VYSOKOBJEMOVÝM VZORKOVAČEM ŘEDĚNÍ VZORKU VÝFUKOVÝCH PLYNŮ PŘI ODBĚRU

Liberec 2014

ŘEDĚNÍ VZORKU VÝFUKOVÝCH PLYNŮ PŘI ODBĚRU VYSOKOBJEMOVÝM VZORKOVAČEM

Bakalářská práce

Studijní program: B2341 - Bakalářský prezenční Studijní obor: 2302R022 - Stroje a zařízení Autor práce: Jan Šubrt

Vedoucí práce: Michal Vojtíšek, M.Sc., Ph.D

Prohlášení

Byl jsem seznámen s tím, ţe na mou bakalářskou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb. o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.

Beru na vědomí, ţe Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv uţitím mé bakalářské práce pro vnitřní potřebu TUL.

Uţiji-li bakalářskou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu vyuţití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne poţadovat úhradu nákladů, které vynaloţila na vytvoření díla, aţ do jejich skutečné výše.

Bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně s pouţitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím bakalářské práce a konzultantem.

Současně čestně prohlašuji, ţe tištěná verze práce se shoduje s elektronickou verzí, vloţenou do IS STAG.

Datum:

Podpis:

Anotace:

V úvodu bakalářské práce jsou popsány způsoby měření emisí a metody pro přípravu vzorku výfukových plynů. Dále se práce věnuje variantám ředícího tunelu s pouţitím ejektoru nebo škrtící klapky a následně popisuje návrh ředícího tunelu pro vysokoobjemový vzorkovač s vyuţitím ejektoru.

Klíčová slova:

emise, výfukové plyny, ředící tunel, vysokoobjemový vzorkovač, škrtící klapka, ejektor

Annotation:

This bachelor thesis is concerned with the dilution of exhaust gases from an internal combustion engine when sampling the exhaust with a high-volume sampler.

Two options of accomplishing the dilution are considered, one with an ejector and second with an electronic throttle valve. Design utilizing an ejector is described in detail.

Keywords:

emissions, exhaust gases, dilution tunnel, high volume sampler, throttle valve, ejector

Poděkování

Děkuji za spolupráci vedoucímu práce Michalu Vojtíškovi, M.Sc., Ph.D. a konzultantovi Ing. Martinu Pechoutovi. Také bych rád poděkoval Ing. Luboši Dittrichovi za ochotu, rady a vydatnou pomoc při měření.

Seznam symbolů a jednotek

N2 [-] dusík

O2 [-] kyslík

CO2 [-] oxid uhličitý

CO [-] oxid uhelnatý

NOX [-] oxidy dusíku

H2O [-] voda

HC [-] nespálené uhlovodíky SO2 [-] oxid siřičitý

Qv [m³/hod] průtok ředícího vzduchu

QT [m³/hod] průtok naředěných výfukových plynů QE [m³/hod] průtok surových výfukových plynů

Obsah

1 Úvod ... 8

2 Sloţení výfukových plynů ... 9

2.1 Přehled jednotlivých sloţek ... 9

2.2 Mnoţství jednotlivých sloţek ... 11

3 Měření emisí ... 12

3.1 Měření plynných emisí ... 13

3.1.1 Měření na principu absorpce infračerveného záření (NDIR) ... 13

3.1.2 Měření na principu absorpce ultrafialového záření ... 14

3.1.3 Měření s vyuţitím chemické luminiscence ... 14

3.1.4 Měření zaloţené na principu změny elektrické vodivosti vodíkového plamene ... 15

3.2 Měření pevných částic ... 16

3.2.1 Filtrační metoda ... 16

3.2.2 Hmotnostní měření koncentrace částic ... 16

3.2.3 Opacimetrie... 16

4 Příprava vzorku výfukových plynů pro měření ... 18

4.1 Systém s ředěním plného toku ... 18

4.2 Systémy s ředěním části toku ... 19

4.2.1 Izokinetické systémy ... 20

4.2.2 Systémy s řízením průtoku a s měřením průtoku ... 21

4.2.3 Systémy s řízením průtoku a s měřením koncentrace ... 22

5 Varianty a jejich porovnání ... 23

5.1 Varianta s pouţitím ejektoru ... 23

5.2 Varianta s pouţitím škrtící klapky ... 25

5.3 Volba varianty ... 27

6 Návrh ředícího zařízení ... 28

6.1 Zdroj vzduchu ... 29

6.2 Regulátor průtoku ... 29

6.3 Ejektor ... 29

6.4 Ředící tunel a vzorkovač ... 29

7 Ověření funkčnosti ředícího zařízení ... 30

7.1 Ejektor ... 30

7.2 Sestavení a ověření činnosti ... 32

8 Závěr ... 36

Seznam pouţitých zdrojů... 37

Seznam příloh ... 38

8

1 Úvod

Při vývoji moderních spalovacích motorů se klade velký důraz mimo jiné na jejich negativní vliv na ţivotní prostředí a na zdraví obyvatel, který se konstruktéři snaţí, co nejvíce minimalizovat. Toho lze dosáhnout především sníţením mnoţství škodlivých plynů, pevných částic a jiných neţádoucích sloţek obsaţených ve výfukových plynech.

