Emisszió csökkentési technológiák a vasúti dízel vontatójárműveken 2. rész

KUTATÁS ÉS FEJLESZTÉS KISS CSABA okleveles gépészmérnök, VMMSzK egyetemi tanársegéd, BME

Emisszió csökkentési technológiák a vasúti dízel vontatójárműveken 2. rész Csaba Kiss Dipl.-Ing. Maschinenbau, Assistent an der TU Budapest MÁV Zrt. VMMSzK

Csaba Kiss Msc. mechanical engineer, University instructor MÁV Ltd. VMMSzK

Technologien für Emissionsreduktion bei Eisenbahn-Dieseltriebfahrzeugen – Teil 2

Emission reduction technologies for diesel traction vehicles – Part 2

Összefoglaló A dízel-vontatójárművekkel szemben támasztott egyik legfontosabb követelmény a károsanyag kibocsátás csökkentése az egyre szigorodó nemzetközi előírásoknak megfelelően. A közlemény a dízelmotorokon a fenti célok elérését célzó megoldásokat tárgyalja. Végül rövid áttekintést ad az alternatív tüzelőanyagokról és erőforrásokról.

A Vasútgépészet előző számában megkezdett írásban néhány általános megjegyzés a vasúti dízelmotorok károsanyag kibocsátásának csökkentéséről című fejezetet szakítottuk félbe. A tüzelőanyag befecskendező a dízeltechnológia alapvető összetevője. Két változatban létezik: mechanikus működtetésű és elektronikus működtetésű. Mindkét változat jelentős, rajta végrehajtott kutatás és fejlesztési erőfeszítésekben részesült. Mivel az elektronikus tüzelőanyag befecskendezést vasúti dízelmotorokban az 1990-es években vezették be, a mozdony motorok jelentős része még mechanikus működtetésű tüzelőanyag befecskendezéssel rendelkezik. Az átalakított, mechanikus működtetésű tüzelőanyag befecs-

26

Zusammenfassung Eine der gegen den Dieselmotor gestellten, wichtigsten Anforderungen ist die Reduzierung der Schadstoffemissionen entsprechend der immer verschärfenden, internationalen Vorschriften. Im diesen Artikel werden die diesen Zweck zielenden Lösungen behandelt. Zuletzt eine kurze Übersicht über die alternativen Brennstoffe und alternativen Kraftquellen wird gegeben.

kendezők alapvető jellegzetességei magukban foglalják, hogy a gyártók szűkítették az alkatrészek tűréseit keményebb anyagok és áttervezett porlasztócsúcsok használatával. A legutóbbi változatok zérus zsáktérfogatú típusok, hogy kiküszöböljék a befecskendezett tüzelőanyag utáncsepegését. Az utáncsepegés megnehezíti a teljes elégést, növeli a tüzelőanyag fogyasztást továbbá megnövekedett PM és koromképződéshez vezet. A porlasztott sugárkép javításához az újabb porlasztó kialakítás több furattal, különböző sugárszögekkel rendelkezik, és nagyobb nyomásokon működik. A megnövelt befecskendezési nyomás egyenletesebben elosztja a tüzelőanyagot a dugattyú tető felett. Ez az egyenletesség tökéletesebb égést eredmé-

VASÚTGÉPÉSZET 2013/4

Summary One of the principal requirements addressed to the diesel-powered railway vehicles is the emission reduction corresponding to the even more stringent international standards. The solutions targeting the aforementioned objectives are discussed in the article. Finally a brief overview on the alternative fuels and alternative prime movers are given.

nyez, mely a kifejtett teljesítményre vonatkoztatva kisebb tüzelőanyag fogyasztást, kisebb NOx és PM képződésre vezető állapotokat biztosít. • A dugattyú kialakítás a másik alapvető dízel égésfolyamatot befolyásoló változó. Szimbiotikus viszony van a dugattyútető alakja és a befecskendezett sugárkép között. Az égéstérben a tüzelőanyag sugárképnek ki kell elégítenie az éppen összesűrített levegő turbulenciájának előzetesen domináns módjával úgy, hogy a lángfrontnak a sugár mentén amennyire lehetséges egyenletes legyen. A tervezők megpróbálják elkerülni a túl gazdag vagy túl szegény tüzelőanyag „csomagok”-at a hengeren belül az égés során.

KUTATÁS ÉS FEJLESZTÉS A IIIA és IIIB fokozat és azontúl elérését célzó módszerek

Magától értetődik, hogy a dízel égés kutatás és fejlesztés számos változó igen bonyolult integrációja. Alapos, folyamatos és többnyire tapasztalati folyamat, melyet gondos és ismétlődő teszteléssel kapcsolnak össze a teljesítőképességet, gázolajfogyasztást, károsanyag kibocsátást, megbízhatóságot, tartósságot, karbantarthatóságot, biztonságot és költséget befolyásoló változók tartományának megértésére és mérésére. Vasúti dízelmotorokon később jelennek meg a legújabb technikai megoldások, mint a gyorsjárású, nagyterhelésű haszongépjárművekben használt dízelmotorokon. Ennek egyik oka, hogy utóbbiakat évente 100 ezres darabszámban gyártják (ez megteremti a forrásokat a nagy kutatási és fejlesztési erőfeszítések számára), míg legfeljebb néhány 1000 kimondottan vasúti dízelmotort gyártanak évente. Haszongépjárművek esetében gyakrabban előfordul, hogy a gyártók szinte teljesen új konstrukcióval jelennek meg, míg az alapvető vasúti dízelmotor konstrukciók már jobbára korábban is létezett szerkezetek átalakításai és továbbfejlesztései. A gyorsjárású gépjármű és ipari dízelmotorokhoz kifejlesztett technológiák nem alkalmazhatók közvetlenül a vasúti dízelmotorokra, a jelentősen eltérő geometriai viszonyok, terhelésállapotok, elvárások és igénybevételek miatt. A vasúti vontatójárművek átlag 30-40 év becsült élettartammal rendelkeznek, ez alatt az idő alatt, a motorjaikat többször átépíthetik. Fontos követelmény a vasúti dízelmotorokkal szemben,hogy akárosanyag kibocsátási értékeketteljesítsék a vontatójármű élete során széles környezeti hőmérséklet tartományban és viszonylag nagy tengerszint feletti magasságokig. Ugyanakkor nagyon fontos hangsúlyozni, hogy ezeket a célkitűzéseket úgy kell teljesíteni a vasúti dízelmotoroknak, hogy a tüzelőanyag fogyasztásuk sem fajlagosan, sem összesen nem növekedhet.

