Mezőgazdasági dízelmotorokra vonatkozó emissziós szabványok

A mezőgazdasági traktorok, önjáró munkagépek ma még majdnem kizárólagosan dízelmotorokkal üzemelnek. A dízelmotor működése során a környezetbe kijuttatott kipufogógázzal levegőszennyezést okoz, amelynek korlátozására hatósági előírások, emissziós szabványok vonatkoznak.

A mezőgazdasági traktorok, önjáró munkagépek és az egyéb eszközök még néhány évtizedig dízelmotorral, illetve alternatív hajtóanyaggal működő, dugattyús, belső égésű motor hajtással fognak üzemelni. A gazdáknak még hosszú ideig gondot fog jelenteni a belső égésű motorok levegőszennyező hatása és a vonatkozó hatósági emissziós szabványok betartása. A jövő igen változatos motorválasztékából a cikk terjedelmi korlátai miatt most csak a mezőgazdasági dízelmotorokkal foglalkozunk.

A dízelmotorok levegőszennyező hatásának mérséklése

A dízelmotor működése során a környezetbe kijuttatott kipufogógázzal levegőszennyezést okoz. A dízelmotor-kipufogógáz alkotói közül csak a nitrogén, az oxigén és a vízgőz környezetbarát, az összes többi szennyezőanyag, még a szén-dioxid (CO₂) is. A környezetbe juttatott szennyezőanyagok mennyiségét többféleképpen lehet mérsékelni, így például a dízelmotor előtt a hajtóanyag minőségével, a motorban az égés befolyásolásával, a légfelesleg és a kipufogógáz visszavezetésének (EGR) szabályozásával, az alacsony hajtóanyag-fogyasztású munkapontban való üzemeltetéssel. A motor után a kipufogógáz kezelésével, oxidációs katalizátorral (DOC), részecskeszűrővel (DPF), segédanyagot (AdBlue) használóló szelektív katalitikus redukcióval (SCR) stb.

A dízelmotor kezeletlen kipufogógáz-mennyiségének csak 0,3%-a káros anyag, sajnos ennek kis része rákkeltő. A káros anyag mintegy felét a nitrogén-oxidok (NOx) teszik ki, és közel egyötödét a részecskék (PM) alkotják, ezért ezek jelentős figyelmet érdemelnek. A dízelmotor-kipufogógázban lévő valamennyi szilárd rész (por, korom, fémkopadék stb.) tömegének jellemzésére összefoglalóan a részecskék tömege (particulate matter, rövidítve PM) elnevezést használják.

Hatósági előírások

A mezőgazdasági dízelmotorok levegőszennyező hatásának mérséklésével a hatóságok az erőgépek elterjedése során hosszú ideig nem foglalkoztak. A gyári új traktor és mezőgazdasági dízelmotor (new nonroad diesel engines) típusvizsgálatára vonatkozó első amerikai előírás 1994-ben lépett életbe. Az emissziós határértékeket és vizsgálati módszereket az U.S. EPA (United States Environmental Protection Agency; Egyesült Államok Környezetvédelmi Hivatala) dolgozta ki 1991-ben. A mezőgazdasági dízelmotorok kipufogógáz-emisszióra vonatkozó amerikai vizsgálat módszerét és előírásait kisebb módosításokkal a világ több országa is átvette, pl. 1996-ban Japán, 1997-ben az Európai Unió, 2007-ben Kína, 2008-ban India, Törökország, és lehetne a sort folytatni. Az évek folyamán a hatósági előírások minden országban szigorodtak.

Általában a következő kipufogógáz-összetevők korlátozására vonatkoznak a hatósági előírások: szén-monoxid (CO), szénhidrogének (HC), nem metántartalmú szénhidrogének (NMHC), nitrogén-oxidok (NOx), egyéb részecske (PM).

Az U.S. EPA előírásaiban a besorolási fokozatokra a „Tier” [tiőr] angol szót használják, amelynek magyar jelentése sor, sorszám. A Tier 1-től a Tier 4-ig fokozatosan szigorodó hatósági előírások léptek életbe. 2012-ben megkezdődött a Tier 4 fokozat alkalmazása, de részleges bevezetése miatt előzetes „Interim Tier 4” és a mai végleges „Final Tier 4” fokozat is előírásra került.

