Gépjárművek Üzemanyag ellátó Berendezései Dr. Szabó József Zoltán Egyetemi docens Óbudai Egyetem Mechatronikai és Autótechnikai Intézet
12. A. Előadás Környezetszennyezés csökkentés Benzin motor károsanyag kibocsátás csökkentési lehetőségei
EU5 2008/9* EU6 2012/13* EU4 2010
US10 2010 US10+ 2016
EU4 2008 EU4 2010
EU4 2012
USA Japán Jelenlegi EURO1-3 Jelenlegi EURO4 * Új járművek
EU4 2011 EU5 2009 EU4 2010/12* EU4 2012 EU4 2012
pNLT 2009/10* ppNLT 2013 KR EU4 2006/ 8* EU5 2010/11* TW
EU5 2009 EU6 2013
US04/ EU4 2008 US07/ EU5 2011
HK EU5 2009 Big cities EU4 200810 China EU4 2010/11*
EU5/ US07/ JPN NLT 2010/11*
US07/ EU5 2011
KÖRNYEZETVÉDELEM
Európai előírások az emisszióra vonatkozóan environnement
Gépjárművek európai emissziós határértékei Füstölés m-1
Hatályba lépés dátuma
NOx g/kWh
CO g/kWh
HC g/kWh
PT g/kWh
EURO 0 előtt
-
18
14
3,5
0,72
-
-
EURO 0
1990.10.01
14,4
11,2
2,45
0,72
-
-
EURO 1
1993.10.01
8
4,5
1,1
0,36
0,63
-
EURO 2
1996.10.01
7
4
1,1
0,15
0,25
-
EURO 3
2001.10.01
5
2,1
0,66
0,1
0,13
0,8
EURO 4
2006.10.01
3,5
1,5
0,46
0,02
-
0,5
EURO 5
2009.10.01
2
1,5
0,46
0,02
-
0,5
EEV
nem kötelező
2
1,5
0,25
0,02
-
0,15
EURO 6
2014-től
0,4
1,5
0,13
0,01
-
-
Személygépkocsik európai emissziós határértékei (g/km) Fokozat
Év
Co
Hc
HC+Nox
Nox
PM
Dízel Euro 5
2009.09.01 0,5
0,23
0,18
0,005
Euro 6
várhatóan 2014.09.01 0,5
0,17
0,08
0,005
Benzin Euro 5
2009.09.01 1
0,075
0,06
Euro 6
várhatóan 2014.09.01 1
0,075
0,06
Közúti nehézgépjármű ultra alacsony emissziós normák PM (korom)
0.03
(g/kWh)
JPN NLT 2007 0.02
EU5
EU4
2009
Bevezetés éve, minden járműre
2006
“US07” 2007
US10 2010
0 0
2013
2010
EU6
JP pNLT
JP ppNLT
2013-2016
0.01
0,5
NOx (g/kWh) 1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
Benzinmotor Tökéletes égés esetén (ideális állapot)
A motor benzin (azaz szénhidrogén: HC) és levegő (O2)
SZ
keverékét szívja be
SZÍVÁS
A motor benzin (azaz szénhídrogén: HC ) és levegő (O2)
SZ
keverékét szívja be
a nyíló szívószelepen SZÍVÁS át.
Közben a benzin cseppek elgőzölögnek
SZ SZÍVÁS
Közben a benzin cseppek elgőzölögnek
SZ SZÍVÁS
SZ
Kémiai átalakulás nem történik!
SZÍVÁS
A sűrítés során a benzin-levegő keverék nyomása és hőmérséklete növekszik
S
SŰRÍTÉS Kémiai átalakulás nem történik!
S SŰRÍTÉS Kémiai átalakulás nem történik!
S SŰRÍTÉS Kémiai átalakulás nem történik!
A felső holtpont előtt
GY
a gyújtógyertyán megjelenik
GYÚJTÁS a villamos ív a gyújtószikra
GY GYÚJTÁS
GY GYÚJTÁS
GY GYÚJTÁS
GY Az ív hőenergiája indítja meg az GYÚJTÁS égést a vegyi átalakulást
A vegyi átalakulás során a HC és O2 TÖKÉLETES ÉGÉS ESETÉN víz és széndioxid keletkezik
Tökéletes égés és keveredés esetén
a lángfront egyenletesen terjed
T TERJESZKEDÉS
A gázok égésekor felszabaduló energia révén
T
a motor hasznos munkát végez
TERJESZKEDÉS
T TERJESZKEDÉS
T TERJESZKEDÉS
Az energiájukat vesztett gázok
K
KIPUFOGÁS a kipufogó-szelepen át a szabadba távoznak
K KIPUFOGÁS
K KIPUFOGÁS
Ennek a gáznak (kipufogó gáz) az összetételét
K KIPUFOmérikGÁS a gázelemző készülékek
Benzinmotor Tökéletlen égés esetén (valós állapot)
A felső holtpont előtt a gyújtógyertyán megjelenik
GY GYÚJTÁS a villamos ív (gyújtószikra)
Az ív hőenergiája megindítja az égést
GY GYÚJTÁS a vegyi átalakulást
Mivel a keveredés és az égés sem tökéletes, az égés során a széndioxidon és vízen kívül
más anyagok
is keletkeznek.