A dízelmotorok emisszió csökkentési lehetőségeitemellett úgy is csoportosíthatjuk, hogy 1. Dízelmotoron belüli módszerek Tüzelőanyag ellátó rendszerek: A tüzelőanyagellátó rendszeren végrehajtott módosítások járulnak leginkább hozzá a vasúti dízelmotorok termikus hatásfokának javulásához. Reálisan megvalósítható, hogy a célzott kutatások és fejlesztések növelnék a termikus hatásfokot 40%ról 50%-ra, mely ugyanakkor 1520% fajlagos tüzelőanyagfogyasztás javulást eredményezne. Ezeknek a fejlesztéseknek a középpontjában az elektronikus szabályozás és tökéletesített tüzelőanyagszivattyúk és befecskendezők szerkesztése áll annak érdekében, hogy a tüzelőanyagot az égéstérbe a befecskendezési nyomás, előbefecskendezés, befecskendezési törvény és porlasztott sugár elhelye-

zés legjobb kombinációjával tudjuk szállítani. Ez segít a tüzelőanyag meggyulladásában és egyenletesebb elégésében a hengerben anélkül, hogy hőmérséklet csúcsokat okozna, mely növelné a NOx-kibocsátást vagy a tüzelőanyagban gazdag részek kialakulását, melyekben a nem optimális égés PM-képződést okozna. A vasúti dízelmotorok részére kialakítottelosztóvezetékes (common-rail rendszer) tüzelőanyag ellátó rendszer fejlesztése és a dízelmotor üzemi területéhez optimalizált elektronikus vezérlésű tüzelőanyag befecskendezőkkel kombinálva nagyon hatékony tökéletesítési lehetőséggel rendelkezik az egymással szoros kapcsolatban lévő, égéssel kapcsolatos paraméterek megkívánt irányú befolyásolására. A 3. ábra a különböző dízel befecskendező rendszereket mutatja. A 4. ábra egy korszerű, elosztóve-

A forgóelosztós befecskendező szivattyú (másik lehetőség a soros befecskendezőszivattyú) B common-rail rendszer, elosztóvezetékes rendszer C szivattyú-porlasztó egység D szivattyú-nyomócső-porlasztó 1 befecskendező szivattyú minden porlasztóhoz külön vezetékkel 2 befecskendező fúvóka 3 közös nagynyomású vezetékű befecskendező szivattyú 4 közös nagynyomású elosztó („common-rail”) 5 injektor (befecskendező szivattyú mágnesszeleppel) 6 befecskendező szivattyú elem és befecskendező fúvóka mágnes szeleppel 7 befecskendező szivattyú elem mágnes szeleppel, nagynyomású vezetékkel és befecskendező fúvókával

3. ábra Tüzelőanyag ellátó rendszerek (Forrás: MAN) Bild 3. Kraftstoffversorgungssysteme Figure 3. Fuel supply systems


27

KUTATÁS ÉS FEJLESZTÉS

1 nagynyomású szivattyú 2 nagynyomású vezeték

3 elosztóvezeték 4 injektorok 5 ECU (Elektronikus Szabályzó Egység)

4. ábra Elosztóvezetékes rendszer (Forrás: MTU) Bild 4. Speichereinspritzsystem Figure 4. Common-Rail system

zetékes befecskendezési rendszer elvi felépítését mutatja. A dízelmotorban zajló keverékképzés,égés és emisszió képződés kutatás és fejlesztés nehézségét az a tény képezi, hogy a hengeren belül a befecskendezett tüzelőanyagsugár és a levegő áramlási tere közötti kölcsönhatás, közvetlen kompresszió gyújtás és égés rendkívül bonyolult és ezeket számos tényező befolyásolja. Amint ezeket a folyamatokat egyre jobban megértjük a vasúti dízelmotorokban, hatékonyabb tüzelőanyag rendszerek tervezhetők és fejleszthetők. Ezek a folyamatok várhatóan a következő technológiai elemek járulékos tökéletesítését és lépésről lépésre történő alkalmazását követik: • az elosztóvezetékes rendszer használata a mindegyik hengerhez egyedi tüzelőanyag szivattyú és nyomócső helyett. Ez nemcsak csökkenti az elemek számát, hanem megengedi a tüzelőanyag jelentősen nagyobb nyomással történő szállítását a befecskendezőkhöz. Az elosztóvezetékes rendszerek az előbefecskendezés, a többszörös befecskendezés és a nagyobb befecskendezési

28

•

•

nyomások szabad választását nyújtják, melyek a PM-képződés csökkenését eredményezik,az NOx-növekedés nélkül. a befecskendezés vezérlés, a befecskendezési törvény és befecskendezési nyomás elektronikus irányítása, mely a dízelmotor fordulatszám, a terhelés és környezeti feltételek változásának folyamatos figyelemmel kísérését teszi lehetővé. korszerű, nagy pontosságú tüzelőanyag befecskendezők alkalmazása, melyek magukban foglaljákaz előadag, osztott valamint többszörös befecskendezést, továbbá a képességet a befecskendezési törvény alakja pontos alakítására, pl. a tűszelep nyílás meredeksége és a zárási folyamatának befolyásolására. Elektronikusan vezérelt, mágnesszelep működtetésű befecskendező tűszelepek rendelkeznek a mikroszekundumok alatt történő pontos zárás szabályozásának lehetőségével az utáncsepegés elkerülésére (mely nem lehetséges mechanikus működtetésű, hagyományos rendszerekkel) céljából. Ez a jellemző


és a többszörös befecskendezés használata előrevetíti mindegyik hengerben a jelenlegi egyszeres, nagy porlasztófuratokkal rendelkező befecskendezők kialakítási korlátainak legyőzését. Nagy porlasztófurat átmérők szükségesek nagy terhelési (névleges terhelés) viszonyoknál az elegendő tüzelőanyag szállításához, de ez kisebb beállított teljesítménynél az optimálistól eltérő égést eredményezhet. • szerkezeti anyagok, melyeket a tüzelőanyag szállító befecskendező alkatrészekben használnak. Valószínűsíthető, hogy a jövő befecskendező rendszerei alkalmazni fognak számos, az új anyagok területén elért fejlesztést, amelyek legyőzik a jelenlegi nagy nyomású tüzelőanyag ellátó rendszer alkatrészek kopási és tartóssági korlátait. A kerámiák alkalmazása a befecskendezőkben várhatóan növekedni fog, valamint a nagyobb keménységű anyagok alkalmazása, melyek megmunkálhatók kisebb szélességű tűrésmezővel beleértve a kenőképességet fokozó felületi megmunkálási tulajdonságot. Ez utóbbi helyettesíti a kenőképességet, amelyet korábban a nagy kéntartalmú vasúti dízelolaj biztosított, és amelyet megszüntetnek a kötelező kis kéntartalmú tüzelőanyagok érdekében. • az irányítási rendszerek elektronikája és szoftverei így képesek lesznek irányítani egy cikluson belül a befecskendezési folyamat paramétereit, melyeket más motor-, égési és környezeti feltételeket figyelemmel kísérő érzékelők csoportjától érkező bemenetek alapján alakítanak ki. Ezzel kapcsolatban a fejlesztésigen kiterjedt szimulációs követelményeket támaszt. Keverékképzés és égésfolyamat optimalizálás A dízelmotor égésterében két alapvető légmozgás van jelen a mun-

