Haszongépjármű-emissziótechnika

Az Euro VI előírások szerint 2014. január 1-jétől minden legyártott haszongépjármű-dízelmotornak meg kell felelnie a „VI-os” előírásban foglaltaknak. Az újonnan fejlesztett motorokat már idén január 1-jéig típusvizsgálat alá kellett vetni az Euro VI előírásai szerint. A római szám mutatja, hogy a 3,5 tonna feletti járművek motorjáról van szó. A haszongépjárművek kipufogógáz-tisztításában, az Euro VI életbelépésével, lassan már számunkra is tisztázódnak a technikai megoldások.

A kutatók és mérnökök már régen dolgoznak a fizikai és kémiai eljárások fejlesztésén, a katalizátortechnikán és ehhez szorosan kötve a motorfejlesztésen, hiszen a jövő követelményei már tíz évvel ezelőtt is ismertek voltak.

A határértékek rendkívül szigorúak:

– A NOX 80%-kal csökken – 0,40 g/kWh értékre (a teszt állandó üzemállapotában).

– A NOX 77%-kal csökken – 0,46 g/kWh értékre (a teszt változó üzemállapotában)

– A részecskék kibocsátása 50%-kal csökken – 0,01 g/kWh értékre.

Ez utóbbi valójában még szigorúbb, mivel nemcsak a tömeg, de a részecskék száma is számít. Elsősorban ezért van szükség a dízel részecskeszűrő (DPF) alkalmazására.

További szigorú követelmény, hogy meghatározzák a motor élettartama alatt megengedett romlás mértékét is, mely szinte elhanyagolhatóan csekély.

Váratlan dolgokkal nem kell szembenéznünk, a már – például a személygépkocsi- dízelmotorok világából – ismert elemeket rakták össze az új, Euro VI-os emissziótechnikába. Azt látjuk, mint általában napjaink autótechnikai megoldásainál, hogy minden kifinomultabb és csúcsra járatott lett, kevésbé hibatűrőek, már kis rendellenesség esetén is „beszólnak” a vezetőnek, hogy valami nincs rendben. A gépjárműfenntartóknak ez új kihívást jelent, sokkal nagyobb gondosság és figyelem kell ezekhez a motorokhoz, hogy folyamatosan névleges állapotban tudják a szállítási feladatot teljesíteni. Tervezetten nagy gondot kell fordítani a karbantartásra, ha nem akarjuk, hogy teljesítménycsökkentéssel „büntessen”, hogy nagy költségű javítást kelljen rajtuk végezni.

Rendszerelemek

Az Euro VI emissziótechnika haszongépjárműveknél szinte kivétel nélkül az alábbi rendszerelemekből épül fel:

– oxidációs katalizátorral (DOC) indul, mely a kipufogógáz CO- és HC- komponenseit oxidálja, és részben oxidálja a nitrogén-monoxidot is NO2-vé. Ha a DOC-ot követő részecskeszűrőt annak regenerálásához fel kell melegíteni, akkor a DOC előtt befecskendezett gázolajat is oxidálja, hogy ezzel a kipufogógázt felmelegítse. A DOC átmenőcsatornás, platinabevonatú, kerámiahordozójú katalizátor.

– A második elem a részecskeszűrő, a DPF. Kerámia falszűrő platina bevonattal, tehát a kipufogógáznak teljes mennyiségében át kell mennie a szűrőfalon. A koromrészecskék és az olajhamu lerakódik a szűrő falán. Minden gáz halmazállapotú kipufogógáz-alkotó áthalad rajta.

Ha a korommennyiség eléri a kritikus értéket, tehát már nagyon fojtja a gázáramot, a szűrőt regenerálni kell. A lerakódott korom, ha megvan a kellő hőmérséklet, elég, azaz szén-dioxid lesz belőle. A koromszemcsékre rakódott szénhidrogének is oxidálódnak.

