LEVEGÕTISZTASÁG-VÉDELEM
2.1
A dízel- és benzinüzemű járművek által kibocsátott légszennyezés mérése és értékelése Tárgyszavak: légszennyezés; dízelemisszió; benzinüzem; mérés; értékelés.
Az Egyesült Államokban a szemcsés szennyezőanyagok (részecskék, PM = particulate matter) levegőbeli engedélyezett maximális előfordulását több szabvány is rögzíti. A PM10 a 10 µm-nél, a PM2,5 a 2,5 µmnél kisebb (aerodinamikai) átmérőjű részecskék számát adja meg egységnyi térfogatú levegőben. A PM10 esetében a határérték 150 µg/m3, a PM2,5-nél pedig 50 µg/m3. Újabban a PM2,5 esetében a 24 órás határérték 65 µg/m3, az éves átlag pedig legfeljebb 15 µg/m3 lehet. A PM10emisszió mérésére már létezik országos hálózat, és évek óta folynak vizsgálatok a szennyező források feltárására. A PM2,5-emisszió esetében az országos hálózat még csak kiépülőben van, de számos helyi elemzés készült már a kibocsátó forrásokkal kapcsolatban. Mindkét részecskeméret esetében a mobil szennyező források jelentősek, ezért szigorúan ellenőrizni kell őket, ha be akarják tartani a levegőminőségi szabványt. A PM2,5-emisszióban különösen élen járnak a járművek (kipufogógáz, kerékkopásból és fékkopásból származó por). A városokban végzett PM10-emisszió eredet szerinti elemzéséből kiderül, hogy a dízel- és benzinmotorok jelentősen (kb. 60%) járulnak hozzá ehhez a szennyezéstípushoz. Egy másik vizsgálat azt mutatta ki, hogy a PM2,5-emisszióban közel 40%-kal vesznek részt a mozgó források. Azt az Európában szokatlan eredményt rögzítették, hogy a PM2,5-emisszióban a benzinüzemű járművek majdnem háromszor akkora súllyal szerepeltek, mint a dízelüzeműek. Az eltérés oka az, hogy az USA-ban kevés a dízelhajtású személygépkocsi és kisteherautó, viszont szinte minden nehézgépjármű dízel üzemanyaggal közlekedik. A PM2,5-emisszióban az ammónium-
nitrát is komoly súllyal szerepel, de ebben is „ludasak” az autók, hiszen az ammónium-nitrát részben az autók kipufogógázában jelen lévő NOxből képződik. Ahhoz, hogy megállapíthassuk a gépjárművek szerepét a PMemisszióban, meg kell vizsgálni és meg kell érteni a kibocsátás mechanizmusát, valamint a dízel- és a benzinhajtású járművek hozzájárulását ehhez a szennyezéshez. A gépkocsik a motor kibocsátásán túl okozhatnak szennyezést a kerék és az út kopása, valamint a fékbetétek miatt, de ezek hozzájárulása nem jelentős, sok esetben szinte kimutathatatlan. A kipufogógázok részecsketartalmának zöme a PM10-nél kisebb mérettartományba esik. Az alábbiakban leírt vizsgálatok nem foglalkoznak az útról felkavart porból származó részecskeszennyezéssel, sem az NOxből származó nitrátszennyezéssel. Ismét emlékeztetni kell arra, hogy amerikai adatokról van szó, ahol a személygépkocsi-állomány szinte teljesen benzinüzemű, a nehézgépkocsi-állomány viszont szinte teljesen dízelüzemű kocsikból áll.
