Benzinmotorok Károsanyag-kibocsátása: Környezeti Hatások és Csökkentési Lehetőségek

A benzinmotorok károsanyag-kibocsátása jelentős környezeti terhelést jelent, melynek csökkentése érdekében számos technológiai fejlesztés történt az elmúlt években. A károsanyag képződést alapvetően a légfeleslegtényező befolyásolja, hatását az emisszióra az 11.1. ábra szemlélteti.

A Diesel- és Otto-motorok károsanyag-kibocsátása az alapvető paraméterek függvényében nagyfokú hasonlóságot mutat. Diesel-motoroknál viszont az égés -szemben az Otto-motorokkal- egy inhomogén keverékben játszódik le öngyulladás hatására. A károsanyag képződés szempontjából az égéstér adott pontján uralkodó viszonyok (pl.: légfelesleg tényező, hőmérséklet, tartózkodási idő, stb.) a döntőek, és nem az adott térre jellemző átlagos értékek.

A CO-kibocsátás az Otto-motorokra jellemző, mivel a maximális nyomaték illetve a motor gyorsítása érdekében (dúsítás), az üresjárati stabilitás érdekében tüzelőanyagban dús keveréket alkalmazunk, ez az elsődleges CO keletkezés. A másodlagos CO keletkezés elsősorban az égés vége felé mind az Ottó-, mind a Diesel-motoroknál a hőmérséklet csökken, ami lángkialváshoz, azaz CO képződéshez vezethet (11.2. ábra).

A nitrogénoxidok (NOx) elsősorban NO-ból és NO2-ből állnak. Az égéstérben 90-98%-ban NO képződik, ami az égéstér elhagyása után elkezd átalakulni NO2 -á. Termikus úton keletkező nitrogénoxid (termo-NO) a levegő nitrogén és oxigén tartalmából képződik megfelelő hőmérséklet (1500 K felett) és tartózkodási idő esetén a Zeldovics-mechanizmus szerint. Magas hőmérsékleten az oxigén disszociál, atomjaira esik szét, ami reakcióba lép a nitrogén molekulával, és NO keletkezik (lásd 11.3. ábra).

A fenti reakcióegyenletek szerint a NO képződése az ún. láncreakciók segítségével történik, melyet az atomos állapotú oxigén indít el és a nitrogén atom visz tovább. Az NO-képződés a hőmérséklettel exponenciálisan nő, azaz már kis hőmérsékletnövekedés is lényeges NO növekedést von maga után. Motor tüzelőanyagokban a kémiailag kötött nitrogén nem jellemző.

Toyota Auris hibrid részletes adatok

Az el nem égett szénhidrogének - hasonlóan a szénmonoxidhoz- szintén a tökéletlen égés termékei. Nagyobb mennyiségben képződnek, ha az égés feltételei nem állnak rendelkezésre (pl.: léghiány, kétütemű motoroknál átöblítés, vagy gyújtáskimaradás esetén.).

A részecske-emisszió jelleggörbéje hasonló a CO jelleggörbéjéhez, szintén a tökéletlen égés terméke, de keletkezésének okai eltérőek. Részecskékről azért beszélünk, mert a részecskék a karbonon (kormon) kívül jelentős mennyiségben szénhidrogéneket, szulfátot, korrozív és kopási termékeket is tartalmaznak (11.6. ábra).

A részecskék elemi lépéseken keresztül alakulnak ki, aminek ideje μs-tól ms-ig tart. Első lépcső a szénhidrogén pirolízise, amikor a szénhidrogén molekulák szétesnek, és gázhalmazállapotú, a korom-kialakulás szempontjából aktív molekulák (olefinek, acetilének) képződnek. A pirolízis mértéke a hőmérséklet és az oxigéntartalom növekedésével csökken. Második lépésben az olefinek, acetilének kis korommagokká alakulnak át nagy sebességgel. A keletkezett korommagok száma rendkívül nagy. A harmadik lépcsőben a korommagok 1-2 nm-ről 10-30 nm-re növekednek. Negyedik lépés a láncképző összeolvadás. A kb. 20 nm-es koromszemcsék ütköznek, és néhány száznanométeres láncszerű képződményt alkotnak, kialakul a korom (ismert) szerkezete. Ezzel egy időben a korom oxidációja is lejátszódhat, akár 60-95%-ban is (11.5. ábra).

Amint az a fentiekből kitűnik, a CO, CH és részecske-emisszió ellentétes az NOx-emisszióval. Ezen kívül a legkedvezőbb fogyasztás (legjobb hatásfok) is a legnagyobb NOx-emisszióhoz tartozik.

