Místo pro vložení originálního zadání DP (BP)

(1)

(2)

Místo pro vložení originálního zadání DP (BP)

(3)

Prohlášení

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

Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.

Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.

Diplomovou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím diplomové práce a konzultantem.

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

Datum:

Podpis:

(4)

Anotace

Předmětem této diplomové práce je konstrukce a zástavba nádobky na AdBlue^® do vozidla Škoda Rapid.

V první části práce byly uvedeny základní pojmy, vlastnosti a charakteristiky, které se týkají emisí osobních automobilů a jejich snižování. Nakonec byla provedena analýza trhu osobních automobilů, vybavených technologií SCR.

Hlavní část diplomové práce se týká požadavků na konstrukci nádobky AdBlue^® a hledání vhodného prostoru pro její zástavbu do vozidla Škoda Rapid.

Klíčová slova

emise, pevné částice, oxidy dusíku, selektivní katalytická redukce, AdBlue^®

Annotation

The aim of this diploma thesis is the design and installation vessels for liquid AdBlue^® into the Škoda Rapid car.

In the first part of this work were described basic terms, properties and characteristics that relate to emissions of passenger cars and their reduction. Finally, were analyzed market of passenger cars equipped with SCR technology.

The main part of diploma thesis relates the construction requirements vessels for liquid AdBlue^® and search for a suitable space for its installation into the Škoda Rapid car.

Key words

emissions, particulate matter, nitrogen oxides, selective catalytic reduction, AdBlue^®

(5)

Poděkování

Touto cestou bych rád poděkoval vedoucímu diplomové práce panu doc. Ing. Josefu Laurinovi, CSc., konzultantovi Ing. Radku Bjačkovi a celému kolektivu oddělení TPP z firmy ŠKODA AUTO a.s. za odbornou pomoc a ochotu při zpracování tématu a množství poskytnutých rad.

(6)

Seznam použitých zkratek a symbolů

AdBlue^ Obchodní označení vodného roztoku amoniaku

ARTEMIS Assessment and Reliability of Transport Emission Models and Inventory Systems

CADC Common Artemis Driving Cycles Cefic European Chemical Industry Council

CO Oxid uhelnatý

COP Confornity of production limits

CR Common Rail

DEF Diesel Particulate Filter DI Direct injection

DIN Deutsches Institut für Normung DPF Diesel Particulate Filter

ECE Economic Comission for Europe EGR Exhaust Gas Recirculation EHK Evropská hospodářská komice ES Evropské společenství

EU Evropská unie

EUDC Extra-urban driving cycle FAP Filtre Anti Particules

FlexiFuel Motory spalující palivo E85 nebo bezolovnatý benzín

HC Uhlovodíky

HDi High pressure Direct injection HDPE High-density polyethylene IDI Indirect injection

ISO International Organization for Standardization M1 Kategorie vozidel

N1 Kategorie vozidel N3 Kategorie vozidel

NEDC New European Driving Cycle NMHC Nemetanové uhlovodíky

PE Polyethylen

(7)

PM Particulate matter

PMP Particulate measurement procedure PN Particukate number

RFT Pneumatiky umožňující jízdu i po defektu RunFlat Pneumatiky umožňující jízdu i po defektu SCR Selective Catalytic Reduction

SSR Pneumatiky umožňující jízdu i po defektu TDI Turbocharged Direct Injection

VDA Verband der Automobilindustrie

(8)

OBSAH

1 Úvod ... 10

2 Emise výfukových plynů ... 11

2.1 Normy stanovující limitní hodnoty výfukových škodlivin ... 11

2.1.1 Emisní předpisy EHK ... 11

2.1.2 Emisní normy EURO ... 12

2.1.3 Jednotlivé složky škodlivin sledované dle EURO ... 14

2.2 Jízdní cykly pro testování emisí ... 14

2.2.1 Evropský jízdní cyklus NEDC ... 15

2.2.2 Jízdní cyklus CADC ... 16

3 Snižování oxidů dusíku a pevných částic ve výfukových plynech vznětových motorů ... 18

3.1 Recirkulace výfukových plynů ... 18

3.2 Selektivní katalytická redukce ... 20

3.2.1 Redukční prostředek AdBlue^ ... 21

3.3 Filtry pevných částic ... 22

3.4 Porovnání SCR a EGR v kombinaci s DPF ... 23

4 Analýza současného trhu osobních automobilů se SCR... 25

4.1 Vybrané osobní automobily s technologií SCR ... 27

4.1.1 Audi clean diesel ... 27

4.1.2 BMW BluePerformance ... 29

4.1.3 Mercedes-Benz BlueTec ... 30

4.1.4 Citroen BlueHDi ... 31

4.1.5 Peugeot BlueHDi ... 32

4.1.6 Opel ecoFLEX ... 33

4.1.7 Volkswagen BlueTDI ... 33

4.1.8 Seat Ecomotive ... 34

5 Návrh nádobky na AdBlue^®... 35

5.1 Požadavky na konstrukci nádobky na AdBlue^®... 35

5.1.1 Materiál nádobky na AdBlue^® ... 37

5.1.2 Technologie výroby nádobky na AdBlue^® ... 38

5.1.3 Provedení nádobek na AdBlue^®u osobních automobilů ... 39

(9)

5.2 Parametry vozidla Škoda Rapid Spaceback se vznětovým motorem ... 39

5.3 Prostor pro nádobku na AdBlue^®u vozidla Škoda Rapid Spaceback ... 41

5.3.1 Úprava prostoru pro rezervní kolo ... 45

5.4 Nádobka na AdBlue^® u vozidla Škoda Rapid Spaceback ... 48

5.4.1 Nádobka na AdBlue^® s příslušenstvím ... 49

5.4.2 Upevnění nádobky na AdBlue^® k podvozku vozidla ... 51

5.4.3 Využitelný objem AdBlue^® v nádobce ... 52

5.4.4 Plnění nádobky na AdBlue^® ... 52

6 Katalytický systém se SCR u vozidla Škoda Rapid ... 54

6.1 Možné uspořádání komponentů systému se SCR ... 54

6.1.1 Modul čerpadla firmy Bosch ... 55

6.1.2 Vstřikovač AdBlue^® firmy Bosch... 56

7 Závěr ... 57

8 Použitá literatura ... 58

9 Seznam příloh ... 61

(10)

10

1 Úvod

Ovzduší je pro nás jednou z nejdůležitějších složek životního prostředí, bez které se nemůžeme obejít. Vedle stacionárních zařízení, které jsou zdrojem jeho velkého znečištění, se velkou měrou na znečišťování atmosféry podílí také mobilní zdroje, zejména silniční motorová vozidla, železniční kolejová vozidla, plavidla a letadla.

Nejzávažnějším problémem životního prostředí se v současné době tak stává doprava.

Zejména enormní růst individuální automobilové a nákladní silniční dopravy vede k tomu, že se znečišťování ovzduší v ČR i v Evropě každým rokem zhoršuje.

Osobní automobily jsou produktem moderní doby, kterého se však nedokážeme vzdát, neboť dnes tvoří vlastně součást našeho životního standardu. Cenou za to jsou výfukové zplodiny, které ničí ovzduší a tím nepříznivě ovlivňují naše zdraví.

Spalovací motor, ve kterém je palivem benzín nebo nafta, byl vynalezen našimi předky již na počátku minulého století, je tudíž nejstarší částí automobilu, který již čtvrtou generaci používáme a znečišťujeme ovzduší.

Při spalování v motoru, kde dochází k přeměně chemické energie v mechanickou, se vytváří nežádoucí produkty hoření. Výfukové zplodiny motorových vozidel obsahují velké množství látek, zejména oxid uhelnatý, uhlovodíky, oxidy dusíku a pevné částice. Nejzávažnější dopady na životní prostředí mají oxidy dusíku a pevné částice. Proto je zcela evidentní, že množství těchto zplodin musí být snižováno a že jejich regulace má smysl.

Složení výfukových zplodin motorových vozidel závisí na druhu paliva, typu a stavu motoru a případném užití zařízení na snížení emisí. Jestliže úrovně dřívějších emisí bylo možné dosáhnout konstrukcí motoru (elektronické vstřikování, optimalizace spalovacího prostoru apod.), nové emisní normy lze splnit již pouze pomocí přídavného zařízení pro úpravu výfukových zplodin.