Za tímto účelem se provádí různá měření a zkoumání jednotlivých sloţek výfukových plynů. Ke zkoumání druhu, velikosti a mnoţství pevných částic slouţí tzv.

vzorkovače, které nasávají vzorek výfukových plynů a částice zachytávají na filtr.

Úvod této práce se věnuje emisním sloţkám, jejich vlastnostem a principům jejich měření. Další část práce se zabývá způsoby přípravy vzorku výfukových plynů pro vzorkovače pevných částic. Výfukové plyny jsou předem ředěny v poţadovaném poměru v ředícím tunelu filtrovaným vzduchem a následně odebírány vzorkovačem.

Následující kapitoly jsou věnovány porovnání moţných variant přípravy vzorku, volbě varianty, ověření její realizovatelnosti a návrhu zařízení.

9

2 Složení výfukových plynů

Z chemického hlediska je spalování benzínu, nafty nebo jiného paliva ve spalovacím motoru oxidační proces, při kterém v ideálním případě reaguje palivo s kyslíkem obsaţeným ve vzduchu a vzniká voda (H2O) a oxid uhličitý (CO2).

Vzhledem k tomu, ţe se ve spalovacím motoru pouţívá jako okysličovadlo vzduch tvoří podstatnou část výfukových plynů dusík (N2).

Během provozu motoru nastávají okamţiky, kdy nejsou splněny ideální podmínky pro reakci paliva se vzduchem a z toho důvodu se ve výfukových plynech objevují další látky. Při nedokonalé oxidaci vzniká oxid uhelnatý (CO) a vodík (H2) a mohou se objevit i nespálené uhlovodíky (HC). Při spalování nestechiometrické směsi nedojde k úplnému vyuţití kyslíku (O2) a ten se následně objeví ve výfukových plynech. Na principu detekce přítomnosti kyslíku ve spalinách pracuje lambda sonda, která dává následně signál k úpravě směsi proudící do spalovacího prostoru. Za vysokých teplot, při spalování chudé směsi, dochází k oxidaci dusíku a vznikají jedovaté oxidy dusíku (souhrnně NOX).

2.1 Přehled jednotlivých složek

Dusík - N2

Bezbarvý, nejedovatý plyn bez zápachu. Nehořlavý. Při reakci s kyslíkem vznikají oxidy dusíku (NOX), převáţná část dusíku se však vrací ve své původní formě zpět do ovzduší. [1]

Oxid uhličitý - CO2

Bezbarvý plyn bez chuti a bez zápachu, těţší neţ vzduch. Nejedovatý ale nedýchatelný. Jeho zvýšené mnoţství se podílí na vzniku skleníkového efektu.

Voda - H2O Ve formě vodní páry.

10 Kyslík - O2

Nejedovatý, bezbarvý plyn, bez chuti a bez zápachu. Nezbytný pro hoření. Nevyuţitá část putuje zpět do ovzduší.

Oxid uhelnatý - CO

Bezbarvý plyn bez chuti a bez zápachu, lehčí neţ vzduch. Nedráţdivý ale jedovatý kvůli své schopnosti vázat se na hemoglobin a tím bránit okysličování krve. Vzniká nedokonalým spalováním uhlovodíků a v ovzduší oxiduje na oxid uhličitý. [1]

Oxidy dusíku - NOX

Některé jsou zdraví škodlivé, napadají plíce a sliznice. Vznikají za vysokých teplot a tlaků během hoření reakcí atmosférického dusíku a kyslíku, coţ můţe být nechtěný důsledek snahy o účinnější spalování paliva. [1]

Částice

Částice vznikají většinou kondenzací organických látek při ochlazení výfukových plynů. Jejich velikost se pohybuje v jednotkách aţ stovkách nanometrů. Tzv.

nanočástice jsou nejrizikovější sloţkou, zachycují se v plicních sklípcích a mají schopnost pronikat do krevního oběhu a přispívat ke vzniku chronických onemocnění. U některých nanočástic byl také prokázán rakovinotvorný účinek. [2]

Nespálené uhlovodíky - HC

Obsahují karcinogenní aromáty, jedovaté aldehydy, nejedovaté alkany a alkeny a další sloţky. Vznikají při nedostatečném přísunu kyslíku nebo při nedokonalém prohoření obsahu válce. Při reakci s oxidy dusíku vznikají látky dráţdící sliznice. [1]

Oxid siřičitý - SO2

Bezbarvý, nehořlavý, štiplavě páchnoucí plyn. Napadá sliznice a plíce, podporuje vznik onemocnění dýchacích cest. Pro sníţení jeho mnoţství ve spalinách se pouţívá palivo s niţším obsahem síry. [1]

11 2.2 Množství jednotlivých složek

Sloţení výfukových plynů je většinou dost podobné. V závislosti na druhu paliva se mírně mění poměr jednotlivých sloţek. U vznětových motorů jsou ve spalinách ve větší míře zastoupeny pevné částice a oxidy dusíku (NOX). U záţehových motorů je zase vyšší procento oxidu uhličitého (CO2) a vodní páry (H2O).