A DPF regenerációját nagyban segíti a kipufogógáz NO2-tartalma. (Ezért is kell a DOC!) A korom (szén) és a nitrogén-dioxid egymással reakcióba lép: a korom szén-dioxiddá oxidálódik, miközben a nitrogén-dioxid redukálódik és nitrogénmolekula lesz belőle. Ezt nevezzük SCRT tisztítási reakció folyamatnak. Az NO2-reakció kisebb hőmérsékleten már végbemegy, mint a „klasszikus” szénoxidáció a kipufogógáz oxigéntartalmával. A DPF végleg eltömődhet, ha az olajhamu azt eltömi. Ez fedélzeten – normál üzemi körülmények között – nem távolítható el belőle. A javítóipari tisztítási eljárással azonban regenerálható. A DPF élettartamát nagyon csökkenti, ha a motor – befecskendezési hiba miatt – túlzottan kormol és ehhez megnövekedett olajfogyasztás is társul. A beleégő olaj-korom végzetes lehet.

– Harmadik lépcsőben a kipufogógáz nitrogén-oxid (NO és NO2) tartalmától kell megszabadulni. Nagy dízelmotoroknál ez kizárólag (ma e sorok írója így tudja) az SCR-eljárással lehetséges. Az SCR a szelektív katalitikus redukció rövidítése. A redukcióhoz segédanyag szükséges. A segédanyag karbamid, melyet a kipufogórendszerbe vizes oldatában fecskendezünk be. A vizes oldat európai fantázianeve AdBlue.

Az AdBlue-t az SCR-katalizátor előtti kipufogócső-szakaszba fecskendezzük be. Az AdBlue alapos elkeveredése szükséges, ezért ide különféle áramlásterelő „mixereket” építenek be.

A kipufogócsőben az AdBlue karbamidjából – reakciók sorozatán keresztül – ammónia jön létre. Az SCR-katalizátorban az ammónia a nitrogén-oxidokkal reakcióba lép, melynek eredménye a nitrogén-oxidok redukciója. Tehát az SCR-ből nitrogénmolekulák, nitrogéngáz lép ki. Mivel az AdBlue mennyiség egészen pontosan, főleg változó motorüzemben nem mérhető be, ezért az SCR-ből fel nem használt ammónia (NH3) is kikerülhet. Ennek eltüntetéséhez van szükség az emissziótechnika negyedik elemére.

– Az ASC-katalizátor (van, aki CUC-katalizátornak nevezi) a rendszer záró, platinatöltetű oxidációs katalizátora. Ebben nemcsak az ammónia bomlik el (a hidrogén oxidálódik vízzé és lesz belőle nitrogénmolekula), hanem más, az SCR-ben képződő anyag is semlegesíthető.

➋ A szűrődob belső felépítése: 1 – kipufogógáz a motortól, 2 – DOC, előtte áramlásrendező, 3 – DPF, kilépés a szabadba, 4 – AdBlue befecskendezőfúvóka, 5 – AdBlue keverőtér, 6 – SCR, 7 – ASC, 8 – NO_x -szondák, 9 – kipufogógáz-kilépés a szabadba

Dióhéjban, és emlékeztetőként ez a rendszer „képlete”. Ábráink (➊. és ➋. ábra) segítenek rögzíteni ezeket az ismereteket. A ➌. ábra a szűrődobon belüli áramlást teszi egyértelművé.

➌ A szűrődobban a gázáramlás útja (forrás: MAN)

Ezek után nézzünk néhány példát az Euro VI emissziótechnikájára.

Scania

A SCANIA ügyfelei hat különböző Euro VI motor közül választhatnak (lásd a motorok alapadattáblázatát).

Rövidítések: XPI – nagynyomású CR-befecskendezés, EGR – kipufogógáz-visszavezetés, VGT – vezetőlapát-állítású turbótöltő („geometriás” töltő), FGT – fix geometriás turbótöltő, DOC - dízel oxidációs katalizátor, SCR – nitrogén-oxid redukciós katalizátor (szelektív katalitikus redukció), DPF – részecskeszűrő.

A katalizátorok száma és elrendezése különbözik, lehet több DPF és SCR+ASC egység is ➍. Külön hangtompító dob nem szükséges.

➍ A Scania-motorok katalizátoregységeinek darabszám szerinti megoszlása

A motort és a katalizátoregységet (➎. és ➏. ábrák), valamint a szűrődobot több kép is mutatja. A szűrődobok jeladókkal való felszereltségét, valamint az AdBlue hozzávezetést és injektort a képek (➐., ➑. és ➒.) jelölései alapján könnyen azonosíthatjuk.