Z výše uvedených důvodů je této důležité problematice věnována diplomová práce. Jsou zdůrazněny pojmy týkající se emisí, emisních norem a jejich následného snižování použitím přídavných zařízení. Dále jsou uvedeny požadavky na konstrukci nádobky k sytému se SCR a její zástavbu do konstrukce vozidla. Důležitou částí diplomové práce je volba prostoru a umístění nádobky na AdBlue^®do konkrétního typu osobního automobilu.

(11)

11

2 Emise výfukových plynů

2.1 Normy stanovující limitní hodnoty výfukových škodlivin

Omezující limity výfukových emisí byly poprvé zavedeny v Kalifornii roku 1968. Kalifornii lze označit za nejpřísnější stát z pohledu tvorby emisních limitů, dále ji následují Japonsko a Evropa. Výfukové plyny obsahují velké množství látek, ale emisní limity jsou stanoveny pouze pro složky: oxid uhelnatý – CO, oxidy dusíku –NOx, uhlovodíky – HC a pevné částice – saze.

V Evropě existují dva paralelní legislativní systémy zavedené po vzniku Evropského společenství a následně Evropské Unie. První systém představují předpisy Evropské hospodářské komise – EHK, jejichž konečné schválení a vydání zajišťuje OSN. Tyto předpisy nejsou pro všechny státy sdružené v EHK automaticky povinné.

Přijetí předpisů EHK je dobrovolné a o termínu zavedení rozhodují jednotlivé země na základě svých možností a své potřeby. Druhým systémem jsou tzv. směrnice Evropského společenství, které jsou povinné pro všechny členské země ES. Značení směrnic ES se skládá z dvojčíslí roku vydání a pořadového čísla směrnice v daném roce.

Jako souhrnné označení norem emisních předpisů EHK a směrnic ES se používá označení EURO s pořadovým číslem vydání normy. Tyto normy jsou povinné pro všechny členské země Evropské unie. [1, 2, 3]

2.1.1 Emisní předpisy EHK

Předpis EHK 83, nahrazující v roce 1989 předpis EHK 15 používaný v ČR od roku 1971, je určen zejména pro vozidla kategorie M1 a N1 do 3,5 t celkové hmotnosti. Tento předpis limituje emise složek CO, HC, NOx a od revize EHK 83.01 i emise škodlivých částic u vznětových motorů.

Předpis EHK 24 limituje emise viditelných škodlivin (kouřivost), platný pro vozidla kategorií M1 až N3 poháněná vznětovým motorem. EHK 101 stanovuje hodnoty emisí CO2 a spotřebu paliv u vozidel M1 a N1.

Předpisy EHK se vyvíjejí a jsou průběžně revidovány. Revize spočívají především ve zpřísňování limitů nebo rozšíření sledovaných složek. [1]

(12)

12 2.1.2 Emisní normy EURO

První předpis EURO 1 vstoupil v platnost v roce 1992 a od roku 1995 platil v ostatních státech jako druhá revize EHK 83. Tato norma stanovovala u osobních vozidel stejné limitní hodnoty pro vznětové i zážehové motory. Emise uhlovodíků a oxidů dusíku jsou zde vyjádřeny jako součet.

Druhý předpis EURO 2, který vstoupil v platnost v roce 1996, již odděluje limity pro vznětové motory a zážehové motory. Limitní hodnoty pro uhlovodíky a oxidy dusíku jsou stále vyjádřeny jejich součtem. Tento předpis odpovídá EHK 83 třetí a čtvrté revize.

Třetí předpis EURO 3 zahájil svoji platnost v roce 2000. Příchodem této normy se limity zpřísňují u koncentrací pevných částic. Dále norma rozděluje množství uhlovodíků a oxidů dusíku u zážehových motorů. U vznětových motorů vyjadřuje množství oxidů dusíku a uhlovodíků jako jejich součet. EURO 3 odpovídá páté revizi předpisu EHK 83.

Čtvrtý přepis EURO 4 vstoupil v platnost v roce 2005. Norma razantně snížila jednotlivé emisní limity přibližně na poloviny od předchozí.

Pátý předpis EURO 5 byl zaveden v září 2009. Původně měl vejít v platnost již v roce 2008, ale na nátlak výrobců automobilů bylo zavedení o rok posunuto. Tato emisní norma významným způsobem postihuje vznětové motory, zejména v produkci pevných částic v g/km, kde množství kleslo zhruba na jednu pětinu od předchozí normy.

Od ledna 2011 se limituje hodnota množství částic g/km i u zážehových motorů.

V lednu 2013 se začíná limitovat hodnota počtu částic na 1 km u vznětových motorů.

Šestý předpis EURO 6 vstupuje v platnost v září 2014. Změna se projevuje v produkci oxidů dusíku u vznětových motorů. Limit oxidů dusíku poklesl více než na polovinu od předchozí normy. Ostatní limity sledovaných složek u vznětových motorů prozatím zůstávají beze změn. U zážehových motorů se začíná limitovat hodnota počtu částic na 1 km.

Změny při zavedení nové emisní normy EURO se nejprve týkají modelů nově představených na evropském trhu (pro Euro 6 byl stanoven termín září 2014). Vozy, které do té doby vstoupí do prodeje, Euro 6 splňovat nemusí. V současné době většina renomovaných výrobců normu Euro 6 již splňuje. Emisní limity osobních automobilů a lehkých užitkových vozidel popisuje Tab. 2.1. za podmínek testu NEDC. [3, 4]

(13)

13 Tab. 2.1 Evropské emisní limity [4].

Norma^ Datum

zavedení

CO HC HC+NO_x NO_x PM PN

[g/km] [1/km]

Vznětové motory

EURO 1 07.1992 2,72 - 0,97 - 0,14 -

EURO 2, IDI 01.1996 1 - 0,7 - 0,08 -

EURO 2, DI 01.1996^a 1 - 0,9 - 0,1 -

EURO 3 01.2000 0,64 - 0,56 0,5 0,05 -

EURO 4 01.2005 0,5 - 0,3 0,25 0,025 -

EURO 5a 09.2009^b 0,5 - 0,23 0,18 0,005^f - EURO 5b 09.2011^c 0,5 - 0,23 0,18 0,005^f 6,01.10¹¹ EURO 6a 09.2014 0,5 - 0,17 0,08 0,005^f 6,01.10¹¹

Zážehové motory

EURO 1 07.1992 2,72 - 0,97 - - -

EURO 2 01.1996 2,2 - 0,5 - - -

EURO 3 01.2000 2,3 0,2 - 0,15 - -

EURO 4 01.2005 1 0,1 - 0,08 - -

EURO 5 09.2009^b 1 0,1^d - 0,06 0,005^e,f - EURO 6a,b,c 09.2014 1 0,1^d - 0,06 0,005^e.f 6,01.10^{11 f,g}

 v normě EURO 1..4 - osobní automobily s m >2500 kg zařazeny do kategorie N1

a platnost do 30. září 1999 (po tomto datu musí DI motory splňovat limity pro IDI motory)

b leden 2011 pro všechny modely

c leden 2013 pro všechny modely

d a NMHC=0,068 g/km

e platí pouze pro vozidlové motory s přímým vstřikováním paliva

f 0,0045 g/km užitím měřící metody PMP

g 6,01.10¹²1/km během prvních tří let od uvedení EURO 6

EURO 6a - Do 31. prosince 2012. EURO 6 s výjimkou metody PMP a bez měření emisí za nízkých teplot při použití biopaliv pro motory typu Flexifuel.

EURO 6b – Od 1. září 2014. EURO 6 včetně metody měření částic PMP s limitem 6,01.10¹²1/km u zážehových motorů s přímím vstřikováním paliva a včetně měření emisí za nízkých teplot při použití biopaliv pro motory typu Flexifuel.

EURO 6c – Od 1. září 2017. EURO 6 v plné specifikaci - včetně metody měření částic PMP s limitem 6,01.10¹¹1/km u zážehových motorů s přímím vstřikováním paliva a včetně měření emisí za nízkých teplot při použití biopaliv pro motory typu Flexifuel.

