzehov´e motory . . . 66
A.3.1 Poˇzadavky na paliva do z´aˇzehov´ych motor˚u . . . 67
A.3.2 Metody ke splnˇen´ı poˇzadavk˚u na benz´ıny . . . 68
A.4 Tvorba smˇesi a spalov´an´ı . . . 69 A.5 V´yfukov´e emise . . . 71 A.5.1 Sloˇzen´ı v´yfukov´ych plyn˚u z´aˇzehov´ych motor˚u . . . 71 A.5.2 Vlastnosti a p˚usoben´ı jednotliv´ych komponent v´yfukov´ych
plyn˚u na ˇclovˇeka . . . 72 A.5.3 Emisn´ı z´akonod´arstv´ı . . . 76
B Seznam vytvoˇren´ych program˚u a rutin 79
C CD-ROM 81
1 Spotˇreba paliva v Nˇemecku . . . 14
2 Srovn´an´ı poˇctu vozidel a spotˇreby . . . 14
1.1 Uspoˇr´ad´an´ı sn´ımaˇc˚u ve v´yfukov´em potrub´ı . . . 20
1.2 Sch´ema uspoˇr´ad´an´ı ˇsirokop´asmov´e λ-sondy . . . 21
1.3 Sch´ema uspoˇr´ad´an´ı a charakteristiky λ-sondy LSF . . . 22
1.4 Sch´ema ˇcinnosti NOx-sensoru . . . 25
1.5 Optick´y princip FTIR spektrometru v analyz´atoru SESAM . 26 1.6 Princip FID analyz´atoru . . . 27
2.1 Sn´ımek zkuˇsebn´ıho stanoviˇstˇe . . . 29
3.1 Sch´ema pouˇzit´eho motoru . . . 33
3.2 Elektronick´a ˇr´ıd´ıc´ı jednotka motoru . . . 34
3.3 Sch´ema architektury mˇeˇr´ıc´ı aparatury . . . 35
3.4 Uspoˇr´ad´an´ı mˇeˇr´ıc´ı aparatury v zavazadlov´em prostoru . . . . 36
3.5 Uspoˇr´ad´an´ı mˇeˇr´ıc´ı aparatury v kabinˇe . . . 36
3.6 Uspoˇr´ad´an´ı mˇeˇric´ı aparatury vnˇe vozu . . . 37
3.7 Sch´ema zapojen´ı jednotky ASCET . . . 38
4.1 Diagram funkce DKATSP . . . 41
5.1 Uk´azka okna mansync v nesynchronizovan´e podobˇe . . . 49
5.2 Uk´azka okna mansync v synchronizovan´e podobˇe . . . 50
5.3 Dynamick´a 3D-z´avislost NOxCLD, medi´anov´y faktor 1 . . . . 52
5.4 Dynamick´a 3D-z´avislost NOxCLD, medi´anov´y faktor 5 . . . . 53
5.5 Dynamick´a 3D-z´avislost NOxCLD, medi´anov´y faktor 10 . . . . 53
5.6 Statick´a 3D-z´avislost NOxCLD, medi´anov´y faktor 1 . . . 54
5.7 Statick´a 3D-z´avislost NOxCLD, medi´anov´y faktor 5 . . . 54
5.8 Statick´a 3D-z´avislost NOxCLD, medi´anov´y faktor 10 . . . 55
5.9 Regresn´ı 3D-z´avislost NOxCLD . . . 55
A.1 Hydroskimming rafin´erie . . . 63
A.2 Konverzn´ı rafin´erie . . . 64
A.3 Komplexn´ı krakovac´ı rafin´erie . . . 64
A.4 Sloˇzen´ı v´yfukov´ych plyn˚u z´aˇzehov´eho motoru . . . 71
A.5 Z´avislost koncentrac´ı ˇskodlivin na λ . . . 72
A.6 Charakteristika testu FTP . . . 74
A.7 Charakteristika testu MVEG . . . 75
A.8 Charakteristika testu HDC . . . 75
1.1 Parametry katalyz´ator˚u . . . 18
1.2 Vliv teploty na katalyz´ator . . . 19
2.1 Parametry zkuˇsebn´ıho stanoviˇstˇe . . . 29
2.2 Parametry motoru AQY . . . 31
2.3 Parametry motoru AEG . . . 31
3.1 Pˇrehled katalyz´ator˚u pouˇzit´ych v testech . . . 39
5.1 Struktura promˇenn´e stati . . . 45
5.2 J´adro algoritmu rutiny regsync . . . 47
A.1 Sloˇzen´ı benz´ın˚u . . . 66
A.2 Pˇredepsan´e limity emis´ı do 2000 . . . 77
A.3 Pˇredepsan´e limity emis´ı od 2004 . . . 78
N´asleduj´ıc´ı seznam obsahuje nˇekter´e pouˇzit´e a m´enˇe obvykl´e zkratky a oznaˇcen´ı.
zkratka v´yznam pˇreklad
ASCET Advanced Simulation and Control Egineering Tool
souˇc´ast HW ˇreˇsen´ı mˇeˇric´ı aparatury
cf. confer srovnej
cft cubic foot 28.317 dm3
CLD Chemiluminiscent Detector chemoluminiscenˇcn´ı detektor
cpi cells per inch bunˇek na palec
CVS Constant Volume Sampling odbˇern´a metoda v´yfukov´ych plyn˚u EOBD European Onboard Diagnosis evropsk´a palubn´ı diagnostika ETK Emulatortastkopf emulaˇcn´ı modul ˇr´ıd´ıc´ı jednotky FFT Fast Fourier Transformation rychl´a Fourierova transformace FID Flame-Inosation Detector ionzaˇcn´ı plamenov´y detektor FTIR Fourier Transformation Infrared
spectrometer
infraˇcerven´y spektrometr
FTP Federal Test Procedure feder´aln´ı j´ızdn´ı test (USA) GUI Grafical User Interface grafick´e uˇzivatelsk´e prostˇred´ı HDC Highway Driving Cycle d´alniˇcn´ı j´ızdn´ı test
KZK Katalysatorzustandskennzahl vyhodnocovac´ı ukazatel kat- alyz´atoru
LA3 extern´ı ˇsirokop´asmov´a λ-sonda
LSF Lambdasonde-Flach λ-sonda s plochou charakteristikou
LSH Lambdasonde-Heizung vyhˇr´ıvan´a λ-sonda
LSU Lambdasonde-Universal univerz´aln´ı λ-sonda LEV Low Emission Vehicle vozidlo s n´ızk´ymi emisemi
mil miliinch 25.399 µm
MO ˇC Motorov´e Oktanov´e ˇC´ıslo
MVEG Motor Vehicle Emission Group ekvivalentn´ı oznaˇcen´ı pro NEFZ NEFZ Neuer Europ¨aischer Fahrzyklus nov´y evropsk´y j´ızdn´ı test NMHC Non-Methane hydrocarbons uhlovod´ıkov´e emise bez methanu
zkratka v´yznam pˇreklad
NMOG Non-Methane organic gases suma vˇsech uhlovod´ık˚u ve v´yfuku
OBD Onboard Diagnosis palubn´ı diagnostika
OSC Oxygen Storage Capacity kapacita z´asoby kysl´ıku
p. pagina strana
PCMCIA Personal Computer Memory Card International Asociation
standard rozhran´ı (pˇrenosn´ych) poˇc´ıtaˇc˚u
PM Particulate Matter pevn´e ˇc´astice
PZEV Partial Zero Emission Vehicle. vozidlo s ˇc´asteˇcnˇe nulov´ymi emisemi
SO ˇC Silniˇcn´ı Oktanov´e ˇC´ıslo
SESAM System for Emission Sampling And Measurment
meˇr´ıc´ı aparatura zn. SIEMENS
SULEV Super Ultra-Low Emission Vehicle vozidlo se super ultra-n´ızk´ymi emisemi
TLEV Transitional Low Emission Vehicle vozidlo s pˇrechodnˇe n´ızk´ymi emisemi
ULEV Ultra-Low Emission Vehicle vozidlo s ultra-n´ızk´ymi emisemi
v. vide viz
VO ˇC V´yzkumn´e Oktanov´e ˇC´ıslo
ZEV Zero Emission Vehicle vozidlo s nulov´ymi emisemi
Uvod ´
0.1 Pˇredmluva
Automobil tvoˇr´ı dnes d˚uleˇzitou souˇc´ast naˇs´ı spoleˇcnosti. Od prvn´ı poloviny 20. stolet´ı z´ısk´aval st´ale v´ıce sv˚uj v´yznam; pˇredevˇs´ım ve vˇsech pr˚umyslov´ych zem´ıch. M˚uˇze slouˇzit jako mnohostrann´y dopravn´ı prostˇredek pro zboˇz´ı i osoby, poskytovat dosud nepoznanou individu´aln´ı a flexibiln´ı mobilitu a zvyˇsovat kvalitu ˇzivota lid´ı.
Automobily jsou v pˇrev´aˇzn´e vˇetˇsinˇe poh´anˇeny spalovac´ımi motory. Protoˇze pˇri spalov´an´ı fosiln´ıch paliv doch´az´ı ke vzniku pro ˇzivotn´ı prostˇred´ı i lidsk´e zdrav´ı ˇskodliv´ych v´yfukov´ych plyn˚u, vedl tento razantn´ı n´ar˚ust v posledn´ıch letech ke vzniku nˇekter´ych negativn´ıch jev˚u. Dva nejd˚uleˇzitˇejˇs´ı jsou:
- jen omezen´e z´asoby surovin pouˇziteln´ych pro v´yrobu paliv a - zneˇciˇstˇen´ı ˇzivotn´ıho prostˇred´ı emitovan´ymi ˇskodlivinami.
Na to reagovali z´akonod´arci mnoha zem´ı nejdˇr´ıve zaveden´ım a pozdˇeji zpˇr´ısnˇen´ım mezn´ıch hodnot pro nejd˚uleˇzitˇejˇs´ı v´yfukov´e ˇskodliviny.
