ESZTERHÁZY KÁROLY FŐISKOLA TERMÉSZETTUDOMÁNYI KAR FÖLDRAJZ ÉS KÖRNYEZETTUDOMÁNYI INTÉZET KÖRNYEZETTUDOMÁNYI ÉS TÁJÖKOLÓGIAI TANSZÉK
SZAKDOLGOZAT
KIPUFOGÓGÁZOK KÁROS EMISSZIÓJÁNAK CSÖKKENTÉSÉRE ALKALMAZOTT TECHNOLÓGIÁK
SZERZŐ: NAGY TAMÁS KÖRNYEZETTAN SZAK, III. ÉVF.
TÉMAVEZETŐ: DR. MURÁNYI ZOLTÁN FŐISKOLAI TANÁR INTÉZETIGAZGATÓ, TANSZÉKVEZETŐ ÉLELMISZERTUDOMÁNYI INTÉZET
EGER 2016, ÁPRILIS
TARTALOMJEGYZÉK
1. BEVEZETÉS
2
2. TÉMAFELVETÉS, CÉLKITŰZÉS
3
3. IRODALMI ÁTTEKINTÉS
3
3.1. BELSŐÉGÉSŰ MOTOROK TERMIKUS FOLYAMATAI
4
3.1.1. OTTO CIKLUS
5
3.1.2. DIESEL CIKLUS
6
3.1.3. KIPUFOGÓGÁZOK ÖSSZETÉTELE
7
3.1.4. HATÁSFOK, VESZTESÉGEK
9
3.2. KÖRNYEZETI KOCKÁZATOK
10
3.2.1. GLOBÁLIS HATÁSOK – EXPOZÍCIÓS HATÁSOK
11
3.3. KIBOCSÁTÁSI NORMÁK
13
3.4. KÁROSANYAG CSÖKKENTÉSÉT SZOLGÁLÓ TECHNOLÓGIÁK
16
3.4.1. MOTOR ELŐTT ALKALMAZOTT ELJÁRÁSOK
16
3.4.2. MOTORBAN ALKALMAZOTT ELJÁRÁSOK
18
3.4.3. MOTORON KÍVÜLI ELJÁRÁSOK – KIPUFOGÓGÁZ UTÓKEZELÉS
22
3.4.4. ALTERNATÍV TECHNOLÓGIÁK
28
4. A VIZSGÁLATOK ANYAGA ÉS MÓDSZERE
31
4.1. USA
31
4.2. EURÓPAI UNIÓ
32
4.3. JAPÁN
33
4.4. WLTP- WORLDWIDE HARMONIZED LIGHT VEHICLES TEST PROCEDURE
34
4.5. EMISSZIÓ MÉRÉSE
35
5. A VIZSGÁLATI EREDMÉNYEK ÉS AZOK ÉRTÉKELÉSE
37
6. KÖVETKEZTETÉSEK, JAVASLATOK
44
7. ÖSSZEFOGLALÁS
46
8. IRODALOMJEGYZÉK
48
9. ÁBRÁK, RÖVIDÍTÉSEK
49
1
1. BEVEZETÉS
Korunk legnagyobb, leginkább reflektorfényben lévő és hatását leghamarabb éreztető környezeti problémája a levegőszennyezés. A korábbi századokban az ipar térhódítása, ma pedig az infrastruktúra fejlődése, a közlekedésben egyre nagyobb szerepet játszó közúti fuvarozás és a személyszállítás okozza a legnagyobb környezeti terhelést. Ez utóbbi adja az antropogén eredetű légszennyezés több mint 50 %-át , ami természetesen nemcsak levegő, de talaj-, zaj-, fényszennyezéssel és vibrációterheléssel is jár. A személyautók számának növekedését okozza a mobilitáshoz való jog, a fogyasztói társadalom egyre nagyobb távolságot megtenni igénylő életmódja, valamint a tömegközlekedés egyre csökkenő szerepe. A fosszilis tüzelőanyagok leváltására a technika jelenlegi fejlettségi szintjén még nincs lehetőség, de a hatásfok növelése, az alternatív hajtóanyagok és az elektromos energia tárolásának hatékonyabb lehetősége jó eredményekkel kecsegtet. Addig azonban szembe kell néznünk a világ fejlődő részein csak koros járműparkkal rendelkező szennyezéssel, az autók számával és a megtett kilométerek növekedésével lépést tartani nem tudó infrastruktúrával, a dugóban ácsorgó és pöfögő autókkal. Ennek következtében nagy mennyiségben a légkörbe kikerülő égéstermékek nemcsak a klímaváltozásért, a levegő minőségének romlásáért felelnek, de elsőrendű okai a krónikus megbetegedések okozta haláleseteknek. A fogyasztói szokások változása a fejlett társadalmakban létrehozta az igényt a környezetbarát technológiák iránt, amit a politika - társadalmi nyomásra - kemény környezetvédelmi szabályozással támogat meg, sokszor olyan kompromisszumra kényszerítve a járműgyártókat, ami az eladhatóságot – ezzel kapcsolatban pedig a piaci pozíciójukat veszélyeztetheti. A társadalmi támogatottságot pedig a kedvezőbb adótétellel sújtott, új technológiával gyártott, kisebb kibocsátású járművek erősítik. Ebben a vevőkért folytatott versenyben csak az maradhat talpon, aki elegendő tőkével rendelkezik a technológiai fejlesztésekhez. Mára a kisebb autógyártó cégek szinte mind eltűntek vagy márkaneveik a nagy konszernek neve alatt élnek tovább. De ezzel együtt a nagyobb vállalatok is kénytelenek együttműködni a motorgyártásban, a költségek visszaszorítása érdekében. Sajnos ezek vezettek oda, hogy 2015-ben az egyik legnagyobb autógyártó konszern, termékei adatait meghamisítva próbált piaci előnyt szerezni a kibocsátás mérési adatainak manipulációjával. Fontos tehát hogy megismerjük, milyen környezeti, egészséget 2
veszélyeztető kockázatoknak vagyunk kitéve és a támogatott technológiák segítségével milyen hatékonysággal küzdünk a gépjárművek által okozott káros kibocsátások ellen.
2. TÉMAFELVETÉS, CÉLKITŰZÉS
A közlekedés mindennapjaink része lett. Ennek elsősorban a társadalomban lezajlott változások az elsődleges okai. A gazdasági átalakulás és modernizáció következményeképp a helyhez kötött termelés, a mezőgazdaság átalakult, az ipar koncentrálódott a jobb infrastruktúrával rendelkező területekre, és a szolgáltatási szektor aránya is nagymértékben megnőtt. Ez más munkaerő igényt, komplexebb képzést, ezzel összefüggően a lakhelytől távolabbi mindennapi elfoglaltságot jelent napjainkban. A modern kor emberének mindennapja lett az ingázás, melyből nagy aránnyal képviselteti magát a közúti közlekedés. Én is sokat utazom, ugyanakkor mindig érdeklődéssel követem a technikában rejlő új lehetőségeket. A társadalomra kifejtett hatásuk is fontos számomra, hogy vajon milyen örökséget hagyunk utódainknak, mennyire ésszerűek azok a technikai, környezetpolitikai elgondolások, amelyeket most követünk. Szakdolgozatom célja – a gépjárműtechnika iránti érdeklődésem és a környezetvédelem iránti elkötelezettségem által vezérelve – hogy választ kaphassak a fenntartható fejlődés mobilitásra gyakorolt hatásáról és ezeknek a törekvéseknek eredményeit bemutathassam. Alapvetően a két legelterjedtebb üzemanyaggal meghajtott technológián keresztül szeretnék képet kapni a modern gépjárműtechnika emissziócsökkentő eredményeiről.
3. IRODALMI ÁTTEKINTÉS
A világon a legelterjedtebb közúti közlekedési eszközökben alkalmazott erőforrások belsőégésű motorok. Ezen belül nagyobb részaránnyal a benzinnel hajtott járművek képviseltetik magukat, kisebb részesedéssel a gázolaj tüzelőanyaggal üzemelő járművek. Találkozhatunk még megújuló, alternatív hajtásokkal is, és bár elterjedésük fokozatosan nő, jelentőségük a közlekedésben egyelőre nem számottevő.
3
3.1
Belsőégésű motorok termikus folyamatai
Legelterjedtebb hőerőgépek a belsőégésű motorok. 1860-ban Lenoir készített először ilyen gépet, ami azonban még kétütemű volt. Lenoir motorja sűrítés nélküli szikragyújtásos motor volt. Ezt fejlesztette tovább a töltetcsere javításával Nikolaus August Otto 1876-ban. Az így kialakított motorszerkezet alacsony fordulatszámon, négy ütemben működött és jelenleg ez az alapja valamennyi dugattyús motornak. Rudolf Diesel nagyobb sűrítéssel dolgozó, jobb hatásfokú motort szeretett volna készíteni, ezért az üzemanyagot – gázolajat – a sűrítési ütem végén nagy nyomással juttatta a hengerekbe (1897). Napjainkban, a haszongépjárművekben már szinte kizárólag csak dízel motorokkal találkozunk. (BAGÁNY 2011). Hatásfokukat tekintve belsőégésű motorok természetesen nem a legtökéletesebb eszközök (1. táblázat), azonban kis tömegük, az alkalmazott üzemanyagok hozzáférhetősége és energiasűrűsége miatt jelenleg a legalkalmasabbak gépjárművek meghajtására.
A
belsőégésű motorokban nyitott körfolyamat zajlik, a munkatérben hőközlés történik, a tényleges munkát pedig a táguló füstgáz végzi. Ez fokozott terhelést ró a környezet levegőjére, növekvő légszennyezést okozva. Az egyre korszerűbb környezetvédelmi technológiáknak köszönhetően a kibocsátás viszont egyre csökken (BIHARI 2012). A motorok modernizációja során az égés lefolyása egyre jobban közelít a tökéleteshez, így azok hatásfoka folyamatosan javult az idők során. Mára minden egyes százalék hatásfoknövekedésért komoly árat kell fizetni, amelyet csak a technológiák együttes alkalmazásával és a veszteségek csökkentésével lehet elérni. 1. táblázat Erőgépek hatásfoka Hatásfok (%) Erőgép
erőgép önmagában
elsődleges energiahordozóra vetítve
Dugattyús gőzgép Gőzturbina
12-20
8-14
78-90
35-45
Benzinmotor Diesel-motor
20-32
17-27
30-45
25-38
Gázturbina Vízturbina
30-40
21-25
85-96
82-94
Szélmotor Villamos motor
30-40
6-15
85-95
28-32
4
3.1.1 Otto ciklus
Otto- ciklusban zajlik a benzinmotorok munkavégzése. A folyamat négy munkaütemen keresztül ciklikusan ismétlődik. Szívás ütemben, nyitott szívószelepnél történik a tüzelőanyag – levegő keverék bejuttatása a hengerbe, majd a következő ütemben, zárt szelepállásnál a dugattyú az alsó holtponton átjutva elkezdi sűríteni – komprimálni – a keveréket. A felső holtpont (legkisebb térfogat) előtt villamos szikrával meggyújtják a keveréket, majd – a harmadik ütemben – a holtpont után túljutva a meggyulladt keverék adiabatikus tágulása végzi a tényleges munkát. A dugattyú az alsó holtponton átlendülve, nyitott kipufogószelep állásnál, kifelé tolja a hengerekből az égésterméket. A kipufogó szelep ezután zárul és egyidőben kinyit a szívószelep, majd folytatódik ismét az első ütemmel (1. ábra). A szelepek vezérlését a forgattyústengelyről 1:2 áttétellel hajtott bütykös vezérműtengellyel szabályozzák (BAUER 2008).
a) b) c) d) 1 2 3
szívóütem sűrítési ütem munkaütem kipufogó ütem kipufogó vezérműtengely gyújtógyertya szívó vezérműtengely
1. ábra
4 5 6 7 8 9 10
befecskendező szelep szívószelep kipufogószelep égéstér dugattyú henger hajtórúd
11 M α s Vh Vc
forgattyústengely forgatónyomaték forgattyústengely elfordulási szög dugattyúlöket lökettérfogat sűrítési térfogat
Négyütemű motor működése (szívócső befecskendezéses kialakítás) 5
A motor munkadiagramján (2. ábra) szaggatott vonallal határolt területen látható az egy motorciklus alatt elvégzett munka. A motorüzemelés során az állandó térfogatú ideális körfolyamat nem valósítható meg, ezért az eltér ettől (DIETSCHE et al. 2008). Az Ottomotorok könnyen, gyorsan és rugalmasan szabályozható, nagy fordulatú gépek. Épp ezért alkalmazásuk célszerűbb olyan gépjárművekben, amelyek önsúlya kicsi, de mobil eszközökben is könnyedén alkalmazhatók kétütemű változataik. Fajlagos teljesítményük 500W/kg, melyet más erőgépek meg sem tudnak közelíteni (BIHARI 2012).
A B a b c d ZZ AÖ
2. ábra
ideális Vállandó körfolyamat valóságos p-V folyamat szívás sűrítés munkavégzés kipufogás gyújtási időpont kipufogó nyit
Nyomás-térfogat diagram
3.1.2 Diesel ciklus A gázolaj, mint tüzelőanyag felhasználása növelte a négyütemű motorok hatásfokát, viszont a szikragyújtás elhagyása, és a magas sűrítési arány újabb technikai problémákat vetett fel a dízelmotorok fejlesztése során. Működése sokban hasonlít a benzinmotorokéhoz, azonban az üzemanyag befecskendezése a sűrítési folyamat végén történik a térfogatcsökkenés miatt felhevült nagynyomású levegőhöz. Az így képződött elegyben öngyulladással megy végbe az égési reakció, majd a tágulás és a kipufogás már teljesen ugyanúgy történik, mint a benzinmotoroknál. A dízelmotor sűrítési aránya – mivel csak tiszta levegőt komprimál – nagyobbra tervezhető (1:15-1:24 között), mint a benzinnel üzemelő Otto-motoré (1:7-1:14). Ezáltal a hatásfoka is nagyobb, mint a benzinmotoroknak (BAGÁNY 2011). Mára a dízelmotorok fejlődése elérte azt a szintet, hogy teljesítményben és rugalmasságban is felveszik a versenyt a benzinmotorokkal (3. ábra). A dízelmotor, bonyolultabb kialakításának köszönhetően robosztusabb,
fajlagos
teljesítménye csak 250−350W/kg, azonban a jobb hatásfok miatt a felhasználási területe 6
szélesebb. Míg az Otto motorokat csak néhány 100 kW teljesítményig alkalmazzák, addig a dízellel több száz MW teljesítmény is elérhető (BIHARI 2012).
3. ábra
Középkategóriás személygépkocsik dízelmotorjainak fejlődése
3.1.3 Kipufogógázok összetétele A gépjárművek által kibocsájtott gázok összetételének meghatározó eleme a felhasznált tüzelőanyag minősége. 1kg benzin elégetéséhez 14.7 kg levegő szükséges. Ezt a sztöchiometrikus elegyet nevezzük λ=1 értéknek. Tökéletes égés esetén a lezajló folyamat: CxHy + (x+y/2)O2 = x(CO2) + y(H2O). A legjobb hatásfok azonban λ=1,1…1,3 értékénél található, légfelesleggel működtetve a motort, viszont a gyorsításhoz szükséges legnagyobb lángfront terjedési sebesség pedig λ=0.8…0.9 értéknél található. Nagy légfeleslegnél nő az égés hőmérséklete így az NOx (NO, NO2, NO3) képződés, alacsony lambda értéknél pedig a tökéletlen égésből származó HC (szénhidrogének) és szénmonoxid érték. A benzinüzemű motorok égési csúcshőmérséklete 2200°C – 2700°C, az átlagos gáz pedig 400°C – 850°C, ami szintén növeli a NOx kibocsátást (BIHARI 2012). A motor működtetésének másik kritikus pontja a légfeleslegnél jelentkező öngyulladási hajlam – vagy kopogásos égés – ami nagyfrekvenciás robbanásokat okoz az égéstérben, károsítva a motorszerkezet elemeit. Emiatt a beszívott keverék és a gyújtási szög folyamatos és pontos szabályozása elengedhetetlen.
