Renault 2.0 dCi NSC-emissziótechnikával

A személygépjármű-dízelmotorok kipufogógáz-tisztítása mind a fejlesztők, mind az üzemeltetők egyik központi kérdésévé vált már az euro 5 motoroknál, és már kezdünk szembesülni az euro 6 emissziótechnikával is. Ha a „vegyipari gépészet” kivitelében típusról típusra különbözik is egymástól, az alapelvek azonosak. A cikkünkben tárgyalt nitrogén-oxid-csökkentési eljárás – az NSC – érdekessége, hogy mind az Otto-, mind a dízelmotoroknál használható.

Mint az közismert, dízelmotor esetében ún. belső motorikus megoldásokkal és kipufogógáz-visszavezetéssel legfeljebb a kis tömegű személygépjárműveknél van esély, hogy például a nitrogén-oxidok katalitikus redukálását ne kelljen alkalmazni. Azonban itt sem kerülhető el a CO- és HC-oxidáció (DOC) és a részecskeszűrés (DPF).

Nagyobb össztömegű gépjárműnél, kb. 1800 kg felett, már az euro 5 teljesítése is megkívánja valamennyi szennyező komponens emissziójának csökkentését. A DOC és teljesáramú DPF-technikában nincs alternatíva, alapvetően egyféle az emissziótechnika.

1. ábra

A nitrogén-oxidok redukcióját azonban kétféleképpen lehet megoldani:

– segédanyag nélkül, tárolókatalizátorral, a redukálóanyagok a motor tökéletlen égéséből származnak, a folyamat szakaszos üzemű („csapda” tárolás, majd redukálás). Nevezzük ezt NSC-eljárásnak. Más megnevezések a szakirodalomban: LNT (Lean NOx trap), vagy NSR (NOx Storage and Reduction Catalyst), vagy NAC (NOx adsorber catalyst).

– segédanyaggal (kereskedelmi neve AdBlue), redukciós és (második) oxidációs katalizátorral (CUC), folyamatos üzemben. Az eljárás betűszava SCR.

Az NSC előnye, hátránya

Az NSC vitathatatlan előnye, hogy

– az üzemeltetőnek nem kell segédanyag- utántöltésről gondoskodnia,

– a gyártónak olcsóbb, hogy kevesebb a potenciális gond vele.

Hátránya, hogy

– a nitrogén-oxid-csökkentő képessége behatárolt, talán csak 2 literes dízelmotor és 1800…2000 kg tömegű gépjármű adja a felső határt,

– a katalizátor drága, öregszik (750 oC felett rohamosan), élettartama (névleges tulajdonságainak megtartása) kb. 160 E km,

– nagyon érzékeny a tüzelőanyag kén- és egyéb szennyezőanyag-tartalmára,

– a regenerációs motorüzem viszonylag gyakori, mely regeneráció durván elrontott motorüzemet kíván,

– a szegény-dús keverékösszetétel-váltás kifinomult szoftvert igényel,

– beavatkozó elemei ha tulajdonságaiban változnak (például az áramlás változik a fojtószelepeknél, az EGR-nél), a rendszer kimeneti jellemzője, a nitrogén-oxid-csökkentés mértéke romlik.

2. ábra

Azt, hogy a gyártók az euro 6 modelljeikhez melyiket fogják választani, ma még többnyire nem ismert, de vannak olyanok, akik már euro 5-nél is alkalmazzák, és ezt kívánják euro 6-nál is használni.

Erre a megoldásra dízelmotoroknál már ma is több sorozatban gyártott példát találunk, talán legismertebb a Toyota D-CAT (DPNR) nevű emissziótechnikája. A BMW elsősorban az USA piacára szállít NSC-vel autókat. Benzinmotoroknál is alkalmazzák, minden rétegezett keverékképzésű motornál. Talán a Mitsubishi GDI volt az első, amelyik Európába eljutott, használta a VW korai „igazi” FSI motorjainál, nagyobb Mercedes és BMW-motorokon is megtaláljuk.

