A nitrogén-oxid (NOx) érzékelők és tárolókatalizátorok szerepe a modern motorokban
Korábban sokunk nem is igen ismerte ezt a kifejezést az autótechnikában. Rémlik ugyan, hogy a könnyűfém motorok NiCaSil hengerfal bevonata kényes a benzin kéntartalmára. Míg Európában ez kevés gondot okozott, de pl. az USA-ba exportált BMW motorok esetében ez komoly problémát jelentett. Ez már jórészt elfelejtett, régi történet.
Most egy, (ma még) kevéssé ismert problémára szeretnénk felhívni a figyelmet: a nitrogén-oxid (NOx) kibocsátás csökkentésére szolgáló rendszerek, és különösen a NOx érzékelők. A közvetlen befecskendezésű benzinmotorok nyűgjeit több írásunkban is érintettük.
Nagyon leegyszerűsítve: homogén keverékképzés esetén is tartalmaz a füstgáz erősen rákkeltő hatású nitrogén-oxidokat (NOx), szerencsétlen módon a legtöbbet éppen az ideális, sztöchiometrikus keverési arányhoz (lambda=1,00) közel, kis légfelesleg esetén. Az EGR szelepek beépítése éppen ezért vált szükségessé. Még rosszabb a helyzet inhomogén keverékképzés esetén: szegénykeverékes üzemmódban nem keletkezik megfelelő mennyiségű CO az NOx hatékony csökkentésére, arányuk megnövekszik a kipufogógázban, ennek a semlegesítése plusz feladatot jelent.
A nitrogén-oxidok (más néven NOx) olyan szennyező anyagok, amelyeknek egyaránt Vannak környezeti és egészségügyi hatásai. Az NOx általában a nitrogén-oxidot (NO) jelenti, amely magas hőmérsékleten oxigénnel egyesülve nitrogén-dioxiddá (NO2) alakul. A gázok mérgezőek és erősen reaktívak. Az autóipari kibocsátási mérésekkel foglalkozó vizsgálóbizottság szerint a nitrogén-dioxid évente 400 000 korai halálesetet okoz az Európai Unióban. A probléma súlyos, ahogy azt az Európai Parlament is megjegyezte, amely folyamatosan szigorítja a káros nitrogén-oxidok kibocsátási szabványaira vonatkozó követelményeket.
NOx csökkentési technológiák: a tárolókatalizátor
A közvetlen befecskendezéses motorok fejlesztésének egyik úttörője, a Mitsubishi a GDI (Gasoline Direct Injection) jelű motorjainak piacra bocsájtásakor ezt még szelektív, redukciós NOx katalizátorral oldotta meg, amit később felváltott a hatékonyabb csapda típusú NOx katalizátor - más néven nitrogén-oxid tárolókatalizátor. A feladat korántsem egyszerű, mivel ennél a motornál egy hatékony NOx csökkentési eljárást alkalmaztak, ami egy összetettebb kipufogógáz kezelést követel meg.
A nitrogén-oxid érzékelő a jármű kipufogó rendszerében helyezkedik el, feladata a kipufogógáz NOx mennyiségének ellenőrzése. Erre az érzékelőre azért van szükség, mert a modern motorvezérléssel ellátott járművek, az alacsonyabb üzemanyagfogyasztás érdekében, amikor lehetőség van rá, részterheléses üzemállapotban, jellemzően egyenletes sebességű haladásnál a motor szegény keverékes üzemben működtetik. A kipufogó rendszerben régóta alkalmazott háromutas katalizátor azonban, ha kipufogó gázban több az oxigén, vagyis szegényebb a motorüzemhez befecskendezett keverék, akkor a szén-monoxid és szénhidrogének semlegesítése kerül előtérbe. Ezért a nitrogén-oxidok semlegesítésre a rendszerbe beépítenek egy nitrogén-oxid tárolókatalizátort is.