(14)

14

2.1.3 Jednotlivé složky škodlivin sledované dle EURO

Oxid uhelnatý - CO vzniká spalováním uhlovodíkových paliv za nedostatečného přístupu kyslíku (v oblasti bohaté směsi) potřebného pro oxidaci uhlíku na neškodný oxid uhličitý. Jedná se o bezbarvý plyn bez zápachu, který se váže na hemoglobin lépe než kyslík. Způsobuje blokaci okysličení krve v plicích, poruchy mozku, zraku a žaludeční potíže.

Uhlovodíky – HC vznikají během nedokonalého spalování uhlovodíkových paliv. Jde o směs organických látek, jejichž molekuly jsou tvořeny dvěma nebo více kondenzovanými benzenovými jádry. Tyto sloučeniny mají mutagenní a karcinogenní účinky.

Oxidy dusíku – NO_x, jejich výskyt způsobuje vysoká teplota a tlak ve spalovacím prostoru, který vede k oxidaci dusíku v nasávaném vzduchu. Kromě oxidu dusnatého (NO) vznikají v malých množstvích také oxid dusičitý (NO2) a oxid dusný (N2O). Oxid dusnatý je bezbarvý plyn, který na vzduchu oxiduje na oxid dusičitý.

Oxid dusičitý je hnědočervený plyn se silným zápachem. Dráždí plíce a pokožku, leptá tkáň, je silně jedovatý a podílí se na tvorbě smogu.

Pevné částice – PM vznikají z uhlovodíku při nedokonalém spalování jako důsledek tvorby nehomogenní směsi při vstřikování paliva do spalovacího prostoru zejména u vznětových motorů. Tyto mikročástice o velikosti od několika nanometrů až po 0,5 mm setrvávají po určitou dobu v ovzduší. Fungují jako nosiče a nebezpečí závisí na tom, jaká látka je na ně vázána. [5]

2.2 Jízdní cykly pro testování emisí

Emisní vlastnosti vozidel se zjišťují jízdním testem, simulovaným na zkušebně vozidel, vybavené předepsanou technikou (vozidlový dynamometr, systém odběru vzorku výfukových plynů, analyzátory výfukových plynů).

Automobil je poháněnými koly ustaven na válce zkušebny a spolehlivě zajištěn proti volnému pohybu. Na válcích zkušebny je potom simulována jízda podle předpisu emisního testu, jízdní odpory jsou modelovány pomocí řízeného zatížení válců zkušebního zařízení. [7]

(15)

15 2.2.1 Evropský jízdní cyklus NEDC

New European Driving Cycle (NEDC) se používá k určení hodnot emisí při simulaci jízdních podmínek. Evropský jízdní cyklus se skládá ze čtyř ECE 15 cyklů následovaným EUDC nebo EUDCL cyklem.

Režim ECE 15 simuluje jízdu v městském provozu. Charakterizuje ho nízká rychlost vozidla do 50 km/h, nízké zatížení motoru a nízká teplota výfukových plynů.

Cyklus EUDC popisuje mimoměstský provoz s maximální rychlostí 120 km/h. EUDCL je režim pro krátké jízdní vzdálenosti s malou energií vozidla obdobně jako EUDC, ale nejvyšší rychlost je omezena na 90 km/h. Parametry cyklu jsou zobrazeny v Tab. 2.2 a průběh cyklu uvádí Graf 2.1. [6]

Tab. 2.2 Parametry cyklu NEDC [4].

Parametry Jednotky ECE 15 EUDC NEDC

Vzdálenost km 4x1,013=4,052 6,995 11,007

Délka cyklu s 4x195=780 400 1180

Průměrná rychlost km/h 18.7 (s volnoběhem) 62,6 33,6

Maximální rychlost km/h 50 120 120

Graf 2.1 Průběh cyklu NEDC [4].

(16)

16 2.2.2 Jízdní cyklus CADC

Common Artemis Driving Cycles (CADC) jsou jízdní cykly vyvinuté v rámci Evropského projektu ARTEMIS (Assessment and Reliability of Transport Emission Models and Inventory Systems). CADC je sestaven na základě statistické analýzy rozsáhlé databáze Evropských reálných jízdních podmínek. NEDC nesimuluje přesně reálné jízdní podmínky a vede k zavádějícím výsledkům, a proto ho má CADC v blízké budoucnosti nahradit.

CADC se skládá ze tří částí: městský cyklus, mimoměstský cyklus a dálniční cyklus. Dálniční cyklus má dvě varianty odlišující se maximální rychlostí 130 km/h nebo 150 km/h. Parametry cyklu uvádí Tab. 2.3 a jednotlivé části cyklu jsou zobrazeny v následujících grafech (viz. Graf 2.2, 2.3, 2.4). [4, 8]

Tab. 2.3 Parametry cyklu CADC [4].

Parametr Město Venkov Dálnice

130 km/h

Dálnice 150 km/h

Délka cyklu [s] 920 1081 1067 1067

Vzdálenost [km] 4,47 17,27 28,74 29,55

Průměrná rychlost [km/h] 17,5 57,5 97,0 99,7 Maximální rychlost [km/h] 58 112 132 150

Zastoupení rychlosti [%]

Volnoběh (v=0 km/h) 29 3 2 2

Nízká rychlost (0v50) 69 31 15 15

Střední rychlost (50v90) 2 59 13 13

Vysoká rychlost (v90) 0 7 70 70

(17)

17

Graf 2.2 Průběh městského cyklu CADC [4].

Graf 2.3 Průběh mimoměstského cyklu CADC [4].

Graf 2.4 Průběh dálničního cyklu CADC [4].

(18)

18

3 Snižování oxidů dusíku a pevných částic ve výfukových plynech vznětových motorů

Snižování oxidů dusíku lze rozdělit do dvou základních skupin a to na primární a sekundární snižování NOx. Primární metoda vede k přizpůsobení procesu hoření tak, aby vznikalo minimum sledovaných složek emisí již ve spalovacím prostoru.

Sekundární metoda je založena na následném snižování oxidů dusíku ve výfukovém potrubí. Základem pro obě metody je poměr mezi produkcí emisí a předvstřikem paliva.

Dřívějším předstihem vstřiku paliva dochází k nárůstu produkce oxidů dusíku a ke snížení produkce uhlovodíků. Opožděný předstih vstřiku má za následek snížení oxidů dusíku, ale tvorba uhlovodíků stoupá.

U moderních vznětových motorů se používají dvě technická řešení. První řešení se skládá z použití technologie EGR (recirkulace výfukových plynů) v kombinaci s DPF filtrem (filtr pevných částic), které omezí produkci oxidů dusíku přímo ve spalovacím prostoru a následně sníží produkci pevných částic jako důsledek vysokých hodnot uhlovodíků ve výfukových plynech. Druhé řešení využívá nastavení vyššího předstihu vstřiku, které umožní snížit tvorbu pevných částic ve výfukových plynech. Na druhé straně se zvyšuje produkce oxidů dusíku, která se následně ve výfukovém potrubí redukuje pomocí systému SCR (selektivní katalytická redukce). [9, 11]

3.1 Recirkulace výfukových plynů

Zpětné nasátí výfukových plynů lze realizovat vhodným časováním ventilového rozvodu. Tento způsob je označován jako vnitřní recirkulace spalin. V průběhu překrytí ventilů je určité množství zbytkových plynů vráceno ze spalovacího prostoru zpět do sacího potrubí. Při následném sacím cyklu dochází k nasátí čerstvé směsi spolu s částí zbytkových plynů. Velikost podílu zbytkových plynů, realizovaná pomocí překrytí ventilů, pevně závisí na provozním stavu motoru a na dané konstrukci motoru. [5]

Dalším způsobem přivedení zbytkových výfukových plynů je tzv. vnější recirkulace plynů EGR. Při tomto technickém řešení se část výfukových plynů vrací

(19)

19

potrubím přes výměník tepla zpět k sacímu traktu motoru. Řídící jednotka motoru ovládá elektronický ventil recirkulace spalin a tím určuje průtočný průřez ventilu EGR.