➎ Scania-motor és szűrődob

➏ Scania-motor és szűrődob metszeti képe

A Scania előírása szerint az LDF-3 hosszú csereintervallumú kenőolaj használata kötelező, amelyet kifejezetten az Euro 6-os és a részecskeszűrővel ellátott motorok számára fejlesztettek ki.

A rendszer két érzékelő segítségével figyeli az integrált részecskeszűrő előtti és utáni nyomás közti különbséget, amely alapján kikövetkeztethető az eltömődöttség foka, és ezáltal meghatározható a regeneráció szükségessége. A regeneráció rendszeresen, menet közben megy végbe. Ha a szűrőt ezután is eltömíti a korom, a vezető számára üzenet jelenik meg a központi kijelzőn (erről még később szót ejtünk!).

➐ ➑ A szűrődob nézeti és metszeti képe. A jeladó-szerelvényezést és az AdBlue csővezetést, valamint az injektorelhelyezést is megfigyelhetjük a képeken: 1. az AdBlue hozzá- és visszavezetés-csatoló eleme a fűtés elektromos csatlakozóival, 2. Scania AdBlue injektor villamos csatlakozójával, 3. nox -szonda (1), 4. nox -szonda (2), 5. a hőmérők csatlakozódoboza, 6. DPF nyomáselvételi cső (1), 7. hőmérő, 8. hőmérő-jelvezeték, 9. DPF nyomáselvételi cső (1), 10. DPF nyomáselvételi hely és cső (2).

➒

A 9 literes motoroknál, ha a kipufogógáz kis hőmérsékletű, az utókezelő rendszer megfelelő működése miatt extra gázolajat fecskendeznek be a DOC elé. Az alapjáraton járatott motor az utókezelő rendszer lehűlését idézi elő.

Egyes típusoknál nincs kipufogógáz-visszavezetés, ezek AdBlue fogyasztása a tüzelőanyagfogyasztás 6%-a környékén van. Az EGR-SCR technológia kombinációját alkalmazó motorokban ez az érték 3% körül mozog, ami azonban nagy rakománytehernél, nagy magasságban vagy hideg időben több lehet.

Euro VI motorok esetében különösen fontos a kipufogógáz megfelelő hőmérséklete mind az SCR működéséhez, mind a DPF regenerálásához. Azokban az alkalmazásokban, ahol a motor csak ritkán dolgozik teljes terhelés mellett, a Scania azt ajánlja ügyfeleinek, hogy az Euro 5 motorokhoz viszonyítva valamivel kisebb teljesítményű motort válasszanak. Javítani fogja a hatékonyságot, ha a motor egy kicsivel nagyobb terhelésen dolgozik, mivel így a kipufogógáz hőmérséklete könnyebben tartható nagyobb értéken.

A szűrődob mindegyik soros motor esetében azonos méretű. A V-8 motoroknál 270 mm-rel hosszabb, mert két párhuzamos részecskeszűrőt, három párhuzamos SCR- és ASC-katalizátort tartalmaz.

Az AdBlue tartályok széles skálája lehetővé teszi, hogy azt a tüzelőanyag-tartály kapacitásának megfelelően, vagy az alkalmazott technológia (EGR+SCR vagy csak SCR) függvényében válasszák meg. Az oldalra szerelhető AdBlue tartályok: 30, 60 vagy 90 literesek, míg az elrejtett AdBlue tartályok: 58 és 100 literesek, illetve van egy 60 literes az extra alacsony alvázakhoz.

IVECO

Az IVECO Euro VI-os motorjait az FPT Industrial S. p. A. (FIAT Powertrain Technologies) fejlesztette ➓. Az emissziótechnikájukat HI-eSCR névre keresztelték. Motorjaik EGR nélküliek, amit rendkívüli előnyként említenek. A nitrogén-oxid-semlegesítés hatásfokát így is több mint 95%-ban jelölik meg, és mint mondják, mások ezt csak EGR-rel érik el.

