Traktorok levegőszennyező hatásának újabb csökkentése | Agrárágazat

Traktorok levegőszennyező hatásának újabb csökkentése

Kiadvány, amelyben megjelent: 

A mezőgazdasági erőgépek hajtását az elkövetkező fél évszázadban is a belsőégésű motorok, elsősorban a kompressziógyújtású dízelmotorok fogják szolgáltatni. A dízelmotor működése közben sajnos szennyezi a környezetet. A tisztább traktormotorért megkezdett húszéves fejlesztési tevékenység eredményesen lezárult. A folytatás jegyében az EU „Stage V”előírást 2016. szeptember 14. elfogadták. Az elkövetkező fejlesztések elsősorban a részecskék mennyiségének korlátozására és a 23 nanométernél nagyobb részecskék darabszámának mérséklésére fognak irányulni.

 

Világ traktorgyártása

A traktorgyártás és az új gépek értékesítése jelentős mértékben növekedett az elmúlt években. 2010-ben 1,7 millió, 2014-ben 2,13 millió traktort értékesítettek a világon, ez négy év alatt 25,3 %-os növekedést jelent. A világon 2014-ben gyártott összes traktorok 58,52 %-át Ázsiában adták el. Az éves mennyiség 27,84 %-a Indiában és 24,63 %-a Kínában került értékesítésre. A traktorokba épített belsőégésű motorok teljesítménye is fokozatosan növekszik, még az ázsiai országok termék választékában is.

A második világháborút követően terjedt el a dízelmotorok alkalmazása mezőgazdasági erőgépeknél. A hazánkban működő traktorok és mobil mezőgazdasági gépek szinte kizárólag dízelmotorral üzemelnek. A mezőgazdasági erőgépek hajtását az elkövetkező fél évszázadban is a belsőégésű motorok elsősorban a kompressziógyújtású dízelmotorok fogják szolgáltatni. A kőolajból előállított gázolaj felhasználása legtovább a mezőgazdasági gépekben, traktorokban, önjáró betakarítógépekben kerül felhasználásra.

 

Dízelmotor környezet szennyező hatásának korlátozása

A dízelmotor működése közben sajnos szennyezi a környezetet. A dízelmotor-kipufogógáz alkotói közül csak a nitrogén, az oxigén és a vízgőz környezetbarát, az összes többi szennyezőanyag (a CO2 is!). A mezőgazdaságban alkalmazott dízelmotor levegőszennyező hatásának mérséklésével az országok hatóságai csak az 1990-es években kezdtek el foglalkozni. A mezőgazdasági erőgépek dízelmotorjaira vonatkozó első környezetvédelmi (az amerikai „Tier 1” és az európai „Stage I”) előírások betartása 1999-ben lépett életbe. Ma a „Tier 4 Final” és a „Stage IV” előírások vannak érvényben.

1. ábra Az emissziós határértékek változása Stage I-től a Stage V-ig HC + NOx és PM esetén

 

A motorgyártok az elmúlt időszakban folyamatos műszaki fejlesztéseket hajtottak végre a fokozatosan szigorodó kipufogógáz károsanyag-emissziós előírásainak betartása érdekében. Az EU-s előírások változását a HC+NOx (el nem égett szénhidrogének és a nitrogénoxidok együttes mennyisége), valamint a PM (kipufogógáz szilárdrészecskéinek mennyisége) függvényében az 1. ábra szemlélteti.

2. ábra PM és NOx kibocsátási határértékek összehasonlítása az Egyesült Államok és az EU között

 

Az amerikai és az európai előírások nem egészen egyeznek meg, ezt szemlélteti a 2. ábra. A motorgyártok által alkalmazott kipufogógáz-tisztító berendezések ma még változatos kialakítást mutatnak.