7
4.
ábra
Károsanyagok képződése a dízelmotorban
Dízelüzem esetén a munkaütem öngyulladással kezdődik (4. ábra), és az égési csúcshőmérséklet is alacsonyabb, mint benzinüzem esetén (2200 °C ill. átlagosan 300−600°C (BIHARI 2012)), így folyamatosan működtethető légfelesleggel, de így jelentős NO x aránnyal kell számolni (5. ábra).
5.
ábra
Belsőégésű motorok átlagos kipufogó gáz összetétele 8
Előbbinek köszönhetően tökéletlen égés esetén is minimális CO (szénmonoxid) emisszióval, viszont az üzemanyag égéstérben történő egyenetlenebb eloszlása miatt nagyobb részecske (korom) kibocsátással jár a dízelüzem. A korom magva a tökéletlen égés során keletkező 100-300 nm közötti átmérőjű szén, mely magas fajlagos felülete miatt megköti az elégetlen szénhidrogéneket, a ként, a motorból származó fémrészecskéket valamint a vízgőz egy részét (SZABÓ 2013).
3.1.4 Hatásfok, veszteségek A belsőégésű motorok hatásfoka lényegesen eltér az ideális körfolyamattól, melynek oka a motorban jelenlévő veszteségek (6. ábra):
az égéstér hőelvezetése – hőleadás történik a falak felé, emiatt az ott összegyűlt keverék nem tud meggyulladni, főleg hidegüzemben;
tökéletlen keverékképzés – az üzemanyag eloszlása a levegőben nem egyenletes, nincs egységes határfelületű üzemanyag részecske;
véges égési sebesség – korlátozza a rugalmasságot, így magas fordulaton csökkenő hatásfok, magas CH tartalom;
töltetcsere veszteség – beszívott levegő szabályozását végző fojtószelep által keltett szívócső vákuumot a motornak le kell küzdenie;
súrlódási veszteségek – motor és segédberendezései által okozott;
λ = 1 veszteség – a motorokat ideális keverékarányon kell működtetni a károsanyagok csökkentése érdekében, a legjobb Otto-ciklus hatásfok viszont szegénykeverékes λ = 1,1..1,3 tartományban van.
A belső veszteségeket figyelembe véve a motorok tényleges hatásfoka az üzemanyag energia tartalmának 10–15%-os tartományában mozog (BAUER et al. 2008). Ezen kívül a gépjárművek esetén még figyelembe kell venni a járművek felépítéséből származó gyorsítási, fékezési, üresjárati, gördülési, légellenállási veszteségeket, melyek tovább csökkentik a gépjárművek hatásfokát. Ennek leküzdésére igyekszenek csökkenteni a gépkocsik üres tömegét, légellenállási – alaktényezőjét, üresjárati üzemét, fékenergia veszteségét.
9
6.
3.2
ábra
Benzinmotorok hatásfokláncolata λ=1-nél
Környezeti kockázatok
A földi légkörzés sajátossága és a közlekedés okozta emisszió vegyes összetétele, annak eltérő fizikai és kémiai tulajdonságai miatt, a légszennyezők környezetre gyakorolt hatása nem egységes. A levegőbe kerülő szennyezőanyagok az időjárásnak és a földrajzi viszonyoknak megfelelően a kibocsátás forrásától eltérő távolságra jutnak el, miközben fizikai kontaktusba és kémiai reakciókba kerülnek a környezettel, csapadék által kimosódhatnak, leülepedhetnek, koncentrációjuk csökken (SÁRVÁRY 2011). Ez a városok és utak, nagyobb közlekedési csomópontok környékén közvetlenül érezteti hatását, de globális hatása is megkérdőjelezhetetlen. A Földön 2007-ben több mint 900 millió gépjármű volt, melynek 99%-a benzin vagy dízel üzemű. A maradék 1% osztozik az egyéb üzemanyagokon, mint etanol, propán-bután gáz, földgáz, bioüzemanyagok (SZABÓ 2013). Az általuk okozott CO2 kibocsátás meghaladja az antropogén hatásra keletkezett mennyiség több mint felét (SÁRVÁRY 2011).
10
3.2.1 Globális hatások – expozíciós hatások a) Széndioxid – CO2 A járművek által kibocsátott gázok közül – bár nem károsanyag – de legnagyobb mennyiségben (10-20% között) képződő, az egyik legnagyobb környezeti problémát okozó frakciója a széndioxid. Üvegházhatású gáz, növeli a Föld légkörének hővisszatartó képességét (SÁRVÁRY 2011). A természetben is képződik széndioxid, de a bioszféra regeneráló képessége folytán vagy redukálja – fotoszintézissel – vagy akkumulálja
–
mészvázépítés – azt, így az egy természetes körfolyamatban vesz részt. Legjelentősebb részt az óceánok nyelnek el, de savasodásuk következményeképp a tengeri állatok nem tudják felépíteni mészvázukat. Az antropogén széndioxid kibocsátás ezt a folyamatot terheli tovább, aminek lehetséges következményeivel még nem kiszámíthatóak. Élőlényekre közvetlenül semleges hatású (de a nyálkahártyán szénsav képződhet), ez alól csak a magas koncentráció miatti oxigén kiszorítás képez kivételt. b) Víz A szénhidrogénekben lévő hidrogén égése során keletkezik, lehűléskor kondenzálódik. Szintén üvegházhatású, de a légköri emissziós víz mennyisége elenyésző a természetes folyamatokhoz képest, így nem mérhető. Aránya a kipufogógázokban 13% körüli. c) Szénmonoxid – CO Szénhidrogének tökéletlen égése során keletkezik. Szintén rendelkezik természetes körforgással. Az antropogén források 80%-a belsőégésű motorok terméke [OLIVIER et al. (1999, cit. MÉSZÁROS, 2006)]. Színtelen, szagtalan, gyúlékony gáz, sűrűsége közel áll a levegőéhez, így észlelése csak műszerekkel lehetséges. A szénhez tartozó elektronpárját könnyen leadja, redukáló hatású, komplexképző. Másodlagos üvegházhatással is rendelkezik, mert a CH4 tartózkodását – a hidroxil gyökök eltávolításával, annak oxidációját gátolva – meghosszabbítja a légkörben (MÉSZÁROS, 2006). Nitrogénoxidokkal együtt fotokémiai úton ózon prekurzorokat képez, hozzájárulva a troposzférikus ózon koncentrációjának növekedéséhez (IPCC 2014). Nagyon mérgező gáz, légzés során kerül a szervezetbe. A vér hemoglobinjában lévő vashoz 250-szer erősebben kötődik, mint az oxigén (SÁRVÁRY 2011). Mérgezés tünetei: émelygés, fejfájás, szédülés, látás és hallás képességek csökkenése. 0,32%-os koncentrációban 15 percen belül halált okoz.
11
d) Nitrogénoxidok – NOx Magas hőmérsékletű égésnél a légkör nitrogénje nem viselkedik inert gázként, hanem reakcióba lép az oxigénnel. A nitrózus gázok antropogén forrásainak 55%-a származik a közlekedésből [SKALSKA et. al. (2010, cit. SOLT 2011)]. Ebbe a vegyületcsoporba a tartoznak: NO, NO2, N2O, N2O3, N2O4, NO3 és N2O5, de szűkebb értelemben a NOx alatt csak a nitrogén-monoxidot és -dioxidot értjük. A NO színtelen gáz, ózon prekurzor képző, jelentős része van a Los Angeles típusú szmog kialakulásában. Belégzéskor nyálkahártyát irritáló, a vérerek tágulását okozza. A nitrogén dioxid barna színű gáz, nitrogén monoxidból képződik, nagyon reakciókepes, a tüdő szöveteit roncsolja. e) Kéndioxid – SO2 A
tüzelőanyagok,
üzemanyagok
kéntartalmának
oxidációjakor
keletkezik.
Az
üzemanyagokat finomítás során kéntelenítik, mert a magas kéntartalom károsítja a dízel járművek NOx tárolóját. A gázolaj megengedett kéntartalma 0,05% (BAGÁNY 2011). Legveszélyesebb szennyezőanyagok egyike. Vízben jól oldódik, kénessavat képez, ami a savas esők fő komponense. Erdő-, műemlékpusztulást, fémek korrózióját okozza. A London típusú szmog másik alkotóeleme a CO2 mellett. Irritálja a nyálkahártyát, a szemet. Belélegezve légzőszervi megbetegedéseket (bronchitis), súlyos esetben légzésbénulást okoz (SÁRVÁRY 2011). f) Szénhidrogének - HC A szénhidrogének is tökéletlen égés eredményeképp, igen változatos formában kerülhetnek ki a környezetbe a kipufogógázokkal. Többnyire részecskék formájában képződnek. Az alkánok, alkinek ciklikus illékony vegyületei és izomerjeik, nem tudnak felszívódni a szervezetben, ellenben könnyen halogenizálódva már káros CFC-t képeznek. Egy részük csak a sztratoszférában bomlik el UV hatásra, károsítva az ózonréteget. Az aromás vegyületek – mint a benzol C6H6 – rákkeltő anyagok, a szervezetben máj és vesekárosodást okoznak. A policiklikus aromás vegyületek – pl. benzpirén – pedig szintén karcinogén hatásúak, a szervezetben metabolitok keletkeznek belőlük, amelyek elősegítik a sejtburjánzást (KOSÁRY és SCHREIBER 2011). Valamennyi PAH vegyület könnyen halogenizálódik, a régebben alkalmazott égésjavító adalékokkal könnyen képez PCDD, PCDF vegyületeket.
12
g) PM – részecske Levegőben szuszpendált, azzal kolloid oldatot képező szálló szilárd és folyékony részecskék összessége. A PM10 a 10 mikronnál kisebb aeroszolt jelöli, az ettől nagyobb részecskék a felső légutakban kiszűrődnek, egészségügyi kockázatuk kicsi. (PM10 csökkentési program, 2016). Legveszélyesebbek a 2,5 mikronnál kisebb méretű részecskék – PM2,5 – a tüdőben lerakódva rontják annak gázcserélő képességét (SÁRVÁRY 2011). A gépjárművek által kibocsátott primer koromrészecskék különféle vegyületeket
adszorbeálnak magukba,
melyek lehetnek folyadékok, nehézfémek, szulfátok, nitrátok stb. (PM10 csökkentési program, 2016). h) Ólom Az üzemanyagok ólomtartalma az érvényben lévő szabványok szerint a benzinnél 0,013g/liter. Ennél magasabb ólomtartalom a katalizátorok károsodásához vezet. A 70-es évek előtt 0,1...0,2 g/liter volt a megengedett tartalom, mert ólom-tetrametillel és ólom tetraetillel javították a benzin kompressziótűrését (BAGÁNY 2011).
Az ólom kis
koncentrációban is igen mérgező. Légutakon és a tápcsatornán keresztül jut a szervezetbe, a kalcium és a cink helyére beépülve felhalmozódik a csontokban, a májban és a vesében. Gyermekeknél fejlődési rendellenességet okoz. A szervezetből nehezen vagy egyáltalán nem ürül ki (OSH Wiki, 2016).
3.3
Kibocsátási normák
A környezetvédelmi politika által kitűzött emissziós csökkentési célok megvalósítása forrás modell alapján történik, vagyis jogszabályi kertetek határozzák meg az autógyártókra vonatkozó kötelező előírásokat, normákat. A világ fejlett részein az egyes gépjárművek ezek szerint egyedi környezetvédelmi besorolásba kerülnek (7. ábra), az gyártókra pedig az összes flotta átlagára vonatkozóan egy kibocsátási maximumot határoznak meg. Ezek túllépése szankciókkal jár (SZABÓ 2013). Az Egyesült Államokban sokáig nem volt kongresszusi szabályozás a gépjárművekre, így az tagállami jogkör maradt. Az első szövetségi határérték rendszert rendeletek formájában adta ki az US EPA az olajválság idején 1974-ben. Ezt több lépcsőben szigorították, míg a jelenlegi szabályozás 2007-es modellévtől van érvényben, ami nagyon szigorú – a benzinmotorokéval megegyező szabályozást – tartalmaz a nitrogén-oxidok (0,2g/LE x óra) 13
és a részecskekibocsátás (0,01g/LE x óra) terén a járművekre. Ez a szigorú szabályozás – és a viszonylag alacsony üzemanyagár – korlátozza az Egyesült Államokban a dízel autók elterjedését.
7.
ábra
Személygépjárművekre 2009-ben érvényben lévő szabványok
A legalacsonyabb normák a 60-as évek óta Kaliforniára érvényesek, ahol a magas kibocsátású autókat nagyobb adótétellel sújtják. Itt jelen meg először jogi szabályozás az alternatív autók kibocsátási normáira 2004-ben. A határértékek szén-monoxidra (CO), nitrogén oxidokra (NOx), metánt nem tartalmazó szerves gázokra, formaldehidre és részecskékre vonatkoznak. A legújabb 2015 CARB Kaliforniai Választható Alacsony NOx szabványt (0,02g/LE x óra) az EPA szabályozás mellett bármelyik tagállam beemelheti jogrendjébe (DIESELNET, 2016). Ezzel a lehetőséggel élt Maine, Massachusetts és New York állam. Ezen kívül az NLEV (National Low Emission Vehicle) önkéntes programja kategóriákba sorolja a gépjárműveket és flottaátlag emissziót és fogyasztást határoz meg a gyártóknak, Kalifornia államhoz hasonlóan (BAUER 2008). Az
Európai
Unióban
a
gépjárművek
emisszióját
eredetileg
a
70/220/EEC
könnyűgépjárművekre valamint a 88/77/EC nehézgépjárművekre vonatkozó direktíva szabályozta. Az évek során egy sor módosítás született, ami lépésenként csökkentve 14
határozta meg a kibocsátási határétékeket. Az Auto-oil EU program csökkentésének központjában a szén-monoxid (CO), illékony szerves vegyületek (VOC), a nitrogén-oxidok (NOx) és a részecskék állnak. Ezek eredményei az EURO kibocsátási normák (2. táblázat) (EUROPEAN COMISSION, ENVIROMENT, 2016). A tagállami törvényhozásban a direktíváknak megfelelő jogharmonizációt kell végrehajtani. 2. táblázat Gépjárművek európai emissziós határértékei
Japán a 80-as években vezetett be szabályozást, ami leginkább takarékossági intézkedéseket tartalmazott, az ország energiafüggősége miatt. A 90-es években sem történt jelentős változás a követelményrendszerben, majd a Japán Környezetvédelmi Minisztérium 2003ban véglegesített egy szabványt, ami 2005-ben lépett életbe. Ez volt a legszigorúbb dízel emisszió szabályozás a világon. A kibocsátási normákat a Környezetvédelmi Tanács ajánlása alapján a minisztérium határozza meg (DIESELNET, EMISSION STANDARDS JAPAN, 2016). Az egyes országokban az érvényben lévő szabályozásoknak természetesen követni kell a gazdasági lehetőségeket, ezért a fejletlenebb régiókban – ott, ahol a korábbi EU szabályozás is előrelépést jelent – nem elvárható, hogy a legmodernebb normáknak való megfelelőség szerint kerüljenek forgalomba az új járművek. Az érvényben lévő szabványok bizonyos fokig kompatibilisek egymással.