KUTATÁS ÉS FEJLESZTÉS kafolyamat során. Az egyik a henger tengelye körüli örvénylő mozgás, melyet az elpárolgott tüzelőanyag és a levegő minél jobb keveredésének elősegítésére alakítanak ki. A másik az úgynevezett „squish”, mely abból származik, hogy a dugattyú felfelé történő haladásakor a dugattyú szélén gyorsabban csökken a térfogat, mint középen, ezért erőteljes sugárirányú, befelé történő áramlás alakul ki. Ezért különleges figyelmet kell szentelni a dugattyú tető geometriának és a kompresszióviszonynak. Vannak továbbá olyan konstrukciós jellemzők, mint a dugattyúhűtés kialakítása, dugattyúgyűrű elhelyezése, anyag tulajdonságok vagy bevonatok stb., melyek szintén emisszió csökkentést eredményező égési jellemzőket eredményezhetnek. Ugyanígy tökéletesített olajlehúzó gyűrű kialakítás és ezzel kapcsolatos szerkezeti részletek révén az olajfogyasztás csökkentés a PM- és a HC-emissziót csökkentheti. A dugattyútető geometria kialakításának kiválasztása (általában csésze alakú (Hesselmann-égéstér)) rendkívül bonyolult folyamattá válik a motorfejlesztésben, mivel a változtatásoknak és módosításoknak minden jellemzőre hatásuk van és a megfelelő műszaki kompromisszum kialakítása igen nehéz feladat. Az 5. ábra mutatja a porlasztott tüzelőanyag sugár képét, a jellegzetes tartományok feltüntetésével. A 6. ábra szemlélteti a dízel égésfolyamat jellemzőit a jellegzetes hőmérséklet- és kémiai tartományok szemléltetésével. Levegőellátó rendszer: A turbófeltöltő, a levegő visszahűtő áttervezése és a szívó szelepek kedvező elhelyezése révén optimális szívócső nyomás, hőmérséklet és levegőáramlás irányítás biztosítása. Ez fontos a jó keverékképzés- és égéshez szükséges fizikai és kémiai folyamatok szolgáltatásához. Hibrid villamos turbófeltöltés a turbólyuk (levegőszállítási késedelem) legyőzését teszi lehetővé, de számottevően bonyolítja a rendszert, így nem várható az elterjedése.

5. ábra Porlasztott tüzelőanyag sugár képe (Forrás: Cummins Inc.) Bild 5. Das Bild des Einspritzstrahles Figure 5. The picture of the fuel injection pattern

részecske emisszió NOx tüzelőanyagban gazdag tartomány lyékony tüzelőanyag

A turbófeltöltéssel kapcsolatban megjegyezzük, hogy a korszerű dízelmotorok gyakorlatilag kivétel nélkül turbófeltöltött gépek. A turbófeltöltők nyomásfokozó gépe kivétel nélkül centrifugális kompresszor, az expanziós gépe kisebb teljesítményű motoroknál radiális, nagyobb telje-

fo-

sítményű gépeknél pedig axiális turbina. Az elmúlt néhány esztendőben több dízelmotor gyártó a korábban általános radiális lapátozású centrifugális kompresszor helyett hátrahajló lapátozást alkalmaz. A beszívott levegő állapotának előzetes befolyásolása és szállítása

6. ábra A dízel égésfolyamat jellemzői (Forrás: SAE Paper 990509) Bild 2. G Figure 2. G

350 K 950 K 825 K ~1600 K 2700 K

befecskendezőmeleg levegő dús keverék égéstermékei (CO, HC és PT) NOx CO2 és H2O


29

KUTATÁS ÉS FEJLESZTÉS a hengertérbe magában foglalja a levegőszűrőket, turbófeltöltőket, levegővisszahűtőket, szívó gyűjtőcső furatokat a megfelelő állapotú beszívott levegő biztosítása céljából és a szívó gyűjtőcső nyomásának és hőmérsékletének szabályozását. Ez fontos a tüzelőanyag optimális égésfolyamatához szükséges kémiai s fizikai folyamatok irányításához. A jövő visszahűtő konstrukciójának hatásossága és a vele kapcsolatos hűtőelem rendszerek alapvető, meghatározó tényezők maradnak az égéstérben fellépő maximális lánghőmérsékleteknek és a vele együtt járó NOx-képződés szintjének csökkentésében. A 7. ábra egy két- illetve négycsatornás levegővisszahűtőelvi elrendezését mutatja. Hibrid turbófeltöltés: Egy hagyományos turbófeltöltő egy kipufogógázzal hajtott turbina, melyhez egy légsűrítőt kapcsolnak közvetlenül a hengerek sűrített levegővel történő ellátásához. Ez javítja azeffektív hatásfokot. Azonban, ha a dízelmotor fordulatszáma növekszik, vagy tranziens terhelésváltozás történik, késedelem lép fel, míg a turbófeltöltő a kimenő jellemzőit (szállított közegmennyiség, nyomásviszony)

hozzá tudja igazítani az új állapothoz. E késedelem során az égés feltételei kedvezőtlenek és ez megnövekedett emissziót és lecsökkent hatásfokot eredményezhet. Ezt a késedelmet meg tudja szüntetni a már fentebb említett hibrid turbófeltöltő, melyben egy nagy fordulatszámú, állandó mágnesű motor gyorsítja a feltöltő forgórészét az átmeneti folyamat során. A turbófeltöltés következő típusait alkalmazzák: • Egyfokozatú turbófeltöltés A feltöltő nyomást ebben az esetben a teljes fordulatszám és terhelés tartományban egy feltöltő állítja elő.Valamennyi ábrán az ETC (exhaustgasturbocharger = kipufogógáz turbinás feltöltő). Ezt mutatja a 8. ábra. • Sorba kapcsolt egyfokozatú feltöltés Két turbófeltöltőt kapcsolnak a dízelmotor fordulatszámától és a terheléstől függően sorba vagy párhuzamosan, ezt szemlélteti a 9. ábra. • Sorba kapcsolt kétfokozatú turbófeltöltés Alapjában véve a soros kétfokozatú turbófeltöltés ugyanúgy