Becslésre és mérésekre épülő modellek Az emisszióbecslés egyik módszere, hogy megbecsüljük az egy emittáló egységre jutó átlagos kibocsátást, majd az emittáló egységek számát és aktivitását. Az átlagos kibocsátás meghatározásához még azonos gyártmány esetén is figyelembe kell venni a gépkocsik korát, sebességét stb. Az országúti megfigyelések támasztottak ugyan némi kétséget az ilyen modellek iránt, mert azok még a gázállapotú emissziót sem írták le túlságosan pontosan, még kevésbé a PM-emissziót. Ez azonban elvben a „reprezentatív” minta bővítésével pontosítható. Az 1. táblázatban láthatunk néhány ilyen becsült adatot az USA egészére és Kalifornia államra (az emisszióba beleszámították a kipufogógáz mellett a kerék és a fék kopását, de kihagyták a felvert port és az NOx-emisszióból származó másodlagos szennyeződést). A két modell feltűnően különbözik egymástól, holott a gépkocsiállományban és a megtett kilométerek átlagában nincs jelentős különbség az USA egésze és Kalifornia között. Mivel a Kaliforniában használt modell fajlagos emissziós adatait nem tették közzé, erős a gyanú, hogy a modell eltérései okozzák a szignifikáns különbségeket. Ezt alátámasztja egy korábbi adat is: amikor 1995-ben Kaliforniában más, korábbi modellt használtak a becsléshez, a 2000-es USA-átlaghoz közelebbi eredményeket
kaptak. Mindez erősen megkérdőjelezi az ilyen számítások megbízhatóságát. 1. táblázat Becsült PM10-emisszió az USA egészében és Kalifornia államban (2000-re becsült adatok). USA
Kalifornia
273 tonna/nap
53 tonna/nap
Könnyű személygépkocsi (benzines)
22%
34%
Könnyű tehergépjármű (benzines)
13%
24%
4%
9%
62%
33%
Teljes PM10-emisszió
Nehéz gépjármű (benzines) Nehéz gépjármű (dízel)
Egy másik becslési modell a valós mintákból indul ki, abban méri az összetevők arányát, és ezt próbálják illeszteni az ismert kibocsátók eloszlási adataival. A súlyfaktorok adják az egyes forrástípusok relatív hozzájárulását a teljes kibocsátáshoz. Ez a módszer azonban nem túl jól alkalmazható, ha a különböző emittáló források nagyjából hasonló vegyületeket emittálnak – pedig ez a helyzet a benzin- és dízelüzemű kocsikkal. Ezen csak azzal lehet segíteni, ha még több komponensre állapítják meg az emissziós profilt, ami csökkenti a kollinearitásból adódó problémákat. Ilyen módszerrel pl. Kaliforniában arra a következtetésre jutottak, hogy a mozgó állományból származó PM2,5-kibocsátás 74%-a benzinüzemű, 26%-a dízelüzemű kocsikból származik, egy szűkebb körű, Los Angeles-i vizsgálatban az arány 64:36 volt. A két vizsgálat közti eltérés részben talán azzal magyarázható, hogy eltérő évszakban készültek, részben pedig azzal, hogy más emissziós modellt használtak. Ezzel a módszerrel is lehet tehát egymástól lényegesen eltérő eredményekhez jutni. Meg lehet próbálkozni azzal is, hogy pl. alagutakban vagy kereszteződésekben aktuálisan mért egyedi emissziós adatokból, az emittáló források mennyiségét és aktivitását figyelembe véve becsüljék meg a kibocsátást. Itt a kibocsátási profilokat biztosan valós körülmények között mérik, de ennek a módszernek is vannak korlátjai. A sebességtartomány korlátozott, a gyorsuló kocsikról nehéz adatot szerezni – mégis gépkocsik ezreiről lehet közvetlen adathoz jutni. Egy alagútban végzett mérés során benzines könnyű járművekre 10±11 mg/km PM2,5-kibocsátást, ne-
héz dízelüzemű járművekre pedig 135±18 mg/km emissziót mértek. A dízelüzemű járművekre mért szórás ugyan elég nagy, de az is fontos eredmény, hogy a dízelüzemű nehézgépjárművek emisszióját kb. a dízelüzemű könnyűjárművek 14-szeresével lehet közelíteni. Egy kereszteződésnél végzett mérés 10±3 mg/km és 97±34 mg/km értékeket szolgáltatott a két fenti járműosztályra. (Ezek az értékek nem esnek távol azoktól a számoktól, amelyeket az Egyesül Államok környezetvédelmi hivatala – az EPA – alkalmaz saját becsléseinél: 6 mg/km a könnyű, benzinüzemű és 130 mg/km a nehéz, dízelüzemű járművekre). A benzin- és dízelüzemű járművek kibocsátási hányadosa azonban elég széles (10 és 20 közötti) határok közt ingadozik a különböző becslésekben. Minden bizonytalanság ellenére azonban valószínűnek tűnik, hogy a benzinüzemű járművek összkibocsátása PM2,5 tekintetében nagyobb, mint a dízelüzeműeké.