Pro sn´ıˇzen´ı v´yfukov´ych emis´ı maj´ı v´yrobci vozidel k dispozici z´asadnˇe dvˇe moˇznosti ke splnˇen´ı z´akonn´ych limit˚u:
- sn´ıˇzit spotˇrebu paliva a tak i v´yfukov´ych emis´ı a/nebo - dodateˇcnou ´upravou zplodin
Jiˇz dnes velmi n´ızk´a mnoˇzstv´ı povolen´ych emitovan´ych zplodin, kter´a bu- dou v budoucnu jistˇe jeˇstˇe zpˇr´ısnˇena, nut´ı v´yrobce automobil˚u k nasazen´ı celkem komplikovan´ych syst´em˚u nejen ˇr´ızen´ı motoru, ale i dodateˇcn´e ´upravy v´yfukov´ych zplodin. Ale tyto syst´emy nejsou nez´avisl´e, n´ybrˇz tvoˇr´ı vlastnˇe jeden komplexn´ı syst´em. Dnes platn´e exhalaˇcn´ı normy pˇredepisuj´ı sledov´an´ı stavu katalyz´atoru. V budoucnu bude jistˇe nutn´e sledovat vˇsechny syst´emov´e komponenty, zodpovˇedn´e za kvalitu v´yfukov´ych plyn˚u.
Obr´azek 1: V´yvoj spotˇreby paliva v 90. letech 20. stolet´ı v Nˇemecku [10]
Obr´azek 2: Srovn´an´ı mezi poˇcty schvalovan´ych vozidel a spotˇrebou paliva u osobn´ı dopravy ukazuje, ˇze se celkov´a spotˇreba i pˇri rostouc´ıch poˇctech vozidel zvyˇsovala jen minim´alnˇe. [10]
0.2 Metodika ˇreˇsen´ı
V t´eto diplomov´e pr´aci jde o hled´an´ı takov´ych matematick´ych a statistick´ych postup˚u, kter´e by mohly nab´ıdnout zlepˇsen´ı alternativn´ıch diagnostick´ych metod. Vˇsechny v´ypoˇcty se zakl´adaj´ı na parametrech a pokusn´ych mˇeˇren´ıch konkr´etn´ıho 4-v´alcov´eho ˇradov´eho z´aˇzehov´eho motoru. Pˇresnˇejˇs´ı technick´e parametry tohoto motoru jsou v ˇc´asti 3.1 (p. 32). Nejr˚uznˇejˇs´ı pouˇzit´e kat- alyz´atory jsou v ˇc´asti 3.4 (p. 38).
Metodami pouˇziteln´ymi ke zjiˇst’ov´an´ı stavu a ˇcinnosti katalyz´atoru se zab´yv´a kapitola 4 na stranˇe 40.
- Metodu dvou λ-sond (sondy LSU pˇred katalyz´atorem a sondy LSF za katalyz´atorem) s pouze pasivn´ım vyhodnocov´an´ım amplitudy sign´al˚u z obou dvou bylo lze pouˇz´ıt do emisn´ı ´urovnˇe ULEV vˇcetnˇe. S pˇr´ıchodem dalˇs´ıch pˇr´ısnˇejˇs´ıch omezen´ı se tato metoda stala nepouˇzitelnou. V´ıce o t´eto metodˇe v ˇc´asti 4.1 (p. 40).
- Aktivn´ı metodou sice opˇet zaloˇzenou na pouˇzit´ı dvou λ-sond je postup zvan´y DKATSP, kter´y jiˇz vyˇzaduje konkr´etn´ı aktivnˇe navozovan´e pra- covn´ı stavy motoru pro ˇr´adn´y pr˚ubˇeh anal´yzy. Tato metoda diagnos- tiky katalyz´atoru je s´eriovˇe pouˇzit´a ve vozidlech pro trh v USA ke splnˇen´ı poˇzadavk˚u OBD II. Proto byla pouˇzita i v testovac´ım vozidle, aby mohla b´yt porovn´av´ana s ovˇeˇrovanou metodou KZK a dalˇs´ımi.
V´ıce o t´eto metodˇe v ˇc´asti 4.2 (p. 40).
- Jako alternativa k metodˇe DKATSP byla zkoum´ana vyv´ıjen´a metoda oznaˇcen´a KZK, zaloˇzen´a na posuzov´an´ı stavu katalyz´atoru pomoc´ı intgr´aln´ıho krit´eria KZK, kter´e je vypoˇc´ıt´av´ano bˇehem konkr´etn´ıch j´ızdn´ıch stav˚u vozidla z kumulovan´ych koncentrac´ı oxid˚u dus´ıku mˇeˇren´ych NOx-sensorem a energie vynaloˇzene´e v pˇr´ısluˇsn´em ˇcasov´em ´useku. V´ıce v ˇc´asti 4.3 (p. 42).
- Vzhledem k tomu, ˇze metoda KZK nevykazovala zcela pouˇziteln´e v´ysledky pro vˇsechny typy j´ızdn´ıch test˚u, bylo nutno anal´yzou namˇeˇren´ych dat hledat zp˚usob jej´ıho zpˇresnˇen´ı. Jako cesta vedouc´ı k tomuto zpˇresnˇen´ı se uk´azalo pˇredevˇs´ım odstranˇen´ı r˚uzn´ych zpoˇzdˇen´ı mˇeˇren´ych sign´al˚u jejich vz´ajemnou synchronizac´ı. K tomu byly vytvoˇreny mnoh´e v´ypoˇcetn´ı n´astroje v prostˇred´ı MATLAB°r. Jako velice uˇziteˇcn´y n´astroj pˇri anal´yze vlivu tˇechto zpoˇzdˇen´ı na v´ysledek diagnostick´ych metod stavu katalyz´atoru se uk´azala rutina mansync s grafick´ym rozhran´ım GUI vytvoˇren´a sice pr´avˇe k tomuto ´uˇcelu, ale pouˇziteln´a univerz´alnˇe. V´ıce v ˇc´asti 5.2 (p. 44).
- Pˇri numerick´em zpracov´an´ı namˇeˇren´ych dat se jako jist´e negativum uk´azala pr´avˇe nutnost existence cel´eho nebo alespoˇn ˇc´asten´eho souboru namˇeˇren´ych hodnot, kter´y je zpˇetnˇe vyhodnocov´an. To by mohla b´yt
v´aˇzn´a komplikace pˇri nasazen´ı metody v re´aln´em ˇcase a tak byly vytveˇreny takov´e chrakteristiky, kter´e sk´ytaj´ı dalˇs´ı potenci´al zjiˇst’ov´an´ı stavu ˇcinosti katalyz´atoru, aniˇz by si vynucovaly zpˇetn´e zpracov´an´ı namˇeˇren´ych soubor˚u dat. Touto problematikou se zab´yv´a ˇc´ast 5.3 (p. 51).
V t´eto pr´aci je uˇzito v´yhradnˇe syntaxe, symboliky a konvenc´ı obvykl´ych v programov´em prostˇred´ı MATLAB°r, tedy vˇcetnˇe uˇzit´ı desetinn´e teˇcky nam´ısto desetinn´e ˇc´arky.
Dodateˇ cn´ e zpracov´ an´ı v´ yfukov´ ych plyn˚ u
T´ımto pojmem se rozum´ı zejm´ena mnoˇzina chemick´ych postup˚u, kter´e vedou k takov´e zmˇenˇe emis´ı produkovan´ych motorem1, aby byly splnˇeny pˇredevˇs´ım z´akonn´e emisn´ı limity. Drtiv´a vˇetˇsina tˇechto proces˚u prob´ıh´a v katalytick´em reaktoru, neboli katalyz´atoru.
1.1 Katalyz´ ator
Podstatou katalytick´ych reaktor˚u v´yfukov´ych plyn˚u jsou chemick´e reakce prob´ıhaj´ıc´ı mezi jednotliv´ymi sloˇzkami pˇriv´adˇen´ych v´yfukov´ych plyn˚u. Ty prob´ıhaj´ı za pˇr´ıtomnosti katalyz´ator˚u (aktiv´ator˚u chemick´e reakce), kter´ymi jsou nejˇcastˇeji drah´e kovy (Pt, Rh, Pd) a kter´e - byt’ se chemick´e reakce
´
uˇcastn´ı - nejsou spotˇrebov´av´any jako reaktanty. Aby tyto reakce prob´ıhaly dostateˇcnˇe rychle a stabilnˇe je potˇreba splnit dvˇe podm´ınky: zajistit op- tim´aln´ı teplotu reaktant˚u a co moˇzn´a nejvˇetˇs´ı styˇcnou plochu na kter´e se molekuly plyn˚u mohou dostat do kontaktu s katalyz´atorem. Podm´ınku prvn´ı lze splnit pomˇernˇe snadno, protoˇze hork´e v´yfukov´e plyny budou jistˇe ochotnˇeji reagovat neˇz chladn´e. Podm´ınku druhou lze splnit pouˇzit´ım takov´ych uspoˇr´ad´an´ı nosn´e hmoty katalytick´eho reaktoru a jej´ıho povrchu, aby byl co nejˇclenitˇejˇs´ı. Na tento ˇclenit´y povrch je pak nanesen vlastn´ı katalyzuj´ıc´ı ma- teri´al.
Pˇresnˇejˇs´ı ´udaje o pouˇzit´ych katalyz´atorech poskytuje ˇc´ast 3.4 (p. 38).
1Na tomto m´ıstˇe je tˇreba upozornit na d˚uleˇzit´y fakt: hovoˇr´ıme-li o emis´ıch, m˚uˇzeme myslet emise surov´e (nˇem. Rohemissionen), neboli ty, kter´e vystupuj´ı pˇr´ımo ze spalo- vac´ıho prostoru motoru, tedy emise pˇred katalyz´atorem, nebo ale m˚uˇzeme myslet emise fin´aln´ı, tedy ty, kter´e opouˇstˇej´ı v´yfukov´y syst´em vozidla, tedy emise za katalyz´atorem.
Z hlediska z´akonn´ych limitu se jedna vˇzdy o emise za katalyz´atorem, v pˇr´ıpadˇe diagnostiky katalyz´atoru a ˇr´ızen´ı motoru vˇseobecnˇe m˚uˇze j´ıt o oba druhy.