Recirkulace výfukových plynů u vznětových motorů (viz. Obr. 3.1) se provádí v oblasti nízkého a středního zatížení. Přívodem části zbytkových plynů se snižuje koncentrace kyslíku v nasávaném vzduchu. Mimo jiné mají výfukové plyny vyšší měrnou tepelnou kapacitu než vzduch a podíl vody ve vrácených výfukových plynech dodatečně snižuje teplotu spalování. Všechny uvedené předchozí aspekty snižují teplotu spalování a dochází k menší produkci oxidů dusíku.

Obr. 3.1 Recirkulace výfukových plynů u vznětového přeplňovaného motoru:

1 - elektromagnetický ventil recirkulace výfukových plynů,

2 - snímač hmotnosti vzduchu (pouze u variabilního turbodmychadla), 3 - řídící jednotka motoru, 4 - dvousložkový katalyzátor,

5 - turbodmychadlo, 6 - elektromagnetický ventil recirkulace spalin, 7 - vakuové čerpadlo, 8 - snímač polohy v EGR ventilu (pouze

u turbodmychadla se stálou geometrií turbíny), 9 - chladič plnícího vzduchu, 10 - chladič EGR [5]

(20)

20

Množství zpětných výfukových plynů tvoří až 40 % nasávané směsi čerstvého vzduchu a výfukových plynů. Nadměrné množství přivedených výfukových plynů by způsobilo nárůst emisí sazí, oxidu uhelnatého a uhlovodíků vlivem nedostatku vzduchu. Řídící jednotka motoru proto musí znát hodnotu přiváděných výfukových plynů, aby regulovala optimální množství. [5, 12, 13]

3.2 Selektivní katalytická redukce

Metoda SCR spočívá v tom, že následně upravuje výfukové plyny obsahující oxidy dusíku vzniklé ve spalovacím prostoru. Tato metoda byla patentována již v roce 1957 v USA. Z počátku své uplatnění našla v energetickém průmyslu, postupem času se začlenila do konstrukce nákladních automobilů. V současné době tuto metodu používají i u osobních automobilů ekologicky smýšlející výrobci.

Snižování oxidů dusíku se provádí pomocí vstřikování vodního roztoku amoniaku (AdBlue^) do výfukového potrubí před selektivní katalyzátor. Dávkování roztoku je velmi přesné v závislosti na koncentraci NOx ve výfukových plynech.

Po vstříknutí roztoku do výfukových spalin dochází k odpaření vody a v průběhu chemických reakcí se vylučuje amoniak, potřebný ke snižování oxidů dusíku v selektivním katalyzátoru. Vzniklý amoniak je unášen výfukovými plyny do selektivního katalyzátoru, kde dochází k reakci oxidů dusíku, amoniaku a katalyzátoru. Výsledkem reakce jsou vodní páry a dusík, které jsou neškodné pro živý organismus. Chemickou reakci v selektivním katalyzátoru popisuje rovnice (1).

NO2 + NO + 2 NH3  2 N2 + 3 H2O (1)

Obr. 3.2 Princip metody SCR.

(21)

21

Vzhledem k použití katalyzátoru probíhají reakce při nižších teplotách 300 °C až 400 °C, za normálních podmínek probíhají v rozmezí 800 °C až 1200 °C. Účinnost snížení oxidů dusíku je vysoká 80 % až 90 %. Katalyzátory jsou nejčastěji vyrobeny z oxidů vanadu, molybdenu, wolframu a jejich kombinací. [9, 11]

3.2.1 Redukční prostředek AdBlue^

V Evropě a zemích přejímajících evropské emisní limity se vodný roztok amoniaku distribuuje pod obchodním názvem AdBlue^. Toto označení je registrováno Svazem automobilového průmyslu VDA (Verband der Automobilindustrie) se sídlem v Německu. Výrobu pod tímto názvem mohou provádět pouze licencovaní partneři VDA. V Americe se pro vodný roztok amoniaku používá označení DEF (Diesel Exhaust Fluid). Jakost roztoku pro správnou funkci SCR systému musí odpovídat normě DIN 70070 v souladu s ISO 22241 a Cefic.

AdBlue^® je vodný roztok skládající se z 32,5 % chemicky čisté syntetické močoviny (aktivní látka) a 67,5 % demineralizované vody. Močovina je nezbytná k funkci systému SCR, ale nachází další široké uplatnění při výrobě hnojiv, ve výrobě izolačních hmot, v kosmetickém, textilním a papírenském průmyslu. Vyrábí se zahříváním oxidu uhličitého a amoniaku v tlakovém reaktoru při tlaku 5 MPa a teplotě 130 °C. Vzniklá močovina se dále suší a granuluje. Roztok se připravuje přímo ve výrobně močoviny nebo až u distributora, aby se snížily náklady na přepravu celého roztoku. Obsah močoviny v AdBlue^® je dán specifikací dle normy ISO 22241 a musí být v rozmezí od 31,8 % do 33,2 %. Hodnota 32,5 % uvádí střední hodnotu obsahu syntetické močoviny. Hustota roztoku je v rozmezí 1087 - 1093 kg/m³.

Roztok AdBlue^®není jedovatý, výbušný a jinak nebezpečný pro zdraví člověka a životní prostředí. Naopak má vysoké korozivní účinky na oceli, slitiny neželezných kovů a také poškozuje některé plasty. Produkt je dostupný u vybraných čerpacích stanic přímo na výdejních čerpacích stojanech nebo v baleních o objemu 1,89 litru, 5 a 10 litrů. Obaly s AdBlue^® je nutné skladovat na místě, které není v kontaktu s přímým slunečním zářením a je chráněné před znečištěním. Při vystavení teplotám nad 25 °C dochází k rozkladu roztoku na amoniak a oxid uhličitý, což vede ke snížení obsahu aktivní látky. Bod tuhnutí je -11 °C, který je nedostačující pro zimní provoz

(22)

22

a proto musíme nádobku s AdBlue^®ve vozidle vyhřívat. Zamrznutí nemá vliv na kvalitu roztoku, po opětovném rozmrznutí si zachovává původní vlastnosti.

Spotřeba AdBlue^® při provozu vozidla se vznětovým motorem činí průměrně jednotky procent ze spotřebovaného paliva. U nízko objemových osobních vozidel lze předpokládat spotřebu přibližně od 2 % ze spotřeby paliva a 7 % u velkých nákladních automobilů. [11, 14, 18, 19]

3.3 Filtry pevných částic

Filtr pevných částic je zařízení odstraňující pevné částice z výfukových plynů vozidel se vznětovým motorem. Lze se setkat s označením DPF (z angl. Diesel Particulate Filter) nebo FAP (z franc. Filtre Anti Particules). Filtr pevných částic využívá porézní struktury s tisíci mikroskopickými kanálky, která umožňuje při průchodu výfukových plynů zachytit pevné částice tvořené zejména uhlíkem (saze, karbon) a uhlovodíky (z paliva a motorového oleje).

Obr. 3.3 Filtr pevných částic [15].

(23)

23

Provozem vozidla dochází k postupnému zanášení filtru a je potřeba obnovit jeho schopnost jímat další pevné částice. K tomuto účelu slouží tzv. regenerace filtru (spálení sazí za vysoké teploty). Míra znečištění filtru a potřeba jeho regenerace je sledována řídící jednotkou motoru. Regenerace filtru probíhá i samovolně (pasivní regenerace), pokud výfukové plyny dosáhnou teploty pro zapálení částic. Tento stav odpovídá režimu konstantně vyššího zatížení (jízda po dálnici). Pokud nenastala předchozí situace zvýšeného provozního zatížení po ujetí 300 km až 1000 km, řídící jednotka motoru uměle zvýší teplotu výfukových plynů (aktivní regenerace). Tento proces trvá 2 až 3 minuty, probíhá za běžného provozu a nijak neovlivňuje chování motoru. Zvýšení teploty výfukových plynů se docílí dodatečným vstřikem paliva nebo použitím aditiva, které se vstřikuje do paliva v nádrži.