Modern könnyű járművek emissziójának vegyi vizsgálata Nyugat-Európában és Japánban számos olyan fejlett gépkocsimeghajtási technológiát fejlesztettek ki, amelyek igen tiszta, alacsony kéntartalmú üzemanyagot igényelnek. Ilyen üzemanyagtípusok könnyen el is érhetők ezeken a területeken – de nem Észak-Amerikában. Ahogyan javul az üzemanyag minősége, úgy lehet bevezetni ezeket a technológiákat ezen a területen is. Kanadában az üzemanyag kéntartalma fokozatosan csökkent: a benziné 1999-ben 300 ppm, 2002-ben 150 ppm volt, 2005-re mindössze 30 ppm-et terveztek. Hasonló fejlődés mutatkozott dízel üzemanyag esetében is: 1998 előtt 2000-5000 ppm volt, 1998-ban 500 ppm-re csökkent, 2006-ra pedig a tervezett érték 15 ppm. A közvetlen injektálási technológia, amelyben az üzemanyagot közvetlenül, nagy nyomáson injektálják az égéstérbe, lehetővé teszi az üzemanyag mennyiségének pontos hozzáigazítását a pillanatnyi igénybevételhez. A közvetlen injektálási technológia a dízelüzeműeknél (DDI), ahol a gyújtás a kompresszió hatására következik be, már „bejáratottnak” tekinthető, a benzinüzeműek esetében (GDI) azonban, ahol még mindig szükség van a szikrával való gyújtásra, viszonylag újnak számít. A közvetlen injektálás esetében a korábbiakhoz képest nagyobb levegő/üzemanyag aránnyal is jól megy a motor. A GDI-motorok képesek sztöchiometrikus aránnyal és attól eltérő aránnyal is működni – a pillanatnyi teljesítményigénytől függően. Mivel az arányt a motorvezérlés hatá-
rozza meg, ez a motorok vizsgálatának időtartama alatt többször is megváltozhat. Újszerű megoldásnak számítanak a benzines–villamos hibrid járművek, amelyek lehetnek párhuzamos vagy soros működésűek. A párhuzamos működés azt jelenti, hogy a belső égésű motor egyrészt generátorként áramot termel a villamos meghajtásnak, másrészt „rásegítőként” közvetlen meghajtást is ad nagyobb sebesség és gyorsulás esetében. A soros működés esetében a belső égésű motor kizárólag az akkumulátor töltésére szolgál. A hibrid járművekben dolgozó belső égésű motor azonban mindkét esetben optimálishoz közeli körülmények között működik és a gyorsulás során fellépő nagyobb teljesítmény sem vezet a szennyezés jelentős megnövekedéséhez. További előny a fékezés során normál esetben „elvesztegetett” energia visszanyerése és az, hogy ha hosszabb ideig nem használják, a benzinmotor automatikusan kikapcsol, ezzel is üzemanyagot takarítva meg. 2. táblázat Kanadában megvizsgált, korszerű meghajtású személygépkocsik néhány jellemző adata Tömeg (kg)
Motor
Sebességváltó
Fogyasztás Katalizátor l/100 km*
2000 Mercedes A170
1095
1,7 l, 4 henger
5 seb, kézi
5,6 v 4,2 o
oxidációs
2000 MicroCompact SmartCar
730
0,8 l, 3 henger
6 seb, automata
3,6 v 3,2 o
oxidációs
–
1,2 l, 3 henger
5 seb, automata
3,4 v 2,7 o
EGR Oxidációs
2000 Nissan Gloria
1628
3,0 l, 4 henger
4 seb, automata
-
3-utas
2000 Renault Megane
1135
2,0 l, 4 henger
5 seb, kézi
8,7 v 6,1 o
3-utas
2000 Mistubishi Dion
1390
2,0 l, 4 henger
4 seb, automata
–
3-utas
1254
1,5 l 4 henger villanymotor
elektronikus
4,5 v 4,6 o
3-utas
Típus Dízel, közvetlen injektálás
2000 Volkswagen Lupo Benzin, közvetlen injektálás
Benzin-villamos hibrid 2000 Toyota Prius *v
= városi, o = országúti