Na grafech níţe je poměr jednotlivých sloţek u vznětových a záţehových motorů znázorněn graficky.

Graf 2.1: Emise vznětového motoru [3]

Graf 2.2: Emise zážehového motoru [3]

12

3 Měření emisí

Při měření emisí spalovacích motorů zkoumáme podíl jednotlivých sloţek ve výfukových plynech.

Výsledky jsou pak vyuţívány například pro další vědeckou činnost, při vývoji spalovacích motorů nebo pro kontrolu stavu automobilu, kdy je měření některých emisí součástí pravidelných technických prohlídek. Při vývoji nových motorů jsou výrobci automobilů zavázáni k dodrţení určitých limitů, které určují tzv. normy EURO I - EURO VI, podle toho, ve kterém roce se automobil dostal nebo dostane do výroby. Hodnoty jednotlivých hlídaných sloţek pro vznětové a záţehové motory osobních automobilů jsou uvedeny v tabulkách níţe.

emisní limity pro benzínové motory:

Norma Platná od: CO [g/km]

NO_X [g/km]

HC+NO_X [g/km]

HC [g/km]

Pevné částice

[g/km]

Pevné částice

[1/km]

EURO I 1992 3,16 - 1,13 -

EURO II 1996 2,20 - 0,50 -

EURO III 2000 2,30 0,15 - 0,20

EURO IV 2005 1,00 0,08 - 0,10

EURO V 2009 1,00 0,06 - 0,10 0,005

EURO VI 2014 1,00 0,06 - 0,10 0,005 6,0x10¹¹

Tab. 3.1 Emisní limity pro benzínové motory [5]

Obrázek 3.1: Sestava pro měření emisí [4]

13 emisní limity pro naftové motory:

Norma Platná od: CO [g/km]

NO_X [g/km]

HC+NO_X [g/km]

HC [g/km]

Pevné částice

[g/km]

Pevné částice

[1/km]

EURO I 1992 3,16 - 1,13 0,18

EURO II 1996 1,00 - 0,70 0,08

EURO III 2000 0,64 0,50 0,56 0,05

EURO IV 2005 0,50 0,25 0,30 0,025 6,0x10¹¹

EURO V 2009 0,50 0,18 0,23 0,005 6,0x10¹¹

EURO VI 2014 0,50 0,08 0,17 0,005

Tab. 3.2: Emisní limity pro naftové motory [5]

3.1 Měření plynných emisí

Pro měření obsahu a mnoţství plynných sloţek ve výfukových plynech se pouţívají různé metody a zařízení. V závislosti na vyhodnocovaném plynu se vyuţívá různých fyzikálních a chemických procesů, které nám umoţní poţadovaný plyn určit.

Některé tyto procesy jsou popsány níţe.

3.1.1 Měření na principu absorpce infračerveného záření (NDIR)

Při průchodu elektromagnetického záření vrstvou plynu je část procházející energie pohlcena. Jednotlivé plyny mají různé absorpční koeficienty závislé na vlnové délce záření. Toho se vyuţívá k jejich zjištění v analyzovaném vzorku výfukových plynů. Infraanalyzátory jsou nejjednodušší a také nejlevnější analyzátory s vlastnostmi, které se hodí k nasazení do výzkumu a vývoje. Pouţívá se pro analýzu CO a CO2.

Infračervené záření prochází kyvetami s otvory z materiálu propustného pro příslušnou vlnovou délku. Jedna kyveta je naplněná plynem, který nepohlcuje infračervené záření, a slouţí jako srovnávací. Druhou měřící kyvetou prochází zkoušený vzorek plynu. Výsledkem je rozdíl v intenzitě prošlého záření. [6] [7]

14

Obrázek 3.2: Schéma měření emisí infračerveným zářením [7]

3.1.2 Měření na principu absorpce ultrafialového záření

Patří také do skupiny optických analyzátorů. Jako zářič je zde pouţita plynová výbojka s dutou katodou. Ultrafialové záření prochází měřící kyvetou, kde dochází k pohlcení části záření absorpčně aktivními sloţkami přítomnými ve výfukových plynech, jimiţ je kyveta kontinuálně proplachována. Referenční paprsek je veden přímo na korekční detektor. Selektivita přístroje je zajištěna volbou plynové náplně výbojky a náplně plynového filtru. V elektronických obvodech se generuje napětí, které je lineární funkcí koncentrace sledované sloţky plynu.

