Časopis 112 ROČNÍK XII ČÍSLO 9/2013

V úvodu informujeme o grantech, na které se váže neinvestiční dotace ze státního rozpočtu ČR uplatněná prostřednictvím MV-generálního ředitelství HZS ČR v roce 2014 pro nestátní neziskové organizace. V bloku POŽÁRNÍ OCHRANA přinášíme rozbor zásahu na rozsáhlý červnový požár ve skladovacím objektu v Ronově nad Doubravou, seznamujeme s některými problémy v zabezpečování zdrojů vody pro hašení požárů a s poznatky o nových filtrech pevných částic z hlediska rizika vzniku požárů automobilů. V oblasti IZS informujeme o nebezpečí zaplynovaných přepravních kontejnerů, představujeme jednotku HZS podniku Paramo, a.s., a Pyrotechnickou službu Policie ČR. V bloku OCHRANA OBYVATELSTVA přinášíme další díl seriálu o ochraně dýchacích cest a informujeme také o některých změnách ve výuce tematiky ochrany člověka za mimořádných událostí určených na základních školách. V části věnované KRIZOVÉMU ŘÍZENÍ se zaměřujeme na problematiku spojenou se zajištěním ochrany obyvatelstva v obci.  

Evropské emisní standardy jsou souborem nařízení a požadavků, které stanovují limity pro složení výfukových plynů všech automobilů nově uváděných na trh v členských zemích EU. Tyto směrnice jsou označovány jako emisní normy EURO. Emisní normy EURO 4 (platná od 01/2005) a EURO 5 (09/2009) postihují zejména dieselové motory a jejich limity jsou dosažitelné instalací nového zařízení do výfukového systému vozidla - filtru pevných částic (zkráceně DPF - Diesel particulate filter nebo FAP - Filtre Anti Particules). Implementace DPF měla kromě pozitivního dopadu na životní prostředí i negativní stránku v podobě zvýšení nebezpečí vzniku požáru osobních vozidel.

Produktem vznětového motoru jsou mimo jiné malé částice sazí o průměru pouhých 50 nm, které zároveň vážou uhlovodíky a sírany pocházející z paliva nebo plastického maziva. Pro člověka jsou tyto částice velmi nebezpečné, projdou dýchacími cestami až hluboko do plic a svým působením vyvolávají alergie a rakovinu. A po 100 tisících kilometrech jízdy „obohatíme těmito lahůdkami“ své okolí až o přibližně 4 kg!

Myšlenka razantního snížení emise takto nebezpečných produktů byla základní premisou pro zařízení filtru pevných částic do systému vznětového agregátu. První filtry pevných částic se objevily už v roce 1980 jako součást spalovacích motorů stacionárních strojů s prakticky konstantním průběhem výkonu. Automobily se dočkaly filtru až na začátku nového milénia.

Obecný princip a praktické provedení

Systém v principu funguje na základě záchytu pevných částic velmi jemným sítem ve výfukovém traktu. Toto síto je tvořeno keramickým tělesem z karbidu křemíku (SiC), které má voštinovou pórovitou strukturu s jednostranně zaslepenými kanálky. Průchodem výfukových plynů tělesem jsou pevné částice (saze - C) zachycovány a plynné polutanty (NO_x, HC, CO atd.) zreagovány na netoxické výstupní produkty (H₂O, O₂, CO₂). Filtr se tak postupně ucpává. Proto se v odpovídajících sekvencích u DPF uplatňuje přirozený nebo řízený režim proces čištění – tzv. regenerace, kterou není nic jiného než likvidace sazí prudkou exotermní reakcí.

Z principu jeho funkce musí být umístěn ve výfukové soustavě co nejblíže motoru. Z této podmínky vycházející extrémní tepelné zatížení vyžaduje robustní konstrukci procesní komory z oceli ve tvaru tubusu, kde je uložen porézní filtr. Pro potřebu detekce stavu DPF jsou z procesní zóny tělesa (před a za filtrem) vyvedeny dvě trubice k diferenčnímu tlakovému snímači a teplotní senzor. Rozdíl tlaku mezi vstupem a výstupem pak vyjadřuje míru ucpání tělesa.

