.

Nasze Publikacje
Nowoczesny Warsztat 01/2010

Artykuł zastrzeżony prawem autorskim - kopiowanie w całości lub we fragmentach bez zgody autora zabronione

                 
Dwutlenek węgla ( CO₂ ) w pojazdach samochodowych

Dwutlenek węgla ( CO₂ ) jest gazem bezbarwnym nietoksycznym bez zapachu, niepalnym, cięższym 1,5 raza od powietrza. W małych stężeniach nie jest gazem szkodliwym dla ludzi. Normalne stężenie CO₂ w powietrzu wynosi 0,03 ( % ) objętościowo – i nie powinno być większe dla normalnego funkcjonowania organizmu człowieka. Nadmierny wzrost zawartości tego gazu w atmosferze powoduje groźne zjawisko klimatycznego ocieplenia (tzw. Efekt cieplarniany), także wówczas jest groźny dla życia ludzkiego.
W pojazdach samochodowych CO₂  powstaje jaki produkt spalania węgla (C) w komorze spalania silnika. Im wyższa procentowo zawartość CO₂ w spalinach, tym efektywniej pracuje silnik. Największe wartości stężenia osiąga CO₂ przy współczynniku nadmiaru powietrza λ=1, a więc dla mieszanki stechiometrycznej. W pojazdach posiadających katalizator , CO₂   utlenia pozostałe po procesie spalania tlenki węgla (CO) i węglowodory (HC) . Powstaje zatem dwutlenek węgla (CO₂ ) i para wodna (H₂O). Zakłada się , że najwłaściwsza  zawartość dwutlenku węgla w spalinach  dla pojazdów z układem wtryskowym , katalizatorem i sondą lambda to 14,5 – 16 (% vol).

Komisja Europejska narzuca formę emisji CO₂  producentom aut – lecz efektem tego będą na pewno większe koszty produkcji pojazdów . Średnia emisja CO₂ w nowo produkowanych samochodach w latach 2012 – 2015 ma wynosić do 120 (g/km) (dzisiejszy poziom to 156 g/km) . Już w 2020 roku średnia emisja CO₂   ma wynosić zaledwie 90 (g/km) . Emisja CO₂ jest proporcjonalna  do zużycia paliwa tj. – osiągnięcie produkcji CO₂   na poziomie 120 g/km oznacza w przypadku samochodów benzynowych średnie spalanie na poziomie 5,2 (l/100km) , a w silnikach z zapłonem samoczynnym 4,5 (l/100km) .Najgorzej przedstawia się sytuacja produkcji aut luksusowych wyposażonych w silniki o dużej pojemności np:

• Lamborghini Murcielago  →  495 (g/km)

• Porsche 911 (moc 325 kM)→ 260 (g/km)

• BMW 540i (silnik o poj. 4 l )→250(g/km)

Pojazdy które emitują najmniej CO2 do atmosfery to:

• Toyota IQ (silnik z zapłonem iskrowym ) →99(g/km)

• Smart Fortwo (silnik z zapłonem samoczynnym) → 88(g/km)

• Fiat Panda (sprężony gaz ziemny CNG ) → 113(g/km)

• Toyota Prius (napęd hybrydowy) → 104(g/km)

Nadmienić należy , że samochody osobowe i ciężarowe  w całej Unii Europejskiej wydalają zaledwie 20% emisji CO_2.

Głównymi (największymi) trucicielami zanieczyszczającymi  atmosferę  i produkującymi najwięcej CO₂ są:

• przemysł paliwowo-energetyczny (ponad 50%),

• przemysł metalurgiczny (ok. 20%) , (huty  , kopalnie , cementownie) ,

• przemysł rolno-spożywczy

• lotnictwo,

• składowanie , utylizacja odpadów i ścieków,

• gospodarstwa domowe – emitujące do atmosfery gazy powstałe w wyniku spalania węgla ,

• erupcja wulkanów

• wypalanie lasów tropikalnych itp.

Ilość CO₂ emitowanego do atmosfery rośnie w bardzo dużym tempie – powodując gwałtowne zmiany klimatu .Działanie CO₂ na atmosferę wywołuje efekt cieplarniany. Efekt cieplarniany natomiast powoduje anomalie pogodowe np. : susze , upały , gwałtowne burze , pożary itp.

Aby temu wszystkiemu przeciwdziałać Komisja Europejska ustala rygorystyczne przepisy obniżenia CO₂ w produkowanych samochodach . Coraz bardziej surowe normy emisji dwutlenku węgla (CO₂) powodują wprowadzenie nowoczesnych rozwiązań technicznych jednostek napędowych oraz nowych (alternatywnych) źródeł napędu np.

1.  Napęd hybrydowy – najczęściej jest połączeniem napędu spalinowego i elektrycznego. Silnik elektryczny może wspomagać spalinowy przy niewielkich prędkościach jazdy lub stanowić jedyne źródło dostarczające moc do kół pojazdu. W praktyce występuje:

•  hybryda szeregowa , gdzie silnik spalinowy służy wyłącznie do wytwarzania prądu. Koła pojazdu są napędzane silnikami elektrycznymi.