Kanada a kiotói egyezmény aláírásával elvállalta, hogy csökkenti az üvegházhatású gázok kibocsátását. Ennek egyik eszköze a gépkocsipark korszerűbbé tétele, ezért vizsgálatokat végeztek arra nézve, hogy a modern meghajtású gépkocsik bevezetése milyen irányban befolyásolná az emissziót. A vizsgálatba bevont gépkocsik néhány adatát a 2. táblázat, a felhasznált üzemanyag jellemzőit a 3. táblázat tartalmazza. A gépkocsikat különböző teszteknek vetették alá, amelyek különböző vezetési stílusokat és különböző forgalmi terheléseket szimulálnak. Az ún. Szövetségi Teszt (FTP) a hideg és a forró indítást is szimulálja, nem túl erőteljes vezetési stílust és városi közlekedési viszonyokat feltételez. A vizsgálat négy fázisból áll, amelyből az első és a harmadik sebességprofilja azonos, a különbség az, hogy hideg vagy forró motorral indulnak. Az 1. és 3. fázis 505 sec hosszúságú, az átlagsebesség 41,4 km/h, a megtett út 5,8 km. A 2. és 4. fázis egyforma, az egyik az 1., a másik a 3. ciklus után következik. E fázisokban az emissziót csökkentő technológiáknak közel optimálisan kell működniük. Hosszuk 865 sec, az átlagsebesség 25,8 km/h, a megtett út 6,2 km. 3. tábláztat A 2. táblázatban ismertetett gépkocsik emissziós vizsgálatához használt üzemanyagok jellemzői Benzin 1. osztály Oktánszám Kéntartalom (ppm) Ólomtartalom (mg/l) Mangántartalom (mg/l) Telített gőznyomás (psi) Sűrűség (kg/m3) Szénhidrogén összetétel (tf%) Olefinek Aromások Telítettek Desztilláció (°C) IBP* 10% 50% 90% EP** *IBP
Dizel, No.2 (alacsony kéntartalom) 94,9 4 <1,0 <0,5 9,0 743,9 0,5 27,0 72,5 33,0 51,7 106,6 153,7 196,7
Cetánszám Kéntartalom (ppm) Sűrűség (kg/m3)
Szénhidrogén összetétel (tf%) Olefinek Aromások Telítettek Desztilláció (°C) IBP* 10% 50% 90% EP**
= initial boiling point = kezdeti forráspont, **EP = végpont
46,0 380 811,3
26,9 73,1 144 175 242 276 337
Az „autópálya fogyasztási” (HWFET) vizsgálat egyrészt a fogyasztási érték pontosabb megmérését szolgálta, másrészt annak eldöntését, hogy milyen hatással van a hosszabb gyors vezetés az emisszióra. A HWFET-ciklus hossza 770 sec, az átlagsebesség 77,0 km/h, a maximális sebesség 96,3 km/h, a megtett út 16,5 km. A gyakori megállásokkal „tarkított” városi vezetési viszonyokat a New York-ciklus (NYCC) szimulálta, amelyben az átlagsebesség 11,5 km/h, a maximális sebesség 44,7 km/h, a ciklus hossza 600 sec, a megtett út 1,9 km. Az agresszív vezetési stílust az FTP egyik kiegészítő vizsgálata, az US06 teszt reprezentálta, amelynek hossza 600 sec, az átlagsebesség 77,2 km/h, a csúcssebesség 129 km/h, a megtett út 12,9 km. Mivel a vizsgálathoz használt dinamométer max. 100 km/h sebesség szimulációjára volt alkalmas, ezért az US06 ciklust úgy módosították, hogy minden 100 km/h feletti sebességet ezzel a maximumértékkel helyettesítettek be. Az így módosított ciklus átlagsebessége 71,4 km/h lett, a megtett távolság 11,9 km-re módosult. A emissziós vizsgálat kiterjedt a légszennyező gázokra (CO, NOx, teljes szénhidrogén /THC/, CO2), amelyeket minden ciklusban, ill. az FTP vizsgálat minden egyes fázisában külön meghatároztak. Nagyobb gyűjtött mintákat használtak a karbonil-vegyületek meghatározásához (2,4dinitrofenil-hidrazinnal bevont kvarc Sep-Pak adszorbens, majd a hidrazonos HPLC-s meghatározása), a metán és nem metán szénhidrogének (NMHC) meghatározásához (a metánt közvetlenül lángionizációs detektorral mérték, a többi szénhidrogén-komponenst krio-csapdázással dúsították a GC-mérés előtt). A PM2,5-emissziót szűréssel és gravimetriával mérték, külön meghatározva a szerves és az elemi széntartalmat.