Funkce

Aby nedocházelo k zanesení a ucpání DPF, jsou zachycené saze spalovány za vysokých teplot pomocí tepelné degradace nazvané regenerace. Regenerace je dosaženo v principu dvěma základními způsoby:
→ Pasivně – probíhá samovolně vždy, když pracovní podmínky motoru odpovídají teplotám výfukových plynů přibližně 350 až 500 °C, čemuž odpovídá například jízda po dálnici.
→ Aktivně – řídicí jednotkou aplikovaný soubor regulačních opatření do průběhu spalování motoru, jehož výsledkem je vzrůst teploty spalin na 600 až 800 °C. Konkrétní specifikace opatření se liší podle výrobce, ale prakticky jde zejména o změnu časování vstřiků, množství paliva nebo přimísení aditiv.

Kritické vlastnosti DPF

Integrace prvků pod kapotou vozidel se vznětovými agregáty vyvolávala obavy již před implementací relativně rozměrného tělesa DPF. Konstruktéři tak stáli před problémem, jak skloubit nutnost zařazení tělesa co nejblíže k motoru a současně se vypořádat s jeho extrémními provozními teplotami a prostorem. Zásadní bezpečnostní riziko tak představuje významné množství hořlavých materiálů v motorovém prostoru.

Zároveň dříve nebo později filtr představuje překážku proudícím plynům. Jedná se vlastně o takovou ucpávku ve výfuku, díky které se zvyšují ztráty a klesá výkon.

Saze z nedokonale spáleného paliva ve válci vznikají v kritických funkčních režimech motoru za studena v městském provozu, který představuje u většiny vozidel dominantní úsek. A neméně důležitým faktorem je křehkost filtru v provozních podmínkách vozidla.

Transparentní případy vzniku požárů s relevancí k DPF

Obr. 1 Stav vozidla po požáru s naznačenou pozicí instalovaného DPFHlavní roli zaujal leasingově pořízený vůz (2008) se vznětovým agregátem, jehož servisní historie poukazovala na nadstandardní údržbu. Půl roku zcela bezporuchového provozu následoval prázdninový víkend s intenzivním provozem, který majitel zakončil na čerpací stanici regeneračním cyklem čítajícím průjezd automatickou myčkou a doplněním provozních kapalin. Po opuštění čerpací stanice se ve vzdálenosti 2 km objevily zcela nezvyklé komplikace. Ztráta výkonu a následně přerušovaný chod motoru nebyly ovšem palubním počítačem indikovány. V krátkém časovém sledu došlo k výronu černého kouře z pravé části motorového prostoru. I přes okamžitý zásah hasicím přístrojem došlo k prudkému rozvoji plamenného hoření. Za štěstí v neštěstí lze považovat stometrovou vzdálenost nejbližší stanice HZS ČR a profesionalitu zásahu jednotky PO.

I když se požár výrazně nerozšířil, dosahovala škoda půl milionu korun. Rýsující se spor mezi výrobcem, majitelem, leasingovou společností a pojišťovnou (respektive zastupujícími právními subjekty) si tak vyžádal stanovení příčiny vzniku požáru s co nejpřesnější identifikací iniciačního procesu nezávislým subjektem (Technický ústav požární ochrany Praha).

Prvotní analýza vstupních informací přinesla zejména dva důležité poznatky:
→ charakter a prudký rozvoj požáru signalizoval problém v palivové soustavě,
→ absence varovných hlášení řídicí jednotky poukazuje na dysfunkci ve výfukovém systému, který z důvodu extrémních podmínek nelze s dostatečnou přesností detekovat.