•  hybryda równoległa – tutaj zarówno silnik elektryczny jak i spalinowy mają możliwość przekazania napędu na koła.

2.  Ogniwo paliwowe (wodorowe) – urządzenie wytwarzające energię elektryczną  w wyniku reakcji chemicznej wodoru z tlenem. Spalanie wodoru nie powoduje wydzielania szkodliwych spalin – ich jedynym składnikiem jest para wodna. Problemem który hamuje rozwój zastosowania wodoru jako paliwa , jest jego magazynowanie w bardzo wysokich ciśnieniach (350 bar i więcej) oraz niska gęstość energii .

3. Akumulator litowo-jonowy – silniki elektryczne w pojazdach samochodowych to największa przyszłość motoryzacji. Jako źródło napędu dysponują  ogromnym momentem rozruchowym  , dając dobre przyśpieszenie pojazdu.

W konstrukcji akumulatora litowo-jonowego wykorzystano dwie elektrody między którymi znajduje się substancja przewodząca prąd elektryczny , zawierająca sole litowe . Np. : w Chevrolecie Volt energia jest zmagazynowana w ponad 220 ogniwach litowo-jonowych co daje zasięg 60 (km) bez jakiejkolwiek substancji trującej z rury wydechowej . W tej konstrukcji silnik spalinowy służy wyłącznie do wytwarzania prądu. Koła natomiast są napędzane silnikami elektrycznymi. Także Tesla Roadster posiada 6831 ogniw litowo-jonowych. Czas ładowania 3,5 (h). Zasięg 400(km) , żywotność baterii 160 tys. km

4. Gaz ziemny w formie sprężonej (CNG) – instalacja gazu ziemnego CNG w pojeździe samochodowym jest zupełnie podobna do LPG – różnica polega na zainstalowaniu zbiorników paliwa o ciśnieniu 10 krotnie większym tj. 220 barów . Zbiorniki do tej instalacji są ciężkie (stalowe) oraz drogie kompozytowe. Gaz ziemny jest paliwem tanim i o wiele mniej toksycznym od benzyny. Po przejechaniu dystansu 100(km) oszczędzamy ok. 20 złotych w stosunku do benzyny.

Problemem rozpowszechnienia tego paliwa w Polsce są :

• dość droga instalacja w tym pojeździe ,

• słabo rozwinięta infrastruktura rozprowadzania tego paliwa ( w Polsce jest tylko 31 stacji CNG a w Niemczech 800 ).

• słabe zainteresowanie rządu o słuszności dalszego stosowania tego paliwa.

Sposoby zmniejszania emisji CO₂

 Wiemy już że emisja CO₂  jest proporcjonalna do zużycia paliwa . Zatem każde rozwiązanie konstrukcyjne , eksploatacyjne pozwalające zmniejszyć zużycie paliwa przyczynia się do redukcji emisji CO₂ .

1. Downsizing – to przeniesienie cech konstrukcyjnych dużego samochodu do małego, Inaczej stosowanie mniejszych silników turbodoładowanych dających duża moc  i generalnie obniżających emisję CO₂ . Typowym przykładem downsizingu jest Abarth 500 z turbodoładowaniem  R4 (16V) . Z pojemności 1683 cm³ daje moc 135 (KM). Dla przykładu Mercedes E200 CDI   daje taką samą moc (136 kM) lecz z ogromnej pojemności 2148 (cm³).

2. Bezpośredni wtrysk paliwa – aby zwiększyć efektywność procesu spalania zarówno w silnikach  z zapłonem iskrowym i samoczynnym zastosowano bezpośredni wtrysk paliwa . Ciśnienie  paliwa podawane do komory w denku tłoka w silnikach (ZI) wynosi od 11-20 (MPa)  , natomiast w silnikach (ZS) w systemie common rail od 135-200 (MPa). Ponadto wprowadzono precyzyjne wtryskiwacze elektromagnetyczne i najnowsze piezoelektryczne (dające czas otwarcia 0,00001 s ) co pozwala podzielić wtrysk zasadniczy na 5 faz (cykli). Ten wielokrotny wtrysk paliwa umożliwia dalsze zmniejszenie emisji szkodliwych składników spalin.

3. Mniejsze opory tarcia – zmniejszono masę tłoka poprzez zmianę jego konstrukcji tj. wycięto dwustronnie płaszcz tłoka oraz zastosowano pokrycie zewnętrzne teflonem. Zmniejszono wysokość pierścieni tłokowych zgarniających z 4-5 mm do 2 (mm). Wprowadzono obróbkę cieplno –chemiczną tj. fosforanowanie oraz napylenie gazowe azotkiem chromu w celu zmniejszenia tarcia bieżni pierścieni tłokowych.Zmniejszono napęd popychaczy hydraulicznych  zamiast ślizgowych – stosuje się dźwigienki rolkowe . Ponadto wałki rozrządu coraz częściej stosuje się drążone.