Filtr pevných částic by měl být umístěn bezprostředně za motorem, aby se dosahovalo potřebných teplot ke spálení částic. Pokud je z konstrukčního hlediska umístěn dále od motoru, musí se použít aditivum, které sníží zápalnou teplotu částic. Teplota potřebná k zapálení částic je 550 °C až 650 °C, lze ji snížit vhodným katalyzátorem na 300 °C až 450 °C nebo aditivem na 400 °C. [11, 20]

3.4 Porovnání SCR a EGR v kombinaci s DPF

Využitím systému SCR se snižuje spotřeba paliva, umožněná nastavením parametrů spalovacího motoru, kde se nehledí na produkci oxidů dusíku ze spalovacího prostoru. Úprava plynů probíhá dodatečně ve výfukovém potrubí. SCR systém vyžaduje samostatnou nádobku na aditivum AdBlue^®, bez kterého není možná redukce emisí, dále řídící jednotku, vstřikovač a vyhřívané potrubí. Objem nádobky závisí na intervalu doplňování. Příliš malý objem nádobky bude obtěžovat provozovatele vozidla častým doplňováním. Použitím velkého objemu nádobky, pokud konstrukce vozidla umožní vhodné umístění, lze počet ujetých kilometrů (bez potřeby doplnění) zvýšit a doplnění tak přenechat servisnímu technikovi při pravidelné servisní prohlídce přibližně po 20000 km. U osobních vozidel tento počet ujetých kilometrů přibližně odpovídá 20 litrovému objemu nádobky. Vzhledem k zpřísňujícím se emisním limitům není u některých vozidel možnost jízdy bez redukčního prostředku.

(24)

24

Systém EGR se snaží snížit tvorbu oxidů dusíku na úkor tvorby četného množství pevných částic, které musí zachytávat účinnými filtry pevných částic oproti systému SCR, kterému postačují méně účinné filtry pevných částic. DPF filtry jsou náchylné na obsah síry v palivu či motorovém oleji. Dále mají omezený počet regeneračních cyklů. Výhodou je, že tento systém nevyžaduje nádobku na další provozní kapalinu. Nevýhodou je skutečnost, že vlivem snížení teploty spalování dochází k mírnému poklesu výkonu motoru. Za podstatnou nevýhodu lze považovat ulpívání sazí a karbonu v sacím potrubí (viz. Obr. 3.4, Obr. 3.5), které vede k postupnému snižování výkonu motoru.

Obr. 3.4 Sací potrubí v místě přepouštěcího ventilu EGR – 0 km [17].

Obr. 3.5 Sací potrubí v místě přepouštěcího ventilu EGR – po 150 tis. km [16].

(25)

25

4 Analýza současného trhu osobních automobilů se SCR

Emisní normy se stále klesajícími předepsanými limity dnes určují nejen konstrukci vznětových motorů, ale i celých automobilů. Nejnovější evropská norma EURO 6 přinese přísné omezení pro vznětové motory.

Emisní systémy s katalyzátorem SCR, které se již dlouho používají u nákladních vozidel, autobusů a užitkových vozidel se postupně zavádějí i u osobních automobilů.

Vznětový motor je v současné době velmi atraktivní a žádaný ve světě pro svou nižší spotřebu než zážehový a pro nižší emise, které se díky novým technologiím včetně SCR výrazně snížily.

Plnění emisních norem se týká prakticky všech automobilek. Nejlépe se s tímto vypořádaly ve firmách, majících zkušenosti z nákladních automobilů a ty, které lépe zvládly dluhovou krizi. V Evropě právě Mercedes-Benz potvrzuje, že má s touto technikou nejvíce zkušeností a nejlépe zvládl zmíněnou krizi (viz. šrotovné v Německu).

Současný automobilový trh je rozmanitý a nabízí pestrou škálu vozidel, vybavených technologií SCR, které bez problémů plní limity EURO 5 a dokonce i EURO 6. Je třeba podotknout, že nové komponenty navíc znamenají samozřejmě vyšší hmotnost, větší prostorovou náročnost, vyšší výrobní náklady a náklady na údržbu, které mohou být kompenzovány nižšími náklady na palivo. Pro úplnost chci uvést, že samozřejmě už dnes existují výrobci, jejichž vozy splňují přísné emisní limity i bez technologie SCR. Takovou technikou je např. SKYACTIVE-D u Mazdy, zásobníkový katalyzátor DeNOx u Renaultu a Toyoty nebo technologie Clean Diesel Engine u Hondy.

Na americkém trhu platí přísnější emisní normy. Evropští výrobci osobních automobilů vyvážející do Ameriky, musejí svá vozidla dodatečně vybavit technologií SCR, aby splňovala jejich normy.

Jak je patrné z Tab. 4.1 až 4.11, technologie SCR je používána v současné době téměř v celém segmentu tříd automobilů, počínaje vozy terénními (offroad nebo SUV), kompaktními velkoprostorovými MPV, luxusními vozy až po automobily vyšší střední, střední a nižší střední třídy. Zde je třeba zdůraznit, že třídy se mohou vzájemně prolínat.

Ukazuje se, že technologie SCR je používána u vozidel, u kterých v poměru k ceně vozidla není instalace tohoto přídavného zařízení významnou položkou. Tuto

(26)

26

technologii zavádějí s úspěchem renomované značky, zejména německé trio BMW, Mercedes-Benz, Audi a dále koncern PSA (Peugeot, Citroen), Volkswagen a Opel.

Katalyzátory těchto značek jsou např. známy pod obchodními názvy BluePerformance, BlueTec, Clean diesel, BluHDi, BlueTDI, EcoFLEX.

Například technologická novinka koncernu PSA, BlueHDi, splňující normu EURO 6, likviduje emise NOx až o 90 % a emise pevných částic na 99,9 %. Současně optimalizuje emise CO2 a spotřebu až o 4 %, oproti vznětovým motorům, splňujícím normu EURO 5.

Systémy se SCR jsou založeny na redukčním aditivu AdBlue^®, jehož spotřebu se neustálým vývojem daří snižovat. Například Mercedes-Benz u své technologie BlueTec vykazuje spotřebu cca 0.1 litru na 100 km, resp. 1 – 3 % spotřeby nafty.

Zatímco technologie SCR je v podstatě jednoduchou technickou záležitostí, má však větší hmotnost. Samostatná nádobka na aditivum je náročnější na prostor, není snadné pro ni najít místo. Nádobka bývá umístěna na podvozku vozidla vedle nádrže na palivo (samostatné plnící hrdlo je vedle hrdla nádrže paliva), pokud to zástavba dovolí. Další možnou alternativou je umístění nádobky místo náhradního kola s plnícím hrdlem ze zavazadlového prostoru. Je třeba zdůraznit, že do nádobky se nesmí nalít z důvodu znehodnocení přípravku nafta ani voda.

Závěrem můžeme konstatovat, že systémy se SCR představují optimální řešení v oblasti hospodárnosti, výkonu a ekologie. Vykazují nejlepší redukci škodlivin, mají prokazatelně nižší spotřebu paliva a s optimalizací motorů se zvýšil jejich výkon.

Z hlediska údržby se jedná o nenáročný systém, nemá zkrácené servisní limity, je odolný vůči kvalitě paliva a všechny komponenty mají stejnou životnost jako celé vozidlo.

(27)

27

4.1 Vybrané osobní automobily s technologií SCR

Vzhledem k plnění emisních norem EURO byla vybrána pouze vozidla z evropského trhu. Je třeba podotknout, že motory s technologií SCR jsou kromě vozidla uvedeného v tabulce používány i v jiných typech značky.

4.1.1 Audi clean diesel

Tab. 4.1 Parametry vozu Audi A4 2.0 TDI clean diesel [22].

Konstrukce motoru Řadový čtyřválec

Zdvihový objem [cm³] 1968

Výkon motoru [kW], při ot. [1/min] 110/3250-4200 Kroutící moment motoru [Nm], při ot. [1/min] 320/1500-3250 Kombinovaná spotřeba paliva [l/100km] 4,4

Objem palivové nádrže [l] 63

Objem nádrže na AdBlue^® [l] 20

Emise CO2 [g/km] 114

Emisní třída EU6

Obr. 4.1 Audi A4 2.0 TDI clean diesel [22].