3. ábra John Deere PowerTech  PSS motorcsalád kipufogógáz utókezelő rendszerének vázlata

 

A mezőgazdasági dízelmotorok kipufogógáz utótisztító berendezései kezdetben a „Tier 4 Final” és a „Stage IV” előírások biztos teljesítése érdekében igen összetett kialakításúak voltak. A dízelmotor gyártók termékeiket általában például a John Deere PowerTech PSS motorcsaládhoz hasonló megoldással látták el (3. ábra).

A motor levegőellátó rendszere két turbófeltöltőt tartalmaz a megfelelő levegő mennyiségének szabályozott biztosítása érdekében. A kipufogógáz utókezelésére a DOC (Diesel Oxidation Catalyt) dízeloxidációs katalizátor és a DPF (Diesel Particulate Filter) dízel részecske szűrő szolgál. Az EGR (Exhaust Gas Recirculation) kipufogógáz visszavezetés a nitrogénoxidok (NOx) mérséklését segíti. Az SCR (Selectiv Catalytic Reduction) berendezés AdBlue dízel kipufogógáz-segédfolyadék (DEF) alkalmazásával az NOx mennyiségét csökkenti drasztikusan. Az ADC (Ammonia Diesel Catalytic) az AdBlue folyadék túladagolása miatt keletkező ammónia gázt oxidálja.

 

Néhány új megoldás

A mezőgazdasági dízelmotorgyártók a költségek csökkentése érdekében olyan „Tier 4 Final” illetve „Stage IV” környezetvédelmi besorolású motorokat fejlesztettek ki, amelyek teljesítik a teljesítménykategóriájuknak megfelelő emissziós szinteket egyszerűbb kipufogógáz-utókezelő berendezéssel is. Ezt elsősorban az elektronikus motorvezérlési rendszer tovább fejlesztésével, a hajtóanyag-befecskendezés finomításával, az égési folyamat javításával, valamint új szerkezeti megoldások kialakításával érték el a gyártók. A nagyobb teljesítménykategóriákban az EGR rendszert és vezérlés nélküli turbótöltőt hagyják el, míg a kisebb teljesítményű motoroknál is csak egy turbótöltőt alkalmaznak és az SRC rendszert hagyják el. Mindkét kategóriában mérséklik a DOC és DPF nagyságát, illetve esetleg a DPF elhagyása is megvalósul. A teljeségre törekvés igénye nélkül néhány ilyen új dízelmotor kipufogógáz utókezelési megoldását mutatunk be.

 

4. ábra „Év Traktora 2017” a Case IH Optum 300 CVX traktor

 

5. ábra FPT Industrial NEF 67 típusjelzésű dízelmotor képe

 

FPT Industrial NEF 67 típusjelzésű dízelmotor (4. ábra) a Case IH Optum 300 CVX traktor az „Év Traktora 2017” (5. ábra) energiaforrása. Ez a motor 6,7 literes, 6 hengeres, soros henger elrendezésű, 221 kW (300 LE) névleges teljesítményű.

6. ábra FPT Industrial Hi-eSRC 2 rendszerének vázlata 1. Dízeloxidációs katalizátor (DOC); 2. AdBlue befecskendező; 3. SCR rendszer katalizátora; 4. Ammóniaoxidációs katalizátor (ADC)

 

Az új konstrukciójú motor érdekessége, hogy a „Tier 4 Final” előírás teljesítését a szabadalmaztatott Hi-eSRC 2 rendszer segítségével érik el (6. ábra). A kipufogógáz-visszavezető (EGR) rendszert, a fix turbótöltőt és a részecskeszűrő (DPF) rendszert nem alkalmazzák ennél a motortípusnál. Az EGR elhagyása a motor teljesítményének növekedését és a fajlagos hajtóanyag-fogyasztás mérséklését eredményezi. A DPF gyakorlati elhagyása a szűrőrendszer körülményes regenerálásának megszűnését, karbantartásának elhagyását jelenti.