A léghiányos területeken szénmonoxid
GY
keletkezik.
AGYÚJTÁS szénhidrogénből is marad elégetlen rész.
A magasabb hőmérsékletű részeken
N2+2O2=2NO2 a levegő nitrogénjének egy része oxidálódik
Különböző nitrogénoxidok keletkeznek (NO, NO2, NO3)
Ezeket összefoglalva NOx-ként jelöljük
Mivel nem tudtuk elégetni, természetesen még az oxigénből is marad (O2).
SZÉNDIOXID SZÉNHIDROGÉN NITROGÉNOXID SZÉNMONOXID OXIGÉN
A kipufogógáz tehát (a vízgőzön kívül) több összetevőt tartalmaz!
A széndioxid A szerves anyagok normális égésének természetes égésterméke. Környezetvédelmi szempontból a hosszabb időtartamú széndioxid kibocsátást tekinthetjük veszélyesnek, ugyanis a légtér széndioxid feldúsulása klímaváltozáshoz vezet.
A széndioxid A légkörben a széndioxid szabályozza a kibocsátott napsugárzás felszínen maradó mennyiségét,...
A széndioxid Ha megnövekszik a légkör széndioxid tartalma, akkor az úgynevezett üvegház hatás következtében tartósan megnő a Föld átlagos hőmérséklete
A széndioxid A kipufogógáz széndioxid tartalmát térfogat-százalékban (Vol%) adják meg. Pl.:
13Vol%=
13% CO2
87% egyéb gáz
Minél nagyobb a kipufogógáz CO2 tartalma, annál tökéletesebb az égés, annál gazdaságosabb a motor üzeme
SZÉNHIDROGÉNEK
A kipufogógázokban elégetlen szénhidrogének találhatók. Az üzemanyag bomlástermékeiből, főleg aldehidekből, keton-származékokból, szerves savakból, aromás vegyületekből áll.
SZÉNHIDROGÉNEK A kipufogógáz HC tartalma a hőelvezetés és az égésfolyamat megszakadásának valamint az égéstér szűkebb, a falhoz közeli részeiben létrejövő tökéletlen égés következményeként jön létre. Képződését az égéstér alakja és az öblítés hatásossága befolyásolja.
SZÉNHIDROGÉN
Környezet károsító hatása főként abban jelentkezik; hogy a növények felszíni szöveteiben felhalmozódik.
SZÉNHIDROGÉN Mivel a növények felszíni szöveteiben felhalmozódik,
levélhullást, virágzási, szaporodási problémákat, a virágok szövetpusztulását okozza.
SZÉNHIDROGÉN
SZÉNHIDROGÉN
SZÉNHIDROGÉN
SZÉNHIDROGÉN
SZÉNHIDROGÉN Az aromás szénhidrogének rákkeltő hatása is kimutatható.
A közlekedés a HC-szennyezés kb. 75%-át adja!
SZÉNHIDROGÉN A kipufogógáz szénhidrogén tartalmát ppm- ben adják meg. ppm = parts per million, azaz milliomodrész. 100 Vol%=1 000 000 ppm
Például: 400 ppm=400/1 000 000 = =0,0400/100=0,04%
SZÉNHIDROGÉN Egy belsőégésű motor kipufogógázának magas HC tartalmát : • gyakran gyújtáskimaradás, • hibás gyújtókábel, • helytelen gyújtási időpont vagy zárásszög, • tömítetlen szívórendszer, • helytelen keverék-beállítás, vagy • rosszul záró szelepek okozzák.
SZÉNHIDROGÉN Az összes előbb felsorolt hiba tökéletlen égést eredményez és a HC tartalom megnövekedése mellett egy nem elhanyagolható mértékű túlfogyasztást is okoznak.
A szénmonoxid
Mérgező, színtelen, szagtalan gáz.
Akkor keletkezik, ha az égéshez nincs elegendő oxigén. (léghiányos égés)
A szénmonoxid Megakadályozza az oxigén és a vér hemoglobinjának összekap-csolódását, ezért az képtelen lesz az oxigén szállítására. Ez a szövetek oxigénhiányához, látásés egyensúlyzavarokhoz, figyelemkieséshez, szédüléshez, légzéselégtelenséghez, súlyosabb esetben halálhoz vezet. A növényekre ártalmatlan.