Amíg az Otto-motoroknál a CO, CH és NOx emissziója okoz problémát, addig a Diesel-motoroknál az NOx és a részecske kibocsátás a kritikus. A motorparaméter változása értelemszerűen befolyásolja a motorokban az égést és vele együtt a károsanyag kibocsátást. A gyújtás időpontjának előrehozatalával (nagyobb előgyújtás) növekszik a hengerben a nyomás és a hőmérséklet, csökken a CO, CH emisszió, a fogyasztás, de nő az NOx emisszió. (11.7. ábra- 11.8. ábra - 11.9. ábra - 11.10. ábra)

Mercedes ML 320 értékelés

Terhelés hatására a hengertérben eltüzelt tüzelőanyag mennyisége növekszik, nő a hőmérséklet, így a tökéletlen égésből származó emissziók csökkennek. Égéstér kialakítás jelentős hatással van károsanyag kibocsátásra. Általában elmondhatók, a kompakt -gömb alakhoz közel álló- égésterek gyorsabb, intenzívebb égést tesznek lehetővé, elősegítve a tökéletesebb égést, növelve az NOx emissziót. A tagolt égésterekben viszont elnyúlik az égés, ami kevésbé tökéletes égést eredményez.

Az égés alakulása Diesel-motoroknál jelentősen befolyásolható a befecskendező rendszerrel és annak nyomásával.

A (11.7. ábra- 11.8. ábra - 11.9. ábra - 11.10. ábra) ábrákon megfigyelhető egy adott fordulatszámon és szívótér nyomás mellett különböző befecskendezési idő -különböző dózisok esetén- és különböző előgyújtási idők esetén a motor nyomtékát, CO, NOx kibocsátását, és a fajlagos fogyasztást. A nyomaték szempontjából jól megfigyelhető, hogy a mind a befecskendezés mind az előgyújtás jelentős hatást gyakorol a nyomatékra. A CO kibocsátásra elsősorban a befecskendezett tüzelőanyag mennyisége van hatással az előgyújtás hatása csekély. NOx kibocsátás a tüzelőanyagban szegény tartományban jelentős -rövidebb befecskendezési idő-, viszont itt is megfigyelhető az előgyújtás hatása, növelve az előgyújtást jelentősen nő a kibocsátás. Szintén hasonló eredményt tapasztalhatunk a füstgáz hőmérsékletet és fajlagos fogyasztásra.

Károsanyag-kibocsátás Csökkentési Módszerei

A károsanyag-kibocsátás csökkentésére számos módszer létezik, melyek a motor működésének különböző pontjain avatkoznak be.

Motor Előtti Eljárások

A motor előtti eljárások lényegileg tüzelőanyag-változást jelentenek. Az alkoholok (Otto-motoroknál) csökkentik az NOx emissziót.

C-Max benzin szivattyú relé problémák

Motorban Megvalósítható Eljárások

A motorban megvalósítható eljárások igen nagy jelentőséggel bírnak. Annak ellenére, hogy az NOx emisszió a többivel ellentétesen változik, tévedés lenne azt hinni, hogy az emissziók együttesen nem csökkenthetők. Az egyes emissziók jellege (11.7. ábra- 11.8. ábra - 11.9. ábra - 11.10. ábra) ugyan motoronként hasonló, de számértéke lényegesen eltér. Pl. a dugattyú és a henger közötti hézag csökkentésével a CH emisszió jelentősen csökkenthető anélkül, hogy a többi emisszióban lényeges változás állna elő. A motorparaméterek hatására beálló változások (lásd 11.1. szakasz fejezet) megfelelő megváltoztatásával eddig is lényeges emisszió csökkenést sikerült elérni.

Légfelesleg Növelése

Otto-motoroknál a légfelesleg növekedését az égés instabillá válása korlátozza. Nagyobb légfelesleget alkalmazva az elszegényített keverékű szívómotornak csökken a teljesítménye is. Ezen a motor feltöltésével lehet segíteni. A feltöltött, tüzelőanyagban szegény keverékkel üzemelő motor teljesítménye nagyobb, mint a szívómotoroké, hatásfoka pedig hasonló. A turbófeltöltésű motornál az állandó összetételű keverék biztosítása rendkívül fontos, mivel az általánosan használt 1,5-1,6 légfelesleg tényező esetén már a kis légfelesleg emelkedés is jelentős károsanyag kibocsátás növekedést vonhat maga után (11.11. ábra).

EGR szelep: Mi az, és miért van rá szüksége az autójának?