1.1.1 Stavba 3-cestn´eho katalyz´atoru
Stavba 3-cestn´eho katalyz´atoru je principi´alnˇe zˇrejm´a z obr. 1.1, p. 20:
v ocelov´e n´adobˇe (nejˇcastˇeji z uˇslechtil´e oceli) jsou upevnˇeny dva kusy pˇr´ısluˇsn´e nosn´e hmoty, na n´ıˇz je nanesena vrstva katalyzuj´ıc´ıho materi´alu.
Tak je vytvoˇren dvoustupˇnov´y katalyz´ator, sest´avaj´ıc´ı z katalyz´atoru pˇredˇradn´eho (nˇem. Vorkat) a hlavn´ıho katalyz´atoru (nˇem. Hauptkat).
1.1.2 Poˇskozen´ı a st´arnut´ı katalyz´ator˚u
Jde o pomˇern´e velice komplexn´ı problematiku pˇresahuj´ıc´ı rozsah t´eto pr´ace.
Za pˇripomenut´ı vˇsak stoj´ı alespoˇn dva faktory, kter´e z´asadnˇe ovlivˇnuj´ı funkci katalyz´atoru:
• teplota: zejm´ena vysok´a teplota m˚uˇze z´asadn´ım zp˚usobem ohrozit funkci katalyz´atoru, popˇr. sn´ıˇzit jeho ´uˇcinnost. Pˇredstavu o ´uˇcinc´ıch a chov´an´ı katalyz´atoru v z´avislosti na teplotˇe ilustruje tab. 1.2 (p. 19).
Pr´avˇe teplotou lze vˇsak tak´e realizovat i c´ılen´e umˇel´e st´arnut´ı kat- alyz´ator˚u, vyuˇziteln´e pˇri podobn´ych pokusech. V´ıce v. napˇr. [1] nebo [3].
• pˇr´ıtomnost neˇz´adouc´ıch prvk˚u ˇci slouˇcenin ve spalin´ach: zejm´ena pˇr´ıtomnost prvk˚u jako Pb, P, S, Zn, Cl, Br nebo Cu m˚uˇze b´yt pro katalyz´ator zcela fat´aln´ı. Tyto prvky (ale napˇr´ıklad i vˇetˇs´ı mnoˇzstv´ı nesp´alen´eho paliva) zp˚usobuj´ı tzv. otr´aven´ı katalyz´atoru a jeho ˇcasto definitivn´ı vyˇrazen´ı z ˇcinnosti.
Katalyz´ator pˇredˇradn´y hlavn´ı
nosiˇc Corning
´
uˇcinn´a vrstva Dmc2 (Degussa)
typ MLK×5 100g/cft nebo 200g/cft MLK×5 100g/cft
pomˇer Pd : Rh 14 : 1 14 : 1
rozmˇery in. 4.66 × 2.94 4.66 × 2.94
velikost bunˇek cpi 900 900
s´ıla stˇeny mil 2 2
Tabulka 1.1: Technick´e parametry pouˇzit´ych katalyz´ator˚u [2]
1.2 Moˇ znosti a sn´ımaˇ ce mˇ eˇren´ı emis´ı
N´aslednˇe bude pod´an hrub´y v´yˇcet sn´ımaˇc˚u, mˇeˇric´ıch zaˇr´ızen´ı a zp˚usob˚u mˇeˇren´ı emis´ı, kter´a se dot´ykaj´ı ˇreˇsen´e problematiky. Nen´ı moˇzno podat
roztaven´ı nosiˇce
1400◦C pˇrehˇr´at´ı mˇeknut´ı nosiˇce
struktur´aln´ı zmˇeny nosiˇce
velmi siln´e uvolnˇen´ı washcoatu poˇskozen´ı sp´ek´an´ı Pt/Rh 1000◦C
pˇrechodov´a f´aze pˇrechod γ-Al2O3 na α-Al2O3
siln´e termick´e ztr´ata p´orovitosti washcoatu st´arnut´ı sp´ek´an´ı Pt/Pd
slab´e zneˇciˇstˇen´ı 800◦C
pracovn´ı oblast γ-Al2O3 se sp´ek´a se zbytky stˇredn´ı termick´e oleje a paliva (Mg, Zn etc.) st´arnut´ı
slab´e zneˇciˇstˇen´ı slab´e termick´e st´arnut´ı
600◦C optim´aln´ı ´uˇcinek
siln´e zneˇciˇstˇen´ı
n´abˇeh starˇs´ıho kat.
po ca. 80 000 km n´abˇeh ˇcerstv´eho kat.
200◦C
ˇ
z´adn´a aktivita
Tabulka 1.2: Vliv dosaˇzen´e teploty na stav a ˇcinnost katalyz´atoru [3]
Obr´azek 1.1: Uspoˇr´ad´an´ı sn´ımaˇc˚u ve v´yfukov´em potrub´ı[2]
komplexnˇejˇs´ı rozbor jednotliv´ych element˚u, protoˇze by pˇresahoval r´amec t´eto pr´ace a odkazuji t´ımto tedy ˇcten´aˇre k prostudov´an´ı pˇr´ısluˇsn´e literatury.
Pˇredevˇs´ım je tˇreba si uvˇedomit, ˇze je nutno rozliˇsovat mˇeˇren´ı (a mˇeˇric´ı pˇr´ıstroje), kter´a lze prov´adˇet bˇehem j´ızdn´ıch test˚u (tedy de facto v labora- torn´ıch podm´ınk´ach) a potom mˇeˇren´ı (a sn´ımaˇce), kter´a a kter´e lze vyuˇz´ıt v bˇeˇzn´em provozu a tedy pˇri eventu´aln´ım s´eriov´em nasazen´ı ve vozidlech. Je zˇrejm´e, ˇze v podm´ınk´ach laboratorn´ıho mˇeˇren´ı bude snazˇs´ı z´ıskat pˇresnˇejˇs´ı a komplexnˇejˇs´ı ´udaje o mˇeˇren´ych veliˇcin´ach. Coˇz sice m˚uˇze b´yt n´apomocn´e pˇri hledan´ı nov´ych diagnostick´ych metod, ale na druhou stranu si tak´e vynu- cuje prov´adˇet komparaˇcn´ı mˇeˇren´ı s m´enˇe pˇresn´ymi sn´ımaˇci pouˇziteln´ymi pˇr´ıpadnˇe pˇri s´eriov´em uˇzit´ı na voze.
Sch´ema uspoˇr´ad´an´ı sn´ımaˇc˚u pouˇzit´ych pˇri realizovan´ych j´ızdn´ıch testech je na obr. 1.1, p. 20.
1.2.1 Mˇeˇren´ı souˇcinitele pˇrebytku vzduchu λ
Toto mˇeˇren´ı je zcela nezbytn´e i z hlediska ˇr´ızen´ı provozu vlastn´ıho mo- toru, takˇze pˇr´ısluˇsn´e sn´ımaˇce (zvan´e λ-sondy) jsou jiˇz pomˇernˇe dobˇre prozk- oumanou a zn´amou oblast´ı. Bude tedy proveden pouze struˇcn´y pˇrehled jed- notliv´ych pouˇzit´ych druh˚u tˇechto sn´ımaˇc˚u.
• LA3: extern´ıˇsirokop´asmov´a λ-sonda jej´ı uspoˇr´ad´an´ı zachycuje obr. 1.2, p. 21.
• LSF: λ-sonda s plochou charakteristikou se vyznaˇcuje sice ´uzk´ym p´asmem pouˇzitelnosti, ale poskytuje velice pˇresn´e hodnoty. Jej´ı uspoˇr´ad´an´ı i chrakteristiky zachycuje obr. 1.3, p. 22.
• LSH: vyhˇr´ıvan´a λ-sonda je zvl´aˇstn´ı modifikaci LSF pro specifick´e pouˇzit´ı
Obr´azek 1.2: Sch´ema uspoˇr´ad´an´ı ˇsirokop´asmov´e λ-sondy[3]
• LSU: univerz´aln´ı λ-sonda svou stavbou i charakteristikou je podobn´a sondˇe LA3
1.2.2 Mˇeˇren´ı koncentrac´ı oxid˚u dus´ıku
NOx-sensor
NOx-sensor je pomˇernˇe nov´y a zat´ım ne pˇr´ıliˇs obvykl´y druh sn´ımaˇce pouˇz´ıvan´eho pˇri zpracov´an´ı v´yfukov´ych plyn˚u a automobilov´e technice v˚ubec. Jak n´azev napov´ıd´a, je urˇcen pro mˇeˇren´ı koncentrac´ı oxid˚u dus´ıku. Ty ale mˇeˇr´ı nepˇr´ımo, mˇeˇren´ım mnoˇzstv´ı kysl´ıku v´azan´eho na dus´ık. K tomu se uvnitˇr sn´ımaˇce vyskytuje katalytick´e prostˇred´ı, kter´e je schopno redukovat oxidy dus´ıku ve v´yfukov´ych plynech. Z takto redukovan´ych oxid˚u dus´ıku vznikl´e atomy a molekuly kysl´ıku jsou pˇrev´adˇeny zpˇet do proudu v´yfukov´ych plyn˚u, pˇriˇcemˇz vznikl´a iontov´a nerovnov´aha je svou intenzitou proporcin´aln´ı k redukovan´ym mnoˇzstv´ım kysl´ıku a t´ım i k mnoˇzstv´ı oxid˚u dus´ıku. Tanto fyzik´aln´ı stav je pak jiˇz snadno pˇrevoditeln´y na elektick´y sign´al, kter´y je zpracov´av´an a vyhodnocov´an ˇr´ıd´ıc´ı jednotkou. K tomu, aby tento mˇeˇr´ıc´ı princip byl real- izovateln´y a poskytoval relevantn´ı ´udaje, mus´ı b´yt splnˇeny dvˇe podstatn´e podm´ınky:
Konstantn´ı pomˇer sloˇzek oxid˚u dus´ıku ve smˇesi: Pomˇer, v jak´em pˇr´ıtomn´e
Obr´azek 1.3: Sch´ema uspoˇr´ad´an´ı a charakteristiky λ-sondy LSF[3]
oxidy dus´ıku vstupuj´ı do prvn´ı komory, nemus´ı b´yt zn´am´y, protoˇze se jedn´a v podstatˇe jen o oxidy NO a NO2. NO2sice obsahuje dvojn´asobn´e mnoˇzstv´ı kysl´ıku proti NO, ale oproti nˇemu difunduje dvakr´at poma- leji do prvn´ı komory. Nicm´enˇe je nutn´e, aby tento vz´ajemn´y pomˇer z˚ustal konstantn´ı. Kdyˇz se za urˇcit´ych podm´ınek pod´ıl jednotliv´ych oxid˚u dus´ıku uvnitˇr sn´ımaˇce zmˇen´ı, jedn´a se o chybn´a mˇeˇren´ı, kter´a se naz´yvaj´ı pˇr´ıˇcn´a citlivost (v. ˇc´ast 1.2.2, p. 24).
