Traktormotorok SCR technikával

Az egyre szigorodó amerikai és ennek megfelelő európai előírások fokozatos hatályba lépése miatt, a gyártók tovább fejlesztik a traktormotorok kipufogógáz utókezelő rendszerét. A nitrogén-oxid kibocsájtás drasztikus mérséklése érdekében a nehéz univerzális mezőgazdasági traktorok és mobil munkagépek dízelmotorjai SCR technikával kerülnek értékesítésre.

Az SCR rendszer felépítése

Az SCR rövidítése az angol „Selectiv Catalytic Reduction„ kifejezésnek, amely magyarul „kiválasztott gáz katalizátoros mérséklését” jelenti.

Az SCR technika alatt, olyan berendezés működését értik, amely a belső égésű motorok kipufogógázában lévő NO_x (nitrogén-oxidok) folyamatos katalizátoros csökkentését valósítja meg.

A NO_x kiválasztását, a rendszer szelektivitást az AdBlue folyadékból hőbomlásra kiváló NH₃ (ammóniák) biztosítja. Az AdBlue folyadék karbamid (H₂ N-CO-NH₂) 32,5 %-os vizes oldata.

A kipufogócsőbe – az SCR-katalizátor elé befecskendezett – AdBlue folyadékból a meleg kipufogógáz hatására felszabaduló ammónia (NH₃) gáz katalizátor jelenlétében a következő egyszerűsített egyenlet szerint

NO + NO₂ + 2NH₃ ® 2N₂ + 3H₂O,

a kipufogógáz nitrogén-oxid tartalmából molekuláris nitrogént (N₂) és vízgőzt (H₂O) képez.

A traktormotornál alkalmazott SCR rendszer felépítését az 1. ábra szemlélteti.

1. ábra Az SCR (Selectiv Catalytic Reduction) rendszer felépítése

A felhasznált AdBlue mennyisége általában 4÷6%-a a traktormotor által elfogyasztott gázolaj mennyiségének.

Az SCR katalizátor előtt dízeloxidációs katalizátort (DOC „Diesel Oxidation Catalyst”) alkalmaznak.

A DOC katalizátor a kipufogógázban lévő el nem égett szénhidrogének (Cn H_m) és a szén-monoxid (CO) átalakítását végzi szén-dioxiddá (CO₂ ) és vízgőzé (H₂O).

Az SCR technológia alkalmazásának előnyei, hátrányai

Az SCR technológia előnye más eljárásokhoz képest, hogy a kipufogógáz NO_x összetevőit igen jó hatásfokkal (kb. 85%) redukálja.

Az SCR-katalizátornak jelentős (kb. 40%-os) részecskeszűrő képessége is van. Ezt a szűrőképességet a motorhoz közel elhelyezett oxidációs katalizátor is segíti.

További előny, hogy az azonos teljesítményű traktormotorok esetében az SCR technológiánál általában kb. 5%-kal kisebb a gázolajfogyasztása.

Az SCR technológia hátránya az AdBlue folyadék alkalmazása.

Ez egy újabb üzemanyag megjelenését jelenti a traktorüzemeltetésben.

Az AdBlue folyadék tárolása, a traktorokba töltése műszaki és logisztikai ismeretek alkalmazását igényli.

Ebből a folyadékból 4÷6%-os (gázolajfogyasztással arányos) mennyiséget használ el a traktormotor, viszont kb 5%-kal kevesebb gázolajat fogyaszt.

Mivel az AdBlue ára olcsóbb, mint a gázolajé, ezért az SCR technika hosszabb távon gazdaságos üzemeltetést jelent, a költségesebb beruházás 2-3 év alatt megtérül.

Az SCR technológia alkalmazása

A világ első SCR technikát alkalmazó traktorcsaládja 2007-ben a Massey Ferguson 8600-as széria volt.

Magyarországon 2010. január 27-30. között megrendezett budapesti AGRO+MASHEXPO kiállításon az Austro Diesel Massey Ferguson standon láthatta a hazai érdeklődő először a 6 hengeres SISU 74 AWI típusjelzésű SCR technikával rendelkező traktor dízelmotort (2. ábra).

2. ábra SISU 74 AWI típusjelzésű traktormotor baloldali képe

• VTG turbótöltő
• dízeloxidációs katalizátor
• AdBlue folyadékot
  befecskendező egység
• SCR-katalizátor
• AdBlue tartály szerelvényei

6. adagoló egység egybeépítve a szabályzó (DCU) elektronikával

Ez a motor folyadékhűtésű, VTG turbófeltöltésű dízelmotor főbb paraméterei: maximális teljesítmény 205 kW (279 LE); 6 hengeres; hengerenkénti szelepek száma 4; furat 108 mm, löket 134 mm; lökettérfogat 7400 cm³; befecskendező rendszere Common Rail; töltő levegőhűtése levegő/levegő; emissziós besorolása EU Stage 3B illetve EPA Tier 4i.