Füstgáz Visszavezetés (EGR)

A füstgáz visszavezetés az NOx csökkentés egyik leghatásosabb eszköze mind Diesel-, mind Otto-motoroknál, mivel recirkuláció hatására csökken a motorban a csúcshőmérséklet. A füstgázok ugyanakkor kedvezően hatnak az elégetlen károsanyagokra is, viszont a részecske kibocsátás általában megemelkedik. A füstgáz recirkuláció hatását az 11.12. ábra érzékelteti.

Füstgáz visszavezetés (EGR) rendszer

A füstgáz visszavezetésnek több típusa létezik. A szigorodó károsanyag kibocsátási előírások kezdetben csak az ECM által vezérlet rendszereket nem pedig hűtött rendszereket követeltek meg, amely a fordulatszám terhelés és egyéb üzemi paraméterek (pl. hűtővíz hőmérséklet) függvényében szabályozott mennyiségű füstgázt vezettek a szívó vezetékbe. A legtöbb ma alkalmazott rendszer az un. nagynyomású rendszer. Itt a turbótöltő előtti nagynyomású ágból vezetnek vissza füstgázt a kompresszor és az közbenső hűtő után Idővel a megjelentek a hűtött füstgáz visszavezető rendszerek. Ezeknél a motor hűtővízkörével hűtik a visszavezetett füstgázt. Ezt a rendszer egy szelep segítségével megkerüli, amíg a motor nem éri el az üzemi hőmérsékletet. Elsősorban nehézüzemű motoroknál és a részecskeszűrők elterjedésével jelent meg az úgynevezett kis nyomású füstgáz visszavezetésű rendszerek. Segítségével csökkenthető az nagynyomású rendszereknél a lerakodások miatt tapasztalható hatékonyság csökkenés, viszont fent áll a veszélye a részecske szűrőkből a meghibásodások miatt távozó letört elemek bejutása a kompresszorba, amely komoly meghibásodásokat eredményezhet.

Szekunder Módszerek (Füstgázkezelés)

A szekunder módszerek a füstgázban jelenlevő károsanyagok eltávolítására alkalmasak. A füstgázkezelést többnyire a primer módszerek kiegészítéseként alkalmazzák. Belsőégésű motoroknál a nem szelektív katalitikus eljárás (NSCR), melyet hármashatású katalizátornak is neveznek - és az oxidációs katalizátorok terjedtek el, de számos új technológia terjed.

Nem Szelektív Katalitikus Eljárás (NSCR)

Nem szelektív katalitikus eljárásnál nem csak az NOx-et, hanem a CO-t és a CH-t is csökkenteni lehet. A hármashatású katalizátor monolitos kerámiaanyagból áll, melynek nagy a felülete és kicsi az áramlási ellenállása. A felületet közel ezerszeresre növelik szilíciumoxid bevonattal, és így extraaktív felületet nyernek. Az aktív réteg platina/ródium és rövid ideig képes az oxigént megkötni. A katalizátor redukálja az NOx-et és oxidálja a CO-t és CH-t. A füstgázban a redukálandó NOx és az oxidálandó CO és CH mennyiségnek egyensúlyban kell lennie.

Hármashatású katalizátor

A katalitikus kipufogógáz tisztítás fontos jellemzője, hogy a katalizátor csak az üzemi hőmérséklet elérése után biztosítja az igen alacsony károsanyag emissziós szintet. Oxidációs katalizátorokat akkor alkalmazunk, ha a füstgázban oxigén van jelen. A katalizátor lényegében hasonló a hármashatású katalizátorhoz, de az oxigén jelenléte miatt nem képes az NOx-et redukálni. A hármashatású katalizátor Ottó-motorokhoz használatos λ=1 szabályozással. Az oxidációs katalizátorokat nagy légfeleslegű (λ≈1,42-1,5) Otto-motoroknál és Diesel-motoroknál alkalmazzák. A tüzelőanyagokban levő ólomadalékok lerakódnak a katalizátor felületén, bediffundálnak a közbenső rétegbe, a hordozóba, és ez rövid futás után a katalizátor dezaktíválódásához vezet.

Szelektív Katalitikus Redukció (SCR)

Első sorban nagyobb egységteljesítményű és a nehézüzemű Diesel-motorokban alkalmazott technológia a az úgynevezett szelektív SCR (Selective Catalytic Reduction) katalizátor a NOx kibocsátás csökkentésére. Amint az a hármashatású katalizátornál látható volt annak segítségével a tüzelőanyagban dús és közel sztöchiometrikus keverék esetén lehetséges jó hatásfokkal a NOx kibocsátás csökkentése. Mivel a füstgázban O2 van ezért a NOx redukálására ammóniát (NH3) használnak, amely azonban mérgező. Biztonság technikai okokból az ammónia helyett karbamid ([NH2]2CO) vizes oldatát használják, amely vizes oldata jól adagolható a füstgázhoz. Számos további katalizátor típus található belsőégésű motoroknál.