7. ábra Két- illetve négycsatornás levegővisszahűtő elvi felépítése Bild 2. G Figure 2. G

víz belépés víz kilépés

30


működik, mint egy sorbakapcsolt egyfokozatú turbófeltöltés. Ugyanakkor mindkét esetben egy turbófeltöltő helyett egy turbófeltöltő párt kapcsolnak be vagy ki, ezt láthatjuk a 10. ábrán. • Szabályozott kétfokozatú turbófeltöltés Két turbófeltöltőt kapcsolnak sorba. MTU által alkalmazott rendszerben a kipufogógáz tömegáramot megosztják, egyik része a nagynyomású turbinán áramlik át, a többit egy vezérelhető megkerülő szeleppel szabályozott bypass ágon keresztül vezetik. A teljes tömeg azután átáramlik a két kisnyomásúturbinán, ezt tekinthetjük át a 11. ábrán. Az ábra rövidítései LP-ETC (lowpressureexhaustgasturbocharger), HPETC (highpressureexhaustgasturbocharger) Amint az ábrákból is kitűnik, különösen a szabályozott kétfokozatú turbófeltöltés, nagy igényű, meglehetősen bonyolult megoldás. Ezért ezeket nem alkalmazza minden dízelmotor gyártó. Ugyanakkor egyre jobban terjed a változtatható vezető lapátozású turbófeltöltő alkalmazása vasúti dízelmotorokban. A 12. ábrán láthatjuk ennek elvi felépítését.Ezzel lehetőség van a turbina által feldolgozott közegmennyiség és fajlagos entalpiaesés szabályozására a dízelmotor teljes üzemi tartományában. Szívó és kipufogó csatorna és szelep kialakítás: Hasonlóan a dugattyú kialakításhoz, különös figyelmet kell szentelni az olyan részleteknek, mint a levegő-tüzelőanyag keverék szempontjából optimális áramlási mezőnek, melyet a szívószelepen, szívócsövön át belépő levegő és a kipufogó szelepen és nyíláson át kilépő kipufogógáz hoz létre. Az alapvető paraméterek minimális nyomásesés, minimális turbulencia és stabil, az égéstérben kedvező viszonyokkal összhangban lévő feltételek a több sugaras, nagynyomású, elektronikus tüzelőanyag befecskendezés előnyeinek kihasználása céljából. Egy lehet-

KUTATÁS ÉS FEJLESZTÉS séges fejlődés közepes járású dízelmotorok esetében az elektronikusan vezérelt, mágnesszelep működtetésű szívó és kipufogó szelepek fejlesztése, a jelenlegi bütykös tengellyel vezérelt kialakítás kiváltására. Ez nyújtana szabadságot a szelepek nyitási és zárási idejének változtatására a motor fordulatszám- és teljesítmény pozíciónak megfelelően, hogy így megközelítsük az optimális gázcsere égés szempontjából, optimális feltételeit. Elektronikus irányítás A motor rendszerek elektronikus irányítása kritikus elem az emis�sziós szabványokat kielégítésében. Szigorúbb emissziós szabályozások bizonyára a motor a tüzelőanyag ellátó, levegőellátó és utánkezelő rendszerek nagyon pontos szabályozását követeli meg. Környezeti tényezőket szintén figyelemmel kell kísérni, hogy a dízelmotor teljesítmény és az emissziós szintek meghatározottak maradjanak. Ugyanakkor a rendkívüli üzemi körülmények a nem közúti alkalmazásokban robusztus elektronikus rendszereket követelnek meg a megbízható üzem érdekében. Számítógépes áramlástani modellezés: A hengeren belüli keverékképzés és égés kutatás a hengerbe belépő levegő mozgásának megértéséről szól, a hengerben a tüzelőanyag-levegő keverék égéséről, a dugattyúra közvetlenül ható erejéről és aztán az égéstermékek kilépéséről. A hengeren belüli égésfolyamatot teljesen nem értjük és bonyolultabb lett a matematikai szimulációhoz vagy fényképezéssel vagy távvezérelt eszközzel történő megfigyeléséhez. Mindamellett, egy számítógépes áramlástani modellezésként ismert eljárás már rendelkezésre áll, mely összekapcsolja az áramlástant, alkalmazott matematikát és nagyteljesítményű számítógépet a levegő formák körüli és formákban történő áramlás szimulálására. Ezt kiterjedten használták a repülőgép szektorban és már bármilyen tervezési alkalmazásra alkalmazható, amelynél levegőmozgás történik. A CFDeljárásazon egyenletek kiválasztását

mindkét turbófeltöltő be van kapcsolva általában

8. ábra Egyfokozatú turbófeltöltés elvi vázlata (Forrás: MTU) Bild 2. G Figure 2. G

tartalmazza, melyek a legjobban leírják az áramlás fizikáját, azaz a CFDkód nagyteljesítményű számítógépet használ az egyenletek megoldására, az eredmények értelmezésére és az aktuális vizsgálati adatokkal való összevetésére. A dízelmotor konstrukció szempontjából, úgy tekintjük, hogy fejlett numerikus CFD-t alkalmazó modellek jelentősen elősegíthetik a korszerű égési folyamatok megértését. A 13. ábra szemlélteti a szimulációban rejlő lehetőségeket. 2. Dízelmotoron kívüli módszerek Tüzelőanyag szabványok a IIIA, IIIB és Stage IV emissziós fokozatokhoz Az új károsanyag kibocsátási követelmények kielégítésében a megoldás kritikus része a dízel üzemanyag. A dízel üzemanyag kéntartalmát jelentős mértékben kell csökkenteni. Először finomítások szükségesek a kéntartalom 500 ppm-re történő csökkentéséhez. Később tovább kell csökkenteni 15 ppm maximumra. A nagyon kis kéntartalmú tüzelőanyagoknak (15 ppm) számos előnyös hatásuk van. Kisebb PM kibocsátást eredményeznek az égés során, így önmagában is egy PM


szabályzó stratégia valamennyi használatban lévő berendezésben. Tier 4/ StageIV-nél korszerű NOx utánkezelő technológiát tesz lehetővé. Kedvező hatása lehet az olajleeresztési intervallumokra is. Megjegyezzük, hogy a rossz tüzelőanyaggal való kiszerelés nagy veszélyekkel járhat. IV fokozatnál a legtöbb kipufogógáz utánkezelő berendezés megköveteli a nagyon kis kéntartalmú tüzelőanyagot (15 ppm). A NOx-elnyelő utánkezelő berendezések nem viselik el a tüzelőanyag kéntartalmát. Az SCR-rendszerek viszonylag kevésbé érzékenyek a tüzelőanyag kéntartalmára. A PMszűrő rendszerek folyamatosan nem biztos, hogy károsodnak a nem megfelelő kéntartalmú üzemanyaggal történő kiszereléstől, de a nagyobb kéntartalom a PM-szűrő kisebb hatékonyságát okozza, és nem elégíti ki az emissziós követelményeket a nagyobb képződött szulfát mennyiség miatt. Kenőolaj Egy másik fontos tényező a jövő károsanyag kibocsátási követelményeinek kielégítése szempontjából a motor kenőolaj. Az elsődleges hangsúly azon van, hogy az olajokat az

31

KUTATÁS ÉS FEJLESZTÉS utánkezelő berendezésekkel összeegyeztethetővé tegyék. A IV-fokozat utánkezelési megoldásai lehetővé tételéhez egy közbenső követelmény a hamutartalom csökkentése és a dízel részecske szűrő karbantartási intervallumainak kiterjesztése a fontos kenési képesség fenntartása mellett.