15
3.4
Károsanyag csökkentését szolgáló technológiák.
A kipufogógázok nemkívánatos komponenseinek csökkentésére megkülönböztethetünk a reakció alapján primer, szekunder vagy a beavatkozás helye szerinti motor előtti, motorban, illetve motor után alkalmazott technológiákat. A primer besorolás elsősorban az égésfolyamatok javítását szolgálja, ezt az üzemanyag összetételének változtatásával, valamint a motor munkaütemben végzett hatékonyságának javításával lehet elérni, a szekunder pedig az égéstermékek utókezelését jelenti. Én a logikai rendszerezés alapján a beavatkozás helye szerinti csoportosítást választottam.
3.4.1 Motor előtt alkalmazott eljárások Legismertebb motor előtti technológia az üzemanyagok összetételének változtatása, a motoradalékok alkalmazása. Modern finomítókban a nyersolaj 80-85%-a alakítható át üzemanyaggá. A nyersbenzin és gázolaj nem felel meg a szükséges elvárásoknak, így azt alkalmassá kell tenni a szénhidrogének átalakításával és adalékolással. Csökkenteni kell az kén-, aromás-, olefin-, halogén-, benzol-, ólomtartalmat, benzin esetén növelni a kompressziótűrést, az illékonyságot, gázolaj esetén csökkenteni a kompressziótűrést, poliaromás tartalmat, sűrűséget, forráspontot (BAUER 2008, DIETSCHE et al. 2008). A benzinekkel szemben támasztott követelményeket az EN228, a dízel üzemanyagok kritériumait az EN590-es szabvány tartalmazza. Az Egyesült Államokban valamennyi tüzelőanyagét az ASTM D4814 szabvány. Az üzemanyagok egyik legfontosabb tulajdonsága a kompressziótűrés, amely a nagyobb sűrétési arány eléréséhez, ezáltal tökéletesebb égéshez és alacsony égéstermék HC tartalomhoz szükséges, a benzin és dízelmotoroknál egymáshoz képes fordított követelményként jelenik meg. A benzin eseténben oktánszámmal – ezen belül is kísérleti (RON) és motor (MON) oktánszámmal, gázolaj esetén pedig cetánszámmal jelöljük. A benzin kompressziótűrésének növelésére azért van szükség, mert ha az elősűrített keverék a szabályozott szikragyújtás helyett berobban (kopogásos égés), az a motorban károsodást okoz. Szikragyújtás esetén a lángfront sebessége a gyertyától kiindulva 15-25m/s, míg öngyulladás esetén ennek százszorosa is lehet. Az ilyen ellenőrizetlen égésből gömbszerű nyomáshullámok jönnek létre, nagyfrekvenciás rezgést keltve. A benzin kísérleti oktánszámát egy előzőleg kalibráló keverékkel (izooktán, n-heptán) működő motorban 16
vizsgálva hasonlítják össze. Motoroktánszámnál ugyanezt terhelés alatt mérik. Európában a szabvány szerinti minimum kísérleti oktánszám 95. (BAUER 2008). A gázolaj kompressziótűrése (gyulladási hajlama) minél alacsonyabb kell hogy legyen, hiszen kizárólag öngyulladással történik a munkavégzés előkészítése a hengerben. Itt a kalibráló üzemanyag nagyon gyúlékony n-hexadekánjához (cetán C16H37) 100-as, míg a nehezen gyulladó metil naftalinhoz (C11H10) 0 cetánszámot rendeltek. A korszerű motorok 50 feletti cetánszámú gázolajat igényelnek (DIETSCHE et al. 2008). A cetánszám befolyásolja az égési csúcsnyomást, tüzelőanyag fogyasztást, füstölést, a motor indíthatóságát, a lerakódásokat és a motorjárás keménységét (SZABÓ, 2013).
3. táblázat Benzin és a gázolaj jellemzői sűrűség (kg/m3)
fűtőérték (MJ/kg)
fűtőérték párolgáshő viszkozitás lobbanáselméleti (MJ/l) (kJ/kg) 20°C-on pont (°C) levegőarány (mPa·s) (1/kg)
Benzin
730…780
42,9
32
419
0,43
21
14,7
Gázolaj
815…855
42,43
35,8
544...785
10,2
55...150
14,5
Az üzemanyagoknak ezen kívül még számos kritériumnak meg kell felelni, amit adalékokkal biztosítanak és amelyek a benzin esetén a következők lehetnek: a)
oktánszám növelők
1912-ben figyeltek fel a kopogás jelenségére az Otto motoroknál. Ekkor kezdték ólom tetrametillel (-etillel) adalékolni a benzint, melynek segítségével 1:3-ról 1:7-re sikerült emelni a kompresszióviszonyt. Ekkor még nem számoltak az ólom egészségkárosító hatásával. Európában 2000-től nem lehet forgalomba hozni ólommal adalékolt benzint. Később benzolt alkalmaztak erre a célra. A ma alkalmazott kopogáscsökkentők oxigenátok, csökkentik a benzin aromás tartalmát Ezek a metil- és etil-tercier-butil-éter, tercier-amilmetil-éter, metanol, etanol, izopropil alkohol, tercier-amil-etil-éter, azonban vízoldékonyak, korrodálhatnak, könnyen felszívódhatnak a talajba, bár kevésbé szennyezőek, mint a nehézfém származékok (DIVISION PERFORMANCE, 2016). b) antioxidánsok Öregedésgátló adalékok a benzin tárolhatóságát javítják.
17
c)
detergensek, diszpergensek (poliizibutén aminok).
A motor üzem közbeni tisztítását, tisztántartását segítik elő. d) korrózióvédők A tüzelőanyagrendszert védik (aminok, zsírsavészterek). e)
sztatikus feltöltődésgátlók
Az üzemanyag szivattyúzási biztonságát, vezetőképességét növelik. f)
vízkiválás segítők
A benzin zavarosságát csökkentik. g) égésjavítók Égéslefutást javítják. h) ólomhelyettesítők Az ólom tetrametil (-etil) kenőképességét pótolják – szelepülékek kenése (zsírsavak kálium sói, fémorganikus anyagok, ferrocének). A gázolaj általánosan alkalmazott adalékai: a)
antioxidánsok
b) habzásgátlók Az üzemanyag rendszerben előforduló kavitáció csökkentését szolgálják. c)
égésjavítók, cetánszám növelők
Metil-, etil- propil nitrát, izopropil nitrát. d) füstöléscsökkentők Gátolják a koromképződést. e)
dermedéspont csökkentők
Javítják a szivattyúzhatóságot, gátolják a paraffin kiválást. f)
detergensek, diszpergensek
Lebegtetik, eltávolítják a szennyeződéseket a porlasztócsúcsról, a dugattyúgyűrűkről. (DIVISION PERFORMANCE, 2016).
3.4.2 Motorban alkalmazott eljárások A motorban alkalmazott eljárások célja az égés tökéletesítése, hogy az alkalmazott tüzelőanyag energiája minél jobban hasznosuljon. Bánki Donát porlasztójától (1873) kezdve, a gépészetben rengeteg újítás született a belsőégésű motorok hatékonyságának
18
növelésére. Ezt az igényt elsősorban gazdasági megfontolások támasztották, mert a világpolitikai változások nem kedveztek a kőolajár stabilitásának. a)
Keverékképzés
Az Otto motorok evolúciójában elsőként a keverékképzésben történt előrelépés. A hagyományos porlasztókat a befecskendezés váltotta fel, először mechanikus, majd elektronikus vezérléssel. Ez kiegészülve a légtömegmérési adatokkal, pontosabb üzemanyag adagolást tesz lehetővé. Napjaink benzinmotorjaiban a hengerenkénti injektoros vagy közvetlen hengerbe történő befecskendés terjedt el. Ennek előnye, hogy részterheléskor – mivel a befecskendezés közvetlenül az égéstérbe történik nagy nyomással (50-200bar) – képes szegénykeverékes üzemmódban is üzemelni (8. ábra). Az elektronikus motorvezérlő rendszerek pedig lehetővé teszik a tüzelőanyag pontos adagolását (BAUER 2008).
8. ábra
Rétegtöltés Otto motorokban
A közvetlen befecskendezés előnye leginkább nagy kompresszió és feltöltés esetén mutatkozik meg. Ekkor lehetőség van piezokristályos befecskendezőszelepek segítségével több részletben elő, ún. pilot adagokat juttatni az égéstérbe, amelyek lehűtik a komprimálódó levegőt, megelőzve az öngyulladást (BAUER 2008). Dízelmotorok esetén a befecskendézési nyomás a ma már szinte kizárólagos 3. generációs, közös nyomócsöves (common rail) technikával eléri az 1800 bar nyomást. Itt a többszörös pilot befecskendezés a tüzelőanyag előmelegítését szolgálja, de a halkabb motorüzemhez is hozzájárul (DIETSCHE et al. 2005). 19
b) Égés geometria A dugattyúpalást kialakítása mind a benzin-, mind a dízelmotoroknál azt a célt szolgálja, hogy a levegő, áramlása során – akár rétegtöltés esetén is – minél homogénebb elegyet alkosson az üzemanyaggal (BAUER 2008). c)
Szívócsatorna, szelepek
A szívócsőben keletkező gázlengések kihasználása elsősorban szívómotorokra jellemző. Az ideális fordulatszámra hangolás és a műanyag alkalmazása a szívócső anyagaként, a levegő felmelegedésének megakadályozására, optimalizálta a teljesítményt. A töltetcsere javítását segíti a többszelepes technika is. Ma már szinte valamennyi motor hengerenként 4 szeleppel ellátott (2 szívó, 2 kipufogó szelep) hogy a gázcsere minél gyorsabban végbe mehessen. Speciális megoldásként japán autókban elterjedt a henger öblítését javítandó, folyamatosan változó szelepvezérlés (VVT). A szelepeket fordulatszám és a terhelés változásával hidraulikus, későbbiekben elektromotoros eltolással összenyitják kipufogó ütem végén, így a töltetcserére kihasználják az égéstermék távozásakor létrejött nyomásesést. A BMW a 2000-es években kiegészítette a szelepmagasság állítással (9. ábra), így elhagyható a fojtószelep, amely részterhelésben a szívócsőben állandóan jelenlévő vákuum miatt szívóütemben veszteséget okozott (BAUER 2008).
9. ábra
BMW Valvetronic szelepvezérlés 20
d) Gyártástechnológia A technika fejlődésével korszerűbb, kisebb hőtágulású, nagyobb szilárdságú anyagokkal lehetett gyártani a motorokat, így az alkatrészek pontosabb illesztése önmagában is csökkentette a gépjárművek fogyasztását, s egyben az átlagkibocsátást is. (BAUER 2008). A legmodernebb gyárakban, ma már üvegfém (HVOF) vagy kerámia (TBC) bevonatot alkalmaznak a hengerperselyeken, csökkentve az illesztési hézagokat és a súrlódást. e)
Gyújtás
Az ideális légviszony mellett a károsanyag kibocsátásra a gyújtás energiája és időpontja van legnagyobb hatással. A gyújtás időpontja a motorterhelés és a fordulatszám függvénye. A modern motorokban a gyújtás időpontját elektronikusan vezérelt, kopogásszenzor segítségével a terhelésnek és a hozzá tartozó fordulatszámnak megfelelő gyújtási térkép alapján szabályozzák a kopogási határ alatt (BAUER 2008). f)
Feltöltés
A termikus hatásfok növelésének legkézenfekvőbb módja a kompresszió növelése. Ezt a közvetlen befecskendezés megjelenéséig csak korlátozott módban lehetett alkalmazni. A sűrítési arány növelésével egyenértékű a feltöltés alkalmazása. Az elősűrítés alkalmazásával lehetőség nyílt a motorok hengerűrtartalmának csökkentésére, amely részterhelésnél tovább csökkentette a fajlagos fogyasztást, így a károsanyag kibocsátást is. Az állandó fordulatú dízelmotorok hatásfokának régóta használt hatásfoknövelő módja a feltöltés, mivel a levegő elősűrítésével arányosan csak az üzemanyag befecskendezési nyomását kell emelni. Legelterjedtebb feltöltők a turbófeltöltők, melyek a kipufogógáz mozgási energiáját hasznosítják. Ezen kívül régebben alkalmaztak comprex (nyomáshullámos), roots (volumen töltés) és csavarkompresszor feltöltést dízel- és benzinmotorokon (BAGÁNY 2011). g) Kipufogógáz visszavezetés (EGR) A nitrózus gázok képződését égés hőmérséklete határozza meg, így annak csökkentése fontos feladat, elsősorban a légfelesleggel működő dízelmotoroknál. Ezt a kipufogótorokból a szívócsőbe vezetett – égés szempontjából inert – kipufogógázzal érik el (9. ábra). A friss oxigéndús töltet mennyisége lecsökken, vele együtt az égési csúcsnyomás is, de a hiányzó töltetmennyiséget feltöltéssel kompenzálják. A dízelmotoroknál az akár 40%-os recirkulációs arány még nem növeli a fogyasztást. Benzinmotoroknál szegénykeverékes üzemben szintén alkalmazzák az EGR visszavezetést (BAGÁNY 2011).
21
1 dízelmotor 2 szívócső 3 fojtószelep 4 megkerülő cső 5 visszavezetett kipufogógáz-hűtő 6 megkerülő szelep
10. ábra
7 kipufogógáz-visszavezető szelep 8 töltőlevegő hűtő 9 turbófeltöltő 10 tömegáram-mérő 11 oxidációs katalizátor
Nagynyomású kipufogógáz-visszavezetés és szabályozása
3.4.3 Motoron kívüli eljárások – kipufogógáz utókezelés A motor után alkalmazott emissziókezelés már kizárólag a környezetvédelmi megfelelést szolgálja. Az első ilyen eszközök a katalizátorok a 70-es években jelentek meg az USA-ban, benzines motorokra. Akkor még szabályozatlanok voltak, és csak két gázkomponenst tudtak kezelni. Az azóta eltelt több mint 40 évben mind minőségileg, mind az alkalmazás használhatóságának körében rengeteget bővült a technika, kiegészülve a modern emissziómenedzsmenttel. a)
Katalizátorok
Az első katalizátorok csak oxidációra voltak képesek, vagyis a kipufogógázban csak a HC és a CO tartalmat csökkentették. Később megjelentek szabályozott rendszerben működve, ami azt jelentette, hogy a kipufogógáz összetételét – maradék oxigén mennyiségét – egy szabályozó lambda szonda ellenőrizte a katalizátor előtt. A mai rendszerekben már hármas hatású katalizátort alkalmaznak a benzinmotoroknál. Itt már a katalizátor után is találhatunk egy diagnosztizáló lambda szondát, amely a katalizátor hatásfokát ellenőrzi. Feladata, hogy 22
a keletkezett égéstermékben háromféle károsanyagot, a szénhidrogéneket, a nitrogénoxidokat és a szén-monoxidot, átalakítsa nem mérgező komponensekké (BAUER 2008). A hármas hatású katalizátorban lezajlódó reakciók: (1)
2 CO
+ O2
→ 2 CO2
(2)
2 C2H6
+ 7O2
→ 4 CO2
+ 6 H2 O
(3)
2 NO
+ 2 CO
→ N2
+ 2 CO2
(4)
2 NO2
+ 2 CO
→ N2
+ 2 CO2
+ O2
A katalizátor a kipufogórendszer elején található, mert működéséhez 400-800 °C-os hőmérsékletre van szükség (BAUER 2008), így elengedhetetlen az égéstér közelsége. A gyorsabb felfűtés érdekében a modernebb rendszerekben emelt CH tartalom mellett szekunder levegő befúvására kerül sor. A kipufogógázok egy monolit (leggyakrabban kerámia, újabban fémes) egységre felvitt alumínium oxid hordozórétegen – 7000-szeresére növelt (összesen kb. 30000 m2) hatékony felületen – lévő katalitikus bevonaton lépnek reakcióba (LAKATOS 2008). Az alkalmazott bevonat platina és palládium a szénhidrogének és a szénmonoxid oxidálásához, valamint ródium a nitrogénoxidok redukciójához (11. ábra).