Részecskeszűrők (DPF/GPF)

A környezet terhelés elsősorban Diesel-motoroknál jelentős komponense a részecske kibocsátás. A mai környezetvédelmi előírások betartása érdekében a határ érték alatti kibocsátást csak füstgáz utókezeléssel lehet megoldani, amelyre az un. részecskeszűrők szolgálnak.

Diesel részecskeszűrő (DPF)

Az ún. „szinterfém” szűrők kis falvastagságú hosszirányban perforált fémlemez-tekercsek melyeket vékony szinterezett, porózus lemez fed (11.16. ábra). A falon átszűrő technológia esetén az általában szilíciumkarbidból készült monolit kialakítású kerámia testben a szomszédos csatornák ellenkező végei vannak le zárva, így a kipufogógáz csak a porózus kerámia falon keresztül tud tovább haladni (11.17. ábra).

Mivel mind a két technológia esetén a részecskék kiszűrésre kerülnek a szűrők tisztításáról -regenerálásáról- gondoskodni kell. Ez történhet magas füstgáz hőmérsékletű regenerálási ciklussal, amely során a CR rendszereknél ismertetett kései utóbefecskendezést alkalmaz az EDC, vagy aktív regeneráció esetén külön villamos fűtés vagy égő segítségével. Ebben az esetben a rendszer két elemből áll össze, egy oxidációs katalizátor (DOC) amely a CO és CH komponensek oxidációja mellett az NO-t oxidálja NO2-re. Ennél a technológiánál a részecskeszűrő katalitikus hatású anyag van bevonva.

Közvetlen Befecskendezéses Benzinmotorok (GDI) Környezetszennyezése

Fontos kiemelni, hogy a modern közvetlen befecskendezéses benzinmotorok (GDI) valódi környezetszennyezéséről kevesebb szó esik. Ezek a rendszerek, melyek az ezredforduló óta a legtöbb autóban megtalálhatók, áldásos találmányok, mert kevesebbet fogyasztanak és jobban mennek az autók, de a károsanyag kibocsátás drasztikusan romlott. Magas nyomással benzint fecskendeznek közvetlenül az égéstérbe, így jobban szabályozva az égés kialakulását és lefolyását, valamint a kisebb benzinrészecskék nagyobb felülete miatt hatékonyabb lesz az égés. A közvetlen befecskendezéses benzinmotorok több korom részecskét (policiklusos aromás szénhidrogének) bocsátanak ki, mint a dízel motorok! Ráadásul sokkal apróbb molekulákat, amik méretük miatt, belélegezve közvetlenül a véráramba kerülnek.

A benzines motorok széndioxid (CO2) kibocsátása 20 százalékkal magasabb a dízel motorokhoz képest. A széndioxid üvegházhatású gáz, ami nagyban hozzájárul a föld felmelegedéséhez.

Euro 6c és a Részecskeszűrők Elterjedése

2018 szeptemberétől az Euro 6c környezetvédelmi emissziós szabvány lépett életbe, mely szigorúbb követelményeket támaszt a részecskekibocsátással szemben. A hazai utakon lassan fog csak elterjedni az új technika.

A GDI motorok másik sajátossága a szívószelepek kokszosodása. Ennek szakszerű javítása a motor részleges, vagy teljes szétszedésével jár.

Az aranyszabály a következő: kis autóba, valamint rövid távokra és városi használatra valóban nem éri meg dízel autót választani, de nem környezetvédelmi okokból, hanem mert a benzines motorok jobban bírják a hideg üzemet és rövid távokat. Igaz, a fogyasztásuk magasabb, de évi 10 000 kilométer használat mellett gazdaságosabb lehet az üzemben tartásuk. Hosszabb távra és nagyobb méretű autóban gondolkodóknak jobb alternatíva a dízel motoros autó.

Valós Körülmények Közötti Mérések

Akkreditált olaszországi szervezetek mérték le a Mercedes-Benz személyautók károsanyag-kibocsátását valós körülmények között. A mérést végző szakemberek arra voltak kíváncsiak, hogyan viszonyulnak a tesztjárművek eredményei a gyárilag meghatározottakhoz, valamint a különböző technológiák értékei egymáshoz képest.

A kísérletet három olaszországi nagyvárosban és azok környékén végezték: Milánóban, Torinóban és Rómában. A projektet a Mercedes-Benz mellett a Bosch is támogatta. A hitelesített méréseket a CSI és az IMQ-csoport mérnökei végezték.