A NOx csapda működése és regenerációja
A rendszer első eleme a szabályzószonda, amely a jól ismert módon működik. A motor működésének káros melléktermékei ezután egy kisméretű, a motorhoz közel elhelyezett "háromutas" katalizátorba kerülnek, ami gyorsan felmelegszik, a motor beindítása után kis idővel eléri a katalizáció beindulásához szükséges minimális hőmérsékletet. Ezt követi a szokásos monitor-szonda, ami a katalizációs folyamat hatásfokát hivatott jelezni az ECU felé. Eddig - e téren - semmi újdonság. Annál érdekesebb viszont az ezt követő szakasz.
A katalizátor + NOx csapda részben katalizátorként tovább csökkenti a károsanyag tartalom mennyiségét, másrészt sztöchiometrikus közeli és szegénykeverékes üzemben tárolja el a nitrogén-oxidokat, a belső felületére felvitt bárium réteg segítségével.
A NOx csapdával azonban több baj is van. Egyrészt nem képes a végtelenségig tárolni a csapdába ejtett nitrogén-oxidokat, hasonlóan a dízel részecskeszűrőkhöz előbb-utóbb telítődik. A tárolókatalizátor csak meglehetősen rövid ideig alkalmas a nitrogén-oxidok tárolására, ezért a katalizátor után építenek a rendszerbe egy nitrogén-oxid érzékelőt is.
A tárolókatalizátor regenerációja dúsabb keverék előállításával lehetséges. Ezért, ha a kipufogógázban nitrogén-oxidok jelennek meg, akkor az érzékelő jelet ad a motorvezérlőnek, ami néhány másodpercig dúsabb keverékkel üzemelteti a jármű motorját, aminek hatására megtörténik a tárolókatalizátor regenerációja és újra alkalmassá válik a részecskék tárolására.
Gyors szélvédőcsere Golf Cabrio
A gyártók az NOx csapda "regenerációjára" több módszert fejlesztettek ki: leggyakrabban egy rövid - akár csak pár másodperces - oxigénmentes üzemmód elég arra, hogy a letárolt nitrogén-oxidokat a motorban keletkező szén monoxid nitrogénné és oxigénné alakítsa át. A regenerációt követően a NOx tárolókatalizátor ismét képes lesz NOx felvételére. Az ábránkon egy másik fajta tisztító eljárás látható: az alapjárati tartományban a NOx csapda utáni NOx koncentráció mindaddig növekszik, amíg az üzemi feltételek (gázadás) oxigénmentes állapotot nem hoznak létre. Miután a nitrogénné és oxigénné való átalakulás valamilyen mértékben végbemegy, megfigyelhetjük, hogy ismételt alapjárati fordulatszámon a csapda utáni szenzor jóval kisebb NOx koncentrációt mér a korábbi állapothoz képest, azaz ismét "tárol" a NOx csapda.
Kéntelítődés és kénmentesítés
A másik nagy probléma, az az ún. kéntelítődés, ill. "kénmérgezés". Az üzemanyagban és a motorolajban megtalálható ként ugyancsak képes megkötni a báriumot, és a nitrogén-oxidok regenerálásakor a kén sajnos nem távozik a csapdából. Ezért egyes gyártók egy külön "kénmentesítő" funkciót használnak, melynek lényege, hogy az - utógyújtás segítségével - 600°C fölé hevített NOx csapdából a kén kiég, kén-dioxiddá alakul át.
Azt, hogy milyen sűrűn kell kénmentesíteni, az ECU a nitrogén-oxidok regenerációjának sűrűségéből kalkulálja: ha a csapda a tisztítás után túl gyorsan telítődik újra, az ECU kéntelítődést feltételez, és elindítja a kénmentesítést. Hosszútávon az NOx tároló katalizátor sajnos öregszik, ami részben azzal jár, hogy a kén már nem tud teljes egészében távozni, és jóval lassabban is ég ki. Így a nitrogén-oxidok tárolásának hatásfoka csökken, amit természetesen az ECU is észrevesz.
