Znamená EU7 konec spalovacích motorů? Vol.2

Featured Image

Přání se mají plnit, kor o Vánocích. Předchozí článek vážené čtenářstvo nejenže nevyhejtilo, ale z reakcí, co se ke mně dostali, byl o pokračování zájem. Budiž tedy, zkusím vysvětlit pozadí produkce výfukových škodlivin a mezi řádky podsunout i možná řešení. Takže jen technika, bez lidí a politiky.

Ještě, než začnu, určitě jste si všimli, že první článek byl místy ve znamení nejistot. Ty zmizely jak pára nad hrncem a pro zjednodušení platí vždy ta horší varianta. Šmitec.

Zaměřím se tedy na spalovací motor v EU, v případě že plní úlohu primárního pohonu v individuální dopravě. Nebudu brát v potaz roli nabíječky / prodlužovačky dojezdu pro auta na baterky, protože zde zůstane spalovák zachován v rámci větší či menší hybridizace, neb ta je bezpochyby cestou budoucnosti (a přítomnosti), ačkoli to ve většině případů znamená komplikovanější a dražší. O to větší čest výjimkám.

Následující řádky budou, stejně jako posledně, o zážehovém motoru, protože v nabídce trhu hraje aktuálně prim (taktně pomlčím, že se vznětovým nemám praktický zkušenosti). Na celou problematiku se dá dívat celkem jednoduše, je zkrátka potřeba vejít se do emisních limitů při reálném použití, a to po celou dobu životnosti vozidla. Jak toho docílit?

Snížení surových exhalací

Jak název napovídá, jedná se o výfukový plyny proudící přímo z motoru, tedy před redoxní reakcí v katalyzátorech a záchytem uhlí v lapači pevnejch částic. Je nasnadě, že snížení emisí hned u zdroje je sakra žádoucí, protože další části výfukového systému mají o to míň práce. To se sic lehko řekne, ale v praxi se velmi rychle zjistí, že optimalizovat motor na nejnižší emise znamená ho nikdy nenastartovat. Proto se jde, nebo by se aspoň mělo jít, cestou co nejvyšší účinnosti. Analogicky co nejnižší měrné spotřeby paliva (jež nám říká, kolik gramů paliva potřebujem na kilowatt-hodinu energie), samozřejmě krom vnější čáry (v motorářském hantecu křivka plnýho zatížení), kde je třeba z motoru naopak vyždímat maximum. Frantu Uživatele úplná charakteristika motoru beztak nezajímá (ona ho tedy zhusta nezajímá ani ta vnější čára, hlavně jestli to má CarPlay). Praktická část potom vypadá tak, že se na motorový brzdě (dynamometr s naroubovaným motorem) pro každý pracovní bod (otáčky a zatížení) hledá optimální nastavení:
– Vaček, jež skrz otevírání a zavíraní ventilů řídí dýchání motoru, zejména vnitřní recirkulaci výfukových plynů nebo čachry se zavíráním sacího ventilu v rámci Atkinsonova / Millerova cyklu
– Pracovního bodu kompresoru / turbíny, je-li motor vybaven regulovatelnou foukačkou, neb jako každý správný točivý stroj, i turbo má svojí účinnost
– Předstihem zážehu, jež existuje pouze jediný správný, teda do doby než ho omezí klepání
– Délkou / počátkem / režimem vstřikování paliva, což je echt alchymie

Ano, věci se dají samozřejmě nasimulovat, ale železo a plameny budou vždycky víc než jedničky a nuly (jinými slovy, stupňů volnosti je někdy až přespříliš). Každopádně ve výsledku máme sice slušný výkonový parametry motoru, přesto koncentrace škodlivin ve spalinách je trochu přes čáru. Existují cesty, jak si surové emise snižovat, například dalším zvýšením podílu recirkulace výfukových plynů (EGR – analogie propojení hajzlu s kuchyňským dřezem čistě náhodná) nebo lepším rozprášením paliva, ale tyto opatření bývají značně kompromisní (rozuměj buď to pojede málo, nebo vůbec) a v důsledku je lepší zaměřit se na co nejvyšší účinnost motoru jako takového, neb míň spálenýho paliva znamená míň emisí. A od toho zbytku je tu kat.