Az emissziós vizsgálat néhány eredménye Ezeket a gépkocsikat nem a kanadai követelményekre optimalizálták, ezért nem volt elvárható, hogy eleve teljesítsék az emissziós szabványokat, sőt az eredményeket arra is fel lehetett használni, hogy eldöntsék, milyen módosítások szükségesek az esetleges meg nem felelések megszüntetésére. A 4. táblázat néhány kanadai emissziós szabványt és a FTP vizsgálatban mért értékeket hasonlítja össze. A PMértékek nem voltak teljesen megbízhatók, mert a hígító rendszerbe való átvezetésnél enyhe szivárgás lépett fel, amelyen keresztül porral terhelt
szűretlen laboratóriumi levegő juthatott a rendszerbe. Ezért a PM helyett inkább a TC (teljes széntartalom) értékre célszerű figyelni. 4. táblázat Néhány kanadai emissziós szabvány és a vizsgált gépkocsikon az FTP-vizsgálat során mért aktuális emissziós értékek összehasonlítása. A kibocsátások g/km egységben, a fogyasztás l/100 km egységben szerepelnek. TC
Fogyasztás
0,069
0,066
5,32
0,005
0,024
0,021
3,38
0,016
0,002
0,037
0,034
4,08
0,043
0,043
0,0001
0,015
0,008
8,53
0,053
0,040
0,041
0,0003
0,008
0,006
7,62
1,43
0,113
0,094
0,094
-
0,006
0,002
10,4
Toyota Prius
0,07
0,008
0,004
0,004
0,0001
0,004
0,0002
3,97
Új 1. szintű LDV (6 mérés medián)
0,94
0,088
0,106
Használt 1. szintű LDV (7 mérés medián)
1,47
0,188
0,081
CO
NOx
NMHC
NMOG
HCHO
PM
1. szintű LDDV
2,1
0,6
0,155
2. szintű LDGV
2,1
0,3
0,155
CA LEV LDV
2,1
0,1
0,047
0,009
CA ULEV LDV
1,1
0,1
0,025
0,005
2000 NLEV LDV
2,1
0,12
0,059
Bin 5, 2. szintű LDV
2,1
0,03
0,047
0,009
0,006
Mercedes A170
0,36
0,393
0,041
0,068
0,013
SmartCar
0,17
0,368
0,015
0,025
Volkswagen Lupo
0,19
0,413
0,010
Mitsubishi Dion
0,18
0,019
Renault Megane
0,15
Nissan Gloria
Emissziós szabvány 0,050
0,050
Dízel
Benzines
Néhány rövidítés: LDDV = dízelüzemű könnyű jármű, LDV = könnyű jármű, NMOG = nem metán szerves gázok, PM = szemcsés anyag,
10,8 1,09
LDGV = benzinüzemű könnyű jármű, NMHC = nem metán szénhidrogén, HCHO = formaldehid, TC = teljes szén
A nem metán szénhidrogéneket (NMHC) külön dúsítás után, nagyobb érzékenységgel vizsgálták, különös tekintettel a toxikus komponensekre. Azt tapasztalták, hogy az NMHC fejlődési tendenciái párhuzamosak voltak a THC (teljes szénhidrogén) adatokéval. Az FTP-vizsgálatban a hideg indítási fázisban termelődött a legtöbb NMHC-komponens. A gyors vezetést szimuláló HWFET és US06 tesztekben a szénhidrogén-fejlődés jelentéktelen, mert a meleg katalizátor optimális körülmények között működik. Míg a dízelüzemű kocsik esetében nem tapasztaltak jelentős emissziónövekedést agresszív vezetés közben, a közvetlen injektálású benzinüzemű gépkocsik emissziója megsínylette a gyorshajtást. A hibridüzemű Prius esetében (a várakozásnak megfelelően) nem tapasztaltak változást az FTP-ciklushoz képest. A „döcögős” NYCC tesztben a legtöbb a hibridüzemű Priust leszámítva a legtöbb kocsi szénhidrogén-kibocsátása megnőtt. A benzinüzemű kocsik emissziójában a toluol viszonylag kiugró volt – de ez inkább a használt tesztbenzin összetételével volt kapcsolatban, mint a motorok jellemzőivel. Ami