3. ábra

Talán kevéssé ismert, hogy a Renault M9R 2.0 literes dCi motorja (1. ábra), is NSC-s technikával szerelt, melyet az Espace egyterűbe építenek. Az Espace tömege 1930 kg, a Grand Espace tömege 2040 kg.

A motorral először a 2009. évi frankfurti autószalonon találkoztunk (lásd a címképet).

A Renault gyári rendszervázlat (2. és 3. ábra) segítségével tekintsük át az emissziótechnikát!

A turbótöltő után a kipufogógáz közvetlenül jut az ún. motor közeli beépítésű tároló (NSC) katalizátorba. A katalizátor egyben oxidációs katalizátor is, mely a CO és HC anyagokat oxidálja. Térfogatra 2,2 liter.

A gáz ezen áthaladva jut az Eberspächer gyártmányú, teljesáramú részecskeszűrőbe, melynek térfogata 3,7 liter. Látszani ugyan nem látszik, de a műszaki leírásokból tudjuk, hogy a koromszűrő után, annak házában van a H2S- és COS-csapda és oxidációs katalizátor, térfogata 0,8 liter.

Az NSC-rendszer

A tárolókatalizátor vagy NOx-csapda lényegét neve is jól kifejezi. A katalizátor felületén a kipufogógáz nitrogén-oxid molekulái megkötődnek, így nem emittálódnak. A tárolókatalizátor telítődése után kell megkezdődnie a regenerálásnak, azaz a nitrogén-oxid molekulák leválasztásának és redukciójának. A tárolás, majd a redukálás/regenerálás kémiájáról már többször is írtunk, melyet az irodalomjegyzékben fel is tüntetünk. Ennek előfizetőink a http://autechnika.hu oldalon utána is nézhetnek.

4. ábra

5. és 6. ábra

7. ábra

A kipufogógáz-utókezelés két fázisra osztható. Az első a szokásos, „hétköznapi” dízel üzem, ahol a motor légviszonytényezője az alapjárati λ~7 értékről tud lecsökkenni a padlógáznál kialakuló λ~1,3 értékig. A motor a hígabb és a dús tartományban fokozottabb CO- és HC-kibocsátású, a dús (teljes terhelés közeli) tartományban pedig termeli a nitrogén-oxidokat és a részecskéket, a kormot.

A tárolókatalizátor egyben oxidációs katalizátor is, melyen platina is van. Ez és részben a részecskeszűrő folyamatos üzemben oxidálja a szén-monoxidot és a szénhidrogéneket. A koromszűrő folyamatosan felfogja a részecskéket és a kipufogógáz hőfokától függően automatikusan „leégeti” vagy kényszerregenerálással (kikényszerített nagy kipufogógáz-hőfokkal) oxidálja szén-dioxiddá

A Renault NSC/DPF technika eredményességét a tesztek mutatják:

A nitrogén-oxidok a szokásos dízelüzemben a tárolókatalizátoron megkötődnek. Nem riogatva a kedves olvasót a kémia rejtelmeivel, mely igencsak titkos területe a katalizátorosoknak is, annyit illik tudni, hogy a báriumé (Ba), a legnehezebb alkáli földfémé a kulcsszerep. A Ba oxidja (BaO) a felületére érkező nitrogén-dioxidot bárium-nitrátként megköti [Ba(NO3)2]. A katalizátor hordozóján rögzülő wash-coat réteg anyaga g-Al2O3, mely cériumot is tartalmaz, és a bárium mellett platina és ródium nemesfémeket is hordoz.

A tárolókapacitás feltöltésének végén, „befagy” a tárolás, a kipufogógáz HC és CO ugyan oxidálódik, de a nitrogén-oxidok érintetlenül haladnak tovább. A DPF-ben a NO2 + korom reakciójában némileg redukálódnak, de ez nem veszi vissza a NOx-emisszióját érdemben.