Zbytkov´y kysl´ık: V katalytick´em prostˇred´ı nesm´ı b´yt pˇr´ıtomen ˇz´adn´y kysl´ık, kter´y by nepoch´azel z redukce oxid˚u dus´ıku. V kaˇzd´e smˇesi v´yfukov´ych plyn˚u se vˇsak nach´az´ı alespoˇn nepatrn´y pod´ıl kysl´ıku, kter´y naz´yvejme zbytkov´ym kysl´ıkem. Ten mus´ı b´yt z t´eto smˇesi jeˇstˇe pˇred dosaˇzen´ım katalytick´e vrstvy odstranˇen. Kysl´ık se proto stupˇnovitˇe redukuje ve dvou oddˇelen´ych komor´ach, k jejichˇz oddˇelen´ı slouˇz´ı dif´uzn´ı vrstva.
V prvn´ı komoˇre se sn´ıˇz´ı pod´ıl kysl´ıku natolik, ˇze nedoch´az´ı k samo- voln´e redukci mˇeˇren´eho pod´ılu oxid˚u dus´ıku. Ve druh´e komoˇre klesne hodnota koncentrace kysl´ıku t´emˇeˇr k 0 ppm. Souhra obou komor je ˇr´ızena kontroln´ı jednotkou. T´emˇeˇr souˇcasnˇe se uskuteˇcˇnuje redukov´an´ı oxid˚u dus´ıku v katalytick´em prostˇred´ı. T´ım nevznikaj´ı ˇz´adn´a v´yrazn´a zpoˇzdˇen´ı a je tak´e zabr´anˇeno samovoln´e redukci oxid˚u dus´ıku a t´ım moˇzn´emu ovlivnˇen´ı v´ysledk˚u mˇeˇren´ı. Protoˇze plnohodnotn´e odstranˇen´ı zbytkov´eho kysl´ıku nen´ı moˇzn´e, zohledn´ı se st´ale jeˇstˇe pˇr´ıtomn´e mnoˇzstv´ı molekul kysl´ıku superpozic´ı v´ysledku mˇeˇren´ı s offsetovou hodnotou.
Principi´aln´ı sch´ema uspoˇr´ad´an´ı sn´ımaˇce pˇredstavuje obr. 1.4 (p. 25):
Prvn´ı vnitˇrn´ı komora: Mˇeˇren´y plyn se dost´av´a dif´uzn´ım pr˚uchodem 1° do prvn´ı vnitˇrn´ı komory 2°. V t´eto komoˇre se nach´az´ı z´apornˇe nabit´a elektroda 4° z platiny, kter´a je jednak souˇc´ast´ı kysl´ıkov´e pumpy, druhak souˇc´ast´ı buˇnky pro mˇeˇren´ı kysl´ıku. Na vnˇejˇs´ı stranˇe vrstvy oxidu zirkoniˇcit´eho ZrO2-1 se nal´ez´a kladnˇe nabit´a elektroda 3°, kter´a spoleˇcnˇe se z´apornˇe nabitou eletrodou tvoˇr´ı prvn´ı kysl´ıkovou pumpu. Ta slouˇz´ı k udrˇzov´an´ı koncentrace kysl´ıku v prvn´ı vnitˇrn´ı komoˇre na pevnˇe zadan´e hodnotˇe. Touto kysl´ıkovou pumpou je kysl´ık bud’ pˇriˇcerp´av´an z okoln´ıho prostˇred´ı nebo naopak z v´yfuku odˇcep´av´an, ˇc´ımˇz se molekuly kysl´ıku na elektrod´ach nab´ıjej´ı. Mezi rozd´ılnˇe nabit´ymi elektrodami vznik´a a skrz vrstvu oxidy zirkoniˇcit´eho proch´az´ı proud iont˚u. Prvn´ı buˇnka pro mˇeˇren´ı kysl´ıku zajiˇst’uje st´alou koncentraci zbytkov´eho kysl´ıku v prvn´ı komoˇre. Tato buˇnka sest´av´a z prvn´ı z´apornˇe nabit´e platinov´e elektrody 4° a referenˇcn´ı elektrody 9°, kter´a je obklopena ˇcerstv´ym vzduchem. Na obou tˇechto eletrod´ach se vytv´aˇrej´ı rozd´ılov´a napˇet´ı pokud koncentrace kysl´ıku jsou rozd´ıln´e v obuo mˇeˇren´ych prostˇred´ıch.
S pomoc´ı tohoto napˇet´ı lze tedy pr˚ubˇeˇznˇe zjiˇst’ovat okamˇzit´y pod´ıl kysl´ıku uvnitˇr komory. Elektronick´a ˇr´ıd´ıc´ı jednotka pak reguluje ve- likost proudu, kter´y prot´ek´a prvn´ı kysl´ıkovou pumpou.
Druh´a vnitˇrn´ı komora: Mˇeˇren´y plyn se sn´ıˇzen´ym obsahem kysl´ıku proch´az´ı druh´ym dif´uzn´ım pr˚uchodem 5° do druh´e vniˇrn´ı komory 7°. V t´eto komoˇre se nal´ezaj´ı dvˇe elektrody. Prvn´ı elektroda 6° je opˇet z´apornˇe nabit´a a pln´ı stejnou ´ulohu jako v prvn´ı komoˇre. Druh´a elektroda je mˇeˇr´ıc´ı 8° a spoleˇcnˇe s referenˇcn´ı eletrodou tvoˇr´ı buˇnku pro mˇeˇren´ı oxid˚u dus´ıku. Druh´a kysl´ıkov´a pumpa by v ide´aln´ım pˇr´ıpadˇe mˇela zbytkov´y kysl´ık v pˇriv´adˇen´em plynu redukovat na 0 ppm. Ve skuteˇcnosti se dosahuje redukce 0.01 ppm. Tato chyba m˚uˇze b´yt pˇri souˇcasn´em mˇeˇren´ı kysl´ıku vznikaj´ıc´ıho pˇri redukc´ı oxid˚u dus´ıku vyrovn´av´ana pˇriˇcten´ım konstantn´ı (offsetov´e) hodnoty. Regulace ˇcinnosti druh´e kysl´ıkov´e pumpy se uskuteˇcˇnuje prostˇrednictv´ım buˇnky pro mˇeˇren´ı kysl´ıku, kter´a sest´av´a z elektrody 8° a elektrody 9°. Nakonec se oxidy dus´ıku, kter´e se vyskytuj´ı v pˇriv´adˇen´e smˇesi prost´e kysl´ıku d´ıky katalytick´ym vlastnos- tem mˇeˇr´ıc´ı elektrody, redukuj´ı, pˇriˇcemˇz vznik´aj´ıc´ı kysl´ıkov´e molekuly maj´ı v´yhradnˇe p˚uvod v oxidech dus´ıku z v´yfukov´ych plyn˚u a d´ıky n´aboji eletrody jsou pˇrevedeny na ionty a kysl´ıkovou pumpou ( 8° a
9
°) odˇcerp´any. Buˇnka pro mˇeˇren´ı oxid˚u dus´ıku je vytvoˇrena na konci druh´e komory a sest´av´a z mˇeˇr´ıc´ı elektrody 8° a referenˇcn´ı elektrody
°, kter´a sama je obklopena ˇcerstv´ym vzduchem. Mˇeˇr´ıc´ı elektroda je9 vytvoˇrena z rhodia, kter´e m´a redukˇcn´ı vlastnosti vzhledem k dus´ıku.
Pˇr´ıˇcnou citlivost´ı NOx-sensoru se naz´yvaj´ı dva typy situac´ı, pˇri kter´ych sn´ımaˇc poskytuje odchyln´e hodnoty od re´aln´e koncentrace NOx. Vzhledem k tomu, ˇze se jedn´a o v podstatˇe re´aln´e pracovn´ı stavy motoru, je vhodn´e se o obou zm´ınit [7], [8]:
V´ypadek pˇri chud´e smˇesi: Tento pˇr´ıpad a souˇcasnˇe odchylka namˇeˇren´e hodnoty od skuteˇcn´eho obsahu NOx ve v´yfukov´ych plynech nastane vˇzdy, kdyˇz v momentˇe, kdy je motor (vozidlo) pohybov´an setrvaˇcnou silou, dojde k zastaven´ı dod´avky paliva. V tom okamˇziku je λ À 0, tzn. ˇze pˇr´ıˇcinou rapidn´ıho vzestupu namˇeˇren´ych hodnot je citlivost sn´ımaˇce ke kysl´ıku. N´aslednˇe doch´az´ı k razantn´ımu poklesu hodnot do oblasti z´aporn´ych ppm a opˇetovn´y strm´y n´ar˚ust. Toto vˇse v ˇcasov´em intervalu od 5 s do 10 s.
V´ypadek pˇri bohat´e smˇesi: V okamˇzic´ıch akcelerace, pˇri studen´em startu a v poˇc´ateˇcn´ı f´azi testu se smˇes obohacuje a hoˇren´ı tedy nem˚uˇze probˇehnout dokonale, pˇriˇcemˇz vznik´a voln´y vod´ık (H2), kter´y spoleˇcnˇe s NO reaguje na amoniak NH3. Amoniak vznik´a zejm´ena pˇri dosaˇzen´ı doln´ı teplotn´ı hranice katalyz´atoru (ca. 400-450 ◦C). Amoniak silnˇe ovlivˇnuje mˇeˇren´ı NOx, protoˇze uvnitˇr prvn´ı komory NOx-sensoru reaguje pˇri λ = 1 na NO2 a znehodnocuje tak mˇeˇren´ı.