•

A következőkben a dízelmotoron kívüli emisszió csökkentő módszereket az egyes károsanyag összetevők szerint csoportosítva tárgyaljuk.

•

32

NOx-csökkentési lehetőségek

Hűtött kipufogógáz visszavezetés A hűtött kipufogógáz visszavezetés nagyon hatékony NOxszabályozási eszköz. Hűtött kipufogógáz visszavezető rendszer a kipufogógáz mért mennyiségét veszi, átereszti egy hűtőn, mielőtt összekeveri a hengerbe áramló friss töltettel. A hűtött kipufogógáz visszavezetés csökkenti az oxigén-koncentrációt az égéstérben a belépő környezeti levegő kipufogógázzal történő higításával. Égés során a kisebb oxigéntartalomnak lánghőmérsékleteket csökkentő hatása van, mely viszont csökkenti a NOx-ot, mivel a NOx-képződés a lánghőmérséklet exponenciális függvénye. A kipufogógáz visszavezetéssel ellátott motorokban a kipufogó gázokat a motor hűtőközege hűti és további friss levegő hűtés is szükséges, mely ugyanakkor növeli a teljes jármű vagy berendezés hűtőrendszer követelményeit. A gépjárműves alkalmazásokban ezt jól kezelik a jármű menetszél hűtéssel és kissé nagyobb hűtőegységgel. Ahol a menetszél nem áll rendelkezésre növelt hűtőventilátor és hűtő/friss levegő egységek szükségesek a többlet hő (15-25%-kal nagyobb hőelvonás) elvonásához. Ez nagyobb többlet terhelést és növelt hűtési rendszer költséget és zajszintet

•

•

eredményez. Belső vagy nem hűtött kipufogógáz visszavezetés Hasonlóan a hűtött kipufogógáz visszavezetéshez, a belső kipufogógáz visszavezetés is csökkenti az oxigén-koncentrációt az égéstérben a belépő környezeti levegő kipufogógázzal történő higításával. Égés során a kisebb oxigéntartalomnak lánghőmérsékleteket csökkentő hatása van, mely viszont csökkenti a NOx-ot, mivel a NOx-képződés a lánghőmérséklet exponenciális függvénye. Ugyanakkor, mivel a kipufogógáz meglehetősen forró, amikor közvetlenül visszavezetik az égéstérbe, az előnyök nagyon korlátozottak. A levegő/tüzelőanyag arányok szintén csökkennek és növelik a füstöt és a tüzelőanyag fogyasztást. Ez a módszer korlátozza a teljesítmény sűrűséget és csak a kis effektív középnyomású alkalmazásokban használják. Korszerű égés Ezt már fentebb áttekintettük, de mivel az alapvető égést optimalizáló dízelmotor kialakítás kritikus elemei magukba foglalják a hengert, levegőellátó, tüzelőanyag ellátó és irányító rendszereket is a NOx-csökkentő utánkezelő berendezések mellett nagyon fontos a korszerű keverékképzési és égési rendszer kifejlesztése is, mely rendkívül hatékonyan csökkenti a motorból kilépő emissziókat a „forrásnál” az égéstéren belül és a dízelmotor üzeme közben nem okoz többlet költségeket és fenntartási igényt. IV. fokozat emisszió csökkentési lehetőségek A végső IV. emissziós fokozat nagyon kis NOx és PM-határokat kényszerít ki. Míg az elsődleges hangsúly a IIIA szabványnál a NOx-csökkentés, a IV. fokozatnál a szabvány mind a NOx, mind a PM olyan szint alá csökkentését, mely mindenképpen megköveteli az utánkezelő berendezések


alkalmazását.

További NOx-emissziócsökkentési módszerek

A következő NOx-utánkezelési módszereket tekintjük a IV. fokozathoz: Szelektív katalitikus redukció (SCR) A szelektív katalitikus redukció egy kémiai redukálószert használ, ebben az esetben karbamid, mely ammóniává alakul a kipufogógázban és reakcióba lép a NOx-szal a katalizátorban nem mérgező nitrogén és víz képződése céljából. Egy SCRrendszerben a karbamid befecskendezési sebességet nagyon finoman kell szabályozni. Ha a befecskendezési sebesség túl nagy, nem az összes ammónia lép reakcióba a NOx-szal és bizonyos mennyiségű ammónia a katalizátoron keresztül távozik. Ha a sebesség túl kicsi, a megkívánt NOxcsökkentést nem érjük el. Mindkét helyzet értelemszerűen nem kívánatos és el kell kerülni. A karbamidos SCR-rendszer alapvetően a következő elemeket tartalmazza: • katalizátor – A katalizátort a kipufogógáz áramba építik be. Külső megjelenésében hasonló lehet egy hangtompítóhoz, de a megkívánt NOx-csökkentéstől függően esetenként nagyobb lehet. Kémiai összetevőket tartalmaz, melyek ammónia jelenlétében segítenek a nitrogénoxidokat ártalmatlan vegyületekké alakítani. • karbamid – Karbamid minőség és koncentráció vizes oldatban fontos és megfelelően kell szabályozni és elosztani. Karbamidot a fedélzeti berendezésben szállítják vizes oldatként egy tároló tartályban jellemzően 5%-a a dízel tartálynak. A tároló tartályt úgy méretezik, hogy minimalizálják az üzemeltetői feltöltést, de a berendezés súly és elhelyezési korlátjain belül. A tárolótartályt és a karbamid befecskendező rendszert meg kell védeni a fa-

KUTATÁS ÉS FEJLESZTÉS gyástól vagy egy szabályozott hűtőrendszerrel kell ellátni, mivel a karbamid vizes oldata körülbelül –11°C fokon kristályosodik. • Karbamid befecskendező és szabályzó rendszer – Egy bonyolult befecskendező rendszer és szabályozás (beleértve NOx és karbamid minőség érzékelőket) szükséges a pontos mennyiségű karbamid szolgáltatásához mindenféle üzemi körülmények között. A karbamid befecskendezést gondosan kell szabályozni, hogy a bejuttatott ammónia mennyisége közel helyezkedjen el a motor által „igényelt” ténylegesen kibocsátott NOx mennyiségéhez. Felmerül a kérdés, hogy mennyi karbamidot használ egy SCR-rendszer? Minden 1 g/HP-h NOx csökkentéshez, egy SCR-rel felszerelt motor fogyaszt a felhasznált tüzelőanyag közelítőleg 1,5 %-ának megfelelő karbamidot. Ezért jellemző karbamid mennyiség az elfogyasztott tüzelőanyag 3-8 %-a lesz.