A telítődés után regenerálandó a tárolókatalizátort, azaz a megkötött nitrogén-oxidot fel kell szabadítani és redukálni kell.

A felszabadításhoz és regeneráláshoz elsősorban szén-monoxid és hidrogén szükséges. (Lásd a 4. ábrát.)

A dízelmotor is képes e két anyag „létrehozására”, ha a motor légviszonytényezője egy, vagy annál kisebb (λ~1,0). Közben kormol rendesen, de azt majd a szűrő megfogja.

A DeNOx folyamat időigénye ugyan csekély, de viszonylag sűrűn kell végrehajtani: minden 5–10 km után kell kb. 5–10 másodpercig dúsítani, természetesen függvénye a megelőző időszak motorterhelésének.

Miként érhető el a dúsítás, illetve a kívánt reakciótermékek létrehozása?

Fojtani kell a szívócsövet, hogy kevesebb levegő jusson az égéstérbe, növelni és késleltetni kell a befecskendezést és növelni kell a visszavezetett kipufogógáz mennyiségét, állítva a turbótöltés vezetőlapátozását.

Mikor kezdődjön és mikor érjen véget a dúsított üzem?

A Renault ezt ún. modellek alapján, szoftveres úton rendeli el. A modellszámítás követi a motorüzemi pontokat, és ebből meghatározza, hogy mennyi nitrogén-oxid kerülhetett a csapdába, a NOx-tároló katalizátorba. Ha a számítás azt valószínűsíti, hogy betelt a tárló, elrendeli a dúsítást, ennek eredményeként a regenerálást. A dúsítás időtartama is számított érték. Tehát nincs a motoron nitrogén-oxid-szonda, mely a tényleges NOx-emisszióról adna hírt, a rendszer „szoftverjeladós”.

A dúsított üzemre való átállás és a dúsított üzem zajosabb a normál dízelüzemnél. A zajnövekedés (hangnyomásszint-növekedés) csak 2 dB(A), melyet 60 km/h sebességig hallhat a vájt fülű autós, felette már a többi zajforrás elnyomja.

8. ábra

Az NSC rendkívül érzékeny a kénszennyezésre, melyet kénmérgezésnek is neveznek. A gázolaj kéntartalma (mert a kénszegény gázolaj sem teljesen kénmentes, kéntartalma 10 ppm alatti) az égésfolyamatban kéndioxiddá oxidálódik, melyet az NSC, a Pt katalizátorán tovább oxidál SO3-má, majd ezt a vegyületet a bárium – hasonlóan a NO2-höz – megköt, ezzel a nitrogén-oxid-tárolást megakadályozza. A szakirodalom szerint kb. 2 g kéntartalomnál kell elrendelni a DeSOx folyamatot, azaz a katalizátor kéntelenítését. Ezt is modellszámítás alapján állapítja meg az emissziós irányítás. A kéntelenítésre minden 1000 km befutása után van szükség, időtartama 5…10 perc. A kéntelenítéshez nagy kipufogógáz-hőfok (~600 oC) és dús keverékből származó kipufogógáz-komponensek kellenek. A kéntelenítési folyamat 5–10 perce alatt többször is végrehajtják a dúsítást. A kéntelenítés során H2S (kénhidrogén) és COS (karbonil-szulfid) vegyületek képződnek. Ezeket a DPF után elhelyezett oxidációs katalizátor semlegesíti.

A részecskeszűrő regenerálása az ismert eljárással megy végbe. Ha a számítás és a kipufogási ellennyomás mérés telítődést jelez, növelni kell a kipufogógáz hőfokát. Ezt az ismert eljárásokkal: késleltetett befecskendezés, EGR-lekapcsolás stb. lehet elérni. A DPF-regenerálásra menetállapottól függően kerül sor, általában 500…1000 km közötti futásnál, a művelet időtartama mintegy 15 perc. A NOx-képződés számítási modelljének ezt figyelembe kell vennie, mert a DPF-regeneráció alatt megnő a nitrogén-oxid-emisszió.