Tento typ přístroje se uţívá především na určování koncentrace oxidů dusíku ve výfukových plynech a k měření obsahu HC u záţehových motorů. Ţivotnost detektoru je omezena plynovou náplní výbojky, která se za provozu spotřebovává. [6]

Obrázek 3.3: Schéma měření emisí ultrafialovým zářením [6]

3.1.3 Měření s využitím chemické luminiscence

Chemická luminiscence je emise specifických energetických kvant (fotonů) provázející některé chemické procesy. Tato metoda se vyuţívá především pro

15

stanovení koncentrace oxidů dusíku (NOX). Do chemické reakce kromě oxidů dusíku vstupuje také ozón, který je vyráběn v přístroji. Pneumatický systém se vyznačuje poměrně velkou sloţitostí, protoţe jím jsou ovlivněny odezvy fotonásobiče. [6]

Obrázek 3.4: Chemická luminiscence [6]

3.1.4 Měření založené na principu změny elektrické vodivosti vodíkového plamene

Po připojení elektrického potenciálu na vodíko-vzduchový plamen vzniká velmi malý proud iontů. Přivedením organicky vázaného uhlíku do zóny hoření proud iontů narůstá úměrně mnoţství uhlovodíků. Difúzní vodíkový plamen se zapaluje při spuštění přístroje ţhavící svíčkou. Část vzduchu se mísí s vodíkem před vstupem do hořáku, aby se podle koncentrace kyslíku ve vzorku neměnil příliš tvar plamene. Tlak vodíku se reguluje v závislosti na tlaku spalovacího vzduchu, aby se zajistil trvale přiměřený směšovací poměr. Proud iontů se snímá dvojicí elektrod, z nichţ jedna je obvykle tvořena samotným tělesem hořáku, druhá je umístěna na plameni a má tvar šroubovice s proměnlivým průměrem, nebo jen jednoduchý rovný drát či těleso trubkového tvaru. [3][6]

Obrázek 3.5: Měření emisí za pomoci vodíkového plamene [6]

16 3.2 Měření pevných částic

Jelikoţ měření kouřivosti vyţaduje plnou dodávku paliva a měřený motor nelze většinou trvale zatěţovat, provádí se tato měření zpravidla při rozběhu motoru.

3.2.1 Filtrační metoda

Při této metodě se přes filtrační papír prosaje definovanou rychlostí definované mnoţství výfukových plynů. Částice kouře se přitom na filtračním papíru zachytí a jejich mnoţství se následně vyhodnotí optickým porovnáním změny barvy pouţitého filtračního papíru oproti novému. Pro dynamické měření spalovacích motorů je tato metoda nevhodná a v dnešní době se uţ příliš nepouţívá. [6]

3.2.2 Hmotnostní měření koncentrace částic

Tato metoda je zaloţena na jednoduchém porovnání hmotnosti filtračního elementu. Nejprve se provede zváţení filtračního elementu před měřením a poté následuje jeho opětovné zváţení po měření.

𝑐 = 𝑀₂− 𝑀₁ 𝑉 (1)

Hmotnostní koncentrace částic v analyzovaném vzorku c se stanoví na základě vzorce, kde M1 je hmotnost filtračního elementu před měřením, M2 hmotnost filtračního elementu po měření a V je objem spalin, který filtračním elementem protekl. [6]

3.2.3 Opacimetrie

Pomocí opacimetru se měří pohltivost světla při průchodu výfukovými plyny na principu Behr-Lambertova zákona.

Z výfukového potrubí jsou plyny vedeny do měřící trubice (2) opacimetru. Na jedné straně trubice je fotočlánek (4) a na druhé zdroj světla (1). Plyny procházejí trubicí a pohlcují část dopadajícího světla na fotočlánek. Vzniklý proud je indikován

17

miliampérmetrem (5). Před vlastním měřením se nechá trubicí proudit čistý vzduch a potenciometrem (6) se nastaví hodnota opacity N = 0%. Případ, kdy N = 100%, nastane při úplném pohlcení světla. [3][6]

Obrázek 3.6: Opacimetrie [3]

Následně se vypočítá součinitel absorpce k pro délku L, která určuje účinnou dráhu paprsků světla procházejícími výfukovými plyny.

𝑘 = −1

𝐿 ln 1 − 𝑁

100 (2)

18

4 Příprava vzorku výfukových plynů pro měření

Před samotným měřením se výfukové plyny nejprve ředí čistým filtrovaným vzduchem v poměru poţadovaném pro daný vzorkovač částic. K ředění se přistupuje z důvodu maximálního přiblíţení podmínkám běţného provozu motoru, kdy aţ během mísení výfukových plynů s okolním vzduchem dochází k ukončení procesu tvorby pevných částic, který začíná ve spalovacím prostoru a pokračuje ve výfukovém potrubí. Dalším důvodem pro ředění plynů je sníţení koncentrace látek ve zkušebním vzorku a tím zpomalení zanášení filtru nebo jiného elementu, kterým vzorek protéká a který se následně vyhodnocuje na přítomnost a mnoţství jednotlivých částic. Ředící vzduch musí být čistý, přefiltrovaný, aby nezkresloval výsledky měření. Zároveň se také hlídá jeho teplota, aby nedocházelo při míšení s výfukovými plyny k jejich kondenzaci, čímţ by se značně zkreslily výsledky, případně dokonce znehodnotil filtrační element, na který se částice zachytávají.