NOx-elnyelők

A NOx-elnyelő katalizátor (NAC) egy új az 1990-es évek végén kifejlesztett technológia. A NOx-elnyelő katalizátor egy fémoxid alap és egy finom fémbevonat kombinációját használja a NOx szabályozás elérésére. Az alap fém összetevő (például bárium-oxid) reakcióba lép a NOx-szal bárium-nitrát képződéséhez és hatásosan tárolja a NOx-ot a katalizátor felületén. Amikor a rendelkezésre álló oldalak telítődnek, a katalizátort tüzelőanyagban gazdag, kis oxigéntartalmú kipufogógáz állapot mellett üzemeltetik. Ez felszabadítja a NOx-ot az alapfém tároló oldalairól és lehetővé teszi, hogy a finom fém összetevők felett nitrogén gázzá és vízgőzzé alakuljanak. A dízelmotorok normál üzemben többlet levegő/tüzelőanyag viszony mellett „légfelesleggel” üzemelnek. Légfeleslegű üzem esetén nagyon nehéz a katalizátorral a NOx-ot szabályozni a kipufogógázban jelenlévő oxigén többlet miatt. Légfelesleg

esetén a NOx-ot egyszerűen tároljuk a katalizátorban. Regeneráció (tehermentesítés) szükséges a NOx felszabadításához és nitrogén gázzá történő alakításához. A NAC regenerálásához a kipufogógázban lévő többlet oxigén eltávolítására van szükség egy rövid időre. Ezt a motor léghiánnyal történő üzemével lehet elvégezni vagy a NAC előtt tüzelőanyag befecskendezésével a kipufogógáz katalizátoron keresztül történő „gazdagításával”. Mindkét lehetőség esetén a motort és a katalizátort egy rendszerként kell irányítani, hogy pontosan meg lehessen határozni, mikor kell regenerálni és a kipufogógáz paramétereinek a regeneráció során történő szabályozásához. A kén problémákat jelent a NOxelnyelőknek. A NOx tárolása mellett, a NAC tárolni fog ként is, mely csökkenti a NOx tároló kapacitást. Annak ellenére, hogy 2011-es és a későbbi évjáratú nem közúti motoroknak nagyon kis kéntartalmú (15 ppm) tüzelőanyagot kell használniuk, bármilyen kéntartalom megkövetel olyan motor kialakítást, mely periódikus szulfát mentesítési folyamatot nyújt - egy folyamatot a kénnek a katalizátorból történő eltávolítására. Ez hasonló a NOx-regenerációs folyamathoz, de nagyobb hőmérsékleten

történik. Nyilvánvaló, hogy a többlet regenerációs eseménynek negatív hatása lesz a tüzelőanyag fogyasztásra. Várhatóan a NOx-elnyelők először a kisterhelésű gépjárműves alkalmazásokban jelennek meg.

Légfeleslegű NOx-katalizátorok

Egy légfeleslegű NOx-katalizátor el nem égett szénhidrogéneket használ a katalizátorban a NOx csökkentésére. A katalizátor tartalmazhat finom fémet, mint amilyen a platina vagy más anyagokat, mint amilyen a zeolit. A légfeleslegű NOx-katalizátor eredményes üzeme szükségessé teszi a folyamatos tüzelőanyag befecskendezést a katalizátorban. A NOx átalakítási hatékonyság számos tényezőtől függ – de jellemző értékei 10-25 %os használat a gyakorlati terhelési ciklusok során. Mindkét katalizátor fém hőmérséklet tartománybeli korlátozásokkal rendelkezik, mely a megkívántnál kisebb értéken tartja az átalakítási hatékonyságot a jellemző üzemben. A légfeleslegű NOx katalizátorok nem rendelkeznek megfelelő NOx-csökkentési képességgel a Tier 4 alkalmazásokhoz. Ugyanakkor a légfeleslegen működő NOx-katalizátorok gyakran kiváló lehetőségek az átalakításokhoz. Viszonylag könnyen

turbófeltöltő általában be van kapcsolva második turbófeltöltőt kipufogógáz- és légcsappantyúval kapcsolják be

9. ábra Sorba kapcsolt egyfokozatú turbófeltöltés (Forrás: MTU) Bild 2. G Figure 2. G


33

KUTATÁS ÉS FEJLESZTÉS

2 turbófeltöltőt kapcsolnak sorba: „kétfokozatú turbófeltöltés”

további turbófeltöltőket kapcsolnak be: „soros turbófeltöltés”

10. ábra sorba kapcsolt kétfokozatú turbófeltöltés elvi vázlata (Forrás: MTU) Bild 2. G Figure 2. G

beépíthetők és integrálhatók a meglévő motorokkal és berendezésekkel.

NOx-csökkentés összefoglalás

Összegzésképpen az alapvető megol-

villamos motorral szabályozott ETC megkerülő ág

11. ábra Szabályozott kétfokozatú turbófeltöltés elvi vázlata (Forrás: MTU) Bild 2. G Figure 2. G

34


dandó problémák valamennyi utókezelő berendezés (hűtött kipufogógáz visszavezetés, SCR, NOx-elnyelők [NAC] és légfeleslegen üzemelő NOx-katalizátorok) magukban foglalják integrált rendszerek tervezését és fejlesztését, melyek • megbízhatók és tartósak minden környezeti feltételek és alkalmazások esetén, • minimális befoglaló mérettel és súllyal rendelkeznek, • szabályozzák az emissziót a termék élettartama során, • minimális karbantartás igényűek, • és mind a bekerülési, mind a karbantartási költségek szempontjából megengedhető költségűek.

PM-csökkentés

A IV. emissziós szabványnál, a részecske emissziók mintegy 90 %-kal kisebbek, mint a IIIA fokozatnál. Míg a korábbi részecske emisszió csökkentéseket a motor égésének javításával elérték, a szigorú IIIB fokozat megköveteli a részecske szűrő alkalmazását. Az aktív részecske szűrő az egyetlen megoldás jelenleg a IIIB fokozatú PM emissziós szabvány kielégítésére. Minden motorgyártó alkalmazza ezt a technológiát.