Díky včasnému uhašení byla snadná identifikace ohniska požáru v lokaci uložení DPF, který byl instalován v přibližně vertikální pozici na pravé straně motorového prostoru vedle blatníku (obr. 1). Celkový počet ujetých kilometrů a nedávná prohlídka vozu výrazně snižovaly pravděpodobnost provozního ucpání síta DPF. Zároveň je nutné si uvědomit, že při ucpání filtru aktivuje řídicí jednotka bezpečnostní režim, který mimo jiné uvede motor do redukovaného provozu s výrazně sníženým výkonem pro dojezd do servisního střediska a tento stav nebyl aktivován. Celý DPF byl odebrán jako vzorek k odbornému zkoumání v laboratoři.

Obr. 2 Vypálený otvor ve dnu po vyčištění brusným ocelovým kartáčemLaboratorním zkoumáním vzorku byla identifikována řada stop prokazujících sled událostí, které měly za následek vznik požáru. Pro ilustraci lze uvést zejména roztavení robustního pláště z oceli na dně u výstupu do výfuku nebo roztavené a destruované úlomky tělesa samotného voštinového filtru, přičemž krystaly karbidu křemíku s krystalickou strukturou podobnou diamantu mají teplotu tavení v rozmezí 1800 až 2600 °C (obr. 2 a 3). Aby došlo ke vzniku zjištěných markantů během krátkého průběhu požáru, musel do exotermické reakce ve vnitřním prostoru DPF zasáhnout významný energetický potenciál.

Z hlediska identifikace prvotní dysfunkce bylo šetření zaměřeno na zpětné hodnocení událostí (příčina x následek) ovlivňujících spalovací proces, zejména pak na způsob plnění paliva, jeho druh, kvalitu, množství, a další parametry. Analýza paliva spolu s kopií účtu z pokladny prokázaly, že bylo natankováno 27,61 l automobilového benzinu Verva 100 (98 okt.), a to pro naftový motor nebylo v pořádku. Nabízí se otázka: „Jaká je souvislost mezi natankováním benzinu místo nafty v poměru 5:28 a vznikem požáru?“

Obr. 3 Tepelně destruované zbytky voštinového filtru DPFVznětový motor vytváří fyzikální podmínky umožňující samovznícení injektovaného paliva – nafty. Pohyb pístu ve spalovací komoře vyvolá kompresi nasátého vzduchu a na základě termodynamických zákonitostí způsobí vstřik paliva do takto stlačené atmosféry jeho samovolné vznícení bez potřeby podpory iniciátoru. Vznícení aerosolu nafty a následné explozivní hoření vyvolá svou expanzí pohyb pístu a v závěrečné fázi je otevřen výfukový ventil s vytlačením odpadních produktů přes turbodmychadlo do DPF.

Automobilový benzin má teplotu vznícení více než 400 °C, což je o více než 150 °C vyšší hodnota než u nafty. Znamená to, že i přes extrémně nízkou okolní teplotu jak na pólu jste schopni benzinové výpary bezproblémově zapálit minimální jiskrou, ale při styku benzinu s rozehřátou plotnou sporáku ho nezapálíte. Při spalovacím procesu vznětového motoru fyzikální podmínky jednoznačně neumožňují samovolné vznícení benzinu. Při dominantním podílu benzinu ve směsi paliva tak nedocházelo k jeho iniciaci ve spalovacích komorách a pronikal do výfukového systému. Hořlavá/výbušná atmosféra, která se kumulovala před voštinovým filtrem se pak zapálila při výfuku z funkčního válce, který byl dotován zbytkovou naftou z nádrže. Explozivní hoření nespáleného benzinu v komoře DPF vytvořilo extrémní tepelnou zátěž a rozžhavený plášť DPF zapálil okolní konstrukční součásti z plastu. Následnou perforací pláště tak došlo k výronu plamene, porušení palivové soustavy a tím k intenzifikaci požáru.

Požárně-technické charakteristiky automobilových druhů benzinu a motorové nafty 

Šest let staré vozidlo bylo provozováno bez významnějších závad nebo havárií. První identifikace potíží byla významná ztráta výkonu při běžné cestě mimo město (do 10 km), kdy si situace vyžádala nouzové odstavení vozidla u vozovky. Když se majitel druhý den vrátil zkontrolovat auto se servisním technikem, nevykazoval automobil žádný ze symptomů předešlých komplikací. Poté byl automobil pro kontrolu zavezen do autoservisu a podle zakázkového listu byl předán s tím, že neměl výkon.