Obr´azek 1.4: Principi´aln´ı sch´ema ˇcinnosti a funkce NOx-sensoru [3]
NOx-MAT
Chemoluminiscenˇcn´ı analyz´ator (CLD) urˇcuje sumu oxid˚u dus´ıku v emis´ıch na principu chemoluminiscenˇcn´ıho jevu. Ten spoˇc´ıv´a ve sn´ım´an´ı svˇeteln´e energie emitovan´e bˇehem chemick´ych reakc´ı, kdy se pˇreskupovan´e elektrony dost´avaj´ı na niˇzˇs´ı energetickou hladinu a pˇrebyteˇcnou energii emituj´ı ve formˇe svˇetla. Svˇeteln´a energie se pˇrev´ad´ı na elektrick´y sign´al a ten se zaz- namen´av´a.
V meˇr´ıc´ım zaˇr´ızen´ı z oxidu dusnat´eho a oz´onu vznik´a oxid dusiˇcit´y a molekul´arn´ı kysl´ık. Potˇrebn´y oz´on je vyr´abˇen v samotn´em mˇeˇr´ıc´ım pˇr´ıstroji z externˇe pˇriv´adˇen´eho syntetick´eho vzduchu.
Vlnov´a d´elka emitovan´eho z´aˇren´ı zahrnuje vlnov´y rozsah λ = 800 . . . 2400 nm s maximem intenzity na vlnov´e d´elce λ = 1200 nm. Chemoluminiscence je fotoelektricky pˇrevedena na mˇeˇren´y elektrick´y sign´al.
NOx-analyz´ator SESAM
Princip ˇcinnosti: infraˇcerven´y paprsek proch´az´ı zkouman´ym plynem (smˇes´ı plyn˚u) a dopad´a na kapaln´ym dus´ıkem chlazen´y Hg-Cd-Th-detektor. Tento paprsek interferuje s paprskem koherentn´ım a pomoc´ı FFT je identifikov´ana
Obr´azek 1.5: Optick´y princip FTIR spektrometru v analyz´atoru SESAM [6]
ta vlnov´a d´elka, kter´a byla pohlcena. Z toho lze jak kvalitativnˇe tak kvanti- tativnˇe charakterizovat dan´y plyn (t.j. urˇcit jak jeho druh tak i koncentraci plynu).
N´azorn´y diagram principu analyz´atoru po optick´e str´ance pˇredstavuje obr. 1.5 (p. 26).
1.2.3 Dalˇs´ı mˇeˇric´ı zaˇr´ızen´ı
FID analyz´ator nesp´alen´ych uhovod´ık˚u
Plamenov´y ionizaˇcn´ı detektor FID mˇeˇr´ı souhrnou koncentraci uhlovod´ık˚u ve v´yfukov´ych plynech. Plyny jsou pˇriv´adˇeny ohˇr´ıvan´ym veden´ım, ˇc´ımˇz je zabr´anˇeno kondenzov´an´ı uhlovod´ık˚u a ovlivˇnov´an´ı tak mˇeˇren´ych hodnot.
Analyzovan´y plyn je pˇred spalovac´ı tryskou sm´ıch´an se spalovac´ım plynem (smˇes H-He). K spalov´an´ı ve formˇe dif˚uzn´ıho plamene je tˇreba pˇr´ıvod vz- duchu, kter´y je realizov´an separ´atn´ım pˇr´ıvodem a tento vzduch je prost´y jak´ychkoliv uhlovod´ık˚u. Spalov´an´ı prob´ıh´a mezi elektrodami, vˇetˇsinou je anodou pˇr´ımo spalovac´ı tryska a katoda je kruhov´a kolem plamene. Napˇet´ı mezi anodou a katodou usmˇerˇnuje chod ˇc´astic ionizovan´ych v plameni tak, ˇze mezi elektrodami je mˇeˇriteln´y proud. Mˇeˇren´y proud je ´umˇern´y poˇctu atom˚u uhl´ıku spalovan´ych v mˇeˇren´em plynu. Pˇr´ıstroje FID je nutn´e kali- brovat mˇeˇren´ım na referenˇcn´ım plynu.
Sch´ema principu analyz´atoru nesp´alen´ych uhlovod´ık˚u FID na obr. 1.6 (p. 27).
Obr´azek 1.6: Princip FID analyz´atoru nesp´alen´ych uhovod´ık˚u [2]
Struktura mˇ eˇr´ıc´ı techniky
2.1 Motorov´ e zkuˇsebn´ı stanoviˇstˇ e
Aˇckoliv pro ˇc´ast t´eto prace byly rovnˇeˇz vyuˇzity i ´udaje z motorov´ych zkouˇsek pˇr´ısluˇsn´eho motoru, jejich pl´anovan´ı ani prov´adˇen´ı nebyla souˇc´ast t´eto diplo- mov´e pr´ace. Tyto zkouˇsky se prov´adˇej´ı podle obvykl´ych metodik a v kon- cernu VW platn´ych zkuˇsebn´ıch pˇredpis˚u. Detailnˇejˇs´ı popis tˇechto zkouˇsek pˇresahuje r´amec t´eto pr´ace.
2.2 Vozidlov´ e v´ alcov´ e zkuˇsebn´ı stanoviˇstˇ e
Aby bylo moˇzno urˇcit mnoˇzstv´ı emitovan´ych ˇskodlivin z pˇr´ısluˇsn´eho vozidla, mus´ı b´yt toto vozidlo testov´ano na mˇeˇric´ım stanoviˇsti za takov´ych podm´ınek, kter´e co moˇzn´a nejpˇresnˇeji simuluj´ı praktick´y j´ızdn´ı provoz. To se prov´ad´ı na vozidlov´em v´alcov´em zkuˇsebn´ım stanoviˇsti, s pˇredepsan´ym j´ızdn´ım cyklem a okamˇzikem ˇrazen´ı rychlostn´ıch stupˇn˚u.
Tento zp˚usob testu m´a oproti j´ızdn´ımu testu ve skuteˇcn´em provozu tu v´yhodu, ˇze lze velice pˇresnˇe dodrˇzet ˇcasov´y harmonogram v pr˚ubˇehu testu, aniˇz by bylo nutno br´at ohled na plynulost skuteˇcn´eho provozu, a t´ım za- jistit reprodukovatelnost a vz´ajemnou srovnatelnost jednotliv´ych test˚u. Ta vyˇzaduje tak´e kontrolovan´e zkuˇsebn´ı podm´ınky jako je vlhkost vzduchu, okoln´ı teplota a atmosf´erick´y tlak.
Testovan´e vozidlo je postaveno sv´ymi hnan´ymi koly na otoˇcn´e v´alce, kter´e simuluj´ı tˇrec´ı, j´ızdn´ı i vzduchov´e odpory skuteˇcnˇe jedouc´ıho vozidla a rovnˇeˇz i vliv setrvaˇcn´ych hmot pˇr´ısluˇsn´eho vozidla. Vhodn´e rychlostn´ı a z´atˇeˇzov´e charakteristiky jsou ˇr´ızeny pˇr´ısluˇsn´ym programem, kter´y ovl´ad´a dynamom- etry (podle principu bud’ s v´ıˇriv´ymi proudy, stejnosmˇern´ym dynamem nebo hydraulick´e). Nutn´e chlazen´ı pro syst´emy vozidla zajiˇst’uje v mal´e vzd´alenosti od vozidla um´ıstˇen´y ventil´ator a syst´em ventilace zkuˇsebn´ı buˇnky.
mˇeˇr´ıc´ı hala rozmˇery 12 m × 6 m × 3 m testovac´ı podm´ınky konstantn´ı teplota 22◦C ± 2◦C
rel. vlhkost vzduchu 50 % ± 5 % zkuˇsebn´ı stanoviˇstˇe v´yrobce Consine
v´ykon dynamometru 60 kW pr˚umˇer v´alc˚u 500 mm
hmoty z´akladn´ı hmota 1250 lbs.
taˇzn´a s´ıla 1660 N maxim´aln´ı hmota 7125 lbs.
maxim´aln´ı rychlost 160 km/h pˇr´ıjem dat integr´aln´ı, mod´aln´ı
j´ızdn´ı robot/cyklus US-72, US-75, HDC, ECE 15/05,
DIN 70 030, MVEG A
Tabulka 2.1: Technick´a data pouˇzit´eho vozidlov´eho zkuˇsebn´ıho stanoviˇstˇe [2]
Obr´azek 2.1: Vozidlov´e zkuˇsebn´ı stanoviˇstˇe pˇred testem se zkouˇsen´ym vozi- dlem [2]
Vznikl´e v´yfukov´e plyny jsou shromaˇzd’ov´any a po testu analyzov´any.
Konkr´etn´ı parametry mˇeˇr´ıc´ıho stanoviˇstˇe jsou v tabulce 2.1 (p. 29) a ilus- traˇcn´ı z´abˇer cel´eho stanoviˇstˇe i s testovan´ym vozidlem na obr´azku 2.1 (p. 29).
2.3 Metody zpracov´ an´ı emis´ı z j´ızdn´ıho cyklu
2.3.1 Metoda CVS
Zp˚usob mˇeˇren´ı CVS je v principu celosvˇetovˇe jednotn´a metoda sbˇeru v´yfukov´ych plyn˚u, kter´a pracuje na principu zˇredˇen´ı. Zkouˇsen´e vozidlo vypouˇst´ı emise, kter´e jsou ˇredˇeny s okoln´ım vzduchem v pomˇeru 1:10 a speci´aln´ımi dmy- chadly ods´av´any tak, ˇze objemov´y pr˚utok smˇesi emis´ı a ˇred´ıc´ıho vzduchu je konstantn´ı. Pˇrim´ıch´av´an´ı vzduchu se ˇr´ıd´ı podle okamˇzit´eho pr˚utoku v´yfukov´ych plyn˚u a ze zˇredˇen´ych zplodin se bˇehem cel´e doby testu odeb´ır´a urˇcit´a ˇc´ast, kter´a se ukl´ad´a do sbˇern´ych pytl˚u.