(28)

28

Konstrukce motoru Šestiválec do V

Výkon motoru [kW], při ot. [1/min] 180/4000-4500 Kroutící moment motoru [Nm], při ot. [1/min] 580/1750-2500 Kombinovaná spotřeba paliva [l/100km] 5,9

Emisní třída EU6

Konstrukce motoru Osmiválec do V

Výkon motoru [kW], při ot. [1/min] 283/3750 Kroutící moment motoru [Nm], při ot. [1/min] 850/2000-2750 Kombinovaná spotřeba paliva [l/100km] 7,4

Emise CO₂[g/km] 194

Emisní třída EU6

(29)

29

4.1.2 BMW BluePerformance Modely se SCR od roku 2013 [23]:

- BMW 5 Series Sedan: 520d xDrive, 525d xDrive, 530d xDrive, 535d xDrive - BMW 5 Series Touring: 520d xDrive, 525d xDrive, 530d xDrive, 535d xDrive - BMW 5 Series Gran Turismo: 520d, 530d xDrive, 535d xDrive

- BMW X5: sDrive25d, xDrive25d, xDrive30d, xDrive40d, xDrive50d

Tab. 4.4 Parametry vozu BMW 5 Series Sedan 520d xDrive [23].

Výkon motoru [kW], při ot. [1/min] 135/4000 Kroutící moment motoru [Nm], při ot. [1/min] 380/1750-2750 Kombinovaná spotřeba paliva [l/100km] 4,9-5,3

Objem nádrže na AdBlue^® [l] -

Emise CO2 [g/km] 129-139

Emisní třída EU6

Obr. 4.4 BMW 5 Series Sedan 520d xDrive [23].

(30)

30

Tab. 4.5 Parametry vozu BMW X5 xDrive40d [23].

Konstrukce motoru Řadový šestiválec

Emisní třída EU6

Obr. 4.5 BMW X5 xDrive40d [23].

4.1.3 Mercedes-Benz BlueTec

Mercedes-Benz používá systém se SCR u modelů:

- S 350 BlueTEC (W221) - G350 BlueTec (W463) - ML250 BlueTec (W166) - ML350 BlueTec (W166)

(31)

31

Tab. 4.6 Parametry vozu MB ML 250 BlueTEC 4MATIC [24].

Emisní třída EU6

Obr. 4.6 Mercedes-Benz ML 250 BlueTEC 4MATIC [29].

4.1.4 Citroen BlueHDi

Tab. 4.7 Parametry vozu Citroen C4 Picasso 2.0 BlueHDi 150 [30].

Výkon motoru [kW], při ot. [1/min] 110/4000 Kroutící moment motoru [Nm], při ot. [1/min] 370/2000 Kombinovaná spotřeba paliva [l/100km] 4,2

Emisní třída EU6

(32)

32

Obr. 4.7 Citroen C4 Picasso 2.0 BlueHDi 150 [30].

4.1.5 Peugeot BlueHDi

Tab. 4.8 Parametry vozu Peugeot 308 2.0 BlueHDi 150 [31].

Emise CO2 [g/km] 99

Emisní třída EU6

Obr. 4.8 Peugeot 308 2.0 BlueHDi 150 [31].

(33)

33 4.1.6 Opel ecoFLEX

Tab. 4.9 Parametry vozu Opel Zafira Tourer 1.6 CDTI ecoFLEX [32].

Emisní třída EU6

Obr. 4.9 Opel Zafira Tourer 1.6 CDTI ecoFLEX [32].

4.1.7 Volkswagen BlueTDI

Tab. 4.10 Parametry vozuVolkswagen Passat BlueTDI 2.0 [33].

Výkon motoru [kW], při ot. [1/min] 103/4200 Kroutící moment motoru [Nm], při ot. [1/min] 320/1750-2500 Kombinovaná spotřeba paliva [l/100km] 4,7

Emisní třída EU6

(34)

34

Obr. 4.10 Volkswagen Passat BlueTDI 2.0 [33].

4.1.8 Seat Ecomotive

Tab. 4.11 Parametry vozu Seat Alhambra 2.0 TDI CR Ecomotive [34].

Emisní třída EU5

Obr. 4.11 Seat Alhambra 2.0 TDI CR Ecomotive [34].

(35)

35

5 Návrh nádobky na AdBlue

^®

5.1 Požadavky na konstrukci nádobky na AdBlue

^®

Vozidlo vybavené technologií selektivní katalytické redukce se vstřikováním roztoku technické močoviny AdBlue^® je nutné vybavit dostatečně velkou zásobou tohoto prostředku. K tomuto účelu zpravidla slouží nádobka z termoplastu HDPE.

Při návrhu nesmí být opomenuto, že AdBlue^®při teplotě -11 °C zamrzá.

V zimním období lze v našich klimatických podmínkách této teploty snadno dosáhnout, proto je nezbytné při odstávce vozidla počítat s navýšením objemu redukčního prostředku vlivem nízké teploty. Nádobka a potrubí vedoucí ke vstřikovači/dávkovači AdBlue^® na výfukuje během provozu vozidla elektricky vyhřívána.

K umožnění roztažnosti redukčního prostředku vlivem nízké teploty zpravidla slouží nezaplněný prostor nad hladinou. Tento prostor vznikne při plnění a je zajištěn plnícím hrdlem nebo odvzdušňovacím ventilem nádobky, který při dosažení určité výšky hladiny neumožní další plnění. Velikost prostoru bývá 12 % z celkového vnitřního objemu nádobky. Umístění sacího otvoru čerpadla nad úrovní dna nádrže způsobí, že nedojde k úplnému vyprázdnění nádobky. Zbylý objem redukčního prostředku je označen jako tzv. nevyčerpatelný objem kapaliny, který závisí na konkrétní konstrukci nádobky. Výsledný objem AdBlue^® v nádobce získáme odečtením nezaplněného prostoru a nevyčerpatelného objemu kapaliny z celkového vnitřního objemu nádobky. Využitelný objem redukčního prostředku popisuje následující schéma (viz. Obr. 5.1).

(36)

36

Obr. 5.1 Schéma zaplnění nádobky na AdBlue^®.

Dno nádobky musí být opatřeno rovnou plochou o průměru 219 mm, která je potřebná k umístění modulu čerpadla. Pro odvzdušňovací ventil musí být nad nádobkou volný prostor o výšce 35 mm. V případě použití plnícího hrdla přímo na nádobce, je nutné počítat s prostorem nad nádobkou minimálně 59 mm, tj. výška plnícího hrdla s uzávěrem. Výška nádobky je požadována minimálně 100 mm zejména u technologie výroby vyfukováním plastů. Požadavek minimální tloušťky stěny na nádobce je 1,5 mm. Minimální tloušťka stěny potřebná k navaření součásti je 3 mm.

U technologie vyfukováním se stěna nádobky na rovných plochách propadá, proto je nutné použití zaoblených hran (R20, R30).

Pro ochranu před kamením a jinými předměty odletujícími od pneumatik vozidla je vhodné opatřit čerpadlový modul plastovým krytem o tloušťce 3 mm. Vzdálenost krytu od modulu čerpadla je požadována 5 mm. Požadované rozměry nádobky jsou popsány v následujícím schématu (viz. Obr. 5.2). [26, 27]

(37)

37

Obr. 5.2 Schéma požadovaných rozměrů nádobky na AdBlue^® [mm].

5.1.1 Materiál nádobky na AdBlue^®

Pro výrobu nádobky k systému SCR se používá vysokohustotní polyethylen HDPE (High-density polyethylene). Lineární struktura HDPE zajišťuje vyšší stálost proti organickým rozpouštědlům a větší pevnost v tahu než rozvětvený polyethylen.

Krátkodobě ho lze použít až do teplot 110 °C. HDPE se zpracovává převážně technologií vstřikováním a vyfukováním plastů, vyrábí se z něj velké duté předměty, trubky, nádrže a fólie. Mechanické vlastnosti HDPE popisuje Tab. 5.1.

(38)

38

Tab. 5.1 Mechanické vlastnosti HDPE [25].