➓ Iveco FPT N60 ENT SCR-motor

VOLVO

A VOLVO Euro VI-os haszongépjármű-dízelmotorjainak alapadatait táblázatba foglaltuk. Valamennyi motor emissziótechnikája „klasszikus” felépítésű, mindegyik motoron van kipufogógáz-visszavezetés.

A Volvo emissziótechnikáját a ⓫. ábra segítségével tanulmányozhatjuk.

⓫ Volvo D13K Euro VI motor

DPF-regenerálás

A kipufogógáz-tisztító egység – a szűrődobból, más megnevezés szerint „modularizált utókezelő egység” – legkényesebb eleme a részecskeszűrő (DPF), mert eltömődése esetén lehetetlenül a motorüzem. Mint arról már többször szóltunk, a DPF országúti üzemben folyamatosan önregeneráló. A lerakódó korom, kellő kipufogógáz-hőmérséklet esetén folyamatosan leég, ezzel mindenkor tisztán tartja a szűrőt.

Ha erősen gátolt haladású forgalomban, sok alapjárattal, kis terheléssel, sok stop-starttal tarkított a motorüzem, akkor nincsenek meg a regenerálás feltételei. Ilyenkor a rendszer „intézkedik”, hogy a fedélzeti regenerálás végbemehessen: növeli a kipufogógáz-hőmérsékletet, más beavatkozások mellett például késői befecskendezéssel vagy kipufogócsőbe történő befecskendezéssel (ha ez kiépített).

Egy eltömődési szintnél a műszerfali kijelző utasítja a vezetőt nagyobb terhelésű motorüzem beállítására (emelkedőn való haladás vagy nagyobb sebességű haladás), ha ezt az útviszonyok megengedik. Ilyenkor a műszerfalon megjelenő szöveg: Particulate filter regeneration required.

Ha ez nem lehetséges, út menti parkolóba kell beállni és elindítani a kényszerregenerálást, megnyomva az erre szolgáló gombot. A motor növelt fordulaton jár, és a kipufogócsőből fehér füst távozik. Az erre vonatkozó műszerfali utasítás szövege: Stationary regeneration required. (A környezetvédő állampolgároktól ilyenkor óvakodjon a gépkocsivezető…)

Ha fatális mértékű már az eltömődés, akkor az autót szervizbe kell vinni. Az üzenet: Particulate filter workshop maint. required – azaz műhelyben végzendő szűrőkarbantartás szükséges.

Karbantartás

A DPF cseréjét a haszongépjárműveknél nagyszerűen megoldották. A DPF-et, a szűrőbetétet ki lehet a szűrődobból venni! A dob homlokoldalát vagy annak egy fedelét levéve, a DPF (egy vagy kettő) célszerszámmal kihúzható. A dob tömítéseire vigyázzunk! Új szűrőt behelyezve, az autó ismét menetkész. A szűrőt arra feljogosított vállalkozás vagy a gyár megbízottja tisztítja, az ismét felhasználható. Normál körülmények között az első három olajcsere után kell a DPF-et cserélni. Utána minden második után. (Ez az előírás gyártónként és a motor felhasználási területétől függően változhat.)

A Scania karbantartási utasítása szerint a részecskeszűrő csereintervalluma az üzemeltetés jellegétől függ, a hosszú távú fuvarozásban általában körülbelül 240 ezer kilométerenként szükséges cserélni. A Scania a Scania Service Exchange DPF szűrők használatát javasolja, hogy a lehető legkevesebb időt kelljen a járműnek a szervizben töltenie.

Az SCR-ben lerakódás nem képződhet, mert az előtte lévő koromszűrő a kipufogógázból a részecskéket már kiszűrte.

Más probléma azonban felléphet! Ha az AdBlue befecskendezés meghibásodik (sugárképtorzulás, utócsepegés, szabályozási problémák, befecskendezés az előírt gázhőmérséklet alatt stb.) vagy az AdBlue minősége nem megfelelő, az AdBlue-ból szilárd lerakódás képződhet. Ezek eltávolítására, az SCR tisztítására már nincs egyszerű hozzáférés. Majd az „élet” meghozza a megoldást, mert egyébként az SCR is tisztítható. Megérheti, mert egy komplett szűrődobcsere csillagászati összegre rúg.