Pro ředění se buď pouţijí veškeré plyny vycházející z výfukového potrubí, v takovém případě hovoříme o systému s ředěním plného toku. V opačném případě, kdy pouţijeme pouze část výfukových plynů, mluvíme o systémech s ředěním části toku. Všechny dále popsané systémy jsou definovány v Předpisu č. 49 Evropské hospodářské komise Organizace spojených národů (EHK/OSN), který se věnuje emisím vznětových a záţehových motorů.

V následujících odstavcích jsou popsány některé systémy pro ředění výfukových plynů tak, jak je popisuje Předpis č. 49 EHK/OSN.

4.1 Systém s ředěním plného toku

Při pouţití tohoto systému se v ředícím tunelu přefiltrovaným vzduchem ředí celý objem výfukových plynů. Výhodou tohoto systému je, ţe nedochází ke zkreslování výsledků naměřeného mnoţství pevných částic, protoţe odebíráme veškeré spaliny. [8]

19

Obrázek 4.1: Systém s ředěním plného toku [8]

4.2 Systémy s ředěním části toku

V tomto případě se odebere z výfukového potrubí pouze část výfukových plynů. Výhodou takového řešení je menší prostorová náročnost, protoţe při odběru pouze části zplodin postačí na jejich ředění tunel menších rozměrů. Naproti tomu je zde ale problém s moţným zkreslením výsledků měření, protoţe hodnoty emisí částic jsou poměrně výrazně závislé na podmínkách ředění. Je tedy důleţité při odběru vzorku dodrţet co nejpodobnější podmínky jako v tunelech plnoprůtokových, zejména pak tzv. dělící poměr, kdy se odebírá vţdy poměrná část výfukových plynů vůči jejich plnému toku.

𝑟 = 𝐺_𝑃

𝐺_𝐸𝑋𝐻 (3)

Podle způsobu odběru vzorku spalin a druhu regulace průtoků se tyto ředící systémy dále dělí. Základní rozdělení je popsáno níţe.

20 4.2.1 Izokinetické systémy

U tohoto systému se odběr vzorku spalin provádí tzv. izokinetickou sondou.

Plyny proudící touto sondou mají shodnou rychlost, jako je rychlost plynů, které proudí výfukovým potrubím, ze kterého se vzorek odebírá. Tato podmínka se dodrţí pouţitím přímé trubice před bodem odběru vzorku a řízením tlaku v ředícím tunelu na základě kontroly rovnováhy statických tlaků na vstupu do trubice a v okolním průřezu trubky diferenčním tlakovým snímačem. Celkový průtok zředěných plynů tunelem se během celého měření udrţuje konstantní.

Dělící poměr se v tomto případě vypočte snadno z průřezů trubek.

𝑟 =𝐴_𝐼𝑆𝑃 𝐴_𝐸𝑃 (4)

Obrázek 4.2: Systém s izokinetickou sondou [8]

21

4.2.2 Systémy s řízením průtoku a s měřením průtoku

V tomto případě se vzorek odebírá řízením průtoku ředícího vzduchu a průtoku celkového toku zředěných výfukových plynů. Ředící poměr se vypočítá z rozdílů těchto dvou hodnot. Je zde kladen důraz na vzájemnou přesnou kalibraci průtokoměrů kvůli eliminaci chyb měření. Průtok zředěného vzorku je ve většině případů udrţován konstantní, takţe k úpravě ředícího poměru stačí regulovat průtok ředícího vzduchu.

Obrázek 4.3: Systém s řízením průtoku a s měřením průtoku [8]

22

4.2.3 Systémy s řízením průtoku a s měřením koncentrace

Tyto systémy pracují na principu porovnávání koncentrace tzv. sledovacího plynu (CO2, NOx). Koncentrace se měří v surových a ve zředěných výfukových plynech a v ředícím vzduchu pomocí analyzátorů, na jejichţ signály reaguje regulátor průtoku. Ředící poměr se vypočte rozdílem koncentrací.

Obrázek 4.4: Systém s měřením koncentrace CO2 nebo NOx [8]

23

5 Varianty a jejich porovnání

V následující kapitole budou stručně popsány jednotlivé zvaţované varianty pro návrh ředícího tunelu.

5.1 Varianta s použitím ejektoru

V první variantě je uvaţována příprava ředěného vzorku pomocí ejektoru.

Ejektory patří mezi proudová čerpadla, která vyuţívají proudu jedné látky označované jako hnací k nasávání/čerpání látky hnané. Hnací látka je buď stejná jako hnaná látka nebo se můţe svým chemickým sloţením nebo skupenstvím lišit.

Hnací látka je na vstupu do směšovací komory pomocí trysky urychlena, čímţ vznikne podtlak, který zapříčiní nasátí hnané látky a jejich promísení. Následně směs vychází z ejektoru difuzorem, v kterém se rychlost opět sníţí a tlak vyrovná.