A szénmonoxid A CO tartalom értékét térfogatszázalékban(Vol%) adják meg. A magas CO – érték: • túl dús keverék, • túl alacsony alapjárati fordulatszám, • helytelen benzinszint beállítás, • elszennyeződött levegőszűrő, • hibás forgattyúsház-szellőzés • vagy hibás porlasztóbeállítás esetén alakulhat ki.
A szénmonoxid
A magas CO és az alacsony CO2 értékek oxigénhiányra utalnak. Ebben az esetben túl dús a keverék. Mivel a levegő mennyiség adott, így a bevezetett üzemanyag mennyiségét kell csökkenteni.
Az oxigén Az O2 a széndioxiddal együtt az égésfolyamat lefolyásának egyik legbiztosabb jelzője. Ugyancsak Vol%-ban mérik. Ha mérjük az oxigéntartalmat miközben a porlasztót vagy a befecskendező-rendszert dús keverési arányról szegényre,vagy fordítva, szegényről dúsra átállítjuk, akkor az oxigéntartalom min. 0,5 % érték – ugrásszerű – megváltozása jelzi az átmenetet.
Az oxigén A szívórendszer tömítetlensége vagy gyújtási problémák az oxigéntartalom erős ingadozását okozzák. Az oxigén a széndioxiddal együtt a sztöchiometrikus pont biztos indikátora is.
Az oxigén A sztöchiometrikus ponton a keverési arány (l) megfelel az elméleti keverési aránynak, azaz nincs sem léghiány, sem légfelesleg. l =1 :a benzin-levegő keverési tömegaránya r =1:14,7 sztöchiometrikus (görög): a kémiai egyenlet egyensúlyának megfelelő keverési arány
Az oxigén Ha a motor katalizátoros, a CO és HC értékek a nullához közelítenek, csak a széndioxid és az oxigén értékek utalnak pontosan a helyes keverék beállítására. Dús keverék esetén a CO2 és az O2 érték is igen alacsony. Szegény keverék esetén a CO2 ugyancsak alacsony, de az O2 értékek kimutatják az oxigénfölösleget.
A nitrogénoxidok A környezeti levegő kb. 78% nitrogénből és 20,9% oxigénből áll. A maradék gázok csekély részarányban CO2-t, nemesgázokat, és más egyéb gázokat tartalmaznak. A belsőégésű motor az oxigént felhasználja a működéséhez, a nitrogént viszont nem. Ezt csaknem teljes egészében újra kibocsátja.
A nitrogénoxidok
Az oxigénben dús, magas hőmérsékletű égés következtében a beszívott levegő nitrogénjének egy része valamilyen nitrogénoxiddá oxidálódik. ( NO2, NO3, NO NOx)
A nitrogénoxidok Az emberi szervezetre gyakorolt hatása hasonló a szénmonoxidéhoz. Nagyobb töménységben mérgezést, halált okozhat. A növényekre is káros szövetroncsoló hatással van. A légkörbe kerülve befolyásolhatja az ultraibolya sugárzást. Az elégetlen szénhidrogénekkel összekapcsolódva a rettegett SZMOG-ot alkotja.
A nitrogénoxidok Az NOx-ek a motor égésterében képződnek 1100...1200 ºC hőmérséklet fölött. Emiatt szükséges a szériakocsik ún. típusvizsgálata során a jármű kipufogógázának NOx - tartalmát szabvány szerint mérni. (gramm/km, vagy g/miles mértékegységben)
A nitrogénoxidok Az NOx tartalom csökkentésének egyik módja az úgynevezett EGR rendszer (Exhaust Gas Recirkulation = kipufogógáz-visszavezetés)
alkalmazása. Egy speciális szelep segítségével a friss keverékhez a teljesítménytől függő menynyiségű kipufogógázt adagolnak. Ennek következménye az égési hőmérséklet és a kipufogógáz NOx tartalmának lényeges csökkenése.
A nitrogénoxidok
Ellentétben a szokásos kipufogógáz komponensekkel az NOx -tartalmat a szerelők nem befolyásolhatják, feltételezve azt, hogy az alapfunkciók, a gyújtási időpont, a szelepvezérlés, a kipufogógáz visszavezető rendszer és a keverékképzés rendben van.