A háromfős mezőny a következő autókból állt:

Mercedes-Benz A 200 d 2 literes, 150 lóerős dízelmotor
Mercedes-Benz B 160 1,3 literes, 109 lóerős benzinmotor
Mercedes-Benz C 300 de EQ-POWER 2 literes dízel plug-in hibrid 194 + 122 lóerős dízel és elektromos erőforrásokkal

Az RDE (Real Drive Emissions) teszteket ma már minden új személyautónak teljesítenie kell. Ezek a mérések a közúti forgalom előtt is megnyitott szakaszokon zajlanak, valós forgalmi viszonyok között. A tesztek során úgynevezett PEMS (Portable Emission Measurement System) eszközöket használnak. Ezek a kompakt berendezések az autóra rögzítve mérik a kibocsátott szennyező anyagokat, például a nitrogén-oxidok (NOx) mennyiségét.

PEMS mérőberendezés

A torinói mérések során 90 perces utazást szimuláltak, melynek során városi, városon kívüli és autópályás szakaszokat is teljesítettek a tesztjárművek. A milánói mérések során kizárólag a városi szakaszokra koncentráltak, a római útvonal pedig hasonlított az első mérési körre.

A Mérések Eredményei

A mérések legfontosabb megállapítása, hogy a tesztben résztvevő mindhárom autó visszaigazolta a laboratóriumi mérések során rögzített határértékeket, vagyis azoknál is jobb eredményeket produkáltak. Érdekesség, hogy az Euro 6d dízelmotorok nitrogén-oxid-kibocsátása és részecskeszáma alacsonyabb volt, mint közvetlen befecskendezéses benzines testvéréé. A tesztek során egyik autó sem regenerálta a részecskeszűrőjét, ugyanakkor a szakemberek szerint szó sincs arról, hogy egy ilyen folyamat úgynevezett emissziós csúcsot jelentene a legújabb generációs belsőégésű motoroknál!

Benzines Részecskeszűrő (GPF)

A modern autógyártás egyik legfontosabb kihívása a károsanyag-kibocsátás csökkentése. Míg korábban a dízel járművek kerültek fókuszba a környezetvédelmi előírások szigorítása miatt, az elmúlt években egyre inkább előtérbe került a benzines autók emissziója is. Ennek egyik következménye a benzines részecskeszűrő, más néven GPF (Gasoline Particulate Filter) elterjedése. A benzines részecskeszűrő (GPF) a kipufogórendszer egyik speciális eleme, amelynek fő feladata a benzinmotorok által kibocsátott finom részecskék (PM - Particulate Matter) megkötése és elégetése. A GPF lényegében hasonló elven működik, mint a dízelek DPF-je, ám felépítése, regenerálása és terhelése eltérő. A közvetlen befecskendezésű benzinmotorok (GDI, T-GDI, TSI, GPF-es TFSI, PureTech stb.) számos előnnyel rendelkeznek: jobb hatásfok, kisebb fogyasztás és nagyobb teljesítmény.

A GPF Működése

A GPF működésében nagy szerepe van a nyomáskülönbség-érzékelőknek és hőmérséklet-szenzoroknak. Bár a GPF megbízható technológia, bizonyos körülmények között előfordulhatnak meghibásodások.

Gyakori problémák:

Eltömődés
Sérülés
Szenzorhibák

A GPF Regenerálása

A GPF regenerálása során a lerakódott részecskéket égetik el. A motorvezérlő plusz üzemanyagot fecskendez be, hogy megemelje a hőmérsékletet.

GPF Tisztítása

Sok autós kérdezi, hogy a GPF tisztítható-e. A tisztítás szakember által javasolt, speciális eszközökkel és eljárásokkal.

GPF és a Teljesítmény

Sokan tartanak attól, hogy a GPF rontja az autó teljesítményét. A modern GPF-ek minimális hatással vannak a teljesítményre. A tuning azonban problémás lehet, mivel befolyásolhatja a GPF működését és élettartamát.

Jövőbeli Fejlesztések

A következő években tovább szigorodnak az emissziós normák, így a benzines részecskeszűrők technológiája is fejlődni fog. Fontos a rendszeres karbantartás és a megfelelő üzemanyag használata. Vannak adalékok, de a hatásuk korlátozott.

Fontos tudni:

A részecskeszűrő kiszerelése jogszabályellenes és műszaki vizsgán azonnali bukást jelent.
A GPF egy modern technológia, amely hosszú távon szolgálja a motor hatékonyságát, a környezet védelmét és a jogszabályi megfelelést.