Obrázek 5.1: Schéma ejektoru (1-přívod hnaného plynu, 2-tryska, 3-přívod hnacího plynu, 4-směšovací komora, 5-difuzor) [9]

24

Jako hnací látka funguje v tomto případě ředící vzduch a v ejektoru jsou do směšovací komory přisávány výfukové plyny. Z ejektoru směs pokračuje do ředícího tunelu odkud je vzorkovačem odebírána. Regulace průtoku je umístěna na přívodu hnacího vzduchu, jelikoţ přívod spalin musí zůstat volně průchodný, aby nedocházelo ke ztrátám částic například na ventilu a tím ke zkreslování výsledků měření.

První moţností je, ţe průtok na výstupu z ejektoru je vţdy niţší, neţ je průtok vzorkovačem. Zbývající potřebný vzduch je dosáván z jiného zdroje.

Obrázek 5.2: Schéma

Druhá moţnost je taková, ţe se v ejektoru připraví více naředěných výfukových plynů a jejich přebytek je odváděn do odpadního potrubí. Vzorkovač si pomocí sondy nasává potřebné mnoţství zředěných plynů.

Na obrázku je schéma.

Obrázek 5.3: Schéma

25 5.2 Varianta s použitím škrtící klapky

Druhou zvaţovanou variantou je ředící tunel s přípravou ředěného vzorku pomocí elektronicky řízené klapky a snímače toku ředícího vzduchu.

Škrtící klapka reguluje průtok ředícího vzduchu tak, aby byl dosaţen poţadovaný ředící poměr. Celkový průtok naředěných výfukových plynů tunelem je určen průtokem ve vzorkovači, který si tento průtok sám reguluje. K ovládání klapky je tedy potřeba znát průtok vzorkovačem a průtok ředícího vzduchu. Na základě těchto hodnot zjišťovaných pomocí průtokoměrů je pak klapka natáčena a upravuje tak průtok ředícího vzduchu.

Pro výpočet průtoku ředícího vzduchu, který je ovládán klapkou, se pouţije následující výpočetní vztah:

𝑄_𝑉 = 0,8 − 1,0 ∗ 𝑄_𝑇 (5),

kde Qv je průtok ředícího vzduchu a QT průtok zředěných plynů (průtok vzorkovačem).

Na obrázku je zjednodušené schéma.

Obrázek 5.4: Schéma

26

Elektronická škrtící klapka se pouţívá ve spalovacích motorech, kde řídí mnoţství vzduchu přiváděného do sání motoru. Nahradila dříve pouţívanou klapku ovládanou pomocí lanka, které bylo spojeno přímo s plynovým pedálem. U elektronické klapky je její otevření vyhodnocováno řídící jednotkou tak, aby na základě poţadovaného výkonu motoru (podle polohy a rychlosti stlačení plynového pedálu) byla pro motor připravena ideální směs vzduchu a vstřikovaného paliva. Tím je dosaţeno sníţení spotřeby paliva a sníţení emisí. O natočení klapky se stará elektromotor, který její přímou součástí. Signál o úhlu natočení je zprostředkován většinou pomocí odporového potenciometru.

Obrázek 5.5: Lankem ovládaná (vlevo) a elektronická (vpravo) klapka [10]

Obrázek 5.6: Elektronická škrtící klapka (06F133062Q) [11]

27 5.3 Volba varianty

K dalšímu zpracování byla vybrána první varianta, tedy ředění výfukových plynů ejektorem, kdy je na výstupu z ejektoru niţší průtok, neţ je celkový průtok vzorkovačem.

Vzhledem k pouţití ejektoru je hlavní výhodou této varianty, ţe není potřeba vyrábět ţádné speciální díly, které by bylo pravděpodobně nutné pouţít u varianty s klapkou. Ejektor je moţné pořídit jako hotový kus s jiţ připraveným napojením na další díly sestavy (např. závit, nebo nástrčné připojení na hadici), kdeţto pro škrtící klapku by bylo potřebné uchycení nutné vyrobit. Další výhodou je daný ředící poměr ejektoru a jednoduchý následný výpočet celkového ředícího poměru. U ejektoru u této varianty nezáleţí na ředícím poměru, ale stačí znát jeho hodnotu a dodrţet průtok výfukových plynů - 0-20% průtoku vzorkovačem.

28

6 Návrh ředícího zařízení

Hlavní součástí zařízení je ejektor. Před vstupem vzduchu do ejektoru je umístěn regulátor průtoku, kterým se dávkuje potřebné mnoţství hnacího/ředícího vzduchu proudícího ze zdroje. Z ejektoru pak předředěné plyny proudí do ředícího tunelu, který je spojený se vzorkovačem. Vzorkovač si sám nasává známé mnoţství plynů, které jsou tvořeny předředěnými spalinami a zbývajícím filtrovaným vzduchem. Jednotlivé členy navrţené sestavy jsou dostupné jako hotové díly (zdroj vzduchu, regulátor průtoku, ejektor, ředící tunel, vzorkovač), které budou propojeny trubkami respektive hadicemi. Ejektor bude napojen na vzorkovač a k němu pak budou připojeny hnací vzduch a přívod spalin.

K měření teploty výfukových plynů a ředícího vzduchu budou pouţity termočlánky, které se zavedou do jednotlivých vedení.