Vlastnost HDPE

Hustota [g/cm³] 0,941-0,967

Teplota tání [°C] 130-133

Pevnost v tahu [MPa] 18-30 Prodloužení při přetržení [%] 100-1000 Modul pružnosti [MPa] 689-1654

Tvrdost, Shore D 60-70

Poissonovo číslo 0,4

5.1.2 Technologie výroby nádobky na AdBlue^®

K výrobě nádobky se používají dvě technologie zpracování plastů. První technologií je vyfukování s využitím vytlačovacího stroje, který vytváří polotovar parizon potřebné délky pro následné vyfouknutí stlačeným vzduchem ve formě.

Technologií vytlačovacího vyfukování vznikají výrobky s malou přesností, vzniká poměrně velký odpad, ale lze vyrábět výrobky velkého objemu. Z formy lze získat pouze jednoduché tvary, například držáky složitějších tvarů pro uchycení nádobky se musí v další operaci navařit na rovnou plochu nádobky.

Druhou používanou technologií výroby nádobky je vstřikování plastů. Touto technologií se vyrábějí nádobky složitých tvarů včetně držáků s drobnými tolerancemi rozměrů a velmi dobrou povrchovou úpravou. Nádobky se při využití této technologie vyrábí ze dvou polovin, které se následně svaří. V porovnání s první metodou je zapotřebí vysokých investičních nákladů, které se vyplatí při produkci 60000 kusů ročně.

Svařování dvou polovin nádobky nebo navařování komponentů probíhá za použití horkého elementu a tlaku, jedná se o tzv. kondukční svařování. Principem tohoto svařování je dotyk svařovaného materiálu se zahřátým nástrojem po definovaný čas. Po oddálení svařovaného materiálu od nástroje se plochy určené ke svaření k sobě přitlačí postupně narůstajícím tlakem až do dosažení hodnoty svařovaného tlaku. Svary dosahují až 100 % pevnosti základního materiálu a neobsahují téměř žádné vnitřní pnutí [26, 28].

(39)

39

5.1.3 Provedení nádobek na AdBlue^®u osobních automobilů

V současné době se používají následující druhy nádobek:

Nádobky I. generace:

- Vyfukovaný díl

- Čerpadlo umístěné nahoře nádobky a upevněné převlečnou maticí a na dně nádobky zajištěné bajonetovým zámkem

Nádobky II. generace:

- Vyfukovaný díl

- Čerpadlo navařené na dno nádobky

Nádobky III. generace:

- Vstřikovaná nádobka ze dvou částí, následně svařovaná - Čerpadlo navařené na dno nádobky

5.2 Parametry vozidla Škoda Rapid Spaceback se vznětovým motorem

Škoda Auto nabízí vozidlo Škoda Rapid ve dvou variantách karosářského provedení a to liftback a hatchback (Spaceback). Škoda Rapid Spaceback s novým designovým stylem značky Škoda, lze zařadit mezi automobily nižší střední třídy.

Vozidlo je nabízeno s třemi vznětovými motory (viz. Tab. 5.2):

1 - 1,6 TDI CR DPF/66 kW

2 - 1,6 TDI CR DPF/66 kW GreenLine 3 - 1,6 TDI CR DPF/77 kW

(40)

40

Obr. 5.3 Rozměry vozidla Škoda Rapid Spaceback [35].

Tab. 5.2 Vybrané parametry vozidla Škoda Rapid Spaceback [35].

Motorizace 1 2 3

Zdvihový objem [cm³] 1598 1598 1598

Výkon motoru

[kW], při ot. [1/min] 66/4200 66/4200 77/4400 Kroutící moment motoru

[Nm], při ot. [1/min]

230/1500- 2500

250/1500- 2500 Kombinovaná spotřeba

paliva [l/100km] 4,4 (4,5) 3,8 4,4

Objem palivové nádrž [l] 55 55 55

Emise CO2 [g/km] 114 (118) 99 114

Emisní třída EU5 EU5 EU5

Uvedené hodnoty v závorkách platí pro vozidlo s automatickou převodovkou.

(41)

41

5.3 Prostor pro nádobku na AdBlue

^®

u vozidla Škoda Rapid Spaceback

Konstruktéři při vývoji vozidla Škoda Rapid neuvažovali o montáži přídavné nádobky na AdBlue^®, proto bylo obtížné najít vhodný prostor k jejímu umístění již v dané konstrukci.

V procesu hledání vhodného prostoru pro umístění nádobky bylo prověřováno několik možných variant. Přední část vozu a motorový prostor jsou totožné pro karosářská provedení lifback a hatchback (Spaceback) a tak by bylo možné použít stejnou nádobku pro obě nabízené verze. Použitím elektromechanického posilovače řízení umístěného na sloupku volantu v kabině vozidla vznikl volný prostor před levým podběhem kola, vhodný pro eventuální umístění nádobky (viz. Obr. 5.4). Na tomto místě se dříve nacházel zdroj tlakové kapaliny s vyrovnávací nádobkou, který byl součástí původního elektrohydraulického posilovače řízení.

Obr. 5.4 Přední podvozková část vozidla Škoda Rapid (pohled zespodu).

(42)

42

Do vzniklého prostoru byla vymodelována nádobka, jejíž objem byl přijatelných cca 11 litrů (viz. Obr. 5.5). Zástavbový prostor však neumožnil vytvoření rovné plochy o průměru 219 mm pro umístění modulu čerpadla, a proto nebyl využit pro umístění nádobky (viz. Obr. 5.6).

Obr. 5.5 Boční pohled na návrh nádobky před levým předním kolem.

(43)

43

Obr. 5.6 Pohled na dno nádobky před levým předním kolem (pohled zespodu).

Při zkoumání podvozku vozidla s cílem nalezení vhodného místa pro nádobku byl k tomuto účelu využit model vozu Škoda Rapid Spaceback, který je o 179 mm kratší než karosářská verze liftback. Kratší model byl zvolen záměrně, aby se vymezil prostor, společný pro oba vozy a nádobka tak mohla být opět použitelná pro obě provedení.

Z obrázku 5.7 (na další stránce) je zřejmé, že ani na podvozku nebylo možné najít vhodný prostor pro umístění nádobky bez zásahu do konstrukce vozidla.

(44)

44

Obr. 5.7 Podvozek vozidla Škoda Rapid Spaceback.

V zavazadlovém prostoru, zejména v boční části nad levým zadním kolem (viz.

Obr. 5.8) byl sice rozměrově přijatelný prostor pro umístění nádobky, ale jako v předešlých případech nebylo možné vytvořit rovnou plochu potřebného průměru pro dno nádobky.

Obr. 5.8 Zavazadlový prostor vozidla Škoda Rapid Spaceback [35].

(45)

45 5.3.1 Úprava prostoru pro rezervní kolo

Z předchozích případů bylo zjištěno, že nebylo možné umístit nádobku na AdBlue^® do vozidla Škoda Rapid bez konstrukčních změn. Vznikl návrh odstranit rezervní kolo ze zavazadlového prostoru, opatřit vozidlo sadou na opravu pneumatik a prostor vhodně upravit pro umístění nádobky. K případnému použití vozidla do služeb integrovaného záchranného systému (policie, hasiči, zdravotní služba) se od tohoto návrhu odstoupilo. K vozidlům integrovaného záchranného systému se váže vyhláška Ministerstva dopravy č. 283/2009, kde se hovoří o povinnosti vybavení vozidla rezervním kolem, pokud není opatřeno pneumatikami umožňujícími jízdu i po defektu (označení pneumatik SSR,RFT, RunFlat). Tyto pneumatiky mají vyšší pořizovací cenu a větší hmotnost vlivem vyztužených bočnic, která způsobí rovněž i nákladnější provoz.

Vzhledem k této skutečnosti bylo přistoupeno k úpravě plechového výlisku tak, aby bylo možné automobil vybavit rezervním kolem. Úprava se týká vozidla Škoda Rapid Spaceback. Karosářské provedení liftback má zavazadlový prostor odlišný a pro umístění nádobky by bylo možné využít odkládací prostor za rezervním kolem (viz. Obr. 5.9).

Obr. 5.9 Zavazadlový prostor Škoda Rapid liftback [36].

(46)

46

Jako rezervní kolo bylo použito tenké dojezdové kolo, které bylo otočeno vzhůru upevňovacími otvory pro šrouby (viz Obr. 5.10). U původní polohy kola (viz.