 

Zvýšení účinnosti katalyzátoru

Standard posledních dekád je minimálně 3-cestný řízený katalyzátor, kde si platina / palladium umí oxidační reakcí poradit s CO a uhlovodíky, rhodium redukční reakcí potom s oxidy dusíku. Filtrem pevnejch částic se zabývat nebudu, neb na bludišti pro uhlí není nic extra zajímavýho. Na katu je toho naopak dost, neb pokud vše funguje dobře, je běžná účinnost reakcí nad 95 %, což znamená, že v případech echt okolního znečištění může spalovák opravdu fungovat jako čistička vzduchu. Významový těžiště ovšem leží ve spojení „pokud vše funguje dobře“. Nemám na mysli mechanický poškození za pomoci zpomalovacího prahu nebo bandy negrů s letlampou s řezačkou na trubky, ale co je potřeba všechno dodržet, aby kat fungoval vždycky (během jízdy) a furt (do konce životnosti) s podobnou vervou jako na obrázku níž.

Obecná závislost lambda poměru na koncentraci škodlivin, s katem i bez něj, zdroj google

 

Jak vyplývá z obrázku, exhalace jsou nejnižší v úzkém pásmu kolem stechiometrického poměru lambda = 1 (opáčko – lambda 1, neboli stechiometrická směs, značí poměr paliva a vzduchu na úplné prohoření. V případě naší atmosféry a benzínu platí cca 14.7:1) To by klapalo akorát v dlouhodobém stacionárním provozu, při běžné – dynamické – jízdě je pásmo vysoké účinnosti výrazně širší. Ano Halík, širší. Oxidační reakce potřebují k chodu kyslík, redukční si ho zase musí mít kam odkládat, takže mít tak k ruce kyslíkovej akumulátor… abrakadabra, vždyť ho tam máme, ve formě oxidu ceričitého a zirkoničitého. No tak paráda, kat je tedy krátkodobě schopnej vykrýt bohatou nebo naopak chudou směs, ač je to dost relativní pojem závislej především na průtoku spalin. Nabízí se tedy otázka, zda by nestačilo zkrátka zvýšit sycení katalyzátoru příslušnými sloučeninami a aktivními drahými prvky tak, aby dokázal plnit svoji funkci pořád? Odpověď je jein:

Ano proto, že se tak nepochybně kvůli nutnosti prodloužení životnosti katu stane, a poněvadž je jeho degradace při běžném provozu zhruba lineární, není těžký odhadnout o kolik bude potřeba sycení navýšit.

Ne proto, že jednak za studena, dokud není katalyzátor prohřátej na teplotu potřebnou pro chod reakcí, je vyšší sycení k ničemu, viz o pár odstavců níž. Druhak jsou tyhle konkrétní drahý kovy opravdu drahej špás a jejich těžba / zpracování se v důsledku neliší od lithia, je tedy patrná snaha jejich množství v katu naopak redukovat. Což teoreticky lze, pokud je řízení motoru v pořádku a neoperuje v náhradním nebo nouzovým režimu (se svítícím kuřetem). Třeťak je důležitej správnej motor-management, což je koneckonců alfa a omega tady toho celýho povídání. Správnej znamená, že motor drží v rámci možností lambda 1, neb jen kolem toho dokáže kat účinně fungovat. Jet bohatší nedává sysla, nechcete-li jen tak pálit palivo pánu bohu do oken, nebo z nějaké příčiny směs ochlazovat. Provoz na chudší směs sice sysla dává, zejména v částečným zatížení se výrazně zlepší ekonomika provozu, ale bohužel se v režimu přebytku vzduchu katalyzátor „otráví“ kyslíkem a přestane redukovat NOxíky (kterých navíc vzniká o něco víc díky „zamrznutí“ spalovacího procesu, viz předchozí článek). Proto v sérii toto řešení (už) nenajdete. V tomhle bodě si dovolím vyvrátit jeden mýtus, jakože chudší směs hoří teplejc. Nehoří, jednou pro vždy nehoří, nejteplejší je spalování při lambda 1. To, že někde strejda podpálil ventily po hraní si s karburátorem nezpůsobilo to, že by pálil chudší směs než stechiometrickou (takže lambda > 1), ale míň uchcanou směs, třeba právě 0.95 oproti 0.85.
Uff, to jsem poněkud odbočil… pointou každopádně je, že účinnost katalyzátoru lze z dlouhodobý perspektivy zvýšit buď extra sycením drahých kovů nebo řízením spalovacího procesu, kdy držíme stechiometrickou směs zuby nehty.

 

Držíme lambdu 1

Úvaha o těžkostech provozu motoru v tomto režimu:
1. Lambádu 1 se daří držet průměrně přes všechny válce. Lambdu totiž měříte (překvapivě) lambda sondou, která vidí zbytkové množství kyslíku v exhalacích. Ale když jeden válec poběží mírně bohatě a druhý mírně chudě, střední hodnota lambdy bude rádoby v pořádku, ale v jednom válci bude vznikat excesivní množství CO a v druhém NOxů. Sice se rozdíly mezi válci snaží potlačit korekce vstřikovačů, ale skrz mezicyklovou variabilitu hoření (honosný to název pro
bordel ve válci rozdíly spalovacího procesu) k mírným odchylkám mezi válci vždy dochází. Naštěstí tohle kat požere bez problémů, takže spíš pro zajímavost.