Káros anyagok képződése Benzin motorok égésterében
Benzinmotorok kipufogógáz-összetétele N2 O2 H2O CO2 CO NOX SO2 Pb HC
Nitrogén Oxigén Víz Szén-dioxid Szén-monoxid Nitrogén-oxid Kén-dioxid Ólom Szén-hidrogén
Emisszió csökkentési lehetőségek benzinmotor esetében
Szelepemelés 2.8 V6 FSI Változtatható szelepvezérlés Valvetronic FILM
Schaltbarer Schlepphebel „2/3-stufig“ (z.B. Honda VTEC)
Schalttasse „2-stufig“ (z.B. Porsche Variocam Plus)
mech. VVH-System mit Zwischenhebel „kontinuierlich“ (z.B. BMW Valvetronic)
Kipufogógáz tisztítás katalizátorral
Hordozó felület
Köztes réteg (Wash-coat)
Platina,Palladium, Rhodium bevonat
Kipufogógáz tisztítás
Benzin Levegő
Kat.elött Kat.után
CxHy + O2 = CO2 N2
H2O
H2O
CO
CO2
CO2
CxHy
H2O
NOx
N2
Kipufogógáz tisztítás A fejlesztés kezdetén léteztek nem szabályozott rendszerek, ma már kizárólag Lambda-szondával szabályozott rendszereket alkalmaznak a járműgyártásban.
A katalizátor csökkenti a kipufogógáz mérgező komponenseit
(szén-monoxid, nitrogén-oxidok szénhidrogének). A katalizátor nem vesz részt a reakcióban, csak elősegíti azt. A rácsszerkezete lehet fém vagy kerámia, erre jön a hordozó réteg, mely többszörösére növeli a felületet, így hatékonyabb a kipufogógáz tisztítás. Erre kerülnek a katalitikus hatású fémek.
Katalizátorok felépítése
1,2l 3 hengeres motor Nincs előkatalizátor A katalizátor közvetlenül a kipufogógáz gyűjtőcső mögött foglal helyet, így gyorsan felmelegszik, és a gázok utókezelése indítás után hamar megkezdődik. Katalizátor
A katalizátort károsító hatások A hőmérsékleti viszonyok miatt a katalizátorok elhasználódnak, és ez befolyásolja az átalakítási-kapacitásukat. A termikus elhasználódás mellett az átalakítási-képességet a szennyezés is ronthatja (kémiai elhasználódás). Például ha gyújtáskimaradások következtében túl magas hőmérsékletek alakulnak ki a katalizátorban, akkor az aktív katalizátorfelület károsodhat. Bizonyos körülmények között a katalizátor mechanikusan is sérülhet (benyomódik, széttöredezik, leválik a hordozó réteg). Az elöregedett vagy hibás katalizátornak kisebb az oxigéntároló kapacitása, és így rosszabb az átalakító-képessége. Ha a teszt során a szénhidrogének szintje meghaladja a hatályban lévő határértékek 1,5-szörösét, akkor ezt fel kell ismernie az OBD rendszernek.
Katalizátorok főbb típusai, fejlődése
OBD motorvezérlő rendszer /Otto/ Aktívszéntartály
Tank szell.szelep
Lezáró-szelep
Befecskendezőszelep
Gyújtótekercs/ gyújtógyetya
MAP-szenzor
Szekunderlevegő -szivattyú
NW-szenzor
Szekunderlev. -szelep
.
Légtömegmérő
λ-szonda
Hőm.-érz.
Kop.-sz.
E-GAS
LSU
ECU
KAT.
AGR-szelep Fordszámadó Különbségnyomásszenzor
Vezérlőegység LSF
λ-szonda
Diagnosztikai aljzat
AKKU
MIL-lámpa
Üzemanyag -szivattyú
OBD-specifikus komponensek
Indításgátló CAN
LITO-TECHNIK
Gázpedál-modul
KBS
Hagyományos komponensek .
OBD felügyeleti rendszer
Lambda szabályzás folyamata
Átalakítási hatásfok %
Lambda-ablak 100 Szondafeszültség (V)
V
1.0
50
0.5
0 dús LITO-TECHNIK
0.9
1.0 elméleti
1.1
szegény OBD felügyeleti rendszer
Lambda szabályzás hatása
0,9 0,95 1,0 1,05 1,1 Luftzahl l
----- utókezelés nélkül utókezeléssel
utókezeléssel
Lambdaszonda felépítése védőhüvely fűtés-csatlakozás
tömítés
fűtőelem
Cirkóniumelem kerámia-tartó
LITO-TECHNIK
OBD felügyeleti rendszer
Lambda szonda típusok
Oxigénszondák: /ZrO2+Y2O3/ --/”Feszültség-szonda”/ Fűtetlen /LS/ - Fűtött /LSH 24/ - Fűtött – testpotenciál eltolt /LSH 25/ Planár-referenciakamrás /LSF/ - Szélessávú – kétcellás – „szivattyús” /LSU/ -
Ellenállás-szondák: /Titán-oxid /--TiO2
„Ugrás jelű” Lambda szonda felépítése
Szélessávú Lambda szonda