A 2. ábrán bemutatott rendszervázlat 2010 előtti. Az elrendezés mind a mai napig nem változott, de az általunk e hónapban, a Renault-importőr munkatársa, Palágyi Ádám jóvoltából megtekintett Espace már eltért tőle. Az NSC „rejtőzködik”: sem alulnézetből (5. ábra), sem a motorházból (6. ábra) nem látható, csak a fényképezőgépünket tudtuk a motor mögé benyújtani (7. ábra). A DPF nyomásmérője már nem differencianyomás-mérő, csak egy nyomáselvételi helye van a DPF előtt és a második UEGO lambda-szondát sem találtuk meg. Ami elleshető volt, egy hőmérőt, egy nyomáscsövet és természetesen magát a DPF+CUC egységet, lefényképeztük (8., 9. és 10. ábra).

9. ábra

Három kérdést kell még felvetni, az egyik a fogyasztásnövekedés, a másik az olajfelhígulás és a harmadik a járműviselkedés az üzemállapot-átkapcsolásoknál. A fogyasztás esetleges növekedését a dúsítási fázisokban adagolt, kb. 1,5-ször több gázolaj eredményezheti. A mérések azt mutatják, hogy az euro 5 és az euro 6 összevetésében többletfogyasztás nem jelentkezik, az NSC nélküli változatokhoz képest sincs növekedés, mert közben a motoron számos optimalizálást hajtottak végre. A DPF-regenerációhoz szükséges utó- és késői gázolaj-befecskendezés okoz olajfelhígulást, de ezt mára már elhanyagolható mértékűvé tudták tenni – más gyártóknál is – a konstruktőrök.

A dúsítási üzemállapotba való átkapcsoláskor, valamint a kikapcsoláskor torpanás vagy rángatás lehetséges vezetői „érzületét” a motor-nyomatékvezérlés finomításával teljesen megszüntették. Valószínűsíthető, hogy a modellek már ezek alap- vagy kontrollinformációit nem igényelték.

Kételyeim

A DOC/NSC/DPF/CUC „vegyiművek” önmagában mint hardver, de talán vezérlő és diagnosztikai szoftverében inkább, nagy a tudomány, le a kalapot a kutatók, tervezők előtt. Az üzemeltetőnek, a gépkocsi vezetőjének az emissziótechnika észrevétlen kell, hogy legyen, nem is kell tudnia róla, ha jó. Ha a diagnosztika hibát jelez, akkor van a baj (vagy nincs?). Miután az NSC átjárható, eltömődés nem jön szóba, így „örök” élettartamú. Miután jeladó – mert nincs – nem szól vissza, hogy a NOx-regenerálás eredménytelen volt, hiszen minden modellszámítás alapján vezérelt, a ciklusok mennek maguktól, akár jó, akár inaktiválódott a katalizátor. Lehet, hogy a lambda-szonda és a hőmérők jele alapján mégis észreveszi, hogy az NSC nincs már a helyzet magaslatán? Aligha hiszem. A DPF esete kissé más, mert ott van nyomásmérés és modellszámítás, mely azt is tudja, hogy a nyomásjelnek kb. milyen értékűnek kell lennie a futás során.

dr. Nagyszokolyai Iván

Forrás:

D. Maroteaux, J. Beaulieu, S. D’Oria: Entwicklung der NOx-Nachbehandlung für Reanult-Dieselmotoren, MTZ, 2010/03. p. 184.

D. Maroteaux, S. D’Oria, J. Beaulieu: Entwicklung eines NOx-Nachbehandlungssystems für Reanult Dieselmotoren: Ein Schritt zur Einhaltung zukünftiger Emissionsgrenzwerte, 17. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, 2008.

Petrók: Csapda típusú NOx-katalizátor, 2002. 11. szám, p. 10–13.

Nagyszokolyai: BMW HPI-benzinbefecskendezés, 2007. 9. szám, p. 37–41.