Obrázek 6.1: Návrh zapojení jednotlivých dílů ředícího zařízení

29 6.1 Zdroj vzduchu

Jako zdroj hnacího/ředícího vzduchu je vzhledem k poţadavku na mobilnost zařízení plánováno membránové čerpadlo nebo bezolejový kompresor, u kterého nehrozí znečištění ředícího vzduchu.

6.2 Regulátor průtoku

Zařízení, kterým se reguluje a zároveň měří průtok hnacího vzduchu do ejektoru. Tím se podle hodnot ředícího poměru a průtoku reguluje poměr výfukových plynů v ředícím tunelu. Regulace je umístěna na přívodu hnacího vzduchu, aby nedocházelo ke ztrátám částic ve výfukových plynech, které by hrozily v případě přímé regulace jejich průtoku.

6.3 Ejektor

Ejektor má zajistit ředění výfukových plynů tak, aby jejich tok při vstupu do vzorkovače byl 0-20% celkové průtoku. Ejektor pouţitý při sestavení zařízení by tedy měl mít průtok hnaného plynu 200l/min při maximálním průtoku hnacího plynu. Tato hodnota odpovídá 20% celkového průtoku vzorkovačem. Jako nejvhodnější řešení se jeví objednání ejektoru s poţadovanými vlastnostmi v některé specializované firmě (např. americká Fox Valve Development Corp.).

6.4 Ředící tunel a vzorkovač

Ředící tunel s drţákem se vzorkovačem vhodný pro dané pouţití je k dispozici na KVM. Pracuje s nominálním průtokem 1000l/min. Na jeho přívod spalin bude napojen výstup z ejektoru.

30

7 Ověření funkčnosti ředícího zařízení

V této kapitole bude popsán způsob a postup ověření funkčnosti ředění výfukových plynů pomocí ejektoru.

7.1 Ejektor

Ejektor pouţitý pro ověření funkčnosti vybrané varianty byl zapůjčen na Katedře energetických zařízení. Jedná se o výrobek americké společnosti Fox Valve Development Corp. Fox Mini-Enductors, který je uţívaný pro nasávání, vzorkování, míchání nebo jako vakuový ejektor.

Obrázek 7.1: Ejektor použitý pro měření

Z měření (grafy níţe) je patrné, ţe je do jisté míry moţné regulací průtoku ředícího vzduchu dávkovat výfukové plyny ve známém poměru. Tento poměr není konstantní, ale jeho hodnoty závisí na parametrech hnacího vzduchu, coţ ale v případě, kdy tyto hodnoty známe, nevadí.

Jelikoţ se průtok nasávaných plynů pohybuje v řádech desítek litrů za minutu, je zkoušený ejektor pro dané zařízení nevhodný a bude potřeba ho nahradit vhodnějším kusem s většími průtoky. K ověření realizovatelnosti návrhu však

31

postačil. Hodnoty průtoků a ředícího poměru pro různé tlaky jsou uvedeny v tabulce.

Průtoky byly naměřeny experimentálně připojením průtokoměrů na hnací a hnaný vzduch a následně byl vypočten ředící poměr.

Tlak [kPa] Průtok hnacího vzduchu [l/min]

Průtok hnaného vzduchu [l/min]

Ředící poměr [-]

25 17,50 3,58 5,89

50 23,55 -

75 28,88 6,50 5,44

100 35,00 9,33 4,75

125 41,63 11,17 4,73

150 48,25 11,67 5,13

175 55,00 12,50 5,40

200 62,40 14,17 5,41

Tabulka 7.1: Průtoky ejektorem a ředící poměr

Graf 7.1: Ředící poměr v závislosti na tlak ředícího vzduchu 0

1 2 3 4 5 6 7

0 50 100 150 200 250

ředící poměr [-]

tlak [kPa]

32 7.2 Sestavení a ověření činnosti

Pro ověření, zda ředění výfukových plynů ejektorem skutečně funguje a v jakém ředícím poměru, bylo vyuţito porovnání mnoţství emisí CO2 v surových výfukových plynech vůči mnoţství v plynech na výstupu z ejektoru. Hodnoty CO2 se měřily jelikoţ se téměř nemění s teplotou spalování. K měření koncentrace CO2 byl pouţit analyzátor vyrobený na KVM pro účely měření emisí ve výfukových plynech.

Obrázek 7.2: Schéma zapojení při měření

Nejprve byly naměřeny hodnoty v surových výfukových plynech. Jako jejich zdroj byla pouţita přenosná benzínová elektrocentrála. Poté byly výfukové plyny připojeny k ejektoru na vstup hnaného plynu. Jako hnací plyn byl pouţit tlakový vzduch z rozvodu v budově, který procházel před vstupem do ejektoru rotametrem.

Měření koncentrace CO2 bylo spolu s měřením průtoku hnacího/ředícího vzduchu opakováno pro různé hodnoty tlaku vzduchu v rozmezí 25-250kPa. Pro kaţdou hodnotu tlaku byl následně vypočten ředící poměr.