11. ábra
Katalizátor működése
Szegénykeverékes üzemmódban működő motorok esetében nem tudja átalakítani a nitrogén oxidokat a hármashatású katalizátor, ezért azt az utána alkalmazott NOx tároló katalizátorban (NSC) redukálják. A bevonata hasonló a hármashatású katalizátorhoz, de egyéb más fémeket 23
(pl. bárium) is tartalmaz. A katalizátor folyamatosan tárolja a nitrogénoxidokat, majd mikor telítődik, a motor dúsabb keverékre áll át és végbemegy a redukció. Bárium katalizátor esetén: + 4 NO2
+ O2 → 2 Ba(NO3)2
(1)
BaO
(2)
Ba(NO3)2 + 3 CO
→ 3 CO2 + BaO + 2 NO
(3)
2 NO
→ N2
+ 2 CO
+ 2 CO2
Az üzemanyagok kéntartalma inaktiválja a báriumot, ezért ha a NO x tároló katalizátor után lévő szonda érzékeli a hatékonyság csökkenését, a motorvezérlő dús és a szegénykeverékes üzemmódot váltakozva vezérelve megemeli a hőmérsékletet a katalízis normál 300-400 °Cos értékéről 650 °C-ra, ahol a báriumszulfát újra báriumoxiddá redukálódik (BAUER 2008).
b) Lamda szabályozás A hármashatású katalizátor hatékony működéséhez a kipufogógázban lévő égéstermékeknek egyensúlyban kell lenni. Ennek megfelelően az üzemanyag-levegő arányát sztöchiometrikus arányban kell tartani (λ=1). Ehhez pedig zárt szabályzási körre van szükség (12. ábra).
1 motorvezérlő (ECU) 2 szabályozó lambdaszonda
12. ábra
3 diagnosztizáló lambdaszonda 4 katalizátor
Lambdaszonda beépítés 24
Ennek felügyeletét végzi a lambdaszonda a kipufogórendszerben. Ha az adott üzemanyaglevegő keverék eltér a normál üzemmódra megadott aránytól, akkor a szonda jelzést küld a motorvezérlőnek,
ami
korrigálja
a
keverék
összetételét.
Működésük
alapján
megkülönböztetünk feszültséggenerátoros és ellenállás szondákat. A szondák üzemi hőmérséklete 400 – 900 °C közötti, ezért hidegüzemben fűteni kell a korrekt működés érdekében. A feszültséggenerátoros szondák cirkóniumoxid elektródával rendelkeznek, melynek érzékelőjében, a kipufogógázban és a környezetben lévő oxigénkoncentráció eltérő viszonyának hatására, potenciálkülönbség alakul ki. Ennek továbbfejlesztett változata a szélessávú – vagy planár – szonda, melyet szélesebb λ tartományban is lehet alkalmazni, így mind hidegüzemi dúsabb keveréknél, mind modern szegénykeverékes konstrukciójú motoroknál és dízelmotoroknál is alkalmazásra kerülhetnek.
1 védőcső 2 kerámia tömítőelem 3 szondaház 4 kerámia támasztócső
13. ábra
5 sík mérőcella 6 védőhüvely 7 csatlakozókábel
Planár lambdaszonda
Az ellenállásszonda munkafelülete titánoxid, melynek tulajdonsága, hogy lambda tartomány közelében nagyságrendekkel változik az ellenállása, így pontos szabályozást tesz lehetővé. A szonda, az ellenállásán keresztül képes a kipufogógáz hőmérsékletét is ellenőrizni, így jelet küldve a vezérlőegységnek, az beindítja a védelmi funkciókat, nehogy a katalizátor a túl magas hőfok miatt sérülhessen (LAKATOS 2008). c) Részecskeszűrők (DPF) Elsősorban a dízel ciklusban képződő aromás szénhidrogének szűrésére és oxidációjára szolgálnak. Ma már a modern dízelautókban a katalizátor után, azzal egybeépítve alkalmazzák. A személygépkocsikban leggyakrabban elterjedtek a kerámia monolitszűrők, 25
azonban a legújabb fejlesztésű zsugorított fémből készült szűrők lassan átveszik a helyüket. A kerámia monolit anyaga szilícium karbid vagy kordierit (magnézium-aluminium-szilikát), 300-400 µm falvastagságú csatornákkal. Az egymás mellett lévő csatornák végei felváltva, ellentétes oldalon lezártak. A kipufogógáz a porózus kerámiafalon átdiffundál, a kisebb részecskék pedig fennmaradnak a szűrő falán. Mind a kerámia, mind pedig a zsugorfém részecskeszűrők az 1-től 10 µm méretű részecskék 95%-át kiszűrik (DIETSCHE et al. 2008). A szűrő előtt és után található egy-egy nyílás, amelyek egy nyomásérzékelőbe vezetnek. Ez a nyomásérzékelő ellenőrzi a szűrő áramlási ellenállását, és ha nagy eltérést talál – ami a szűrő telítettségére utal – jelet küld az ECU-nak (14. ábra), ami elindítja a részecskeszűrő regenerálását. A regenerálás technológiától függően, eltérő módon zajlik. Kb. 500 km-es ciklusonként lezajló regeneráció során a részecskeszűrőt felfűtik a korom gyulladási hőmérsékletére (600 °C felett), ekkor a korom meggyullad és elég. A távozó égéstermék széndioxid és víz. A felfűtés elektromos fűtőszállal (bár ez ritka és költséges), plazmalánggal, vagy adalékos – korom gyulladási hőmérsékletét csökkentő eljárással történik. Létezik katalitikus bevonatú (CDPF) részecskeszűrő, amelyek hatásfoka nem éri el az adalékos rendszerekét, de élettartamuk hosszabb. Adalékos rendszereknél a korom égési hőmérsékletének csökkentését (350-400 °C) ferrocén (Fe(C5H5)2) alapú adalékkal végzik. Ezt egy külön tartályban tárolják, amely minden egyes tankoláskor a megfelelő adagot juttatja az üzemanyagtankba. Valamennyi típusú részecskeszűrő regenerációja kezdetén a dugattyú felső holtpontja után kb. 35°-os utólagos befecskendezéssel, üzemanyagot juttatnak az égéstérbe, ami a kipufogógázzal a részecskeszűrőbe jutva elég, megtermelve a szükséges hőt a korom oxidációjához. Kiégetés után az áramlási ellenállás alapértékre áll vissza. Az adalékos rendszer hátránya, hogy az adalékanyag visszamarad a szűrőben, így azt 150 000 km-es ciklusonként cserélni kell (SZABÓ 2013).
14. ábra
Telített részecskeszűrő 26
d) Nitrogénoxid szelektív katalitikus redukciója A nitrogéntároló katalizátorral ellentétben a szelektív reakció nem avatkozik be a motor vezérlésébe,
nem
okoz
többletfogyasztást
használata
során.
Jelenleg
dízel
haszongépjárművekben alkalmazzák, de felmerült a használata személygépjárművek esetében is. Lényege, hogy a nitrogénoxidok elbontását ammóniával végzik (Denoxtronic rendszer). A veszélyes ammónia helyett karbamidot (AdBlue) alkalmaznak, amely termohidrolízis folyamata során képződik: 1)
(NH2)2CO
→ NH3 + HCNO (termolízis)
2)
HCNO + H2O
→ NH3 + CO2
(hidrolízis).
A katalizátorban ezután az ammónia viszonylag alacsony hőfokon (170-300 °C-on) semlegesíti a nitrogénoxidokat (DIETSCHE et al. 2008):
e)
1)
4NO
+ 4 NH3
+ O2
→ 4 N2
+ 6H2O
2)
NO
+ NO2
+ 2 NH3 → 2 N2
+ 3H2O
3)
6 NO2 + 8 NH3
→ 7 N2
+ 12H2O
Üzemanyaggőz visszatartó rendszer (EVAP)
Az üzemanyagok gőzkibocsátására előírt határértékek betartásához a gépjárműveket olyan rendszerrel kell ellátni, ami nem engedi a szabadba a környezet hőmérsékletének emelkedésével, vagy a visszaáramló vezetéken érkező melegebb tüzelőanyag hatására megnövekedett nyomású tüzelőanyag-gőzt. Ezt egy aktívszén szűrőn keresztül vezetik ki a környezetbe. Az aktívszén tartály egy szellőző vezetéken át a szívócsőbe csatlakozik egy vezérlőszelepen keresztül. Amikor a rendszer érzékeli az EVAP tartály telítettségét, a vezérlő szelep kinyílik, majd a szívócső által keltett depresszió hatására a friss töltettel a hengerbe jut (HORST 2008). f) Fedélzeti diagnosztika A modern emissziókezelő rendszerek a motormenedzsment alapvető részét képezik. Feladatuk a járművek motorjaiban alkalmazott vezetékek és szenzorok (helyzet-, hő-, nyomás-, feszültség-, közelítés-, kopogásérzékelők stb.) bemeneti jeleinek, kimeneti vezérlőjeleinek, a vezérlőegységgel történő kommunikáció
felügyelete, valamint
öndiagnosztika. Az 1988-ban megjelent CARB előírta az OBD I. majd 1994-től az OBD II. szabványt. Ez utóbbi európai megfelelője az EOBD. Az OBD I. szükségessé tette az emissziókezeléssel kapcsolatos elektromos jelek, szenzorok és vezetékek öndiagnosztikáját. Ha határértékeken túli értékeket talált, akkor a műszerfalon egy hibajelző MIL lámpa jelezte 27
a vezetőnek. Az OBD II. már az emissziós rendszer funkcióit is vizsgálja, és hiba esetén a hibatárolóban rögzíti azt. Ezt a szervízben kiolvasva megjeleníthető az OBD II. szabványos hibakód. Az ISO 15 031 szabvány már megköveteli valamennyi új gépjárműre az OBD II.re vonatkozó hibatároló információ SAE szerinti alkalmazását (HORST 2008).
3.4.4 Alternatív technológiák Alternatív technológiák értelmezés alatt elsősorban a benzint vagy gázolajat helyettesítő üzemanyagokat értjük, de ezek használata nem merül ki csupán az energiahordozó cseréjében, mert a kisebb kibocsátás és a nagyobb hatékonyság alapvető konstrukciós módosításokat is indokolhat. Ezek elterjedésének oka elsősorban nem környezetvédelmi, hanem az olajtól való függőség csökkentése, az olajárak ingadozása és a véges készletek (15 ábra). Az uniós RED direktíva (2009/28/EK) viszont már kifejezetten környezetvédelmi céllal 2020-ra előírja, hogy valamennyi üzemanyagnak legalább 10 térfogat százaléknyi megújuló hányaddal kell rendelkeznie.
VVT – változó szelepvezérlés Multi-Valve – többszelepes GDI – közvetlen befecskendezés Turbo – feltöltés
15. ábra
Cyl. Deact. – henger lekapcsolás Six Speed – 6 sebességű váltó Seven Speed+ – több mint 7 sebességű váltó CVT – fokozat nélküli váltó
Egyes technológiák eladásainak változása az USA-ban – forrás: EPA
28
Gázüzemre valamennyi belsőégésű motor átalakítható, de leggyakrabban benzinmotorokat állítanak át utólagosan kettős üzemre. Napjainkban már új modellek is jelennek meg ebben a konstrukcióban. Leggyakrabban
alkalmazott hajtóanyag az LPG autógáz, amely
propánból és butánból áll. Finomítási folyamatok során keletkezik, 2-20 bar nyomáson folyékony halmazállapotú, oktánszáma 100 körüli. Levegővel szinte tökéletes keveréket alkot, így nagyon alacsony szénmonoxid, kén és policiklikus szénhidrogén kibocsátás jellemzi a gázzal üzemelő járműveket. A földgáz hasonló tulajdonságokkal rendelkezik, jelentős készletek és a környezetkímélőbb kibocsátás miatt potenciális alternatív energiaforrás. CNG néven 200 bar körüli nyomáson vagy LNG-ként
hőálló
üzemanyagtartályba tankolva alkalmazzák. A gázüzemre általánosan a magasabb H2O és az alacsonyabb CO2 emisszió jellemző a benzinnél nagyobb hidrogén aránya miatt (HORST 2008). Legelterjedtebb alternatív hajtóanyagok az alkoholok. Legnagyobb arányban etanolt és metanolt állítanak elő nagy széntartalmú nyersanyagokból (földgáz, szén, kőolaj) vagy fermentációval magas szénhidráttartalmú növényekből. Az etanolt benzinnel keverve, legfeljebb 85%-os arányig alkalmazzák. Szintén kedvezőbb a hidrogén – szén aránya a benzinétől (HORST 2008). Dízel autók üzemanyagaként a megújuló biodízel (FAME – zsírsav metilészter) érdemel figyelmet, amely metanollal észterizált növényi vagy állati eredetű zsiradék (DIETSCHE et al. 2008). A legmodernebb motor hajtóanyagok között az egyik legígéretesebb a hidrogén. Előállítása nem túl nagy hatásfokú, de megújuló energiák felhasználásával gazdaságos lehet, és a rendelkezésre álló nyersanyag, a víz szinte korlátlan mennyiségben rendelkezésre áll. Egyetlen hátránya, hogy tárolása csak fémhidridekben, vagy nagyon alacsony hőfokon esetleg nagyon nagy nyomáson lehetséges. A hidrogén nagyon diffúz, fémekhez hasonló a vezetőképessége és fajhője valamennyi anyagnál magasabb. Könnyen alkot fémekkel hidrideket. Levegővel elegyedve széles tartományban gyúlékony (így szegénykeverékes üzemmódban üzemeltethető a motor), kis energiával meggyújtható (0,019 mJ), jó kompressziótűrő – kísérleti oktánszáma 130 – és nagy lángsebességgel ég (EMŐD 2009). Az égés felügyeleténél is csak a nitrogénoxidok kibocsátására kell figyelmet fordítani. Ezen tulajdonságai miatt használható szikragyújtású motorokban is (Otto első motorja is szintézisgázzal működött, amelynek több mint 50%-a hidrogén, ezt a benzin csak a porlasztó megjelenésével szorította ki), bár üzemanyagcella energiaforrásaként elérhető 80%-os hatásfokot meg sem közelíti. 29
16. ábra
Alternatív üzemanyagok
Mind dízel, mind pedig benzinmotorok tüzelőanyagaként alkalmaznak mesterséges üzemanyagokat (15. ábra). Előnyük, hogy kén és aromás szénhidrogéntől mentesek, így kevésbé környezetszennyező a használatuk. A szintézisgázból Fisher-Tropsch eljárással előállított ásványi eredetű szénhidrogéneket Synfuel néven forgalmazzák (dízel üzemanyagként például így a dimetil-étert), míg Sunfuel esetén ugyanezen eljárásnál a szintézisgázt megújuló biomasszából állítják elő (DIETSCHE et al. 2008). Az üzemanyagok használatának flexibilitása egy sor konstrukciós módosítást jelentett a motormechanikában és a szabályozó elektronikában egyaránt. Emellett a fogyasztás – ezzel együtt a kibocsátás – csökkentésében a kiegészítő berendezések is szerepet kaptak, Így lett a villanymotor és az akkumulátor főszereplő a hibrid hajtású járműveknél, a speciális vezérlés használatával lehetővé vált az Atkinson-ciklus (nyújtott munkavégző ütem) bevezetése, nagyobb hengerűrtartalmú motorok esetében pedig a hengerlekapcsolás részterhelésnél. Ugyanezt a célt szolgálja a többsebességű – vagy hibrid járműveknél a fokozat nélküli nyomatékváltók megjelenése, amely biztosítja a motor ideális fordulatszámtartományban történő üzemelését.