Az Európai Unió 1997. december 16-án (Directive 97/68/EC) kezdte meg a mezőgazdasági dízelmotorok típusvizsgálata során betartandó kipufogógáz-emissziós határértékek előírását. Az EU a „Stage” [steidzs] angol szót (magyar jelentése fokozat, szint) használja jelölésre, és ma a „Stage V” fokozat van érvényben (1. táblázat). A Stage V részletes előírásai megtalálhatók a „Bizottság Felhasznált Rendelete (EU) 2017/654” dokumentumban és a hozzátartozó kiegészítéseket, módosításokat tartalmazó rendeletekben.

A mezőgazdasági dízelmotorok kipufogógáz-emissziós vizsgálatának amerikai és európai előírásai nagyjából megegyeznek, határértékeik viszont eltérnek egymástól. Korábban az amerikai, 2008–2015 között fokozatosan bevezetett U.S. EPA Final Tier 4 előírások voltak szigorúbbak, de a mostani európai Stage V szigorúbb határértékeket tartalmaz (1. ábra).

A dízelmotorok levegőszennyező hatásának mérséklésére szolgáló eszközök fejlesztése folyamatos. A mai korszerű mezőgazdasági dízelmotorok Common-Rail hajtóanyag-ellátó rendszere 2000 bar befecskendezőnyomással rendelkezik. A hűtött kipufogógáz-visszavezetés (EGR) elektronikus szabályozását Venturi áramlásmérő alkalmazásával javították, és bevezették a kipufogógáz hőmérsékletét szabályozó rendszert (ETM). A levegőellátó rendszert kiegészítették intercooleres kettős turbófeltöltéssel, ahol az első turbófeltöltő rögzített fix kivitelű, a második levegőtöltő wastegate szeleppel szabályozott (WGT) vagy változtatható beömlésű (VTG) turbófeltöltő. A kipufogógáz-utókezelő rendszer általában dízeloxidációs katalizátorból (DOC), regenerálható részecskeszűrőből (DPF) és AdBlue (DEF) segédanyaggal működő szelektív redukciós (SCR) katalizátorból, valamint az ammónia semlegesítésére szolgáló (AOC) katalizátorból áll. A motor hűtését változtatható fordulatszámú ventilátor segíti. A motorok vezérlését számos elektromos szenzor és elektronikus motorvezérlő egység (ECU) biztosítja

A szigorú előírások hatása

Az elmúlt közel 30 év alatt a dízelmotor-technika eredményeinek köszönhetően és az egyre szigorúbb hatósági emissziós szabványok betartatásával nemcsak a közúti, de az új fejlesztésű mezőgazdasági dízelmotorok is „tiszta” kipufogógáz-kibocsátásúak lettek pl. a NOx és PM tekintetében (3. ábra).

A közelmúltban a mezőgazdasági dízelmotor konstrukciós fejlesztése a hatékony kipufogógáz-utókezelés megtartása mellett az egyszerűbb, gazdaságosabb kialakításokra törekszik. Három fő irány bontakozott ki, úgymint a kipufogógáz visszavezetésének (EGR) elhagyása, a részecskeszűrő (DPF) méretének drasztikus csökkentése és a szelektív katalitikus redukció (SCR) elhagyása.

Jövőbeni célkitűzések

A közeljövőben az amerikai és az európai előírások további szigorítása várható, az egységesítésre való törekvés elősegítése mellett. 2021. november 3-án az amerikai Kaliforniai Levegő Erőforrások Igazgatósága (California Air Resources Board, rövidítése CARB) megtartotta az első nyilvános műhelytalálkozót az új Tier 5 szintű kibocsátási szabványok kidolgozásáról. A tervezett cél többek között a nem közúti motorok NOx- és PM-kibocsátásának további 50–90%-os csökkentése – a motor teljesítménykategóriájától függően – a 2028–2030 közötti időszakban (4. ábra).

A CARB még nem adott ki hivatalos Tier 5 javaslatot, de számos elképzelést mutattak be azzal a szándékkal, hogy visszajelzést kérjenek a motorgyártóktól és egyéb érdekeltektől. A javaslatok között szerepel például az emissziós határértékek szigorítása mellett új vizsgálati módszerek bevezetése, a hibrid hajtás és az alternatív hajtóanyagok hatásának vizsgálata, az OBD-követelmények elfogadása, az EGR-hűtő üresjárati megkerülése, a henger deaktiválásának bevezetése stb.

Dr. Varga Vilmos
ny. okl. gépész- és villamosmérnök

Felhasznált források:
dieselnet.com/standards/us; dieselnet.com/standards/eu; eur-lex.europa.eu/legal-content/