33 První měření

Graf 7.2: Ředící poměr v závislosti na tlaku ředícího vzduchu

Graf 7.3: Koncentrace CO2 v závislosti na tlak ředícího vzduchu 0

1 2 3 4 5 6

0 50 100 150 200 250 300

ředící poměr [-]

tlak [kPa]

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0 50 100 150 200 250 300

koncentrace CO2[%]

tlak [kPa]

34 Druhé měření:

Graf 7.4: Ředící poměr v závislosti na tlak ředícího vzduchu

Graf 7.5: Koncentrace CO2 v závislosti na tlak ředícího vzduchu 0

1 2 3 4 5 6

0 50 100 150 200 250 300

ředící poměr [-]

tlak [kPa]

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0 50 100 150 200 250 300

koncentrace CO2[%]

tlak [kPa]

35

Po vyhodnocení naměřených hodnot je patrné, ţe s rostoucím tlakem ředícího vzduchu koncentrace CO2 klesá a ředící poměr má stoupající tendenci.

Ředící poměr vychází při měření s výfukovými plyny o něco niţší neţ při měření se vzduchem (graf 7.1). Tento rozdíl je ovlivněn vyšší teplotou spalin oproti teplotě vzduchu v prvním měření.

Známe-li hodnoty ředícího poměru pro jednotlivé hodnoty tlaku, respektive průtoku ředícího vzduchu, můţeme dopočítat mnoţství výfukových plynů v celkovém průtoku vzorkovačem.

Ředění výfukových plynů v ejektoru funguje a navrhované zařízení tedy splňuje svůj účel.

36

8 Závěr

V úvodu bakalářské práce byly popsány jednotlivé sloţky výfukových plynů a jejich mnoţství ve výfukových plynech. Další část byla věnována popisu způsobů měření emisí. Popsány byly stručně metody měření plynných emisí i pevných částic.

Dále byly popsány systémy pro ředění výfukových plynů. Zmíněn je systém s ředěním plného toku a některé systémy s ředěním části toku.

V další části byly zváţeny jednotlivé varianty pro návrh ředícího zařízení. První varianta vyuţívá k ředění výfukových plynů ejektor a to tak, ţe ředící vzduch funguje jako hnací plyn a výfukové plyny jsou jako hnaný plyn do ejektoru přisávány. Druhá varianta uvaţuje ředění spalin pomocí elektronicky řízené klapky, kterou je regulováno mnoţství ředícího vzduchu proudícího do ředícího tunelu, kam jsou přiváděny také výfukové plyny.

Pro návrh zařízení byla vybrána varianta s pouţitím ejektoru, kdy je průtok na jeho výstupu niţší neţ průtok vzorkovačem. Zařízení je navrţeno jako sestava jednotlivých členů propojených trubkami, respektive hadicemi.

K ověření, zda je navrhovaná varianta realizovatelná byl pouţit zapůjčený ejektor, na který byl připojen přívod tlakového vzduchu a přívod spalin z benzínové elektrocentrály, která slouţila jako zdroj výfukových plynů. Na základě měření koncentrací CO2 v surových a naředěných plynech, byly vypočteny ředící poměry pro různé hodnoty tlaků hnacího vzduchu. Bylo tak ověřeno, ţe ředění výfukových plynů v ejektoru funguje a návrh zařízení je realizovatelný.

37

Seznam použitých zdrojů

1. http://cs.autolexicon.net/articles/emise-vyfukovych-plynu/

2. http://medetox.cz/wp-content/uploads/2013/01/2012-26_OO-53-62_Vojtisek- Nano%C4%8D%C3%A1stice_emistovan%C3%A9_spalovac%C3%ADmi_mot ory_v_m%C4%9Bstsk%C3%A9m_provozu.pdf

3. http://tf.czu.cz/~PEXA/Budejovice/Prednasky/P-Emise.pdf

4. http://www.diagnostic-shop.cz/eshop/produkty/opacimetr-vyfukovych-plynu- avl-dismoke-480/

5. http://dieselnet.com/standards/eu/ld.php

6. http://tf.czu.cz/~pexa/Predmety/TD/Prednasky/7p_TechDiag.pdf 7. http://ottp.fme.vutbr.cz/skripta/vlab/mereni/KA04-13.htm

8. Předpis č. 49 Evropské hospodářské komise Organizace spojených národů (EHK/OSN)

9. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ejector.PNG?uselang=cs

10. http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.138.3194&rep=rep1

&type=pdf

11. http://www.evwparts.com/vwparts/06F133062Q.html 12. Takáts, M.: Měření emisí spalovacích motorů. ČVUT 1997

13. https://dspace.vutbr.cz/bitstream/handle/11012/25883/2013_BP_Vojt%C4%9B ch_Zejda_133939.pdf?sequence=2

14. https://dspace.vutbr.cz/bitstream/handle/11012/6488/Modelov%C3%A1n%C3

%AD%20proud%C4%9Bn%C3%AD%20v%20ejektoru_Martin_B%C3%ADlek _studis_verze.pdf?sequence=1

15. http://www.foxvalve.com/

38

Seznam příloh

Příloha 1: informační list Fox Mini-Eductors (7 stran)