Éppen ezért nagyon fontos, hogy ilyen füstgáz utókezelő rendszer megléte esetén lehetőleg "kénszegény" vagy "kénmentes" benzint tankoljunk. Tudomásunk szerint a MOL 95-ös oktánszámú kénszegény benzinjének kéntartama 10 ppm (milliomodrész) alatti. A kénmentes konkrét értékét nem ismerjük, valószínűleg még jobban közelít a nullához.
A NOx érzékelő - részletesebben
Mit tud a NOx-szenzor? Nitrogén - oxid koncentráció mérése a kipufogógázban. Röviden és tömören ez egy NOx-érzékelő feladata, de ennél azért jóval többről van szó. A szigorú kipufogógáz - kibocsátási előírások betartásához elengedhetetlen, hogy a készülék mindig helyes mérési eredményeket továbbítson a motorvezérlő egységnek. Megfelel az EURO 5 és EURO 6 kibocsátási szabvány követelményeinek.
Minden a VW Golf 1.4 16V vezérműszíj cseréjéről
NOx-érzékelők felépítése és működése
Egy tipikus érzékelő a következőkből áll:
- mérőszonda elektrokémiai érzékelővel (két mérőkamrából áll),
- a szondát a vezérlőmodullal összekötő kábel,
- szonda adatfeldolgozó modulja (interfész),
- az érzékelőt az ECU számítógéphez csatlakoztató aljzat.
Az érzékelő egy Nernst-cellából áll, amelyen áram folyik keresztül. Ez korrigálja a levegő/üzemanyag arányt λ=1-re. Egy második cella, amely általában ródiumréteggel ellátott kerámiából készül, a nitrogén-oxidokat nitrogénre és oxigénre bontja. Az NOx-vezérlő - amely általában szorosan az NOx-érzékelő mellett helyezkedik el - kiszámítja a kipufogógázban lévő nitrogén-oxidok szintjét, és ezt az adatot továbbítja az SCR-vezérlőnek.
Az NOx-érzékelőt leggyakrabban az SCR-katalizátor után találjuk. Ez lehetővé teszi az SCR-vezérlő számára annak ellenőrzését, hogy az NOx-szintek a megfelelő szintre csökkentek-e. Az NOx-érzékelőket a 2000-es évek eleje óta szerelik be a járművekbe. Optimalizált szoftverrel rendelkezik, így nincs szükség frissítésre. Extra erős védelem a környezeti hatásokkal szemben. OE szabványok szerinti gyártásának köszönhetően maximális élettartammal rendelkezik. Az egyedi kalibrálás által pontos mérési eredményeket ad.
NOx érzékelők az SCR rendszerekben
Az egyik ilyen rendszer - ma már szinte kizárólagos redukáló emissziótechnika - az SCR (Selective Catalytic Reduction). A rendszer érzékelője a NOx-érzékelő, az SCR előtt és után egy-egy. Ők felelősek a kipufogógázok nitrogén-oxid-koncentrációjának állandó méréséért. A begyűjtött adatok elküldésre kerülnek az ECU-ba, és ezek alapján vezérlik az AdBlue adagolását.
Az NOx-érzékelő kulcsfontosságú része ennek a rendszernek, amely többek között az SCR-katalizátort, a dízel részecskeszűrőt (DPF) és a turbófeltöltőt is magában foglalja.
Gyakori hibák és tünetek
Az SCR rendszer és a NOx-érzékelő hibái
Az egyik leggyakoribb probléma a hibásan működő AdBlue szivattyú, amely a befecskendezett AdBlue megfelelő nyomásáért felelős. Gyakori még a tartályfűtőrendszer meghibásodása. Egy másik gyakori probléma a mérőelemen lévő koromlerakódás, amelyet pl. rossz tüzelőanyag-minőség vagy megnövekedett motorolaj-fogyasztás okoz. A NOx-érzékelők állapota gyakran egy másik alkatrész működésétől függ.