30
4. A VIZSGÁLATOK ANYAGA ÉS MÓDSZERE
A járművek károsanyag kibocsátásának törvényi korlátozása terén az első lépéseket az Egyesült Államokban Kalifornia állam tette. Nem csoda, hiszen Los Angeles éghajlati adottságai miatt rendszeresen előfordult, hogy a füstköd a nyári hónapokban napokig megmaradt a város felett. A 60-as években megjelent első állami törvényt életbe lépése óta többször is módosították. Később Európában, Japánban és Amerikában is törvényi erejű szabályozás lépett életbe a kipufogógázok káros összetevőinek korlátozására, melyet ezután a világ szinte valamennyi országa átvett. Megnehezíti a károsanyag kibocsátás becslését, hogy az eltérő követelmények miatt azt különböző tesztek alapján végzik. Ezek közül a legköltségesebb és legalaposabb emisszióvizsgálati eljárás az új autók forgalomba hozatalához kötött típusjóváhagyás. Ezek eredményei az ICCT nemzetközi szervezet gyűjti össze. Munkám során ezeket az adatokat használtam fel.
4.1
USA
A kibocsátás mérését normál üzemi állapotokhoz közel kell felvenni. Ennek meghatározására az Egyesült Államok Környezetvédelmi Hivatala (EPA) a CARB alapján határozta meg szövetségi szinten az alkalmazandó mérési eljárást. Az FTP 75 tesztciklus (Federal Test Procedure) adott sebességgel megtett útszakaszokból áll, amelyet Los Angelesben egy tipikus csúcsforgalommal terhelt időszakban vettek fel. Ezt a ciklust egy mérőpadon alkalmazva mérik a gépjárművek kipufogógáz károsanyag tartalmát. A mérés előtt a járművet 20 – 30 °C közötti hőmérsékleten tárolják 12 órán keresztül. Ezután a motort beindítva az előírt sebességgörbe szerint működtetik. A melegedés fázisában tasakmintát vesznek, amelyet 20 percen belül kielemeznek. A motor felmelegedése utáni mintákat külön elemzik, majd az eredményeket összegzik. Ezt a tesztet 2001-től 2004-ig kiegészítették, tekintetbe véve az agresszív vezetési stílust, a klímával történő üzemeltetést, a gyakori indítással járó üzemet, az erőteljes sebességváltoztatásokat és a gyakori kis sebességgel történő utakat. Ezek alapján az SFTP (Supplemental Federal Test Procedure 2008) ciklus további tesztekkel egészül ki (16. ábra). A fogyasztás mérését az EPA CAFE tesztciklusával hajtják végre. Nehéz haszongépjárművekre 1987 óta mozgó menetciklust alkalmaznak, amely egy próbapadi hidegfázissal indul. Ez ténylegesen megfelel egy utcai forgalomi tesztnek, az európai tesztektől eltérően több üresjárati üzemmel. Ezt 2007-től ki kell egészíteni az európai 13 lépcsős teszttel (DIETSCHE et al. 2008). 31
ct: hidegindítási fázis
17. ábra
4.2
s: stabil fázis
ht: forró teszt
USA tesztciklusai személy- és haszongépjárművekre
Európai Unió
Az EURO 3 óta új európai menetciklussal (NEDC – New European Driving Cycle) tesztelik a személy- és kishaszon gépjárműveket. A korábbi, csupán városi ciklusból álló teszttel ellentétben ez már a hidegindítási fázist is magában foglalja. Itt a járművet 6 órára kondicionálják szobahőmérséklet körüli klímán, majd a tesztpadon robotpilóta segítségével kezdik a tesztet. A bemelegedési ciklus után külön tasakba gyűjtik a városon belüli ciklus (UDC – Urban Driving Cycle) és a városon kívüli (EUDC - External UDC) ciklus alatt képződött kipufogógázokat. A kiértékelés az egyes szakaszokra külön történik meg. 3,5 t össztömeget meghaladó össztömegű vagy 9 főt meghaladó járművek esetén a 2000-es modellévtől kezdve 13 lépcsős mérési ciklussal (ESC – European Steady-State Cycle) tesztelik a károsanyag kibocsátást. 2005-től már valamennyi haszongépjárműre kiterjesztik az ELR (European Lead Response – füstölésmérés) mellett a tranziens menetciklust (ETC – European Tranzient Cycle), amely valós útviszonyokból, belvárosi, országúti és autópályás szakaszokból, levezetett szintetikus teszt (DIETSCHE et al. 2008). 32
18. ábra
4.3
EU tesztciklusai személy- és haszongépjárművekre
Japán
Japánban mesterségesen tervezett ciklus szerint tesztelik a típusjóváhagyásra kerülő járműveket. Személy- és könnyű haszongépjárművek számára a 11-es üzemmódot hideg motorral kezdve négyszer, a 10∙15-ös üzemmód tesztet pedig egyszeri alkalommal, 5 perces 60 km/h sebességű bemelegítési üzem után indítják el. Az előkondícionáláshoz itt egy üresjárati kipufogógáz teszt is tartozik, melyet próbapadon 15 perces 60 km/h sebességgel történő bemelegítés után végeznek el. A tesztek a tokiói forgalmi jellegzetességeket veszik alapul, tipikusan alacsonyabb sebességű belvárosi utakkal, az európainál sűrűbb forgalom miatt (18. ábra). A hidegüzemi adatokat g/teszt, míg az üzemmeleg tesztnél g/km-re számítják ki. A japán követelmények magukban foglalják a párolási veszteségek mérését is. Ezt SHED (Sealed House for Evaporation Determination) módszerrel gázszigetelt klímakamrában végzik, melynek során a teszt elején és végén vett minták HC koncentráció különbsége adja a párolgási veszteséget. Japánban a nehéz haszongépjárműveknek egy 13 lépcsős melegteszten kell megfelelni, amit eltérően az európai ciklustól, alacsonyabb fordulatszámokra és terhelésre határoztak meg. A 2005-ös modellévtől kezdve Japánban még egy kiegészítő dinamikus tesztciklus is bevezetésre került, hogy a tényleges emissziós értékek a változó forgalmi helyzetet jobban tudják követni (DIETSCHE et al. 2008).
33
18. ábra
4.4
Japán tesztciklusai személy- és könnyű haszongépjárművekre
WLTP - Worldwide Harmonized Light Vehlice Test Procedure
Az eltérő tesztciklusok kialakulásának oka egyrészt a helyi közlekedési szokásokhoz történő igazodás, másrészről pedig az adott régió eltérő emissziós normáinak való megfeleltetés. A mérési fázis műveleteinek kidolgozását ENSZ javaslata alapján végzik (ENSZ-EGB, 2007), így a világszervezet is törekszik a tesztelési eljárások egységesítésére. Ennek eredménye az ENSZ Európai Gazdasági Bizottság Szennyezés és Energia munkacsoportja által könnyű gépjárművekre kidolgozott WLTP eljárás, amelynél a különböző teljesítmény/tömeg arányú járművekre 3 féle ciklust dolgoztak ki. Az 1. és 2. osztály az Indiában és Japánban forgalmazott kis teljesítményű gépjárművekre vonatkozik, a 3. osztály minden egyéb személy és kishaszongépjárműre. Európában a gépjárművek ez alapján a 3. osztályba tartoznak. A class 3 ciklus négyféle sebességű üzemmódot tartalmaz, melyet eltérő forgalmi viszonyok alapján állítottak össze (19. ábra).
34
20. ábra
WLTP 3. ciklus üzemmódjai
Európában 2017-től várható ennek az új ciklusnak a bevezetése, tekintettel ara, hogy a jelenleg hatályos tesztciklusok nem tükrözik a gépjárművek valós üzemeltetési körülményeit (ICCT 2013).
4.5
Emisszió mérése
A kipufogógázok mérésének technikáját az ENSZ EGB 83.-as ajánlása alapján kell végezni. A megfelelőségi vizsgálaton felül ez a jogszabály rendelkezik a megfelelőség egyéb kritériumairól, a nem megfelelőség esetén alkalmazott szankciókról, esetlegesen a gyártás beszüntetéséről. A vizsgálatot görgős padon végzik, gondoskodva a motor hűtéséről, és a járművek tehetetlenségéből, lég- és gördülési ellenállásából eredő erők beszámításáról. A próbapadi vizsgálatok nagy előnye a reprodukálhatóság, melyet valós körülmények között felvéve nem kapnánk reprezentatív eredményt, valamint a tesztekhez szükséges méréstechnikai eszközök álló helyzetben felépíthetők. A gyártók az így felállított vizsgálóállomást a típusellenőrzésen kívül termékfejlesztésre is igénybe vehetik. A kipufogógáz tasakos mintavétele után CVS (hígítási) eljárással történik a minták kezelése, hogy elkerüljék a vízgőz és az abban oldódó gázkomponensek lecsapódását. Az 1:5 - 1:10 arányú kipufogógáz – levegő keveréket a teszt végén elemzik ki. Az összehasonlításhoz a
35
hígításhoz használt környezeti levegőből is mintavétel történik. A hígítás forgódugattyús vagy venturi rendszerű keverőben történik (DIETSCHE et al. 2008).
21. ábra
Változó hígítással dolgozó mintavevő rendszer ábrája
Az EU, USA és Japán egységes mérési eljárásai alapján az alábbi eszközöket alkalmazzák:
CO és CO2 mérése nem diszperzív infravörös analizátorral (NDIR)
NOx mérése kemilumineszcens detektorokkal (CLD)
CH koncentráció lángionizációs detektorral (FID)
PM meghatározás gravimetriás méréssel.
Motorfejlesztéshez használt eszközök:
Füstölésmérés opaciméterrel
Paramágneses detektor oxigénmérésre
Tömegspektrométer (több komponensre)
FTIR – (Fourier Transform Infrared) spektroszkópia (több komponensre)
IR – lézer spektroszkópia (több komponensre).
36
5. A VIZSGÁLATI EREDMÉNYEK ÉS AZOK ÉRTÉKELÉSE
A gépjárművek közül legrövidebb fejlesztési ciklussal a személygépkocsik rendelkeznek, így az abban alkalmazott technológiák eredményességéről is csak azokon a területeken kaphatunk reprezentatív képet, ahol leghamarabb kerülnek forgalomba. Ezek pedig a világ fejlett ipari központjai: az Egyesült Államok, az Európai Unió és Japán. Az új autó eladások száma jelenleg Kínában a legmagasabb, de ezek az ottani piacra, a helyi környezetvédelmi előírásoknak megfelelően készülnek, így nem feltétlenül a legmodernebb technológiát képviselik, bár a fejlődés üteme szerint hamarosan e tekintetben is az élvonalba kerülnek. A vizsgált adatok - fogyasztás (ezzel összefüggően HC és CO2), NOx és PM – okozzák a legnagyobb problémát, elsődlegesen ezek csökkentése a kitűzött cél. Az ICCT-nek szolgáltatott adatok alapján a fogyasztási eredmények csökkenő tendenciát mutatnak (4. és 5. táblázat). A két fogyasztásmérési ciklus között azonban nincs jelentős eltérés. 4.
táblázat
Forgalomba hozott személyautók fogyasztásának átlagos értéke
NEDC tesztciklus szerint
Modellév l/100km
Modellév liter/100km
9,0 8,8 8,5 8,3 8,0 7,8 7,5 7,3 7,0 6,8 6,5 6,3 6,0 5,8 5,5 5,3 5,0 4,8 4,5
NEDC 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014
USA
8,8
8,7
8,6
8,4
8,4
8,2
8,3
8,0
7,9
7,5
7,3
7,5
7,0
6,8
6,7
EU
7,4
7,3
7,2
7,1
7,0
6,9
6,9
6,8
6,6
6,2
6,0
5,8
5,7
5,4
5,3
Japán
8,0
7,8
7,5
7,5
7,3
7,3
7,1
7,0
6,8
6,3
6,2
5,8
5,4
5,1
8,8
8,7
8,6
NEDC ciklus szerinti fogyasztás 8,4
8,4 8,2
8,0
8,3
8,0
7,8 7,5 7,4
7,3
7,2
7,5
7,3
7,9 7,5
7,3
7,1
7,3
7,5
7,0
7,0
6,8 7,1
7,0
6,9
6,9
6,3
6,8
6,6
6,8
6,7
6,2
5,8
6,2 6,0
5,7 5,4
5,8 5,4 5,1
5,3
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 Év USA EU Japán
37
5.
táblázat
Új személyautók fogyasztásának átlagértéke USA CAFE tesztciklusa
szerint
Modellév l/100km
USA Corporate Average Fuel Economy Standard Modellév liter/100km 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014
9,0 8,8 8,5 8,3 8,0 7,8 7,5 7,3 7,0 6,8 6,5 6,3 6,0 5,8 5,5 5,3 5,0 4,8 4,5
USA
8,3
8,2
8,1
8,0
8,0
7,8
7,8
7,5
7,5
7,2
6,9
7,1
6,7
6,5
6,4
EU
6,9
6,8
6,7
6,6
6,5
6,5
6,5
6,4
6,2
5,9
5,7
5,6
5,4
5,2
5,1
Japán
7,5
7,3
7,1
7,0
6,9
6,9
6,7
6,7
6,4
6,0
6,0
5,6
5,3
5,0
-
CAFE ciklus szerinti fogyasztás 8,3 7,5
8,2
8,1
8,0
7,8
7,8 7,5
7,3 7,1
6,9
8,0
7,0
7,5 7,2
6,9
6,9
6,7
6,9
7,1
6,7
6,7
6,5
6,4 6,8
6,7
6,6
6,5
6,5
6,5
6,0 6,4
6,4
6,0 5,6
6,2 5,9
5,4 5,7
5,2
5,6 5,3
5,1
5,0
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 Év USA EU Japán
6.