a karbonil-komponenseket illeti, a dízelüzemű járművek kibocsátása általában nagyobb volt, mint a benzinüzeműeké, és úgy tűnik, hogy ez a tendencia folytatódik a közvetlen injektálású motorok esetében is. A dízelüzemű motorok karbonil-kibocsátásában a formaldehid a legjelentősebb, utána következik az acetaldehid. A hidegindítás az FTPteszten belül több karbonil keletkezéséhez vezet, és az NYCC-tesztben is több karbonil képződik, mint az FTP-ben – a rosszabb égetési körülmények következtében. A legkisebb karbonil-kibocsátás az országúti, HWFET-tesztben tapasztalható, az agresszív vezetést szimuláló US06vizsgálatban ismét nő. Amint a 4. táblázatból kiderül, minden vizsgált jármű megfelelne az 1. szintű LDDV-szabványnak, a legtöbb jóval a határértékek alatt van – az egyetlen kivétel a Mercedes A170 PM-kibocsátása, de ez is inkább a gyengébb minőségű üzemanyag, mint a gépkocsi hibája. A dízeljárművek egyike sem menne azonban át egy másik szabvány NOx-kibocsátási határértékén. A Mitsubishi Dion és a Renault Megane részben megfelelt az igen szigorú 2. szintű Bin 5 szabványnak, míg a Prius bőven megfelelt az ULEV és a 2. szintű Bin 5 szabványnak egyaránt. A szénhidrogén-kibocsátás részletesebb vizsgálata azért volt indokolt, mert meg akarták érteni a fotokémiai és ózonképző tulajdonságokat. A metán kevéssé hajlandó a talajközeli ózonképzésre, ezért a reaktivitást főként az NMOG (metántól eltérő szerves gáz) komponensek esetében szokták vizsgálni. Az emissziós értékeket a reaktivitással súlyozva
kaphatjuk meg a valós ózonképződés veszélyét. Az 1. ábra mutatja egy ilyen számítás eredményeit a különböző gépkocsik és különböző vezetési stílusok esetében.
ózonképződési potenciál, g O3/km
0,7 Mercedes A 170 SmartCar Volkswagen Lupo Mitsubishi Dion Renault Megane Toyota Prius
0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 FTP
HWFET
NYCC
US06
1. ábra A vizsgált személygépkocsik ózonképződési potenciája különböző vezetési ciklusok esetében (ez utóbbiak jellemzését ld. a szövegben) A dízelüzemű közvetlen injektálásos járművek nagyobb reaktivitást eredményeznek, mint a benzinüzemű és a hibrid járművek, különösen az FTP, a NYCC és az US06 vizsgálatokban – a HWFET esetben kicsi a kibocsátás, nagy a szórás, ezért a különbségek elhanyagolhatók, de ez a legkedvezőbb eset. A hibrid jármű ózonképző potenciálja igen csekély az alacsony kibocsátás miatt – még akkor is, ha némelyik égésterméknek nagy a reaktivitása. Ha az ózonképző gázok összetételét nézzük pl. az FTP-ciklusban (2. ábra), azt látjuk, hogy a dízelüzemű járművekben viszonylag nagyobb a karbonil-tartalmú vegyületek hozzájárulása, a benzinüzeműeknél viszont a szénhidrogének dominálnak. A gépkocsipark lecserélésének hatását a légkörre csak bonyolultabb szimuláció segítségével lehetne modellezni, amihez az eddigi mérések csak bemenő adatokként szolgálhatnak, az azonban nyilvánvaló, hogy pl. a hibrid járművek bevezetése kedvezően hatna a felszínhez közeli ózonképződésre (csökkentené azt), a részecskeszennyeződések és az üvegházhatású gázok kibocsátására.