Obr. 4 Spodní část dvoudílného DPF (dno) s vadně nasazeným těsněnímNa vozidle byla provedena repase/výměna všech vstřikovačů. Při zkušební jízdě po opravě majitel neseznal výraznou změnu, a tak výsledek reklamoval. Protože diagnostikou nebyly zjištěny žádné závady v návaznosti na výkon motoru, byla vedoucím provedena preventivní aktivace procesu regenerace DPF, který byl podle ukazatele zanesení ve stavu 40% kontaminace. Ze servisu si majitel vozidlo převzal a odjel na chatu vzdálenou 25 km. V závěrečné fázi cesty ucítil po změně nastavení ventilátoru zápach kouře, který mu potvrdil i spolujezdec. Krátce poté v cíli po zastavení oba spatřili, jak z okraje kapoty stoupá kouř a pod vozidlem se nachází hořící body. Hasebním zásahem zahradní hadicí se požár nepodařilo ani uhasit nebo eliminovat, přičemž jeho prudký rozvoj dokonce zabránil vyklizení pasažérského prostoru. Již při prvním letmém pohledu na následky požáru je zřejmé, že šetření představovalo rozsáhlou mravenčí práci s minimem stop. Rozsah tohoto periodika nedovoluje podrobný popis analytické dedukce průběhu šetření, které vyústilo separací dvou možných iniciačních mechanismů. Celé šetření bylo navíc ztíženo faktem, že se u daného typu vozidla vyskytly chyby v projektu, které měly za následek vznik požárů a vyvolaly tak dokonce výjimečnou svolávací akci, kdy výrobce bezplatně provedl výměnu některých problémových součástí.

Při laboratorním zkoumání vzorků se ukázalo, že DPF je rozebíratelného typu, který umožňuje mechanickou očistu vnitřního prostoru. Na rozdíl od předešlého případu nebyly zjištěny žádné stopy extrémní tepelné zátěže na vnějším povrchu ani vnitřní struktuře. Povrch síta byl kompaktní bez destrukčních změn. Stěžejní poznatky pocházely při zkoumání těsnění zajišťujícího kompaktnost systému dvou hlavních celků DPF.

Co se tedy stalo? Jak bylo v záznamech o servisních úkonech uvedeno, byl DPF čištěn a při jeho kompletaci DPF nebylo korektně nasazeno drátěné těsnění na kónicky zakončenou spodní část dvoudílného systému pláště (obr. 4), čímž došlo k jeho vzpříčení a vytvoření únikové cesty pro výfukové plyny ze spalovacích komor motoru. Vzhledem k úniku spalin z prostoru před sítem filtru, byl rozdíl tlaku mezi detekčními trubicemi diferenčního manometru vyšší než limitní hodnota, což řídicí jednotka DPF mylně vyhodnotila jako kritické ucpání. Když se motor zahřál provozem mimo město, bylo dosaženo optimálních podmínek, a tak byl systémem aplikován regenerační proces vyvolávající prudký vzrůst teploty a tlaku v komoře. Důsledkem toho byl výron plamenného hoření skrze netěsnící spoj ven z pláště filtru směrem vpravo na alternátor a čerpadlo klimatizace, kde zapálil konstrukční prvky, izolace, nebo perforoval produktovody s hořlavými kapalinami.

Závěr

Již od doby, kdy bavorský vynálezce Rudi Diesel zahájil éru vznětového motoru, byl jeho progresivní vývoj určen zejména optimalizací určujících parametrů ekonomiky/efektivity/ekologie – (E³). I bez hloubkové fyzikální analýzy je zřejmá logika jejich provázanosti – kvalitněji spálené palivo uvolní při sníženém množství stejnou využitelnou energii při nižší toxicitě a objemu odpadních produktů. Implementace DPF do systému motoru pak znamenala první v řadě dosavadních invencí, která negativně zasáhla do této vzájemné symbiózy. Proč vlastně?