2. Lambdu 1 se daří držet, nešahá-li do řízení diagnostika. Ta naschvál směs řízeně obohacuje nebo ochuzuje, sleduje reakci obou lambda sond spolu s kyslíkovou kapacitu katalyzátoru, a v případě zjištěný neplechy o tom dá vědět. Naštěstí tohle kat pobere taky bez problémů

3. Lambdu 1 se daří držet, pokud není nutno chladit komponenty, zpravidla tu první na ráně. Usoudí-li turbína, že je jí moc teplo, chvilku dělá jakoby nic a pak si buď hvízdne na přepáleným oleji, nebo se poněkud urychlí únava materiálu, která jí rozhodně nedělá dobře na lopaty. Usoudí-li kat, že je mu moc teplo, chvilku dělá jakoby nic a pak si rozjede svou vlastní exotermní reakci, která mu rozhodně nedělá dobře na voštiny. Z těchto důvodů se úmyslně leje do motoru palivo navíc (lambda ˂ 1), kteréžto díky odpařování sníží teplotu směsi a tím i teplotu spalin. Zpravidla se tak děje na „vnější čáře“, v motorářským hantecu výkonová křivka pod plným plynem. Po vyčerpání kyslíkový kapacity s tím kat už nic nenadělá a COčko začne lítat z komína. Očividný řešení je teda dimenzovat komponenty tak, aby jim teplo nedělalo špatně a mohla se držet lambda 1 furt. To je víceméně dnešní standard, ať už skrz chlazení spalin (chlazené svody), lepší materiály (na turbíně) nebo celkově přepracovaný koncept motoru, kdy se preferuje opak downsizingu.

Aby to nebylo jednoduchý, držet lambdu 1 neznamená jen stříkat 1 díl benzínu na 14.7 dílů vzduchu. Palivo se usazuje a znova strhává ze sacího traktu (nepřímo-vstřikové motory) nebo skrz pulzace nesedí naměřené množství vzduchu (přímo-vstřiky). Extra benzinové výpary proudí z odvětrání nádrže, něco se po zahřátí odpařuje z oleje, nemluvě o tom, že palivo má nějakou destilační křivku, takže za zimy se odpařuje stejně ochotně jak Rus ze Stalingradu. Velkou roli hraje dynamika celého děje, kdy lambda sensor vidí všechno několik cyklů opožděně, proto veškeré zásadní korekce musí být namodelovány předem. Opět, tohle je svět řídící jednotky motoru a na tomhle poli se oře fest.

Zima, samá zima

Minule jsem napsal, že většinu exhalací motor vypustí během prvních minut, což odpovídá v podstatě surovým emisím, neboť kat se ještě nezahřál. Čím větší zima tím horší, protože palivu je kosa a drží se v kapénkách při sobě, místo aby se ochotně rozprášilo. O to víc je třeba benzínu nastříkat, pač úkol zněl jasně a motor musí naskočit. Nečekaně tak hromada nespálenýho paliva skončí ve výfuku a dál, nedá se svítit. Zamrzlej motor s olejem konzistence medu má taky poněkud vyšší třecí ztráty, které se musejí nějak překonat = o to víc paliva je třeba pro start a následný chod. Jak se spalovací prostor pomalu ohřívá, mění se postoj paliva k odpařování, což se musí zas dál korigovat, abychom nezpůsobili pro změnu uchcání. Je to celkem kalibrační výzva při ustálených podmínkách, typicky volnoběhu, opravdová sranda ale nastává, když se pustíme hned z fleku do dynamičtější jízdy. Pokud z nějaký příčiny není lambda sonda ještě připravena k měření (tzn. není zahřátá, neb pro správnou funkci je potřeba dosáhnout zhruba teploty spalin), děje se tak navíc bez našeho jedinýho očička. Nicméně toto není problém. V principu je pro předčasný ohřev lambády potřeba jen záloha energie pro nahřátí, kdy příkon je nižší než žhavičky u vznětových motorů, a šikovná krytka části sondy vystavené spalinám, aby náhodou nekoupila spršku kondenzátu po studeným startu, což by pro ni byla konečná. Pak ještě pár drobností, jako korekce výstupní lambda křivky na nižší teplotu spalin, ale to se dá do 2025 vyladit…