FTP NMOG emissziós sebesség, g/km
0,05 NMHC
0,04
karbonil
0,03 0,02 0,01 0
az ózonképző potenciál megoszlása az FTP teszt során
Mercedes A170
SmartCar
Volkswagen Lupo
Mitsubishi Dion
Renault Megane
Toyota Prius
Mitsubishi Dion
Renault Megane
Toyota Prius
1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Mercedes A170
SmartCar
Volkswagen Lupo NMHC
karbonil
2. ábra A metántól különböző szerves gázok (NMOG) emissziós sebessége és az ózonképző vegyületek típus szerinti megoszlása a különböző járművek FTP vezetési tesztje során
Részecskekibocsátás csökkentése autóbuszokon regenerálható szűrőkkel A városi tömegközlekedésben a nehéz dízelüzemű motorok nagyon jó szolgálatot tesznek, mert tartósak és gazdaságosan használják fel az üzemanyagot, problémát jelent viszont a nagymértékű PM- (szemcsés
anyag) és NOx-emisszió. A PM-emisszió csökkentésének egyik módja az utólag felszerelt szűrő, amelyből számos típus kapható a piacon. Kulcskérdés a szűrők tisztítása, amelyre ugyancsak több stratégia létezik (katalizátort tartalmazó szűrőközeg, katalizátor az üzemanyagban, villamos fűtés, folyamatos regenerálás, égetés, mikrohullám stb.). A folyamatos regenerálású (CRT) szűrőkben van egy oxidációs katalizátor, valamint egy koromszűrő, amelyeket beépítenek a hangtompítóba. Az oxidációs katalizátor eloxidálja a teljes szénhidrogén tartalmat (THC), a szén-monoxidot (CO), a nitrogén-monoxidot (NO). A képződő nitrogéndioxid (NO2) pedig oxidálja a koromszűrőben levő szenet. Ez a megoldás lehetővé teszi a folyamatos regenerálást, anélkül, hogy külön adalékokra vagy további fűtésre lenne szükség (feltéve, hogy a működési idő legalább 10%-ában a hőmérséklet eléri a 250 °C-ot és az NOx/PM arány nagyobb 15-nél). A CRT szűrők működését elég sokat vizsgálták laboratóriumi körülmények között, az alábbiakban azonban valós adatokról lesz szó, amelyeket Belgiumban gyűjtöttek Van Hool A308 gyártmányú városi buszokon (Euro MAN D02824 4,58L 114 kW motor, Eminox/Johsnon Matthey szűrő). A buszok kénben szegény (<50 ppm) üzemanyaggal működtek. A kísérleti adatokat valós vezetési körülmények között gyűjtötték a buszokra felszerelt adatgyűjtő és tároló rendszerek segítségével (VOEM és VOEMLow adatgyűjtő rendszerek). Az adatgyűjtő rendszer tartalmaz mintavevőket, analitikai berendezéseket, fogyasztás- és sebességmérőket, fordulatszám- és λ-mérőket, tápegységet és adattárolót. A víz és a nehéz szénhidrogének kicsapódásának megakadályozására a továbbító csővezetékeket és a szűrőt 190 °C-ra melegítették. A CO- és CO2tartalmat IR-technikával, a THC-értéket lángionizációs detektorral, az NOx-értéket kemilumineszcenciás analizátorral mérték. A fogyasztást térfogatos áramlásmérővel mérték, figyelembe véve a hőmérséklet hatását a sűrűségre. A gyűjtött adatokból g/s és g/km egységben is ki lehetett számolni az emissziót. A mintavétel 1000 Hz, az adattárolás 1 Hz frekvenciával történt. A rendszerek validálása dinamométereken megtörtént, és a VOEM rendszer esetében 20%-os, a VOEMLow esetében 10%-os reprodukálhatóságot kaptak. A mérőrendszer része volt egy valós idejű PM-emisszió-mérő egység is, amely oszcilláló mikromérleget alkalmaz. Az innen jövő jel integrálásával megkapható a teljes tömeg. A rendszer reprodukálhatósága nehézgépjárművek esetében 30%. A mérések egy részét olyan 15 km hosszúságú vonalon végezték, ahol az átlagsebesség 18-23 km/h, más részét pedig egy tesztútvonalon, amelynek hossza 5,8 km, és amelyen összesen 25 gyorsítási ciklust végeznek el a buszok fogyasztásának reprodukálható körülmények közti megállapítására.
2,5 tesztpálya
euro 2
2,0
euro 2 + CRT euro 2 + CRT, 1 év után
1,5 1,0 0,5 0,0 fogyasztás, kg/km
CO2, kg/km
CO, g/km
THC, *0,1 g/km
NOx, *10 g/km
PMm, g/km
3. ábra Gáz- és részecskeemissziós adatok a szűrő nélküli motor (Euro 2), a regenerálható szűrővel felszerelt motor (Euro 2 + CRT) esetében, valamint az 1 év használat után a szűrővel felszerelt motor (Euro 2 +CRT 1 év után) esetében, tesztpályán mérve. (A *-gal jelölt ponton nem állt rendelkezésre mérési adat). 2,5 real traffic ’Line 2’
euro 2 euro 2 + CRT euro 2 + CRT, 1 év után
2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 fogyasztás, kg/km
CO2, kg/km
CO, g/km
THC, *0,1 g/km
NOx, *10 g/km
PMm, g/km
4. ábra Gáz- és részecskeemissziós adatok való fogalmi körülmények között mérve. (A jelölések megegyeznek a 3. ábrán alkalmazottakkal).