V´yhody metody: Eliminuje se kondenzace vodn´ıch par ve v´yfukov´ych plynech a t´ım ztr´aty oxid˚u dus´ıku v pytl´ıch. V´yraznˇe se sn´ıˇz´ı riziko vz´ajemn´ych reakc´ı jednotliv´ych sloˇzek v´yfukov´ych plyn˚u.
Nev´yhody metody: Vzhledem ke sn´ıˇzen´ı koncentrac´ı ˇskodlivin v pomˇeru stˇredn´ıho zˇredˇen´ı je nutn´e pouˇz´ıvat vysoce citliv´e analytick´e pˇr´ıstroje.
2.3.2 Dalˇs´ı sbˇern´e zp˚usoby
I v pˇr´ıpadˇe, ˇze se v´yfukov´e plyny analyzuj´ı okamˇzitˇe bˇehem testu, je tˇreba s nimi nakl´adat velmi obezˇretnˇe, aby nedoch´azelo k systematick´emu ovlivˇnov´ani v´ysledk˚u anal´yz. Hlavn´ı probl´em pˇri tom tvoˇr´ı pomˇernˇe vysok´a teplota, se kterou opouˇstˇej´ı v´yfukov´y syst´em vozidla a s t´ım spojen´e zv´yˇsen´e n´aroky na ˇreˇsen´ı takov´ych veden´ı. Skrytou nev´yhodou je riziko kondenzace nˇekter´ych sloˇzek (zejm´ena nesp´alen´ych uhlovod´ık˚u), kter´e si pˇr´ımo vynucuje dalˇs´ı opatˇren´ı (hadice pˇriv´adˇej´ıc´ı ˇc´ast v´yfukov´ych plyn˚u z v´yfukov´eho potrub´ı k pˇr´ısluˇsn´emu analyz´atoru musej´ı b´yt vyhˇr´ıv´any).
ˇrada/oznaˇcen´ı motoru 113/AQY
typ 4-v´alcov´y ˇradov´y motor
zdvihov´y objem 1984 cm3
vrt´an´ı 82.5 mm
zdvih 92.8 mm
kompresn´ı pomˇer 10.5 : 1
jmenovit´y v´ykon 85 kW pˇri 5200 min−1 toˇciv´y moment 170 Nm pˇri 2400 min−1 ˇr´ızen´ı motoru BOSCH Motronic ME 7.5
palivo CAL Phase2 (Super, VO ˇC: 95)
emisn´ı norma ULEV/SULEV
Tabulka 2.2: Technick´e parametry pouˇzit´eho motoru AQY [12]
ˇrada/oznaˇcen´ı motoru 113/AEG
typ 4-v´alcov´y ˇradov´y motor
zdvihov´y objem 1984 cm3
vrt´an´ı 82.5 mm
zdvih 92.8 mm
kompresn´ı pomˇer 10 : 1
jmenovit´y v´ykon 85 kW pˇri 5200 min−1 toˇciv´y moment 165 Nm pˇri 2600 min−1 ˇr´ızen´ı motoru BOSCH Motronic ME 7.5
palivo Normal, VO ˇC: 91
emisn´ı norma ULEV/SULEV
Tabulka 2.3: Technick´e parametry pouˇzit´eho motoru AEG [3]
Realizace j´ızdn´ıch test˚ u
3.1 Vozidlo a motor
Zkuˇsebn´ım vozidlem byl VW Jetta Variant model 2001 v proveden´ı pro trh USA, osazen´y z´aˇzehov´ym motorem 113/AQY. Technick´a data motoru v.
tabulku 2.2 (p. 31). Tento v˚uz byl vybaven elektronick´ym ˇr´ıd´ıc´ım syst´emem BOSCH Motronic ME 7.5, kter´y obsahuje mj. i nepˇr´ımou metodu diagnos- tiky stavu katalyz´atoru (DKATSP), kter´a je podrobnˇeji pops´ana v ˇc´asti 4.2, p. 40. Vozidlo bylo pˇrestavˇeno na splnˇen´ı emisn´ı kategorie SULEV.
Pouze mal´a ˇc´ast pouˇzit´ych v´ysledk˚u byla pˇrevzata z mˇeˇren´ı a j´ızdn´ıch test˚u prov´adˇen´ych na vozidle VW Golf IV s velmi podobn´ym motorem, oznaˇcen´ym vˇsak jako 113/AEG, jehoˇz parametry jsou uvedeny v tabulce 2.3 (p. 31).
3.2 Elektronick´ a ˇr´ıd´ıc´ı jednotka motoru
Funkˇcn´ı sch´ema elektronick´e ˇr´ıdic´ı jednotky je na obr. 3.2, p. 34. BOSCH Motronic ME 7.5 je integrovan´y syst´em ˇr´ızen´ı vstˇrikov´an´ı paliva a zapalov´an´ı.
Oba podsyst´emy spolu ´uzce kooperuj´ı, ˇc´ımˇz je umoˇznˇeno vyuˇzit´ı sign´al˚u z jednotliv´ych senzor˚u syst´emu spoleˇcnˇe. V ˇr´ıd´ıc´ı jednotce jsou uloˇzeny vˇsechny charakteristick´e hodnoty a parametry pro provoz motoru za r˚uzn´ych provozn´ıch okolnost´ı. Skuteˇcnˇe namˇeˇren´e hodnoty ze sn´ımaˇc˚u jsou pak s tˇemi uloˇzen´ymi porovn´av´any. Tak je vyhodnocen okamˇzit´y provozn´ı stav motoru a v z´avislosti na tomto vyhodnocen´ı jsou nastaveny pˇr´ısluˇsn´e faktory (napˇr.
vstˇrikovac´ı ventily a zapalovac´ı hodnoty). Kromˇe toho m˚uˇze tato jednotka zajiˇst’ovat i dalˇs´ı funkce (napˇr. omezen´ı ot´aˇcek ˇci v´ykonu).
Z hlediska diagnostiky stavu katalyz´atoru je podstatn´e, ˇze ˇr´ıd´ıc´ı jednotka m´a v sobˇe t´eˇz integrov´anu anal´yzu stavu katalyz´atoru a to r˚uzn´eho typu v z´avislosti na emisn´ı kategorii, kterou mus´ı vozidlo splˇnovat. V s´eriov´em
Obr´azek 3.1: Sch´ema pouˇzit´eho motoru [12]
proveden´ı vozidla pouˇzit´eho pro testy byla integrov´ana aktivn´ı anal´yza oznaˇcovan´a jako DKASTP. Podrobnˇeji jsou vˇsechny tyto metody pops´any v kapitole 4, p. 40.
3.3 Mˇ eˇr´ıc´ı aparatura
Mˇeˇr´ıc´ı aparatura sest´avala pˇredevˇs´ım z n´asleduj´ıc´ıch zaˇr´ızeni, kter´a byla um´ıstˇena ve voze:
• platforma ES 1000.2
• emul´ator ETK
• FID-analyz´ator
• zesilovaˇce sign´alu teplomˇeru
• pomocn´e jednotky a zaˇr´ızen´ı
Mimo vozidlo pak byly um´ıstˇeny pˇredevˇs´ım tyto pˇr´ıstroje:
• NOx-MAT
• zaˇr´ızen´ı pro CVS
• analyz´ator SESAM
Z´abˇery z re´aln´eho zapojen´ı mˇeˇr´ıc´ı techniky bˇehem testu a jej´ıho uspoˇr´adan´ı ve vozidle pˇribliˇzuj´ı obr. 3.4 (p. 36), obr. 3.4 (p. 36) a obr. 3.4 (p. 36).
Obr´azek 3.2: Funkˇcn´ı sch´ema elektronick´e ˇr´ıd´ıc´ı jednotky motoru [3]
Obr´azek 3.3: Sch´ema architektury mˇeˇr´ıc´ı aparatury [3]
Obr´azek 3.4: Uspoˇr´ad´an´ı mˇeˇr´ıc´ı aparatury v zavazadlov´em prostoru:
nap´ajec´ı akumul´ator, nab´ıjeˇc akumul´atoru, ES 1000.2, zesilovaˇc sign´al˚u z teplomˇer˚u, A/D-pˇrevodn´ık, ukazatel λ, sp´ınaˇc nab´ıjen´ı baterie, hlavn´ı sp´ınaˇc pro okruhy v zavazadlov´em prostoru [2].
Obr´azek 3.5: Uspoˇr´ad´an´ı mˇeˇr´ıc´ı aparatury v kabinˇe (noˇzn´ım prostoru spolu- jezdce): odbˇer v´yfukov´ych plyn˚u pro NOx-MAT, FID-analyz´ator, elektron- ick´a ˇr´ıd´ıc´ı jednotka motoru a modul ETK, odbˇer v´yfukov´ych plyn˚u pro FID, topen´ı pro vyhˇr´ıvanou hadici FID, H-He smˇes pro FID, hlavn´ı sp´ınaˇc pro okruhy v kabinˇe [2].
Obr´azek 3.6: Uspoˇr´ad´an´ı mˇeˇric´ı aparatury vnˇe vozidla: vyhˇr´ıvan´a hadice pro NOx-MAT, NOx-MAT, dmychadla pro syntetick´y vzduch, hadice se syntet- ick´ym vzduchem z tlakov´e l´ahve [2].
3.3.1 ASCET
Jako syst´em pro n´avrh funkc´ı a mˇeˇren´ı byl pouˇzit ASCET firmy ETAS.
ASCET je integrovan´e v´yvojov´e prostˇred´ı pro neline´arn´ı syst´emy. V´yvoj nov´ych funkc´ı ˇr´ıd´ıc´ı jednotky se prov´ad´ı a optimalizuje pr´avˇe v prostˇred´ı ASCET a s pomoc´ı ES 1000.2 (univerz´alnˇe pouˇziteln´a v´yvojov´a a experi- ment´aln´ı platforma) aplikuje. U naˇseho testovac´ıho vozidla byl ES 1000.2 prostˇrednictv´ım pˇr´ısluˇsn´eho rozhran´ı pˇripojen na ETK, coˇz je modul ob- sahuj´ıc´ı vlastn´ı pamˇet’ SRAM a kter´y je jiˇz pˇr´ımo (pomoc´ı mikrosbˇernice) propojen s ˇr´ıd´ıc´ı jednotkou motoru. N´azornou pˇredstavu o uspoˇr´ad´an´ı posky- tuje obr. 3.7 (p. 38) a celkovou situaci obr. 3.3 (p. 35).