4. Obniżenie masy pojazdu – duża masa pojazdu to duże zużycie paliwa .Obecnie koncerny samochodowe starają się obniżyć masę pojazdu (nadwozia) zachowując wymagany poziom bezpieczeństwa .Współczesne  nadwozia wykonane są z lekkich wytrzymałych blach kształtowanych na gorąco. Ponadto lekkie stopy aluminium – zarówno na nadwozia , części silników , zawieszenia hamulców itp. Także stopy magnezu – bardzo lekkie i wytrzymałe  - na kierownicę , obudowę foteli , felgi itp. Tworzywa sztuczne , włókna węglowe (błotniki , zderzaki itp.).Produkcja szyb samochodowych (lekkie i wytrzymałe wg nowej wielowarstwowej technologii kompozytowej).

5. Skrzynie biegów – najlepiej stosować skrzynie biegów o dużej liczbie przełożeń np: 6-biegowe. Tę rolę spełniają obecnie produkowane ‘’ automaty’’ i przekładnie bezstopniowe gdzie przłożenie zmienia się płynnie w zależności od obrotów silnika . W dwusprzęgłowej automatycznej skrzyni (DSG) jedno sprzęgło współpracuje  z zespołem kół zębatych biegów parzystych , a drugie nieparzystych i wstecznego. Gdy włączony jest bieg 1 wtedy 2 wstępnie już wybrany pozostaje w gotowości. Przełączenia pomiędzy nimi dokonuje elektroniczny sterownik. W w/w skrzyniach biegu zużycie paliwa jest nieco niższe niż w pojazdach wyposażonych w klasyczną , sterowaną ręcznie skrzynię mechaniczną.

6. System wyłączający silnik pracujący na biegu jałowym tzw. Stop – and – go (Stop-Start) .  – System ten gasi silnik gdy pojazd zatrzyma się  (np. przed światłami) i włącza go ponownie gdy kierowca chce jechać dalej ( np. zmiana świateł) .  W systemie tym za uruchomienie silnik odpowiada wzmocniony rozrusznik. System ten pozwala zmniejszyć w ruchu miejskim ok. 6% paliwa .

Inne elementy konstrukcyjne wpływające na zmniejszenie zużycia paliwa

• układy rozrządu z zmiennymi fazami rozrządu ,

• stosowanie olejów energooszczędnych ,

• poprawa właściwości aerodynamicznych pojazdu ,

• automatyczna kontrola ciśnienia w oponach ,

• optymalizacja  klimatyzacji ,

• napędy elektryczne ( np. pompy wodnej) ,

Normy toksyczności  spalin

 Dopuszczalna zawartość szkodliwych składników spalin – samochody użytkowe do 3,5 tony [g/km].

Silniki (ZI) wskazania na analizatorze spalin od  07.1995 (pojazdy [ZI] z katalizatorem)

 a) wolne obroty biegu jałowego

CO→ do 0,5 (%)

HC→ do 100 (ppm)

 b) obroty 2000 – 3000 (obr/min)

CO→ do 0,3(%)

HC→ do 100(ppm)

λ→ 0,97-1,03 (współczynnik nadmiaru powietrza lambda )

λ→ f (CO,CO₂ ,HC, O₂ )

 Dla pojazdów rejestrowanych po raz pierwszy od 01.-5.2004 r.

CO → do 0,3 (%) na wolnych obrotach biegu jałowego i do 0,2(%) na obrotach 2000-3000. HC – nie są wymagane

 λ → λ = 0,97 – 1,03 na obrotach 2000-3000.

 Silniki ZS – zadymienie spalin – przyrząd dymomierz

a)       silniki wolno ssące (bez doładowania) do 2,5 (m-¹)

b)       silniki doładowane i turbodoładowane do 3,0 (m-¹)

Zadymienia dla pojazdów wyprodukowanych po 30.06. 2008 r. nie może przekroczyć 1,5  (m-¹).

Analizując normy toksyczności spalin , można zauważyć , że  CO₂ występuje jako składnik współczynnika nadmiaru powietrza λ tj. λ = f(CO, CO₂,HC,O₂ ) który sprowadzamy na 4-składnikowym analizatorze spalin na podwyższonych obrotach 2000-3000.

NP. Volkswagen Polo 1,4 (ZI) katalizator

C0 → 0,14(%)

HC → 22 (ppm)

0₂ → 0,00 (%)

CO₂ → 15,20 (%)

λ → 0,99

 Powyższe wyniki świadczą ,  o prawidłowym działaniu dopalacza katalitycznego i sondy lambda . Ponadto współczynnik nadmiaru powietrza λ mieści się w wymaganym zakresie 0,97-1,03.

Reasumując całość stwierdzam, że za 10-15 lat nastąpi dalszy rozwój (udoskonalenie) już jeżdżących jednostek napędowych na paliwo wodorowe (ogniwa paliwowe) oraz pojazdów z napędem elektrycznym .

Powyższe spowoduje , że z rury wydechowej  nie będzie wydzielał się dwutlenek węgla .
 

początek strony