Mérési eredmények és értékelésük A 3. és 4. ábra mutatja a folyamatosan regenerálható szűrők hatását az emisszióértékekre a tesztvonalon és a valós vezetési körülmények
között. A CRT jelentősen (legalább 65%-kal) csökkenti a CO- és a THCkibocsátást, de inszignifikáns csökkenést eredményezett a NOx-kibocsátásban. A szűrő használata nem vezetett a fogyasztás szignifikáns emelkedéséhez (a szignifikancia-szint mindkét esetben 95%-os). A valós vezetési körülmények között mért értékek (várható módon) valamivel nagyobb szórást mutattak, de ez nem befolyásolta a levonható következtetéseket. Az 1 éves használat után megismételt vizsgálatok azt mutatták, hogy a CRT működése nem romlott, sőt a CO- és a THC-kibocsátás még csökkent is. A részecskeemisszió (PM) a CRT felszerelése előtt a tesztpályán 0,32 g/km volt, a valós vezetési körülmények között pedig 0,58 g/km, a CRT felszerelése után pedig olyan alacsonyra csökkent, hogy normál mérési módszerekkel nem is volt kimutatható, de annyi biztonsággal állítható, hogy 0,02 g/km alatt volt. Megvizsgálták azt is, hogy a folyamatosan regenerálódó szűrő működésének egyik feltétele, az NOx/PM arány a kívánt tartományba esik-e. Az NOx-gázáramnak általában csak néhány %-a NO2, amire szükség van a széntartalmú részecskék oxidációjához. A szűrő elé éppen ezért oxidációs katalizátort helyeznek el, hogy növeljék az NO2 részarányát. Az NO–NO2 konverzió hatásfoka a 200–400 °C hőmérséklet-tartományban legalább 50%-os. A gyártó specifikációja szerint a legalább 15-ös NOx/PM arány garantálja a szén oxidációját, feltéve, hogy a NOx-gázáram elegendő NO2-t tartalmaz. Ez az érték azt is figyelembe veszi, hogy az NO2/NO arány függ a hőmérséklettől is. A mérésekből kiderült, hogy az idő legalább 70%-ában teljesül a feltétel. Az utóbbi években több figyelem fordult arra, hogy a túl nagy NOx/PM arány sem jó, mert ha a keletkező NO2 nem fogy el a szén oxidációjára, akkor kijut a légkörbe, holott maga is mérgező nitrózus gáz! Erre oda kell figyelni, mert a CRT-vel felszerelt járműveken az NO2/NOx arány a 30%-ot is elérheti, szemben a hagyományos 2–5%-kal. A jó működés érdekében megvizsgálták azt is, hogy milyen a kipufogó hőmérsékleteloszlása az idő függvényében. A CRT beszerelése (annak nagy hőkapacitása miatt) csökkenti a hőmérséklet-ingadozást. A mérések azt mutatták, hogy a minimum 250 °C-os hőmérséklet a futásidő 70%-ában teljesült, szemben a megkövetelt 10%-kal. Eddig semmilyen negatív jelenséget nem tapasztaltak a CRT-szűrők felszerelésével kapcsolatban. Megmérték azt is, hogy 60 000 km után mindössze 80 mbar-os torlónyomás alakult ki a szűrőn, és ez is 65 mbar-ra csökkent, ha megfordították a szűrőt.
Talán a fenti példák is szemléltetik, milyen sokféle tényezőt kell figyelembe venni, ha a motor cseréjének vagy bármilyen emissziót csökkentő technológiának környezetre gyakorolt várható hatását akarják értékelni. Összeállította: Bánhegyiné Dr. Tóth Ágnes Gertler, A. W.: Diesel vs. gasoline emission: Does PM from diesel or gasoline vehicles dominate in the US? = Atmospheric Environment, 39. k. 13. sz. 2005. ápr. p. 2349–2355. Graham. L.: Chemical characterization of emissions from advanced technology light duty vehicles. = Atmospheric Environment, 39. k. 13. sz. 2005. ápr. p. 2385–2398. Van Proppel, M.; Lenaers, G.: Real life evaluation of the emission reduction potential of a city bus retrofitted with a continuous regenerating trap. = Atmospheric Environment, 39. k. 13. sz. 2005. ápr. p. 2451–2457.