7. ábra Massey Ferguson 7620 traktor 2. generációs SCR rendszerrel

 

Massey Ferguson 7600 traktor család példaképül szolgál, arra hogy a Massey Ferguson az AGCO POWER-val együtt 2008-ban kezdeményezett úttörő szerep az SCR technika mezőgazdasági alkalmazásában milyen sikeres. A nehéz univerzális traktorokhoz kialakított oldalt elhelyezett kipufogódobba integrált hatékony SCR rendszer mai napig is egyedülálló kialakítású. Az AdBlue, dízel kipufogógáz-segédfolyadék felhasználásának elterjesztésében is jelentős szerepet vállalt a Massey Ferguson.

8. ábra AGCO SISU POWER kipufogógáz utókezelő rendszerének vázlata

 

9. ábra Új kialakítású DOC elhelyezése a traktoron

 

A Massey Ferguson 7620 traktoron elhelyezett 2. generációs SCR rendszert mutatja a 7. ábra. A traktor AGCO SISU POWER e3 SCR 66 típusjelzésű dízelmotorja 6 hengeres, soros henger elrendezésű, 6,6 literes, egy turbóval rendelkező és 147 kW (200 LE) maximális teljesítmény szolgáltat 1950 1/min főtengelyfordulat számnál. Ez a motor részecskeszűrő és kipufogógáz-visszavezetése nélkül is teljesíti a „Tier 4i” környezetvédelmi előírást. A motor kipufogógáz utókezelése egyszerű, karbantartásmentes DOC, SCR és ammóniaoxidációs katalizátorokból áll (8. ábra). Az új kialakítású DOC elhelyezésével a kipufogócső ívelten simul a vezetőfülkéhez (9. ábra).

10. ábra Deutz TCD 2.9 L4 típusjelzésű dízelmotor

 

Deutz TCD 2.9 L4 típusjelzésű dízelmotor 2,9 liter lökettérfogatú, 4 hengeres soros, folyadékhűtésű, egy turbós, 45÷55,4 kW teljesítményű (10. ábra). A Deutz Common Rail (DCR) hajtóanyag befecskendező rendszerrel, a hűtött kipufogógáz visszavezetésével (ceEGR), valamint dízeloxidációs katalizátor (DOC) használatával teljesíti a Stage IV/Tier 4 Final környezetvédelmi előírásokat. A motorhoz nem szükséges AdBlue használat, mert nem rendelkezik SCR rendszerrel. A Deutz vállalat csak opcióként épít be a motor kipufogó-utókezelő rendszerébe (DPF) dízelrészecske-szűrőt.

 

Mi várható a „Tier 4 Final” és a „Stage IV” után?

A Tier 4 final és a Stage IV előírásainak hatályba lépésével a tisztább traktormotorért megkezdett húszéves fejlesztési tevékenység eredményesen lezárult. Megállapítható, hogy az évek elteltével az új traktormotorok levegőszennyező hatása nagyon-nagyon csökkent. Az amerikai továbblépés még késlekedik, és nem is biztos, hogy szigorítani fognak a hatósági előírásukon.

 

1. táblázat Az Európai Parlament és a Tanács (EU) 2016/1628 rendelete a nem közúti mozgó gépek és berendezések kompresszió gyújtású belső égésű motorjainak kibocsátási határértékei „Stage V”

a) HC+NOx
b) 0.60 kézi-indításkor
c) 1.10 illetve
d) 6.00 a gázmotornál és a vegyes üzemű motornál a számításhoz figyelembeveendő tényezők értékei  

 

Az Európai Bizottság 2014. szeptember 25. közzétett javaslata elfogadást nyert 2016. szeptember 14. (1. táblázat). A „Stage V” érdekessége többek között, hogy minden motorra vonatkozik (a legkisebb és a legnagyobb motorteljesítményűre is), a motorteljesítmény-kategória új jelölésének megfelelően. A környezetet szennyezők közül lényegében csak a részecskék tömegére vonatkozó emissziós érték (PM) szigorodott. A kipufogógáz részecskéire új paraméterként a „részecskeszám (PN)” került bevezetésre, amely alatt a 23 nanométernél nagyobb átmérőjű szilárd részecskék számát kell érteni. A vegyes (gáz és gázolaj) üzemeltetés esetén a HC értékét a megadott tényezővel és a gáz átlagos energiahányadosával kell kiszámolni.