táblázat
Új személyautók CO2 kibocsátásának átlagértéke NEDC tesztciklus
szerint 210,0
204,7 202,4 201,0
200,0 190,0
Modellév g/km
180,0 170,0 160,0 150,0
NEDC ciklus szerinti CO2 kibocsátás 197,3 197,3
187,5
191,8 193,1 185,8 183,9
181,7 175,2 174,2
171,2 170,3
175,5 170,0
166,5 164,7
172,2 169,7 167,2 165,5 163,4 162,4 161,3
140,0
174,4 162,7
158,4 158,7
146,1144,8 153,6
135,9 145,7 140,3
130,0 120,0
159,3 156,9
132,2
127,0
135,7 126,7 118,9
110,0
123,3
100,0 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 Év USA EU Japán
38
A Japánban megfigyelhető csökkenés oka az ország energiaellátottságának korlátai, ami az szupermini (alacsony hengerűrtartalmú) és hibrid járművek térnyerésének kedvezett. A CO2 emisszió az adott évben értékesített gépjárművek átlagolt eredményeit tartalmazza (6. táblázat). A trendek egyértelműen mutatják mind a fogyasztásban, mind pedig a CO 2 kibocsátásban történt csökkenést, az új autók eladásai alapján. A gépjárműpark teljes kibocsátásának ellenőrzésére ugyan nem alkalmas egyik módszer sem, de prognosztizálható annak jövőbeli összetétele és kibocsátási rátái. Az európai autópiac sajátossága a személygépjárművek állományában nagy arányban jelen lévő dízelüzemű autók száma, melynek köszönhetően a CO2 alacsonyabb értékeket mutat (7. táblázat), de a NOx és a PM összkibocsátásra együttesen negatív hatással van. Azzal együtt tehát, hogy a legmodernebb eljárások
(pl.
szelektív
katalizátor)
az
utóbbi
években
egyelőre
csak
a
haszongépjárművekben jelentek meg, a közúti szállításban mért és becsült fogyasztási értékek jobban képviselik a modern kipufogógáz technológiában elért eredményeket (9. és 10. táblázat). 7.
táblázat
Új személyautók CO2 kibocsátásának EU-s átlagértéke 2008
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
EU (27ország)
158,7
153,6
145,7
140,3
135,7
132,2
126,7
125,0
2015 a bázisévhez (2008) -21%
Belgium
152,8
147,8
142,1
133,4
127,2
128,0
124,0
121,3
-21%
Bulgária
171,6
171,5
172,1
158,9
151,4
149,2
141,7
136,0
-21%
Csehország
154,2
154,4
155,5
148,9
144,5
140,8
134,6
131,8
-15%
Dánia
159,8
146,4
139,1
126,2
125,0
117,0
112,7
110,2
-31%
Németország
169,5
164,8
154,0
151,1
145,6
141,6
136,1
132,5
-22%
Észtország
181,6
177,4
170,3
162,0
156,9
150,3
147,0
140,9
-22%
Írország
161,6
156,8
144,4
133,2
128,3
125,1
120,7
117,1
-28%
Görögország
165,3
160,8
157,4
143,7
132,7
121,1
111,9
108,2
-35%
Spanyolország
153,2
148,2
142,2
137,9
133,8
128,7
122,4
118,6
-23%
Franciaország
149,4
140,1
133,5
130,5
127,7
124,4
117,4
114,2
-24%
Olaszország
146,5
144,7
136,3
132,7
129,6
126,2
121,1
118,2
-19%
Ciprus
170,3
165,6
160,7
155,8
149,9
144,3
139,2
130,1
-24%
Lettország
183,5
180,6
176,9
162,0
154,4
152,0
147,1
140,4
-23%
Litvánia
176,5
170,1
166,0
150,9
144,4
144,2
139,8
135,8
-23%
Luxemburg
165,8
159,5
152,5
146,0
142,2
137,0
133,4
129,9
-22%
Magyarország
155,0
153,4
153,4
147,4
141,6
140,8
134,4
133,0
-14%
Málta
147,8
146,9
135,7
131,2
124,7
121,5
118,7
115,1
-22%
Hollandia
164,8
156,7
146,9
135,8
126,1
118,6
109,1
107,3
-35%
Ausztria
162,9
158,1
150,2
144,0
138,7
135,7
131,6
128,6
-21%
Lengyelország
153,7
153,1
151,6
146,4
144,5
141,3
138,1
132,7
-14%
Portugália
144,2
138,2
133,8
127,2
122,8
117,6
112,2
108,8
-25%
Románia
154,8
156,0
157,0
148,5
140,7
139,0
132,1
128,3
-17%
Szlovénia
156,3
155,9
152,0
144,4
139,2
133,4
125,6
121,3
-22%
Szlovákia
152,7
150,4
146,6
149,0
144,9
141,0
135,1
131,8
-14%
Finnország
177,3
162,9
157,0
149,0
144,0
139,1
131,8
127,4
-28%
Svédország
181,4
173,9
164,5
151,3
141,8
135,9
133,2
131,0
-28%
Egyesült Királyság
164,7
158,2
149,7
144,2
138,0
132,9
128,3
124,6
-24%
CO2 g/km
39
8.
táblázat
Személyautók CO2 kibocsátásának trendje az EU-ban
40
41
70,450 83,538 22,436 37,076 40,539 51,460 323,025 4,622 249 34,853 38,140 503,333
69,305 79,569 24,118 37,087 39,064 55,220 336,142 4,473 249 36,236 38,837 503,333
75,203 79,676 24,222 37,773 41,218 58,766 353,589 4,441 254 37,163 38,957 503,333
80,107 80,305 23,266 40,510 43,417 63,471 373,328 4,539 259 39,124 40,365 375,289
81,331 89,207 24,112 37,638 44,176 65,944 393,241 4,974 269 42,564 42,739 395,325
83,678 90,390 28,907 43,249 47,109 74,340 478,712 4,932 281 46,501 46,810 411,106
93,543 85,857 24,809 43,838 50,499 80,663 511,098 5,535 304 48,500 48,681 457,909
95,790 95,946 21,898 39,561 53,058 83,195 534,337 5,294 312 47,821 49,529 415,104
96,244 96,732 21,759 41,473 57,113 85,867 554,760 4,120 329 48,178 51,540 399,271
99,761 125,321 23,208 37,794 61,278 87,700 582,161 4,560 338 46,456 51,781 401,420
99,059 118,472 22,439 34,914 66,105 90,649 608,418 4,285 353 46,947 53,384 408,134
101,889 108,673 22,432 35,495 69,736 95,062 644,732 3,623 366 48,160 55,261 397,727
103,988 106,548 23,367 35,072 73,907 100,948 682,913 3,578 379 49,988 58,767 393,604
102,629 82,918 23,026 32,027 78,494 110,258 716,280 3,555 389 52,129 62,551 401,311
97,763 79,115 23,612 37,331 84,321 112,429 784,042 3,439 400 54,191 62,992 381,912
96,984 97,058 26,996 39,817 89,364 112,599 841,521 4,413 410 56,184 61,909 353,250
89,763 99,159 33,100 39,500 95,311 119,390 898,647 4,409 420 58,511 62,401 378,871
89,015 104,054 34,359 39,976 100,779 124,383 960,883 4,986 431 57,914 61,595 401,857
87,323 70,728 31,369 41,071 106,372 129,995 1,006,408 5,193 444 59,479 65,066 378,115
85,804
76,696
30,307
39,737
110,840
132,913
1,066,397
6,183
458
60,270
68,495
348,959
86,169
71,018
28,678
37,759
115,648
130,325
1,129,386
6,117
472
60,399
68,343
372,056
87,116
83,416
25,949
38,389
119,083
140,067
1,192,198
6,176
487
62,782
76,740
304,880
80,597
83,486
25,820
42,310
123,874
145,547
1,226,842
6,031
505
63,171
81,383
297,923
27,596
50,755
134,425
142,773
1,237,476
5,777
508
64,713
83,699
317,456
Slovenia
Slovakia
Finland
Sweden
United Kingdom
Iceland
Liechtenstein
Norway
Switzerland
Turkey
274,468 275,834 251,244 228,070 233,786
206,752
192,726
205,819
210,560
269,213
256,253
257,118
259,125
232,496
0
0
0
0
0
Poland
76,021
86,233 253,035
85,455 271,253
90,177 282,707
97,896 277,752
99,122 266,744
108,347 123,413 131,707 146,762 148,124
150,185
143,659
136,016
129,034
122,343
130,804
116,638
131,055
113,442
114,874
119,585
123,188
128,861
122,074
Austria
102,534
524 87,225 92,579 99,321 104,732 110,281 119,333 123,748 126,243 130,393
134,229
136,800
141,848
147,801
154,880
163,669
164,195
171,937
182,115
193,091
206,149
221,119
238,700
245,409
254,106
Netherlands
Portugal
44,825 2,689 2,495 2,058 2,378 2,365 2,502 2,857
2,791
3,197
3,608
3,782
3,864
3,433
4,622
4,538
4,453
4,320
4,087
3,985
3,813
3,620
3,413
3,206
Malta
Romania
23,206 50,477 61,020 71,404 76,941 77,405 77,268 81,216
74,545
104,644
104,097
115,380
102,140
100,050
99,070
97,600
92,900
89,100
86,720
82,800
81,000
94,300
98,400
116,000
Hungary
27,024 24,440 27,699 28,232 28,274 34,282 37,669
42,753
47,370
45,007
27,770 27,307 30,749 29,880
31,446
29,350
29,528
28,825
28,888
29,748
28,151
30,968
35,372
35,369
32,958
30,966
23,231
28,730
42,897
50,824
55,028 37,392
27,109 25,049
14,223 14,609 16,625 19,065
18,809
18,407
19,324
19,947
20,441
21,061
18,267
16,002
16,199
16,630
17,094
17,819
18,875
19,900
20,320
22,597
24,219
Latvia
Lithuania 34,033
11,869 12,142
7,663 7,790 8,683 8,830
8,625
9,114
9,541
10,231
10,132
10,278
10,935
10,093
10,107
10,086
10,068
10,003
10,699
9,991
10,090
9,039
9,005
Cyprus
33,729
6,350 7,187
489,579 501,116 529,528
559,302
581,486
621,321
657,866
683,491
709,346
745,321
759,521
823,067
865,905
930,231
961,196
998,095
1,009,685
1,052,762
1,057,995
994,794
952,030
Italy
33,018
11,940
430,880 481,491
26,500 27,856
30,427
31,457
31,648
31,732
33,284
33,529
33,428
31,725
32,623
34,701
33,425
32,936
30,850
28,595
28,633
26,710
25,378
26,590
37,132
27,924
5,299
22,664 24,976
598,993 603,784
647,149
709,505
734,517
762,895
803,845
825,278
866,593
899,982
926,576
960,200
987,757
1,016,540
1,042,486
1,080,363
1,137,411
1,171,552
1,212,587
1,193,144
1,183,490
France
Croatia
27,443
24,316 405,796
550,919 581,094
371,239
393,059
436,028
483,050
490,232
508,701
520,828
507,197
510,426
520,035
533,369
536,080
543,246
547,158
586,379
586,173
627,019
635,804
659,981
618,224
585,291
Spain
27,085
530,194
68,103 313,941
85,447 346,448
103,683
136,463
141,968
146,971
148,829
147,144
152,061
151,422
151,684
153,121
151,233
151,299
149,655
148,309
146,101
144,560
151,843
150,443
146,741
146,273
144,270
Greece
26,022
80,120 297,574
34,294 36,011 36,836
41,294
47,947
53,421
53,502
53,655
53,054
52,417
54,372
58,258
59,044
59,924
59,030
54,235
57,805
54,720
55,395
55,866
58,311
55,051
53,804
Ireland
25,996
8,721 35,540
9,372 9,417
9,745
9,534
11,672
12,858
13,212
13,283
13,453
13,905
16,150
16,780
15,350
15,632
15,387
17,350
16,632
15,786
16,147
12,446
11,294
22,949
25,250
Estonia
28,541
460,761 463,487 478,513
502,308
519,960
570,718
650,826
713,877
738,195
800,655
841,107
914,385
968,156
1,034,302
1,073,142
1,060,761
1,061,119
1,086,262
1,136,237
1,135,857
1,246,301
1,272,322
1,271,770
1,342,651
Germany
31,000
40,654 43,713
47,554
49,627
51,859
59,173
66,131
67,847
69,900
73,352
75,268
76,372
79,676
82,292
87,451
91,324
95,517
99,262
103,588
108,731
108,904
111,328
112,345
109,018
Denmark
33,167
36,207 58,029
63,656
67,264
80,534
80,687
86,656
89,647
97,419
97,763
92,829
95,795
110,846
189,234
187,817
184,063
187,700
176,800
178,700
183,410
195,000
198,337
190,000
180,107
Czech Republic
31,861
38,613
44,357
43,462
47,692
49,868
52,090
52,431
56,905
57,106
53,858
54,555
49,543
48,009
47,236
49,911
48,692
39,955
39,304
39,903
37,401
40,801
36,398
35,825
61,125
Belgium
Bulgaria
27,253
97,963
103,016
117,097
124,758
104,283
110,915
124,635
128,200
141,454
131,416
132,031
134,746
136,415
146,643
140,548
140,605
140,427
143,815
162,485
153,128
156,415
161,371
169,254
193,467
EU average
táblázat
Luxembourg
2013 3,224,292
2012 3,355,501
2011 3,593,407
2010 3,764,355
2009 3,888,704
2008 4,236,945
2007 4,565,757
2006 4,728,588
2005 4,883,558
2004 5,136,038
2003 5,200,923
2002 5,381,746
2001 5,585,522
2000 5,811,384
1999 6,082,288
1998 6,226,703
1997 6,378,562
1996 6,592,197
1995 6,717,090
1994
6,676,507
1993
6,967,127
1992
7,204,544
1991
7,155,101
1990
7,250,107
NOx (tonna)
9. Közúti szállítás NOx kibocsátása az EU-ban
42
7 1,607 1,435 -
7 1,701 1,499 -
7 1,788 1,540 -
7 1,907 1,626 -
8 2,065 1,732 -
8 2,251 1,880 -
9 2,362 1,946 -
10 2,297 1,995 -
11 2,256 1,987 -
11 2,183 1,928 -
13 2,191 1,947 -
14 2,224 1,965 -
15 2,279 2,060 -
16 2,347 2,187 -
17 2,410 2,143 -
18 2,530 2,076 -
19 2,678 2,059 -
-
2,548 2,012 -
2,574 2,184 -
2,530
2,216
-
2,375
2,160
-
2,441
2,359
-
2,354
2,462
-
2,361
2,435
-
Norway
Switzerland
Turkey
Liechtenstein
Iceland 19
16,075 17,078 18,728 19,407 20,532 21,716 22,565 23,433 24,224 24,850 25,547 26,654 27,214
30,940
31,519
32,487
33,694
32,985
32,695
32,152
30,949
30,076
28,188
United Kingdom -
2,799 3,011 3,118 3,170 3,454 3,655 3,664 3,644 3,897 3,896 3,921 4,002
4,080
4,020
3,869
3,938
4,027
4,204
4,191
4,225
4,468
4,631
4,683
Sweden
19
2,659 15,012
6,446 6,568 6,611 6,609 6,630 6,700 6,708 6,871 6,983 7,153 7,219 7,342
7,549
7,888
8,142
8,483
8,745
9,029
9,244
9,498
9,610
9,859
10,370
Finland
-
5,380
1,740 1,717 1,755 1,559 1,819 2,128 1,780 1,995 1,673 1,556 1,580
1,417
1,296
1,234
1,169
1,074
995
925
842
760
685
606
525
Slovakia
20
1,693
1,380 1,380 1,341 1,363 1,689 1,443 1,306 1,308 1,155 1,053 1,016
1,007
1,025
985
950
897
839
801
751
700
652
606
555
Slovenia
-
1,270
3,961 3,752 3,804 4,144 4,247 3,938 4,607 4,448 4,523 4,582
4,673
4,692
4,776
4,834
4,893
4,948
5,017
5,073
5,134
5,195
5,256
5,315
5,377
Romania
20
3,744
3,479 3,797 4,377 4,693 4,769 5,178 5,433 5,546 6,287 6,643
7,014
7,220
7,437
7,140
7,141
6,586
6,396
6,367
6,312
6,269
6,480
6,193
5,930
-
3,182
21,087 22,996 22,853 21,138 21,479 21,445 18,239 16,154 16,449
14,063
12,534
14,218
14,296
17,901
17,281
15,622
15,411
12,046
11,578
9,893
8,323
6,823
5,906
Poland
Portugal
21
18,693
3,342 3,681 4,020 4,337 4,901 5,662 6,140 6,571 6,785
6,970
6,878
6,684
6,556
6,431
6,306
6,181
6,055
5,930
5,709
5,488
5,267
5,046
4,825
Austria
-
3,109
3,602 4,065 4,471 4,872 5,409 5,825 6,134 6,560
6,936
7,274
7,799
8,385
8,866
9,294
9,417
9,904
10,638
11,510
12,339
13,131
14,136
14,426
14,966
Netherlands
21
605 3,300
605 605 559 1,059 1,059 1,041 1,027 1,003
946
965
992
1,027
722
553
555
556
558
560
562
564
565
567
569
Malta
-
2,476 2,844 3,498 3,954 4,251 4,278 4,490 4,851
4,426
9,609
9,598
9,583
4,490
4,476
4,464
4,451
21
1,028 1,090 1,201 1,206 1,225 1,416 1,526 1,669
1,827
1,802 10,254
1,606
1,516
1,524
1,516