Obr. 5.11) byla využita vnitřní plocha disku pro umístění zvedáku a montážního klíče, které se vlivem otočení dojezdového kola musí přemístit do bočního úložiště v zavazadlovém prostoru.

Obr. 5.10 Změněná poloha dojezdového kola (125/70 R16).

Obr. 5.11 Původní poloha rezervního kola (185/60 R15).

(47)

47

Použitím tenkého dojezdového kola a jeho posunutím do bezprostřední blízkosti podlážky zavazadlového prostoru, bylo možné plechový výlisek (,,mulda“) snížit o 84,5 mm a tím vznikl prostor na podvozku vozidla pro umístění nádobky na AdBlue^®. Otočením dojezdového kola bylo možné změnit dno výlisku tak, aby kopírovalo vnitřní tvar použitého disku (viz. Obr. 5.12, Obr. 5.13) a následně tento prostor také využít k zástavbě nádobky.

Obr. 5.12 Pohled na podvozek vozidla po úpravě prostoru pro dojezdové kolo.

(48)

48

Obr. 5.13 Pohled po úpravě do zavazadlového prostoru.

5.4 Nádobka na AdBlue

^®

u vozidla Škoda Rapid Spaceback

Po konzultaci s technology z firmy Kautex Textron Bohemia, spol. s r.o., zabývající se výrobou palivových nádrží a nádobek k systému se SCR, byla pro výrobu nádobky zvolena technologie vstřikování plastů. Nádobka bude vyrobena ze dvou dílů (mat. HDPE) a poté následně svařena (viz. kapitola 5.1.2). S ohledem na nutnost použití držáků složitého tvaru a malých rozměrů nádobky v závislosti na zástavbě, není vhodné použít technologii vytlačovacího vyfukování plastů (viz. kapitola 5.1.2).

K nádobce bylo použito příslušenství koncernu VW (modul čerpadla, plnící hrdlo s uzávěrem, odvzdušňovací ventil, příchytné šrouby, plastové matice krytu čerpadla), které podléhá utajení a není tak možné přiložit výkresovou dokumentaci těchto komponentů. Přiložená výkresová dokumentace obsahuje výkres sestavení nádobky (vrchní a spodní část nádobky, kryt čerpadla) a výkresy jednotlivých dílů ze sestavy.

(49)

49

Vytvořená výkresová dokumentace slouží pouze k základní představě o nádobce a jejích rozměrech. Přenos geometrie nádobky mezi jejím konstruktérem a společností, vyrábějící vstřikované díly se provádí v datové formě. Výsledný tvar a přesnost závisí na vstřikovací formě, která se musí zvětšit o smrštění dílu a na parametrech vstřikovací technologie tzn. velikost dávky, délka cyklu, dotlak atd. Základem pro výrobu vstřikovaných dílů je tedy výrobní výkres vstřikovací formy.

5.4.1 Nádobka na AdBlue^® s příslušenstvím

Obr. 5.14 Nádobka na AdBlue^® s příslušenstvím (pohled shora).

(50)

50

Obr. 5.15 Nádobka na AdBlue^® s příslušenstvím (pohled zespodu).

Obr. 5.16 Nádobka na AdBlue^® s příslušenstvím (dnem vzhůru).

(51)

51

5.4.2 Upevnění nádobky na AdBlue^® k podvozku vozidla

Nádobka byla opatřena třemi držáky, pomocí kterých je uchycena k podvozkové části automobilu. Byly použity tři šrouby VW, jeden o rozměru M8x25 v zadním držáku a dva M6x25 v bočních držácích. Proti nadměrné deformaci držáku vlivem utažení obsahují otvory pro šrouby dělené kovové vložky, které jsou o 0,3 mm nižší než plastový otvor. Obrázek 5.17 (na další stránce) ukazuje umístění nádobky na podvozkové části vozidla.

Obr. 5.17 Umístění nádobky na AdBlue^® na podvozkové části vozidla.

(52)

52 5.4.3 Využitelný objem AdBlue^® v nádobce

Maximální objem nádobky je 18 litrů. Po odečtení nezaplněného prostoru a nevyčerpatelného množství kapaliny zbývá 14,5 litru využitelného objemu.

Obr. 5.18 Schéma zaplnění nádobky na AdBlue^®.

5.4.4 Plnění nádobky na AdBlue^®

Nádobku na AdBlue^® nelze plnit z boku vozidla, ale pouze ze zavazadlového prostoru, jelikož u hrdla palivové nádrže není prostor pro zástavbu plnícího hrdla nádobky (viz. Obr. 5.20). Před plněním nádobky musíme nejprve odstranit ze zavazadlového prostoru dojezdové kolo a pryžovou krytku, pod kterou je umístěn modrý uzávěr nádobky (viz. Obr. 5.21).

Obr. 5.20 Plnící hrdlo palivové nádrže.

(53)

53

Obr. 5.21 Plnící hrdlo nádobky na AdBlue^®.

Kapalinu AdBlue^® lze doplňovat u čerpací stanice, ze zásobní láhve nebo kanystru. Zásobní láhev (viz. Obr. 5.22) o objemu 1,89 litru je opatřena ventilem, který zajišťuje nepropustnost kapaliny při poloze dnem vzhůru. Teprve po našroubování zásobní láhve na hrdlo nádobky a jejím stlačením ve směru hrdla se uvolní ventil a kapalina začne vytékat. Při dolévání kapaliny musí stát vozidlo na rovině, při nesplnění tohoto požadavku hrozí přelití kapaliny a poškození komponentů.

Kombinovaná spotřeba paliva u vozidla Škoda Rapid Spaceback s motorizací 1,6 TDI CR DPF/66 kW je uváděna 4,4 litrů na 100 km a předpokládaná spotřeba kapaliny AdBlue^® je 2 % spotřeby paliva. Vezmeme-li v úvahu uvedené údaje, pak se na vzdálenost 100 km spotřebuje 0,088 litru kapaliny AdBlue^® a náplň nádobky o objemu 14,5 litru potom postačí na ujetí přibližně 16500 km.

Obr. 5.22 Zásobní láhev na AdBlue^® [37].

(54)

54

6 Katalytický systém se SCR u vozidla Škoda Rapid

Z analýzy trhu automobilů vybavených technologií SCR vyplývá, že výrobci používají téměř shodné uspořádání komponentů. V blízkosti motoru je umístěn oxidační katalyzátor s filtrem pevných částic, dále do výfukové soustavy ústí vstřikovač kapaliny AdBlue^® a následuje katalyzátor SCR (viz. Obr. 6.1). Zkušenosti evropských automobilek ukazují, že se uvedené uspořádání osvědčilo a proto lze doporučit jeho použití i ve vozidle Škoda Rapid.

6.1 Možné uspořádání komponentů systému se SCR

Obr. 6.1 Možné uspořádání komponentů systému se SCR [10].

(55)

55 6.1.1 Modul čerpadla firmy Bosch

Nosná část modulu čerpadla Bosch je vyrobena z HDPE, pomocí které se přivařuje na dno nádobky s AdBlue^®. Modul se skládá z vyhřívací jednotky, čerpadla, filtru, ze snímače kvality redukčního prostředku, snímače výšky hladiny a snímače teploty. Téměř všechny tyto komponenty jsou navařeny na nosnou část modulu kromě čerpadla, které lze demontovat k případné opravě či výměně (viz. Obr. 6.3). Výstupní tlak z čerpadla ke vstřikovači redukčního prostředku je přibližně 5 bar.

Obr. 6.2 Modul čerpadla Bosch.

(56)

56

Obr. 6.3 Modul čerpadla Bosch (pohled zespodu).

6.1.2 Vstřikovač AdBlue^® firmy Bosch

Vstřikovač má za úkol dávkování redukčního prostředku do výfukových plynů, které je aktivováno řídící jednotkou motoru. Vhodnou úpravou výfukového potrubí lze umístit vstřikovač tak, aby redukční prostředek byl dávkován axiálně a tím došlo k rovnoměrnému promíchání s proudem výfukových plynů.

Obr. 6.4 Vstřikovač AdBlue^® firmy Bosch [38].