Aktív részecske szűrő

VValamennyi terhelési ciklus és alkalmazásnál a IIIB fokozat részecske emisszió szabvány határértékeinek kielégítésére, „aktív” dízel részecske szűrőre van szükség. A koromrészecskék kipufogógázból történő kiszűrését kordierit vagy SiC anyagú lyukacsos kerámia felhasználásával végzik. A szűrő kis csatornák hálózatát tartalmazza, melyeken a kipufogógáz átáramlik. A szomszédos csatornák ellenkező végeit eldugaszolják, és arra kényszerítik a kipufogógázokat, hogy a lyukacsos falon átáramoljanak, így a koromrészecskék megkötődnek a felületen és a közeg pórusaiban. A korom felhalmozódik a szűrőben és amikor elegendő hő van jelen, a regeneráció megtörténik, oxidálódik a korom és megtisztul a szű-

KUTATÁS ÉS FEJLESZTÉS rő. A részecske szűrő kialakításának nehézsége a megbízható és konzisztens regeneráció lehetővé tétele, így a korom minden terhelési ciklus esetén eltávozik. Az „aktív” eljárás alkalmazása magában foglalja a részecskeszűrő ellen nyomás folyamatos figyelemmel kísérését és a regenerációs eseményeket és a szűrő belépő hőmérsékletének szabályozását. Számos eljárás létezik a kipufogógáz hőmérséklet szabályozásához a DPF „aktív” irányítása céljából. A legígéretesebb módszerek egy aktív integrált rendszerre a IIIB fokozatra a dízelmotor égésfolyamat irányítás és egy kiegészítő oxidációs katalizátor együttes alkalmazása. Ez lehetővé fogja tenni a regenerációt kis környezeti/kis terhelési viszonyok esetén, amikor a kipufogógáz hőmérséklet alacsony és a normál üzem során is. EPA követelményei megállapítják, hogy minden motornak el kell érni a megkövetelt csökkentés minden állapotban. Ez az amiért az aktív szabályozások szükségesek.

12. ábra Állítható vezető lapátozású turbófeltöltő (Forrás: MTU) Bild 2. G Figure 2. G

további károsanyag kibocsátás csökkentési lehetőségek •

DPF nehézségei

Karbantartás szükséges lehet a dízel részecske szűrőknél. Fémek a kenőolaj adalékokban hamuvá válnak és összegyűlnek a szűrőben, amint az olaj fogy, és a részecskék kiégnek a regeneráció révén. Ha ez az eset áll fenn, a hamut ki kell tisztítani a szűrőből vagy eldugulhat. Fleetguard emissziós megoldásokat jelenleg már bevezettek az első kereskedelmi tisztítórendszerben az üzemben a gépjármű átalakítási piacon. Ugyanakkor a Cummins hosszú távú célja ennek a karbantartásnak az elkerülése. Cummins jelenleg az olaj gyártókkal a kis hamutartalmú olajok fejlesztésén dolgozik és meg akarja érteni, hogyan viselkedhetnek a különböző adalék összetevők a szűrő eltömődés tekintetében. Ha a dízel részecske szűrők karbantartása szükséges, úgy látjuk, hogy viszonylag nagy óraidőtartam után lesz.

Utánkezelési technológiák,

•

•

Dízel tüzelőanyag jellemzői: Tüzelőanyag adalékok alkalmazása és a tüzelőanyag tulajdonságok javítása, mint a cetánszám növelése, az aromás vegyületek csökkentése és csökkenő kéntartalom hozzájárul a csökkentett NOx és PM emissziókhoz. Alternatív tüzelőanyagok: Kisebb széntartalmú alternatív tüzelőanyagok, különösen a földgáz és a dimetil-éter (földgázból vagy szén nyersanyagból készítik) nemcsak kisebb CO2 emissziót kínálnak, NOx és PM emissziót is. Ugyanakkor kisebb fajlagos energiahatékonyság léphet fel, attól függően hogyan gyullad meg a tüzelőanyag-levegő keverék az égéstérben. Biodízel gyártás olajos magvakból és állati zsíradékokból kisebb CO2-öt és PM-et eredményez. Alternatív erőforrások: ÉszakAmerikában hagyományos vasúti dízelmotoroknak azokat a közepes járású motorokat tekintik, melyeket az USA eredeti berendezés gyártók tervezési tulajdonának


megfelelően gyártottak vagy újra gyártottak (EMD, GETS, Caterpillar vagy ALCO). Alternatív erőforrásokhoz tartoznak azok a más gyártók dízelmotor tulajdonjogai vagy az USA-ban, vagy másutt, gyorsabb járású dízelmotorok, gázturbinák, hibrid motor, akkumulátor egységek vagy tüzelőanyag cellák.

Alternatív tüzelőanyagok

Kisebb széntartalmú alternatív tüzelőanyagok különösen a földgáz és dimetil-éter (földgázból vagy szénből betáplált nyersanyagból gyártott) nemcsak CO2-csökkentést kínálnak, hanem NOx és PM-csökkenést is. Emellett kisebb fajlagos energiahatékonyság jelentkezne attól függően, hogyan gyullad meg a levegő-tüzelőanyag keverék az égéstérben. A 20 % biodízel tartalmú gázolajkeverék tisztának tűnik a vasúti mozdonyokhoz, az egyetlen probléma a nagy harmatponti hőmérséklete ami hidegebb tél során történő használatával szemben nehézségeket okoz. A kevert tüzelőanyagok a petróleum és néhány emissziós előny elmozdulását nyújtják. Biodízel gyártás kevesebb energiát igényel, mint a kőolaj alapú dí-

35

KUTATÁS ÉS FEJLESZTÉS zelolaj; így kisebb CO2 kibocsátással jár. Az etanol kőolaj alapú dízelolaj keverékek (e-dízelként ismerik) úgy tűnik, teljesítmény javulást és kisebb PM-emissziót nyújtanak, de a kőolaj alapú dízelolajhoz viszonyítva kisebb lobbanásponttal rendelkeznek, mely gondosabb kezelési eljárást követel meg. Víz-kőolaj alapú dízelolaj emulziókat vizsgálnak a dízel égésfolyamat csúcs lánghőmérsékletének és ezzel az NOx képződési szint csökkentésére vonatkozó lehetősége tekintetében.

Alternatív erőforrások

A jövő erőforrásaival kapcsolatos mozdonyos alkalmazásokkal kapcsolatos fejlődésekre tekintettel, egy jelenleg kutatott lehetőség a homogén töltésű kompresszió gyújtású motor. Ez egy másik alternatív dugattyús motoros égésfolyamat, mely kitűnik nagy, dízelhez hasonló hatásfokkal, miközben nagyon kicsi NOx-ot és PM-et produkál. A HCCI égésfolyamat higított, előkevert, homogén levegő-tüzelőanyag töltést használ, mely reagál és elég egy térfogatban az egész hengerben, amint a dugattyú összesűríti. Az égés a teljes térfogatban egyidejűleg történik ellentétben a lángfronttal, mely dízel kompresszió gyújtás és égés esetén történik. A HCCI-nek ez a tulajdonsága lehetővé teszi, hogy az égés sokkal kisebb hőmérsékleten történjen az ezzel járó jelentős NOx és PM csökkenéssel. Az alapvető technológia kihívás a HCCI tökéletesítésére az égés irányítása a motor teljes üzemi területén nagy terhelésekig, más kihívásokkal a több henger egyenletes ellátása tüzelőanyaggal, hideg indítási képesség és a viszonylag nagy HC és CO-emisszió. Ezeknek a kihívásoknak megoldását célzó eljárások magukba foglalják érzékelők kiterjedt használatát, változtatható kompresszió viszony, változtatható szelepvezérlés és a tüzelőanyag jobb igazítása a HCCI jellemzőihöz.