Do pamˇeti tohoto modulu lze pˇristupovat dvˇema zp˚usoby: poˇc´ıtaˇc ˇr´ıd´ıc´ı jednotky m˚uˇze zpracov´avat programov´e instrukce a ˇc´ıst parametry (charak- teristiky), zat´ımco aplikaˇcn´ı syst´em m˚uˇze bˇehem provozu tyto ´udaje mˇenit.
To znamen´a, ˇze ze strany ˇr´ıd´ıc´ı jednotky je pamˇet’ emul´atoru chr´anˇena proti z´apisu. Jin´a ˇc´ast t´eto pamˇeti vˇsak slouˇz´ı k z´apisu ´udaj˚u z ˇr´ıd´ıc´ı jednotky a tyto ´udaje m˚uˇze aplikaˇcn´ı syst´em ˇc´ıst a zpracov´avat. Kromˇe pamˇeti SRAM je v emulaˇcnim modulu rovnˇeˇz pamˇet’ FLASH pro trval´e uloˇzen´ı programu a dat.
Pˇripojen´ı k PC je realizov´ano pomoc´ı PC-Card (PCMCIA) a modulu ES 1120.1, kter´y zajiˇst’uje pˇredevˇs´ım prostorov´e oddˇelen´ı jednotky ES 1000.2 a PC.
Bˇehem testu na syst´emu ES 1000.2 bˇeˇz´ı SW, kter´y byl programov´an podle poznatk˚u z pˇredchoz´ıch mˇeˇren´ı. V j´adˇre jde o algoritmus k vyhodnocov´an´ı
Obr´azek 3.7: Sch´ema zapojen´ı jednotky ASCET [17]
katalyz´atoru a ze vstupn´ıch dat je schopen poˇc´ıtat napˇr´ıklad hodnot´ıc´ı krit´erium KZK nebo identifikovat ty f´aze testu, pˇri nichˇz vozidlo zrychluje.
3.4 Pouˇ zit´ e katalyz´ atory
Pro ´uˇcely prov´adˇen´ı emisn´ıch j´ızdn´ıch test˚u s c´ılem nalezen´ı vhodn´e alter- nativn´ı metody ke zjiˇst’ov´an´ı st´aˇr´ı katalyz´ator˚u bylo nutno nejprve vyvinout takov´e postupy, kter´ymi lze v pomˇernˇe kr´atk´e dobˇe a s relativnˇe n´ızk´ymi n´aklady vytvoˇrit katalyz´atory, jejichˇz parametry odpov´ıdaj´ı katalyz´ator˚um definovan´eho st´aˇr´ı a stupnˇe poˇskozen´ı. Tato problematika byla rovnˇeˇz ˇreˇsena v r´amci diplomov´ych a doktorandsk´ych prac´ı v oddˇeleni K-EFVT (popˇr.
K-EFAE) firmy Volkswagen AG ve Wolfsburgu. M´a pr´ace v tomto smˇeru vyuˇz´ıvala pˇredevˇs´ım v´ysledk˚u dvou z nich: [1] a [3]. Podrobn´y pˇrehled pouˇzit´ych katalyz´ator˚u, na kter´ych byly prov´adˇeny j´ızdn´ı testy, pˇredkl´ad´a tabulka 3.1, p. 39.
ˇ C´ıslo katalyz
´ atoru
Pˇredˇradn´ykatalyz´atorHlavn´ıkatalyz´ator
Poˇ cet
meˇren
´ ych test ˚u
20nov´y,200g/cft,d´elka2.94”nov´y,100g/cft,d´elka2.94”15 21nov´y,100g/cft,d´elka2.94”nov´y,100g/cft,d´elka2.94”9 30hoˇr´ak5h/1180◦ C,100g/cft,d´elka2.94”nov´y,100g/cft,d´elka2.94”10 32pec4h/1000◦ C,200g/cft,d´elka2.94”nov´y,100g/cft,d´elka2.94”10 31hoˇr´ak5h/1180◦ C,200g/cft,d´elka2.94”hoˇr´ak5h/1180◦ C,100g/cft,d´elka2.94”23 33nov´y,povrstvenojen2/3d´elkyvzadunov´y,100g/cft,d´elka2.94”10 34nov´y,200g/cft,d´elka2.94”pec4h/1150◦ C,100g/cft,d´elka2.94”23 8pec4h/980◦ C,200g/cft,d´elka2.94”pec4h/1150◦ C,100g/cft,d´elka4.5”11
Tabulka 3.1: Parametry v testech pouˇzit´ych katalyz´ator˚u vˇcetnˇe stupnˇe je- jich poˇskozen´ı [12]
Metody monitorov´ an´ı stavu katalyz´ atoru
4.1 Amplitudov´ a anal´ yza se dvˇ ema λ-sondami
Jde o pas´ıvn´ı diagn´ozu zaloˇzenou na porovn´av´an´ı amplitud λ-sondy pˇred a za katalyz´atorem pˇri pˇrechodech motoru z jednoho reˇzimu do jin´eho. Tato metoda je ovˇsem poˇc´ınaje kategori´ı ULEV nepouˇziteln´a, nebot’ nen´ı schopn´a reagovat na tak mal´e zmˇeny, kter´e tato kategorie (a kategorie n´asleduj´ıc´ı) vyˇzaduj´ı. [2]
4.2 DKATSP
Jde o aktivn´ı diagnostiku katalyz´atoru na principu skokov´e zmˇeny sign´alu λ- sondy, kdy tento aktivn´ı diagnostick´y syst´em vyuˇz´ıvaj´ıc´ıpamˇet’ov´eho kysl´ıkov´eho jevu OSC c´ılenˇe ovlivˇneje nˇekter´e pracovn´ı stavy motoru, aby mohl prov´adˇet potˇrebn´a mˇeˇren´ı. Tak byla vyvinuta diagnostika DKATSP, postaven´a na nepˇr´ım´em mˇeˇren´ı OSC pˇri pˇrechodu reˇzimu bohat´e smˇesi na smˇes chudou.
Jej´ı podstatou jsou opˇet dvˇe λ-sondy: jedna λ-sonda LSU pˇred katalyz´atorem, kter´a pˇresnˇe urˇcuje souˇcinitel λ pouˇzit´e smˇesi a druh´a λ-sonda LSF urˇcuje koncentraci kysl´ıku. Toto mˇeˇren´ı prob´ıh´a pˇri stacion´arn´ım pracovn´ım bodˇe motoru pˇri pouze ˇc´asteˇcn´em zat´ıˇzen´ı, protoˇze jedno z kriteri´ı je pouze urˇcit´e mnoˇzstv´ı (pr˚utok) v´yfukov´ych plyn˚u. Pˇredstavu o ˇcinnosti t´eto anal´yzy poskytuje obr. 4.1, p. 41.
Pˇr´ısluˇsn´y diagnostick´y modul ˇr´ıdic´ı jednotky se d´ale rozdˇeluje na tyto bloky:
INCOND, EQUILAM, REFSTATE, MEASURE, COUNTER, CATERR, LAMCON a ZA.
• INCOND obsahuje vstupn´ı podm´ınky (mnoˇzstv´ı vzduchu, teplota v´yfukov´ych plyn˚u) a podm´ınky pro pˇreruˇsen´ı anal´yzy (chybov´e stavy)
Obr´azek 4.1: Diagram ˇcinnosti anal´yzy DKATSP [2]
• EQUILAM zajiˇst’uje, aby se hodnota λ nach´azela v pˇredepsan´ych mez´ıch, kter´e jsou nutn´e pro ´uspˇeˇsn´y pr˚ubˇeh anal´yzy
• REFSTATE zajiˇst’uje vytvoˇren´ı stavu pro referenˇcn´ı mˇeˇren´ı OSC (kat- alyz´ator je zbaven kysl´ıku)
• MEASURE stanovuje vlastn´ı hodnotu OSC a prov´ad´ı filtrov´an´ı
• COUNTER poˇc´ıtadlo poˇctu proveden´ych zkouˇsek, kter´e mus´ı b´yt nez´avisl´e na v´ysledku mˇeˇren´ı a kter´e se automaticky vynuluje, je-li dosaˇzen pˇr´ısluˇsn´y poˇcet ud´alost´ı
• CATERR zaznamen´av´a zp˚usob a poˇcet opakovan´ych zkouˇsek, poˇcet v´yskyt˚u chyb a poˇcet doplˇnkov´ych zkouˇsek
• LAMCON obsahuje parametry λ-sondy (stupeˇn obohaceni smˇesi pro vytvoˇren´ı referenˇcn´ıho stavu a souˇradnice λ-sondy)
• ZA ˇr´ıd´ı sled funkc´ı jednotliv´ych blok˚u
Tato metoda diagnostiky katalyz´atoru je s´eriovˇe pouˇzit´a metoda ve vozi- dlech pro trh USA ke splnˇen´ı poˇzadavk˚u OBD II. Proto byla pouˇzita i ve testovac´ım vozidle aby mohla b´yt porovn´av´ana s ovˇeˇrovanou metodou KZK a dalˇs´ımi.
Podrobnˇejˇs´ı ´udaje lze dohledat ve firemn´ı literatuˇre [19].