Jakmile se motor rozběhne a ustálí, což trvá několik málo vteřin, nastává fáze ohřívání katalyzátoru. Cílem není nic menšího než entalpii spalin usměrnit tak, aby co nejefektivnější ohřívala kat, čehož se v praxi docílí kombinací polohy vaček, režimu vstřikování a zejména pozdního předstihu zážehu, takže směs zvesela dohořívá ve výfuku. Tato fáze trvá několik desítek vteřin, kterou zcela jistě poznáte podle hlučnějšího a humpoláčtějšího chodu motoru. Jakmile dosáhne modelovaná teplota nebo naakumulovaná energie v katu své hranice, řízení se přepne do už normálnějšího ohřívacího provozu. Z čehož vyplývá, že pro exhalace blížící se nule stačí mít jen a pouze dostatečně nahřátý kat ještě před sepnutím motoru. Jenže z jen a pouze by se jeden okotil.

Přihořívá

První, co by vás asi napadlo, je strčit do voštiny katu něco jako varnou spirálu a rozpálit jí doběla. Nápad super, ale má to pár ALE, proto tohle řešení v sérii zatím nenajdete (i když co není může být). První ALE je cena, neb se jedná o sofistikovanější varnou spirálu, která musí co nejrychleji prohřát co nejvyšší objem voštiny katu a zároveň zamezit teplotním šokům, což jsou poněkud protichůdný požadavky, navíc nesmí dát kůži po životnost alespoň 200kkm. Druhý ALE je potřebný příkon v řádu jednotek kilowattů, čímž se sama vyloučí 12V palubní síť, neb by byl odběr ekvivalentní tomu, co sežere startér, takže jak by pak asi nabobtnala baterka, která by vám jako bonus při vybitějším stavu sichr zakázala nastartovat. Palubní sítě hybridů, 24V a 48V, by to měly výrazně snazší a dovedu si to představit jako řešení.

Další cesta, kterou považuju stejnou měrou za zvrácenou jako reálnou, je nahřát si katalyzátor hořákem zevnitř. Levnější varianta je přeměnit motor na hořák, kdy se za pomoci externí, též zvané sekundární vzduchové pumpy, vhání vzduch do svodů co nejblíž výfukovým ventilům. Máte-li pocit deja-vu, že pumpy sekundární vzduchu jsou, zejména v US, v sérii už od devadesátek, je to tak. Účelem bylo a je spálit nedohořelý palivo po startu, o což nám jde koneckonců taky, ale pointa je ta, že správně napočítaný extra vzduch ve výfuku umožní naschvál obohatit směs ve válci až na samej limit hoření tak, abychom před katalyzátorem měli lambda 1, takže kat dostává nesmyslnou porci tepla a jako bonus by měl všechen bordel prohořet bez extra emisí navíc. Teorie dobrá, v praxi se jedná o docela hrůzostrašnej režim, kdy je hranice mezi Schnellheizung a Endlösungheizung tenká jak první drážka. Pístní, pochopitelně. Nicméně tímto způsobem lze nahřát kat na operační teplotu za jednotky vteřin, limitující je spíš teplotní gradient keramiky katalyzátoru. Zejména v mínusových teplotách okolí tak může hrozit, že auto nebude reagovat na plyn, než se katalyzátor prohřeje. Nepříjemný, ale lepší než papírovým brčkem do oka.

Dražší varianta je mít svůj separátní hořák přímo pro ohřev katu, což znamená vlastní směšovací komoru, vstřikovač, zapalovací modul, vlastní jednotku a využití stávající lambda sondy pro řízení v uzavřené smyčce. Viz například tu špageťáci. Výhody jako u předešlého případu, motor navíc nevydává zvuky říkající si o kulku z milosti. Nevýhoda jednoznačně cena.


Suma sumárum

Pokud jste si z předešlého textu zapamatovali, že pro splnění EU7 stačí mít vždycky (během chodu motoru) a furt (do konce životnosti) funkční kat a zdravý motor, je to správně. Cesty k realizaci jsou, buď budou zahrnovat jistou míru hybridizace nebo zařízení umožňující rozjezd s již zahřátým katem. Zadarmo to ovšem nebude, vývoj stojí peňáze, nemluvě o dalším železe a senzorice a hádejte, kdo to zaplatí. Aktuálně se zvedá vlna nevole napříč OEM, jakože 2025 je moc brzo, takže těžko říct jak všechno nakonec dopadne.

Každopádně z mýho pohledu spalovákům hrana nezvoní. Ještě ne.

Díky a zdar.


26.12.2022 Motor Doktor

12345 (211x známkováno, průměr: 1,18 z 5)
11 740x přečteno
Updatováno: 26.12.2022 — 23:11
D-FENS © 2017