A nagyon kényes kialakítás miatt mechanikai vagy elektromos sérülések is előfordulhatnak. Vezetékek kidörzsölődése, rövidzárlat vagy ütés, pl. kis felpattanó kavics jelentősen károsíthatja az érzékelőt. A nedvesség a vezetékek állapotát is befolyásolja, egyes alkatrészek korrózióját és az elektronika károsodását okozza. A karbamid (az AdBlue alkotója) önmagában is az egyik oka az érzékelő károsodásának. Az ismeretlen eredetű AdBlue folyadék vagy annak gyenge minősége miatt az érzékelőt és valószínűleg a teljes SCR rendszert is cserélni kell.
Annál ellenére, hogy a benzinmotorok lényegesen kevesebb NOx-ot termelnek, mint a dízelmotorok, a kibocsátási szintek még mindig szigorúan szabályozottak. Az NOx-érzékelő hibájának egyik fő oka az égési folyamatból származó korom felhalmozódása. Ezek a kódok azonban nem feltétlenül tárnak fel mindent, mivel számos probléma okozhatja őket.
A sérült NOx-érzékelő tünetei a következők:
- sebességingadozások hidegindításkor,
- megnövekedett tüzelőanyag-fogyasztás,
- megnövekedett motorolaj-fogyasztás,
- rángatás indítás közben,
- problémák a DPF rendszerrel.
Lambdaszonda (O2 szenzor), és minden amit érdemes tudni róla
Karbantartás és csere
A NOx-érzékelőket nem szabad szorosan becsomagolni a tárolás során, nem lehet a vezetékköteget meghajlítani vagy megcsavarni. A szonda nem festhető, nem mosható vízzel és nem nyitható fel. Az érzékelők oldószerrel és egyéb vegyszerekkel való érintkezése szintén tilos. Az NOx-érzékelő tisztítása nem ajánlott.
A helyes mérési eredmények érdekében a NOx-érzékelőket mindig párban érdemes cserélni. A modern kipufogógáz - utánkezelő rendszerekbe általában két NOx-szenzort szerelnek. Az optimális mérési eredmények biztosítása érdekében ezért érdemes ezeket együtt cserélni. A két érzékelő ugyanis így tud leghatékonyabban dolgozni a rendszerben. Az NOx-érzékelő cseréje költséges lehet, ezért a javítás lehetősége igen csábító. Természetesen, és a Delphi praktikus útmutatója lépésről lépésre elmondja, hogyan kell kicserélni az NOx-érzékelőt. A költségek miatt csábító lehet a hibás NOx-érzékelőt felújítottra cserélni.
Példák a gyakorlatból és a költségek
Egy 2009-es gyártási évű, BMW 116i típusú gépkocsi 2 literes, 90 kW teljesítményű, közvetlen befecskendezéses benzinmotorja jó alany a probléma bemutatására. Az N43B20 kódú motor menedzsment rendszere: Siemens MSD81. (Boldog idők, amikor a BMW-nél még a típusjelből következett a motor lökettérfogata. Ez ma már rég nem így van.) Rendesen teletömött motortér. Ismert módon a közvetlen benzinbefecskendezés nem az egyszerűségéről, problémamentességéről híresült el.
Ennek a motornak is nagyon durva lerakódások keletkeztek már a szívószelepein, amit endoszkópos vizsgálat során állapítottunk meg. Mivel ez egy másik cikkünk témája, ezt itt nem részleteznénk, ehelyett dióhéjban tekintsük át, milyen füstgáz utókezelési eljárást figyelhetünk meg a szóban forgó motor esetében. A példának felhozott modell esetében a fotó a leömlőkhöz közeli, függőlegesen beépített katalizátort mutatja. A kat. utáni monitor-szonda takarásban van, helyét az összekötő cső mögött jelzi. A kip. gáz hőmérséklet érzékelő beépítési helyét jelölték. A NOx csapda után a NOx érzékelő szonda következik, majd a témánk szempontjából lényegtelen hangtompító.