4.3 Integr´ aln´ı krit´ erium KZK
Emise NOx vznikaj´ı pˇrev´aˇznˇe bˇehem akceleraˇcn´ıch f´az´ı j´ızdn´ıch test˚u, pˇri kter´ych je motor vystaven vysok´e z´atˇeˇzi a v´yfukov´e plyny maj´ı vysok´e teploty. Pˇri splnˇen´ı n´asleduj´ıc´ıch pˇredpoklad˚u lze vyuˇz´ıt t´eto diagnostiky stavu katalyz´atoru:
- pomˇer mezi kumulovan´ymi mnoˇzstv´ımi oxid˚u dus´ıku za katalyz´atorem a energie vydan´e v identick´em ˇcasov´em obdob´ı bˇehem akceleraˇcn´ı f´aze dan´eho j´ızdn´ıho cyklu je konstantn´ı a z´avisl´y pouze na konverzn´ı schopnosti katalyz´atoru.
- tvorba z´apaln´e smˇesi je udrˇzov´ana dostatˇcnˇe pˇresnˇe v λ-oknˇe
Dˇel´ı-li se kumulovan´a mnoˇzstv´ı oxid˚u dus´ıku kumulovan´ym v´ykonem, obdrˇz´ı se charakteristick´a hodnota (KZK), kter´a je t´emˇeˇr nez´avisl´a na zvolen´em j´ızdn´ım cyklu. Matematick´y algoritmus d´ale pˇredpokl´ad´a, ˇze hodnoty pro kaˇzdou jednotlivou akceleraˇcn´ı f´azi budou poˇc´ıt´any samostatnˇe, ˇc´ımˇz se umoˇzn´ı pˇrenos tˇechto hodnot na norm´aln´ı j´ızdn´ı podm´ınky. Pri zhorˇsen´e konverzn´ı schopnosti katalyz´atoru se souˇcasnˇe zv´yˇs´ı hladiny emitovan´ych koncentrac´ı oxid˚u dus´ıku za katalyz´atorem a t´ım rovnˇeˇz hodnota KZK.
Pˇrekroˇc´ı-li pak tato hodnota jistou mez, bude aktivov´ana varovn´a funkce syst´emu OBD. Toto tedy pˇredpokl´ad´a, aby v pamˇeti ˇr´ıd´ıc´ı jednotky byla uloˇzena mezn´ı charakteristika katalyz´atoru.
Hodnoty kumulovan´ych mnoˇzstv´ı oxid˚u dus´ıku se pro ´uˇcely t´eto diagnos- tiky odeb´ıraj´ı z v´ysledk˚u mˇeˇren´ı poskytovan´ych NOx-sensorem, kter´y je kalibrov´an na ppm. S pˇrihl´ednut´ım ke zn´am´e mol´arn´ı hmotnosti NOx a jako konstantˇe ch´apan´e mol´arn´ı hmotnosti v´yfukov´ych plyn˚u lze kumulo- van´a mnoˇzstv´ı NOx vypoˇc´ıst.
Okamˇzit´y v´ykon motoru nen´ı mˇeˇren, ale poˇcetnˇe urˇcen z mnoˇzstv´ı paliva injektovan´eho do motoru na z´akladˇe informac´ı poskutnut´ych ˇr´ıd´ıc´ı jednotkou motoru a porovn´an´ım s pˇr´ısluˇsnou charakteristikou (zmˇeˇrenou na skuteˇcn´em motoru) uloˇzenou v pamˇeti jednotky.
Zpracov´ an´ı namˇ eˇren´ ych v´ ysledk˚ u
5.1 Prvotn´ı zpracov´ an´ı dat
Prim´arn´ı zpracov´an´ı namˇeˇren´ych dat prob´ıhalo po absolvov´an´ı kaˇzd´eho j´ızdn´ıho testu ve tˇrech f´az´ıch, kter´e jsou pops´any d´ale, s c´ılem zajistit jednotnost a pˇrehlednost dat pro jejich dalˇs´ı a pozdˇejˇs´ı zpracov´an´ı.
5.1.1 Naˇcten´ı dat
Data namˇeˇren´a bˇehem testu nebyla vzhledem ke sloˇzitosti a r˚uznorodosti jednotliv´ych pˇr´ıstroj˚u shromaˇzd’ov´ana centr´alnˇe, n´ybrˇz oddˇelenˇe (v. obr. 3.3, p. 35). Tento proces tedy znamenal naˇcten´ı v´ysledk˚u mˇeˇren´ı z jednotliv´ych ˇcast´ı aparatury do poˇc´ıtaˇce (resp. poˇc´ıtaˇc˚u) a jejich ˇr´adn´e oznaˇcen´ı dle zave- den´eho sch´ematu. Souˇc´ast´ı tohoto naˇcten´ı bylo i pˇreveden´ı ´udaj˚u na jed- notn´y form´at z´aznamu dat, nebot’ nativn´ı form´aty jednotliv´ych komponent se od sebe liˇsily, vzhledem k propriet´arn´ım firemn´ım standard˚um r˚uzn´ych v´yrobc˚u. Data v tomto jednotn´em form´atu pak mohla b´yt naˇctena syst´emem MATLAB°r jako bˇeˇzn´y datov´y soubor a uloˇzena ve form´atu *.MAT v.5 pro dalˇs´ı zpracov´an´ı.
5.1.2 Interpolace a vzorkov´an´ı
Tento proces prob´ıhal jiˇz v´yhradnˇe v prostˇred´ı MATLAB°r a jeho c´ılem bylo zajistit stejnou ´uroveˇn rozliˇsen´ı pro vˇsechny mˇeˇren´e veliˇciny. Napˇr´ıklad mˇeˇren´ı koncentrac´ı oxidu dus´ıku pomoci pˇr´ıstroje NOx-MAT prob´ıh´a se vzorkovac´ı frekvenci 100 Hz, zat´ımco ponˇekud pˇresnˇejˇs´ı pˇr´ıstroj SESAM pro tot´eˇz mˇeˇren´ı uˇz´ıv´a vzorkovac´ı frekvenci 1 Hz. Z tohoto pˇr´ıkladu je zˇrejm´e, ˇze
nˇekter´e namˇeˇren´e veliˇciny bylo nutno interpolovat na vyˇsˇs´ı rozliˇsen´ı, zat´ımco jin´e pˇrevzorkovat na frekvenci niˇzˇs´ı, aby v´ysledkem byly vektory s jednotnou vzorkovac´ı frekvenc´ı 10 Hz.
5.1.3 Harmonizace a uloˇzen´ı
Harmonizac´ı se rozum´ı t´emˇeˇr fin´aln´ı ´uprava vektoru namˇeˇren´ych veliˇcin, aby neobsahovaly neˇz´adouc´ı data pˇred poˇc´atkem mˇeˇren´ı a po jeho konci, kter´a vˇsak musela b´yt z r˚uzn´ych d˚uvod˚u namˇeˇrena, ale do dalˇs´ıho zpracov´an´ı nevs- tupuj´ı. Jde zejm´ena o doby pˇred spuˇstˇen´ım testu, kdy nˇekter´e sn´ımaˇce jiˇz ˇr´adnˇe sn´ımaj´ı a zaznamen´avaj´ı mˇeˇren´e veliˇciny, zat´ımco jin´e se teprve kali- bruj´ı nebo aktivuj´ı. Harmonizace byla posledn´ım krokem pˇred uloˇzen´ım jed- notliv´ych vektor˚u do definovan´e hierarchie v strukturovan´e promˇenn´e (struc- ture) v podobˇe buˇnkov´e matice (cell array). Tato promˇenn´a byla nazvan´a stati a mˇela strukturu uvedenou v 5.1, p. 45.
5.2 Druhotn´ e zpracov´ an´ı dat
Aˇckoliv nemal´a ˇc´ast numerick´ych anal´yz a v´ypoˇct˚u byla prov´adˇena na z´akladˇe vektor˚u uloˇzen´ych v promˇenn´e stati a jejich v´ysledky vedly k potvrzen´ı ˇci vyvr´acen´ı mnoha hypot´ez souvisej´ıc´ıch s moˇznostmi diagnostiky stavu kat- alyz´atoru, z nˇekter´ych v´ysledk˚u bylo zˇrejm´e, ˇze jsou zat´ıˇzeny pomˇernˇe ne- malou chybou a maj´ı jen nepatrnou (nebo v˚ubec ˇz´adnou) vypov´ıdac´ı hod- notu [2]. Toto byl napˇr´ıklad probl´em pˇri vyˇsetˇrov´an´ı spolehlivosti krit´eria KZK, kter´e t´emˇeˇr bez pot´ıˇz´ı hodnotilo stav katalyz´atoru bˇehem testu FTP, ale jiˇz mnohem m´enˇe spolehlivˇe se chovalo pˇri testech MVEG nebo HDC.
Z podrobn´eho srovn´an´ı pr˚ubˇeh˚u mˇeˇren´ych veliˇcin se uk´azalo zˇrejm´ym, ze nˇekter´e veliˇciny jsou ˇcasovˇe zpoˇzdˇen´e vzhledem k jin´ym. Lze d˚uvodnˇe pˇredpokl´adat, ˇze tato dopravn´ı zpoˇzdˇen´ı maj´ı jak ryze mechanick´e pˇr´ıˇciny (r˚uzn´e ale nenulov´e d´elky pˇr´ıvodn´ıch potrub´ı, nekonstantn´ı ale koneˇcn´e rychlosti proudˇen´ı plynu ve v´yfukov´ych potrub´ıch), tak i elektrick´e pˇr´ıˇciny (sign´aly jsou vedeny r˚uzn´ymi sign´alov´ymi cestami a r˚uznˇe rychle zpracov´any). Tuto situaci ilustruje obr´azek 5.1 (p.49). Bylo tedy pouˇzito dvou metod k odstranˇen´ı vlivu tˇechto zpozdˇen´ı.
5.2.1 Regresn´ı (automatick´a) synchronizace
Tento ´ukol zajiˇst’ovala rutina pojmenovan´a regsync. Jde opˇet o parametricky volanou funkci (v r˚uzn´ych modifikac´ıch). Vstupn´ımi ´udaji jsou alespoˇn dva porovn´avan´e vektory (t´eˇze namˇeˇren´e veliˇciny), u kter´ych se pˇredpokl´ad´a, ˇze jsou si sv´ymi pr˚ubˇehy bl´ızce podobn´e. Stˇeˇzejn´ım bodem algoritmizace t´eto
´
ulohy, bylo porovn´av´an´ı koeficientu line´arn´ı regrese z´avislosti obou tˇechto