Do svých automobilů začali implementovat DPF již před rokem 2000 významní němečtí a francouzští výrobci s motivační ekologickou dotací ve formě daňových odpisů v řádu 500 euro. Úředníci v Bruselu pak zcela náhodou šifrovali do závazných emisních norem Euro 4 a 5 číselný labyrint lapidárně stanovující limitní podmínky výstupních exhalací naftových vozidel tak, že bez pomoci DPF je nelze splnit. Tím je zřejmé zvýhodnění vybraných výrobců, což zavání drobným evropským protekcionalismem na přeplněném automobilovém trhu.

Inovacemi vstřikovacích systémů dosáhl výkonově naftový motor živosti benzinového motoru a navíc s asketickou spotřebou nafty. Tím se vyvolal boom prodeje těchto automobilů, a tak musely konstrukční týmy automobilek pružně reagovat implementací tohoto pohonu do nejširší škály vyráběných typů a zároveň byly nuceny promptně implementovat DPF. Nejpřirozenější časovou úsporou bylo omezení procesu vývoje a testování prototypů s vyhledáváním možných rizik, kdy nebezpečí číhá zvláště ve stísněných dimenzích vozů střední a nižší třídy, které ovšem představovaly dominantní podíl v celkovém prodeji. Nikdo si taky nelámal hlavu nezbytnou osvětou ve smyslu změn ve způsobu provozu a údržby, které jsou rozhodujícími faktory pro eliminaci rizik a prodloužení životnosti.

Výsledek na sebe nenechal dlouho čekat a projevil se ve statistikách požárů motorových vozidel v důsledku tzv. technických závad, které ale prakticky pokaždé mají svého konkrétního viníka.

A nelze nechat bez poznámky, jak jsme se s problémem vypořádali v Čechách. Specifické řešení spočívá v přeprogramování řídicí jednotky, odstavení senzorů a nahrazení filtru „kusem trubky“, což při „vygooglení“ zkratky DPF oficiálně nabízí i s odborným vysvětlením řada podnikavých subjektů. Všechny systémy spalovacího agregátu jsou ovšem dimenzovány na přítomnost filtru a tak výsledný soubor exhalací je škodlivější než u automobilů, před implementací DPF!

Několik základních pravidel provozu vozidel s DPF

Studený motor produkuje více pevných částic a filtr se nedokáže dostatečně ohřát, aby se mohl regenerovat (vypálit zachycené částice).
→ Mikrosaze pocházejí z nedokonale spáleného paliva ve válci hlavně z důvodu nedokonalého rozprášení především za studena, ale i při ohřátém motoru zejména při rozjezdech z nízkých otáček, kde mnozí milují silnější zátah motoru, než má benzin, a využívají nízké otáčky.
→ Kritické režimy jsou zejména časté rozjezdy ve městech, kdy režim provozu není prostřídáván ustálenou zátěží (např. silnice nebo kousek dálnice).
→ Vyvarujte se vypnutí motoru v průběhu samočinné regenerace, která je indikována na palubní desce. Přitom platí, že varovnou kontrolku se rozhodně nevyplatí ignorovat – když se rozsvítí, je nejvyšší čas vyrazit na alespoň pětiminutovou jízdu klidným tempem a ustálenou rychlostí.
→ Žhavení je potřeba i za parného léta.
→ Životnost DPF se zvyšuje, jsou-li motoru dopřávány tzv. „nízko-popílkové“ oleje určené pro filtry částic.
→ Pozor na tankování nekvalitní nafty.
→ Při natankování benzinu nic neprovádět svépomocí – bezpodmínečně zavolat mobilní servisní službu, která vcelku rychle palivový systém dekontaminuje od benzinu schváleným způsobem.
→ Problémy s DPF řešit u autorizovaných servisů – i když je služba nákladná, nakonec ušetříte.

kpt. Ing. Petr MICHUT, Technický ústav požární ochrany Praha, foto archiv autora
 

Print  E-mail  X Corp.   Facebook