Az AdBlue adagoló egység a SISU motorok esetében Bosch DENOXTRONIC 2 típusjelzésű elektromechanikus adagoló szerkezet (3. ábra).

3. ábra A Bosch DENOXTRONIC 2 adagoló egység kialakításának vázlata

•  AdBlue tartály
•  szintérzékelő
•  hőmérséklet-érzékelő
• előszűrő
• villanymotoros membránszivattyú
• útváltó szelep
• főszűrő
• nyomásérzékelő
• hőmérséklet-érzékelő
• hűtésszabályzó szelepvisszacsapó szelep
• adagolás szabályzó elektronika (DCU)
• befecskendező egység
• kipufogógáz hőmérséklet-érzékelő
• SCR-katalizátor
•  NOx szonda
• NOx jelátalakító
• CAN-BUS adatátvivő vezetékek

Szabályszerű AdBlue adagolás akkor jön létre, ha bizonyos alapfeltételek teljesülnek, pl. ha a tartályban az AdBlue mennyisége a maximális érték 10%-át meghaladja.

A motor hőmérséklete magasabb mint 65o C, a kipufogógáz hőmérséklete magasabb mint 200o C, a motor leterhelése nagyobb mint 20% stb., akkor az AdBlue megfelelő mennyisége beporlasztódik a kipufogócsőbe.

A befecskendező egységben egy elektromágneses működtetésű szelep található.

Ennek a szelepnek nyitását, az adagolást szabályzó elektronikától DCU (Dosing Control Unit) érkező impulzusszélesség-vezérlésű villamos jel működteti, a szükségletnek megfelelő mennyiségű AdBlue pontos adagolása érdekében.

A befecskendező egységet fémház veszi körül, amelyet a keringtetett AdBlue folyadék hűt.

A DCU több más szabályozási funkciót is ellát pl. az adagoló egység felmelegítését, a tartályban lévő AdBlue előmelegítését is nagy hidegben, illetve induláskor.

Alacsony AdBlue szint a tartályban szabályszerű működés esetén akkor fordul elő, ha a fokozatosan elfogyasztott folyadék mennyiséget nem pótolják időszakonként pl. a gázolajtankolással egy időben.

Ha az AdBlue mennyisége a tartályban maximális érték 10%-a alá csökken, akkor a szabályozó elektronika jelzést küld a műszerfalon elhelyezet lámpa segítségével a traktor vezetőjének.

Az AdBlue utántöltésére ezután sem kerül sor, akkor kb. 6 liter folyadék mennyiség esetén a DCU megszünteti az AdBlue adagolását a kipufogócsőbe, de fenntartja a befecskendező egység hűtésének folyamatát.

A traktormotor és az SCR-katalizátor nem károsodik, ha az AdBlue befecskendezés megszűnik, csak a dízelmotor környezet szennyező hatása növekszik.

A traktor vezetője, hogy ne éljen vissza ezzel a helyzettel a DCU a CAN-BUS adatátvivő vezetéken keresztül utasítást küld a motorvezérlő elektronikának (ECU-nak).

A motorvezérlő elektronika ennek az utasítás hatására a befecskendező Common Rail rendszert úgy vezérli, hogy a dízelmotor kevesebb gázolajat kapjon, aminek hatására a motor teljesítménye drasztikusan 50%-kal csökken, a traktor munkavégző képessége korlátozódik.

Természetesen Adblue feltöltés esetén a motor teljesítménye és a traktor munkavégző képessége helyre áll.

Szabályszerű leállítás esetén, amikor a dízelmotort leállítják, az AdBlue tartályból szívott levegővel (ammónia gázzal) a szivattyú kiüríti az egész rendszerből a karbamidos folyadékot.

Ez a művelet a dízelmotor leállításától számítva 90 és 120 másodpercig tart, tehát a slusszkulcs kihúzása után is dolgozik a traktor elektronikája és mechatronikai rendszere.

Az SCR-katalizátor leggyakrabban monolit szilícium-karbidra, kordierit kerámia hordozóra vagy korrózióálló fémlemeztekercs felületére felvitt speciális katalitikus anyagot tartalmaz.

A katalizátor betétet tartó ház anyaga korrózióálló kettős falu lemez-acél (közbülső hőszigeteléssel).

A ház kialakításának formája hengeres dob, vagy szögletes doboz alak.

A katalizátor betét karbantartást nem igényel.

Az SCR technológia alkalmazásában a Massey Fergusont hamarosan más gyártó vállalat is követte többek között például a Fendt, a Case, a Claas, a New Holland.

Európában az új típusú nehéz univerzális traktorok esetében az SCR technológia alkalmazása ma már kizárólagosnak mondható.

A magyar mezőgazdaságnak az új technológia megismerésén túl az AdBlue katalizátor segédanyag szakszerű kezelésére, tárolására is fel kell készülnie.

Dr. Varga Vilmos
Szent István Egyetem, Gépészmérnöki Kar, Gödöllő