1,365
1,350
1,348
4,439
1,189 1,257 1,394 1,274 1,647 1,513
1,288
1,314
1,273
1,168
1,160
1,125
992
1,449
1,407
1,198
847
790
815
1,010
1,304
2,163
1,799
Lithuania 1,338
674 680 834 810 862 992
996
1,062
1,032
986
968
682
667
588
503
489
479
464
451
438
426
412
Latvia
4,426
385 476 523 541 615 654
662
708 1,003
1,025
1,615
1,685
1,802
1,898
2,141
2,212
2,370
2,523
2,672
2,796
2,956
3,097
3,238
3,381
Cyprus
1,321
22,098 26,451 27,941 28,616 30,859
32,470
33,935
36,982
39,775
40,522
41,797
43,408
44,379
47,057
47,541
46,624
47,823
48,297
48,787
50,726
49,013
49,132
49,920
Italy
4,413
699 1,151
1,566 1,725 1,951 2,142 2,283
2,494
2,609
2,443
2,376
2,262
2,064
2,004
1,931
1,923
1,853
1,816
1,602
1,529
1,328
1,292
1,152
1,063
1,297
France
Croatia
1,387
321
31,752 33,449 36,590 36,311
38,030
40,604
42,426
44,894
51,001
53,227
55,705
58,673
60,001
65,313
68,473
70,217
74,177
75,269
74,610
76,486
74,110
71,164
66,148
Spain
4,401
1,494 19,911
14,446
16,341
18,376
19,414
21,199
23,443
23,839
24,782
25,158
25,542
25,307
26,990
27,314
27,897
28,752
29,547
29,935
30,757
-
31,449
-
32,069
-
32,719
-
33,449
-
34,085
Greece
1,368
29,514
1,829 1,976 2,092
2,306
2,605
2,895
2,876
2,873
3,044
3,013
3,130
3,352
3,471
3,408
3,370
2,921
3,087
2,597
2,679
2,647
2,658
2,501
2,312
Ireland
4,388
13,292
454 437
459
464
554
617
626
646
683
603
657
587
713
678
694
691
702
693
720
741
762
782
805
Estonia
1,373
438 1,828
23,056 24,564
25,683
26,894
29,176
32,496
34,943
36,309
38,325
38,625
41,741
43,973
45,872
47,803
47,631
48,786
50,002
51,413
51,901
53,338
54,492
55,546
56,595
Germany
4,375
22,187
2,143
2,320
2,477
2,590
2,940
3,249
3,290
3,339
3,451
3,575
3,592
3,824
4,060
4,140
4,317
4,516
4,664
4,815
5,000
5,162
5,319
5,489
5,657
Denmark
1,272
1,985
4,742
5,142
5,329
6,270
5,997
6,348
6,725
3,261
4,855
5,390
5,692
5,406
5,406
5,406
5,406
5,406
5,406
5,406
5,406
5,406
5,406
5,406
5,406
Czech Republic
4,363
3,152
2,744
2,607
2,617
2,742
2,996
2,794
3,096
3,098
2,855
2,591
2,094
2,085
1,950
2,231
2,152
1,810
1,228
905
866
1,126
1,079
1,352
1,835
Bulgaria
1,033
2,300
4,893
5,650
6,373
5,387
5,817
6,629
6,865
7,698
7,581
7,740
8,085
8,773
9,654
9,962
10,632
11,265
11,806
12,346
12,985
13,543
14,109
14,699
15,286
Belgium
Hungary
4,523
180,421
196,421
209,435
213,588
227,261
241,945
248,298
253,138
274,378
277,127
283,984
296,726
298,145
317,136
322,086
324,147
332,445
333,145
334,961
340,596
337,811
336,205
332,228
EU average
Luxembourg
164,946
-
2013
2012
2011
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
1995
1994
1993
1992
1991
1990
PM (tonna)
10. táblázat Közúti szállítás PMössz kibocsátása az EU-ban
A fogyasztáscsökkentés tekintetében a szintetikus tesztek alapján Japán könyvelhette el a legjelentősebb eredményt, NEDC szerint 2008-tól 2013-ig 37%-kal, CAFE szerint 33%-kal csökkentette az üzemanyag felhasználást. A 2008-tól 2014-ig terjedő időszakot vizsgálva az EU követte 28 illetve 26 százalékkal (EUSTAT adatai alapján 21%-kal), majd az USA 23 illetve 22 százalékos megtakarításával. A CO2 emisszió eredménye NEDC ciklus szerint 13 év alatt Japánban 37%, az EU-ban 28% USA-ban pedig 23%-os csökkenés. A EU közúti flottája 1990 óta jelentős, 56%-os NOx csökkentést realizált az 1990-es bázisévhez viszonyítva. Legnagyobb folyamatos esést 2007-től, az EURO 4 bevezetését követően érte el. A részecskekibocsátás 50%-os eredményét (1998-ban a tendenciával ellentétes irányú növekedést is megfigyelhetünk) az EURO 4-es magas követelményeinek, a részecskeszűrők hatásfoknövekedésének köszönheti. A kipufogógázok káros anyagainak kibocsátását tehát a jelenkor technikai megoldásai, ha nem is tökéletesen, de nagy hatékonysággal tudják csökkenteni. 11. táblázat
Közúti fuvarozás PM és NOx kibocsátása az EU-ban (1990-2013)
43
6. KÖVETKEZTETÉSEK, JAVASLATOK
Az emberiség által okozott légszennyezés jelentős részét a gépjárművek okozzák. A fosszilis tüzelőanyagokkal történő üzemeltetés leváltására a jelenlegi energiaforrások ismeretében még nincs lehetőség, ezért legfontosabb az abban rejlő energia minél hatékonyabb és környezetkímélőbb kihasználása addig, amíg új források, vagy modernebb technológiák alkalmazásával lehetőségünk nyílik mellőzésükre. A káros égéstermékek elleni harc fontos része, hogy ismerjük ezeket az összetevőket, és kialakulásuk okát. Ehhez megfelelő vizsgálatokra van szükség. A laboratóriumi tesztek hátránya, hogy bármennyire is igyekszünk, nem képesek a valós helyzeteket tökéletesen szimulálni, míg a valós használatú tesztekkel tudományos szempontból nem kaphatunk egzakt és megismételhető eredményt. A világ újautó eladásait különféle trendek uralják. Szerencsére ma a legfontosabb a környezetvédelem és a gazdaságosság. Az amerikai és a Japán piacon a szigorú NO x szabályozás korlátozza a dízelmotorok elterjedését, míg Európában a CO 2 kibocsátás csökkentésének kényszere serkenti. Japánban egy új járműtípus megteremtésével mindkettőre megoldást találtak, bár a szupermini járműkategória bevezetése nyugaton a kulturális különbségek miatt nem várható. A kibocsátások csökkentésére tett erőfeszítések eddigi eredményei az új gépjárművek forgalomba hozatala terén, a bemutatott eredmények alapján is eredményesnek mondhatók, azonban nem számoltam a meglévő és korosodó járműpark kibocsátásával – bár nem is volt célom, mert részint becslésekkel kellett volna dolgoznom, másrészt egy szociográfiai jellegű elemzés nem támasztotta volna alá eredeti célomat, hogy a technológiák hatékonyságát cáfoljam vagy igazoljam. Az idősödő járműállomány problémájára az alternatív vagy megújuló üzemanyagok használatát javaslom, ahogy ez Brazíliában az etanol használatának elterjedésével már be is vált. A káros kibocsátások csökkentéséhez nagyban hozzájárulhatunk azzal, hogy a megújuló vagy szintetikus üzemanyagok használatával csökkent emisszióval közlekedünk, az előállításhoz szükséges kibocsátást pedig a gyártónál, sokkal szigorúbban kontrollált környezetben, határértéken belül tudjuk tartani. A járműgyártók felelőssége, hogy a forgalomba hozott járművek a megfelelőségi nyilatkozatban foglaltak szerint eleget tegyenek a környezetvédelmi előírásoknak. Sajnos bebizonyosodott a Volkswagen emissziós botránya kapcsán, hogy a fejlesztés, tesztelési ciklusokra történik, nem pedig a valós helyzetekre. Ezért javaslom, hogy a gyártó felelőssége legyen a valós üzemi helyzet monitorozása, a vásárlókon keresztül. Ezt a modern fedélzeti
44
rendszerek lehetővé teszik és a felhasználó hozzájárulásával lehetséges lenne az adatgyűjtés. A gyakori hidegindításokkal járó ingázás, vagy a hosszabb autópálya menet üzeme, a sportos vagy takarékos vezetési stílus emissziós értékei felkerülhetnének egy központi adatbázisba, ahol azt felhasználhatnák a járművek fejlesztésére. Ez a gyártó számára is értékes információs adatbázis lenne és a vevői igényekhez is közelebb vinné a gyártó termékeit. Másik probléma, amellyel a kutatás során találkoztam, hogy jelenleg nincs egyetlen olyan szervezet vagy szolgáltató sem, ahol a járműgyártókra vonatkozóan, a leendő vásárló szabadon meg tudna győződni arról, hogy az milyen emissziójú termékskálával rendelkezik, milyen a flottakibocsátása valamennyi paraméterre. Nem nyilvánosak a részecske, szénmonoxid és nitrogénoxid mérésének pontos adatai sem, csak grafikus információkhoz lehet hozzáférni. Egy környezettudatos vásárlónak ezek fontos adatok, így jogszabályban tenném kötelezővé ezek közzétételét, egyszerű hozzáférhetőségét. Gazdaságosság témaköréhez tartozik a fogyasztás és a megtérülés. Szintén hiányosság, hogy a járműgyártók, bár termékeiket alacsony fogyasztásúként és környezetkímélőként hirdetik, nem számolnak az extra üzemmel – mint pl. részecskeszűrő regenerálás – amely többlet emisszióval és költséggel jár, amelyet a típusjóváhagyás tesztje alatt nem vizsgálnak. Ezért az információ szolgáltatásának körébe bevonnám a hosszútávú üzemeltetési költségeket, mert az adott emissziócsökkentésre alkalmazott technológiák élettartama nem mindig egyezik meg a motor életciklusával. Ezzel együtt megtérülési rátával jellemezném az egyes modelleket, amelyek alapot képeznének a környezetvédelmi és gazdaságossági összehasonlításnak. Az alkalmazott technológiáknak és a rövid fejlesztési, megtérülési ciklusoknak köszönhetően a személyautók ára stagnál vagy emelkedik. Az emisszió csökkentésének korlátja mindig az adott technológia alkalmazott költsége lesz, így bevezetéskor mindig a luxuskategóriából kiindulva halad a népautók irányába. Ez a pálya azonban a megtérüléstől függően több évig is eltarthat. Egy új technológia bevezetésénél fontosabb lenne a pontos és hiteles tesztelés és azt követően rögtön széles körben hozzáférhetővé kellene tenni, hogy annak hasznát hamarabb visszaforgathassuk. Jelenleg ez az akadálya az emissziómentes elektromos autózásnak. Luxusautó gyártók, magas költségen próbálják a saját kutatásifejlesztési költségeik megtérülése mellett bevezetni, miközben széles társadalmi igény lenne rá. Ezért a környezetvédelmi stratégia részévé kell tenni az előremutató törekvések finanszírozását.
45
7. ÖSSZEFOGLALÁS
Dolgozatom elsődleges célja, hogy bemutassam azokat a technológiai újításokat, melyeket azért vezettek be, hogy lehetővé váljon a kipufogógázok káros frakcióinak csökkentése, szabvány szerinti megfelelése, valamint igazoljam létjogosultságukat. Gépjárművek meghajtására kevés kivételtől eltekintve belsőégésű motorokat alkalmaznak. Ezek túlnyomórészt szikragyújtású motorok, kisebb arányban pedig kompresszió gyújtású dízelüzemű motorok. A belsőégésű motorok működése során üvegházhatású széndioxid, víz, mérgező szénmonoxid, ózon prekurzor képző, karcinogén hatású nitrogénoxidok valamint, korom és aromás szénhidrogének keletkeznek. Ezek képződése függ az üzemanyagok minőségétől, az égési hőmérséklettől, a keverék homogenitásától, levegő – oxigén arányától, szikragyújtású motornál a gyújtás időpontjától. A technológiák alkalmazási helye szerinti csoportosítást választottam, amely szerint a motor előtti, az üzemanyagok jó minőségének biztosítását, szükséges adalékokkal történő kezelését jelenti. A motorban alkalmazott módszereknél leírtam a keverékképzéssel, az égési geometriával, a gyártási technológiával, a szívócsatorna kialakításával, gyújtás szabályozásával, kipufogógáz visszavezetéssel és a feltöltéssel kapcsolatos eljárásokat. A motor után alkalmazott technológiák a kipufogógáz utókezelését jelentik. Így a katalizátor a szénmonoxid, a szénhidrogének és nitrogén-oxidok csökkentését segíti elő, a lambda szonda a katalizátor ellenőrző felügyeletét látja el, a részecskeszűrők a dízelmotorokban képződött koromrészecskék megszűrésére és elégetésére szolgálnak, a nitrogén szelektív katalizátorok pedig a légfelesleggel működő dízelmotorok nitrogénoxid kibocsátását csökkentik. Ezek felügyeletét pedig a modern fedélzeti diagnosztika látja el. Ezek az újítások korlátozzák a károsanyagok képződését és kijutását a környezetbe. A technológiák alkalmazását a jogszabályi normák teszik kötelezővé. A világ három legfejlettebb ipari központja egymástól független előírásai átfedésben vannak a kibocsátási határértékek tekintetében. Így az Egyesült Államok EPA/CARB, az EU Euro és Japán környezetvédelmi
minisztériumának
érvényben
lévő
szabályai
a
legmodernebb
technológiával szerelt gépjárművek kibocsátását veszik alapul. Ezek alapján a járművek gyártása és forgalomba állítása típusjóváhagyáshoz kötött, amelyet szigorú próbapadi műszeres mérésekkel igazolnak. A mérések szintetikus, valós üzemállapothoz hasonló tesztciklusok alapján történnek. Ezek eredményeit és a nemzetgazdasági kibocsátási adatokat vettem alapul vizsgálatomhoz. 46
Az eltérő európai és egyesült államokbeli tesztek hasonló eredményt hoztak a fogyasztásban és a CO2 kibocsátásban. Így a vizsgált időszakokban, az USA-ban 23 és 22%-kal, Japánban 37 és 33%-kal az EU-ban pedig 28 és 26%-kal csökkent a fogyasztás az amerikai és az európai ciklusok szerint. A közúti szállításban alkalmazott járművek, a szigorú műszaki feltételeknek köszönhetően, kis késéssel, de követik a modern technológiai újításokat. Így az EU közúti szállítás szektorában a kipufogógázok nitrogénoxid tartalma egy 14 éves periódusban 56%-kal, míg a részecske kibocsátás 50%-kal csökkent. A fogyasztási, széndioxid, nitrogénoxid és részecske kibocsátási adatok alapján bizonyítottnak látom, hogy az alkalmazott technológiák képesek hatékonyan csökkenteni a belsőégésű motorok káros emisszióját és megfelelő alapot képeznek a további fejlesztésekhez.