A dízelmotorok fejlesztési

36

céljai Tovább folytatódik a dízelmotorok szerkezeti tökéletesítése és környezetterhelésének csökkentése Egyre fokozottabb mértékben jelennek meg a hibrid járműrendszerek passzív, aktív energiatárolókkal, Többmotoros koncepció fokozottabb megjelenése kombinálva a hibrid rendszerekkel (DB Regio AG keretszerződés 200 mozdonyra, 2011.), Alternatív tüzelőanyagok alkalmazása (LNG, biodízel stb.), Alternatív erőforrások (gázturbina, tüzelőanyag cella)

Összefoglalás, kitekintés

A helyhez kötött energiaellátó rendszerrel nem rendelkező vonalakon egyelőre még domináns marad a dízelvontatás. A hibridizáció egyre fokozottabb térnyerésével lehet azonban már a közeljövőben számolni. A villamos energia egyetemes jellegű, ezért inkább azok a rendszerek terjednek el, melyek a működéshez használnak villamos energiát. Egyre nagyobb szerep jut az energia optimális közlekedésirányításnak minden rendszerelem vonatkozásában, ugyanakkor a dízelmotor kiváltása a közeli jövőben kevéssé valószínű

Néhány a témával kapcsolatos alapvető fogalom definíciója

Dízel égésfolyamat: Az a folyamat, mellyel az előzetesen összesűrített levegőbe nagy nyomással, szabályozott módon, meghatározott mennyiségű tüzelőanyagot fecskendezünk, mely öngyulladással meggyullad és elég. A legtöbb dízelmotor kompresszió viszonya 15-20, mely 700-900°C közötti gyulladási hőmérsékletet hoz létre. Dízel emissziók: A dízelmotorok által kibocsátott emisszió összetevők a NOx-ok, részecske, elégetlen szénhidrogének (HC) és szén-monoxid. A NOx-képződés az égési csúcshőmérséklet függvénye. NOx hatással van az emberek, állatok egészségére és a környezetre. Ha az égési hőmérséklet


csökken a NOx csökkentése céljából, akkor ennek megfelelő növekedés jelentkezik a kibocsátott elégetlen tüzelőanyag mennyiségében, mint részecske- és gázhalmazállapotú szénhidrogének formájában. HC reakcióba lép a NOx-okkal továbbá más károsanyag összetevőkkel és napfény jelenlétében föld közeli ózont hoz létre (szmog). Az ózon és a részecske számos egészségre ártalmas hatásokkal kapcsolatos, beleértve a légzőszervi megbetegedéseket, környezeti károsodást és látási problémákat. Emisszió tényezők: Egy mozdony emisszió tényezői a fajlagos emis�sziók vizsgálati mérések adatai, a dízelmotor üzemi terhelési ciklusa és a fajlagos tüzelőanyag-fogyasztása alapján elvégzett számítások. A dízel kipufogógázok legfontosabb összetevői: NOx (nitrogén-oxidok): Ezek a nitrogén és az oxigén termékei, melyek a nagy égési hőmérséklet következményei. Az NOx-emisszió szintet az égési csúcshőmérskletcsökkentésével lehet csökkenteni. Ennek egyik lehetséges módja az előbefecskendezés késleltetése. Egy másik lehetőség a kipufogógáz visszavezetés. Mindkettő nagyobb tüzelőanyag-fogyasztást eredményez és csökkenti a dízelmotor teljesítményét. HC (szénhidrogének): Ezek a befejezetlen égés és a kenőolaj következménye, mely nem oxidálódik az égés során. A részleges égés termékei, melyet a rövid égési idő és a kis égési hőmérsékletek okoznak (amikor kis teljesítménnyel üzemelnek a motorok vagy túlzott (hosszan tartó) üresjárás esetén). Részecske: Az égés során képződött kormot tartalmazó égés maradéka, kondenzálódott vagy a korom és a szulfátok által elnyelt nehéz szénhidrogének. Ezt leginkább PM-néven ismerik. Az égési hőmérsékletek és az időtartam növelése csökkenthetik PM-t, de természetesen növelik a kibocsátott NOx-et. Itt meg kell jegyeznünk, hogy a fizika törvényei

KUTATÁS ÉS FEJLESZTÉS alapján nem létezik a hengeren belüli NOx-PM optimum. Eljárások, melyek NOx-et szabályozzák (mint például a befecskendezés időzítése) nagyobb részecske emissziót eredményeznek. Ennek megfelelően, az eljárások melyek szabályozzák PM-et, sokszor megnövekedett NOx-emissziókat eredményeznek. Ugyanakkor a NOx csökkentése a másodlagos PM légköri koncentrációjának csökkenését eredményezi. Például, úgy becsülhetjük, hogy 4 tonna nitrát (salétromsó) részecske keletkezik 100 tonna kibocsátott NOx során. CO (szén-monoxid): Ez a gáz a fosszilis tüzelőanyagok égésének mellékterméke. Ez dízelmotorokban más erőforrásokkal összehasonlítva alacsony. CO üvegházhatást (GHG green house gas) okozó gáznak tekintjük és a légkörben való felhalmozódása, összegyűlése hozzájárul a globális felmelegedéshez. SOx (kénoxidok): Ezek a ként tartalmazó tüzelőanyagok égésének termékei. Ez a károsanyag kibocsátás csökkenthető kis kéntartalmú tüzelőanyagok használatával. A kéntartalom mind az USA-ban, mind Kanadában folyamatosan csökken. O3 (ózon): Ez a NOx, HC kombinációjából keletkezik napfény jelenlétében. CO2 (szén-dioxid): Ez ideig ez a gáz a dízelmotorok égésének legnagyobb kibocsátott mellékterméke és az alapvető üvegházhatást okozó gáz, melyet a légkörben történő felgyülemlése miatt a globális felmelegedés alapvető okozójának tekintenek. CO2 és vízgőz a fosszilis tüzelőanyagok égésének normál melléktermékei. A CO2 emisszió csökkenése érdekében a közlekedési eszközöknél kedvezőbb tüzelőanyag fogyasztású dízelmotorok alkalmazásával, kisebb széntartalmú tüzelőanyagok használatával (mint a földgáz), biodízel használatával (melyek termelése kevésbe CO2-igényes), még nagyobb energiahatékonyságú közlekedési módok alkalmazása a személyek, áruk és nagy mennyiségű alapanyagok szállítására

vagy a mobilitás csökkentése.


37

Emisszió csökkentési technológiák a vasúti dízel vontatójárműveken 2. rész

Recommend Documents