A következő években a tisztább, a környezet levegőjét gyakorlatilag nem szennyező mezőgazdasági dízelmotor kifejlesztése során nem csak a kibocsátott részecskék tömegének korlátozására, hanem a kisméretű, dízel szilárd részecskék számának csökkentésére is megfelelő módszereket kell a motor fejlesztőknek kidolgozni.

 

A mezőgazdasági dízelmotorokra is vonatkozó „Stage V” előírás életbe lépett és 2017. április 13-a után a típusjóváhagyások megkezdődtek.

A korábbi előírásoknak megfelelő motorok gyártását a „Stage V” hatályba lépésének napján be kell fejezni, és ezeknek a motoroknak utolsó beépítési dátuma 2020. december 31.-e kivéve az 56 ≤ P < 130 kW kategóriát, amelyre a 2021. december 31.-i határidő vonatkozik.

 

Milyen mezőgazdasági dízelmotor fejlesztések várhatók?

A „Stage V” hatályba lépéséig a jeles motorgyártok élvonalbeli termékeiken látványos, nagyarányú fejlesztéseket várhatóan nem fognak végrehajtani. A „Stage IV” határértéket teljesítő új motor konstrukciókban annyi tartalék van, hogy ezek többsége a „Stage V” előírásoknak is megfelel. A fejlesztések elsősorban a részecskék mennyiségének korlátozására és a 23 nanométernél nagyobb részecskék darabszámára mérséklésére fognak irányulni (lásd az 1. és 2. ábrát).

A motor levegő-ellátó rendszerét valószínűleg fejleszteni fogják a motorba jutó levegő tisztaságának javítása és a szükséges mennyiségének szabályozása érdekében. Ennek jegyében jobb minőségű levegőszűrők használatára kerül előtérbe. A külső kipufogógáz-visszavezető rendszerben általánosan fognak szűrőt alkalmazni. A kenőolaj-fogyasztás mértékének korlátozására, valamint a kenőképesség, a kenési rendszer fejlesztésére is sor kerülhet.

A motor hajtóanyag-ellátó rendszerét, az égés szabályozását javítani szükséges. A mechanikus hajtóanyag-befecskendező rendszerről át kell térni az elektronikusan vezérelt nagynyomású cammon rail rendszer alkalmazására, még a kis teljesítményű motorok esetében is. Az üzemeltetőnek csak az engedélyezett jó minőségű gázolajat szabad használnia.

A dízelmotor kipufogógáz-utókezelő rendszerének finom összehangolását el kell végezni. Ha szükséges, a kipufogógáz utókezelésére a 3. ábrán látható megoldásokat (ismételten) alkalmazni kell. Az új megoldásokat is kutatni szükséges az égés során keletkező káros gázok és szilárd részecskék mennyiségének mérséklése érdekében.

A közeljövőben igen nagy számban fognak közlemények megjelenni olyan motorokról, amelyek a típusvizsgálat során „Stage V” besorolást értek el. Érdekes állapotot hozhat létre Amerika, ha nem lép a dízelmotorok környezetszennyezésének mérséklése területén, illetve ha lépése nem az EU előírások harmonizálásának irányába valósul meg. Előállhat az a helyzet, hogy egy adott mezőgazdasági dízelmotor csak Amerikában forgalmazható, Európában pedig nem.

Felhasznált források:

http://eur-lex.europa.eu/legal-content/PL/TXT/?uri=CELEX%3A32016R1628

www.theicct.org/EU-stage-V-policy-update

Dr. Varga Vilmos

SZIE Gépészmérnöki Kar,

Járműtechnika Tanszék, Gödöllő

Kapcsolódó cikkek