47
8. IRODALOMJEGYZÉK
BAGÁNY MIHÁLY (2011): Belsőégésű motorok. Typotex Kiadó, Kecskemét, pp.1-178. DR: LAKATOS ISTVÁN (2008): Belsőégésű motorok emissziótechnikája. Nemzeti Szakképzési és Felnőttképzési Intézet, Budapest, pp. 1-32. Egyesült Nemzetek Szervezete Európai Gazdasági Bizottságának (ENSZ-EGB) 83. sz. előírása (2007) pp. 1-181. EMŐD ISTVÁN, BUDIK GYÖRGY (2009): Belső égésű motor átalakítása hidrogénüzemre, A jövő járműve 2009/3-4. pp. 93.-98. HORST BAUER (2008): Benzinmotorok kipufogógáz technikája. Maróti Könyvkereskedés és Könyvkiadó Kft., Budapest, pp. 1- 95. ICCT (2013): From Laboratory to Road - A comparison of official and ‘real-world’ fuel consumption and CO2 values for cars in Europe and the United States, International Council on Clean Transportation, Washington, pp. 1-77. IPCC (2014): Climate Change 2014, Camridge University Press, USA pp. 599-671. KARL-HEINZ DIETSCHE, MARIA KLINGEBIEL, RALF MÜLLER (2005): Common Rail befecskendező rendszerek. Halmaz Kft., Budapest, pp. 1-95. KARL-HEINZ DIETSCHE, MARIA KLINGEBIEL, RALF MÜLLER (2008): Dízelmotorok kipufogógáz technikája. Maróti Könyvkereskedés és Könyvkiadó Kft., Budapest, pp. 1-133. KOSÁRY JUDIT, SCHREIBER PÁL (2011): Szerves kémia. Szent István Egyetemi Kiadó, Gödöllő, pp. 21.-98. MÉSZÁROS TAMÁS (2006): A légköri szén-monoxid mérlege és trendje Európában, Környezettudományi phd. értekezés, Veszprém, p.132 SOLT HANNA (2011): Nitrogén- oxidok szelektív katalitikus readukciója metánnal, indium tartalmú zeolitokon, Környezettudományi phd. értekezés, Szeged pp. 7-8.
Elektronikus irodalom BIHARI PÉTER. (2012): Energetika http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412A/20100017_33_energetika_1/ch02s02.html SZABÓ JÓZSEF ZOLTÁN. (2013): Gépjárművek üzemanyag ellátó berendezései http://siva.bgk.uni-obuda.hu/jegyzetek/Gepjarmu_uzemanyagellatas/GUB_2013_17EA.pdf SÁRVÁRY ATTILA. (2011): Környezetegészségtan http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop425/0019_1A_Kornyezetegeszsegtan/ch03.ht ml#id518196 48
http://pm10.kormany.hu/a-pm10 (PM10 csökkentési program, 2016) https://oshwiki.eu/wiki (OSH Wiki, 2016) http://ec.europa.eu/environment/air/transport/road.htm (EUROPEAN COMISSION, ENVIROMENT, 2016) https://www.dieselnet.com/standards/us/hd.php#y2007 (DIESELNET, EMISSION STANDARDS US, 2016) https://www.dieselnet.com/standards/jp/ (DIESELNET, EMISSION STANDARDS JAPAN, 2016) http://www.dp-automotive.hu/dpa_benzin.html (DIVISION PERFORMANCE, 2016) http://www.dp-automotive.hu/dpa_gazolaj.html#d13 (DIVISION PERFORMANCE, 2016)
9. ÁBRÁK, RÖVIDÍTÉSEK 1. ábra – Négyütemű motor működése (szívócső befecskendezéses kialakítás) – forrás: HORST BAUER (2008): Benzinmotorok kipufogógáz technikája. Maróti Könyvkereskedés és Könyvkiadó Kft., Budapest, p. 5. 2. ábra – A motorikus munkafolyamat menete nyomás-térfogat diagrammban – forrás: HORST BAUER (2008): Benzinmotorok kipufogógáz technikája. Maróti Könyvkereskedés és Könyvkiadó Kft., Budapest, p. 13. 3. ábra – Középkategóriás szgk. dízelmotorok fejlődése – forrás: KARL-HEINZ DIETSCHE, MARIA KLINGEBIEL, RALF MÜLLER (2008): Dízelmotorok kipufogógáz technikája. Maróti Könyvkereskedés és Könyvkiadó Kft., Budapest, p.16. 4. ábra – Károsanyagok képződése a dízelmotorban – forrás: DR. SZABÓ JÓZSEF ZOLTÁN (2013): Gépjárművek üzemanyag ellátó berendezései http://siva.bgk.uniobuda.hu/jegyzetek/Gepjarmu_uzemanyagellatas/GUB_2013_17EA.pdf 5. ábra – belsőégésű motorok átlagos kipufogó gáz összetétele – forrás: DR. SZABÓ JÓZSEF ZOLTÁN (2013) – Óbudai Egyetem: http://siva.bgk.uniobuda.hu/jegyzetek/Gepjarmu_uzemanyagellatas/GUB_2013_16EA.pdf 6. ábra – benzinmotorok hatásfokláncolata λ=1-nél – forrás: HORST BAUER (2008): Benzinmotorok kipufogógáz technikája. Maróti Könyvkereskedés és Könyvkiadó Kft., Budapest, p. 13. 7. ábra – Személygépjárművekre 2009-benérvényben lévő szabványok – forrás: DR. SZABÓ JÓZSEF ZOLTÁN. (2013): Gépjárművek üzemanyag ellátó berendezései http://siva.bgk.uniobuda.hu/jegyzetek/Gepjarmu_uzemanyagellatas/GUB_2013_17EA.pdf
49
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15. 16.
17.
18. 19.
20. 21.
ábra – Rétegtöltés modern Otto motorokban – forrás: HORST BAUER (2008): Benzinmotorok kipufogógáz technikája. Maróti Könyvkereskedés és Könyvkiadó Kft., Budapest, p. 7. ábra – BMW Valvetronic szelepvezérlés – forrás: http://autotechnika.hu/diagnosztika-javitas-szervizinformatikamuhelypraktikak/2288,a-bmw-valvetronic-szerelese-1-resz.html?print ábra – Nagynyomású kipufogógáz-visszavezetés és szabályozása – forrás: BAGÁNY MIHÁLY (2011): Belsőégésű motorok. Typotex Kiadó, Kecskemét, p.148. ábra – Katalizátor működése – forrás: DR. SZABÓ JÓZSEF ZOLTÁN (2013) – Óbudai Egyetem: http://siva.bgk.uniobuda.hu/jegyzetek/Gepjarmu_uzemanyagellatas/GUB_2013_17EA.pdf ábra – Lambdaszonda beépítés – forrás: DR: LAKATOS ISTVÁN (2008): Belsőégésű motorok emissziótechnikája. Nemzeti Szakképzési és Felnőttképzési Intézet, Budapest, p.12. ábra – Planár lambdaszonda – forrás: HORST BAUER (2008): Benzinmotorok kipufogógáz technikája. Maróti Könyvkereskedés és Könyvkiadó Kft., Budapest, p. 31. ábra – Telített részecskeszűrő – Forrás: DR. SZABÓ JÓZSEF ZOLTÁN (2013) – Óbudai Egyetem: http://siva.bgk.uniobuda.hu/jegyzetek/Gepjarmu_uzemanyagellatas/GUB_2013_17EA.pdf ábra – Egyes technológiák eladásainak változása az USA-ban – forrás: US EPA https://www3.epa.gov/fueleconomy/fetrends/1975-2014/420s14001.pdf ábra – Alternatív üzemanyagok – forrás: BME gépjármű tanszék http://www.gjt.bme.hu/sites/default/files/10hidrogenmotor.pdf ábra – USA tesztciklusai személy- és haszongépjárművekre – forrás: KARL-HEINZ DIETSCHE, MARIA KLINGEBIEL, RALF MÜLLER (2008): Dízelmotorok kipufogógáz technikája. Maróti Könyvkereskedés és Könyvkiadó Kft., Budapest, p. 106. ábra – EU tesztciklusai személy- és haszongépjárművekre – forrás: Autótechnika 2003/11 p.11. ábra – Japán tesztciklusai személy- és könnyű haszongépjárművekre – forrás: HORST BAUER (2008): Benzinmotorok kipufogógáz technikája. Maróti Könyvkereskedés és Könyvkiadó Kft., Budapest, p. 85. ábra – WLTP 3. ciklus üzemmódjai – forrás: https://www.dieselnet.com/standards/cycles/wltp.php ábra – Változó hígítással dolgozó mintavevő rendszer ábrája – forrás: Egyesült Nemzetek Szervezete Európai Gazdasági Bizottságának (ENSZ-EGB) 83. sz. előírása (2007) p. 97.
50
Táblázatok táblázat – Erőgépek hatásfoka – forrás szerző: http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412A/20100017_33_energetika_1/ch02s02.html alapján 2. táblázat - Gépjárművek európai emissziós határértékei – forrás: DR. SZABÓ JÓZSEF ZOLTÁN. (2013): Gépjárművek üzemanyag ellátó berendezései 3. táblázat – Benzin és a gázolaj fizikai jellemzői – forrás: BAGÁNY MIHÁLY (2011): Belsőégésű motorok. Typotex Kiadó, Kecskemét, pp.1.-178.alapján 4. táblázat Forgalomba hozott személyautók fogyasztásának átlagos értéke NEDC tesztciklus szerint – forrás: ICCT http://www.theicct.org/ 5. táblázat Forgalomba hozott személyautók fogyasztásának átlagos értéke USA CAFE tesztciklusa szerint– forrás: ICCT http://www.theicct.org/ 6. táblázat Forgalomba hozott személyautók CO2 kibocsátásának átlagos értéke USA CAFE tesztciklusa szerint– forrás: ICCT http://www.theicct.org/ 7. táblázat Forgalomba hozott személyautók CO2 kibocsátásának átlagos értéke az EUban – forrás: EUSTAT http://en.eustat.eus/ alapján 8. táblázat Személyautók CO2 kibocsátásának trendje az EU-ban – forrás: EUSTAT http://en.eustat.eus/ alapján 9. táblázat Közúti szállítás NOx kibocsátása az EU-ban – forrás: EUSTAT http://en.eustat.eus/ alapján 10. táblázat Közúti szállítás PMössz kibocsátása az EU-ban – forrás: EUSTAT http://en.eustat.eus/ alapján 11. táblázat Közúti fuvarozás PM és NOx kibocsátása az EU-ban (1990-2013) – forrás: EUSTAT http://en.eustat.eus/ alapján 1.
Rövidítések ASTM (szabvány)
American Society for Testing and Materials / amerikai tesztelési eljárások
BMW
Bayerische Motoren Werke
CAFE
Corporate Average Fuel Economy / USA fogyasztásmérési ciklus
CARB
California Air Resources Board / Kalifornia állam levegővédelmi törvénye
CDPF
Catalyzed Diesel Particle Filter / katalitikus bevonatú részecskeszűrő
CVS
Constans Volume Sampling / kipufogógáz hígítási eljárás
CVT
Continuously Variable Transmission / fokozatmentes sebességváltó
DPF
Diesel Particle Filter / részecskeszűrő
ECU
Electronic Control Unit / elektronikus irányítóegység
EGR
Exhaust Gas Recirculation / kipufogógáz visszavezetés
51
EVAP
Evaporative Emission Control System /üzemanyag-pára kibocsájtási vezérlőrendszer
FAME
Fatty Acid Methyl Ester / zsírsav metilészter
FAP
Filtre à particules / részecskeszűrő
FTP
Federal Test Procedure / Szövetségi teszt eljárás
HVOF
High Velocity Oxigen Fuel / hangsebességű fémoxid bevonat technológia
ICCT
International Council on Clean Transportation / Tiszta Közlekedés Nemzetközi Tanácsa
LPG
Liquid Petroleum Gas / folyékony gáz
MIL
Malfunction Indicator Light / hibajelző lámpa
MON
Motor Octane Number / motor oktánszám
NSC
NOx Storage Catalyst / nitrogéntároló katalizátor
OBD
On Board Diagnosis / fedélzeti diagnosztika
PAH
Policyclic Aromatic Hidrocarbon / poliklórozott-aromás szénhidrogének
PCDD
poliklórozott-dibenzo-para-dioxinok
PCDF
poliklórozott-dibenzo-furánok
RON
Research Octane Number / kísérleti oktánszám
SAE
Society of Automotive Engineering / USA Autóipari Mérnökök Egyesülete
SCR
Selective Catalityc Reduction / szelektív katalitikus nitrogénoxid redukció
SFTP
Supplemental Federal Test Procedure / kibővített szövetségi teszt eljárás
TBC
Thermal Barrier Coating / plazmaszórt kerámiabevonat
US EPA
United States Enviromental Protection Agency / Egyesült Államok Környezetvédelmi Ügynöksége
VANOS
Variable Nockenwellensteuerung / változó szelepvezérlés
VOC
volatile organic compounds / illékony szerves vegyületek
VVT
Valve Variable Timing / változó szelepvezérlés
52
NYILATKOZAT Alulírott Nagy Tamás, büntetőjogi felelősségem tudatában kijelentem, hogy az általam benyújtott, Kipufogógázok káros emissziójának csökkentésére alkalmazott technológiák című szakdolgozat önálló szellemi termékem. Amennyiben mások munkáját felhasználtam, azokra megfelelően hivatkozom, beleértve a nyomtatott és az internetes forrásokat is. Aláírásommal igazolom, hogy az elektronikusan feltöltött és a papíralapú szakdolgozatom formai és tartalmi szempontból mindenben megegyezik.
Eger, 2016. április 15.
…………………………………… aláírás
53