A BMW 116i (N43B20) konkrét hibái:
- A szokásos szívószelep-kokszolódási probléma ennél a motornál is tetten érhető, annak ellenére, hogy egyszer már tüsténkedtek a hiba elhárításán (igaz, a szelepek kiszerelése nélkül).
- Két darab befecskendező szelep cserére szorul, égéskimaradásokat okoznak.
- A NOx csapdás katalizátorok hatásfoka lecsökkent, cseréjük indokolt. Ez több ezer eurós kiadást jelent.
- Állás után a rail nyomás lassan épül fel.
A felsorolt hibák (szakszerű!) elhárításának összegét ne is számoljuk. Nagyon sok. Még akkor is, ha egy prémium-márka kínálatának nagyjából a közepén elhelyezkedő modellről van szó. És a km. számláló 110 ezret mutat. Vannak kétségeink.
Rendben, de nem lehetne egy kicsit még költségesebb megoldást találni? Persze, hogy lehet. Ezt is egy BMW példán keresztül mutatjuk be. A 2008-as évjáratú, 523i típusmegjelölésű kocsiban egy 2,5 literes, N53B25A kódú, közvetlen befecskendezésű motor dolgozik, 140 kW teljesítménnyel. Lévén hat hengeres, a BMW a hengereket kipufogógáz kezelési szempontból - a vázlaton jól követhető módon - két csoportra osztotta. Így három-három hengerenként találunk egy-egy (szabályzó) lambda szondát egy-egy katalizátort, egy-egy monitor szondát.
Kipufogógáz hőmérséklet érzékelő csak az egyik ágban van, de NOx csapdás katalizátorból (logikusan) ismét kettő. A két ág közösítése után látjuk az NOx szenzort, majd ezt követi (sorba kötve) két darab hangtompító. Kétségünk sem lehet, hogy csupán a kipufogógáz kezelés alkatrészeinek az ára jóval több, mint egymillió Ft. Csak a két darab NOx csapdás katalizátor ára 1,686 Euro, mai árfolyamon kb. 550,000 Ft. Van még rosszabb hír is: ez a szigorú összeg az "olcsójános" megoldás, ezek felújítottak (Remanufactured, cikkszám: 18307560563), élettartamuk nem valószínű, hogy eléri az első beépítésű újét.
Amit már számos alkalommal felvetettünk: nincs gond, amíg a kocsi garanciális, az esetleges meghibásodások nem jelentenek a tulajdonosnak anyagi kiadást. Merőben változik a helyzet, amikor a jármű hat évesen, kétszáz ezer km környékén, a harmadik tulajdonosánál tart, új árának már csak a töredékét éri. A kevésbé tehetős autófenntartók az ilyen nagyságrendű kiadásokat már nem nagy lelkesedéssel (inkább: egyáltalán nem) vállalják. Ilyenkor gyakran eladják a kocsit, (őszinte tisztelet a kivételnek) a hibáit nemigen említve, mert akkor ki venné meg? És a jármű ekkor még - hazai viszonylatban - fiatalnak tekinthető.
A NOx érzékelők növekvő "népszerűsége"
Miért lettek mostanában olyan „népszerűek” a nitrogén-oxid-jeladók? A probléma súlyos, ahogy azt az Európai Parlament is megjegyezte, amely folyamatosan szigorítja a káros nitrogén-oxidok kibocsátási szabványaira vonatkozó követelményeket. Ezek teljesítésére a gyártók különböző megoldásokat ismernek és évek óta alkalmaznak, így azok már a szervizek látómezejébe is bekerültek. Jelenleg 100 NOx-érzékelő van állandó kínálatban, és folyamatosan újabbak kerülnek hozzáadásra, hogy a termékek minden vásárlói igényt kielégítsenek. 100 NOx-érzékelővel bővítette termékkínálati adatbázisát a lengyel AS-PL cég, amelyek már elérhetők weboldalukon.