Tárgyszavak: kipufogógáz; tisztítás; módszer; határérték; dízelemisszió; benzinüzem.

Átírás

1 LEVEGÕTISZTASÁG-VÉDELEM Kipufogógáz-tisztítás mai módszerek, új koncepciók Tárgyszavak: kipufogógáz; tisztítás; módszer; határérték; dízelemisszió; benzinüzem. A benzinmotoros személyautókba immár szabványosan beépített, ún. háromutas katalizátorokhoz hasonlóan vetődik fel sokfelől dízeljárművekbe koromszűrők kötelező beszerelésének igénye, jóllehet a ma piacra kerülő járművek a koromra vonatkozó egyébként folyamatosan szigorított határértéknek szűrő nélkül is megfelelnek (1. táblázat). 1. táblázat Közvetlen befecskendezésű dízelmotorral hajtott, 3,5 t-nál nem nehezebb személyautók kipufogógázának eddigi és tervezett európai határértékei Káros kibocsátás, g/km CO HC NO x HC+NO x Szilárd részecskék EURO ,72,97,14 EURO ,,9,1 EURO 3 2,64 6,5 EURO 4 25,25,3,25 EURO 5 javaslat 21-re,2,25,5 A kilométerenként kibocsátott korom megengedett maximuma 2 óta a felére csökkent, a határérték motorikus beavatkozásokkal, azaz az üzemanyag rugalmas, nagynyomású befecskendezésével egybekötött, javított égéstechnikával ma még így is tartható, de ezek a módosítások az EURO-5 követelmény kielégítésére már nem elegendők. Ugyanez

2 vonatkozik a haszonjárművekre, amelyek vonatkozásában Európa, Japán, főleg pedig az USA drasztikus szigorításra készül (1. ábra) EU (g/kwh) NOx EU 3 EU 4 EU 5 EU 6 (várható) 5 3,5 2,4 1,,1,3,3,1 USA (g/kwh) Japán (g/kwh) USA 24 USA 27 USA 21 Japán 2í5 korom- szem- NOx 3,35 1,47,27 korom-,13,13,13 szem- NOx 3,38 2, korom-,5,27 szem- Japán 29,7,1 USA 21 után (várható),68,13,68 1. ábra Teherautó-dízelmotorok kipufogógázára érvényes határértékek különböző régiókban, g/kwh névleges motorteljesítményre számítva A jövő szabályozásában a gépjárműgyártás, ill. -közlekedés minden típusában és méretében előtérbe kerülnek a kipufogógáz-tisztítást szolgáló technológiai változtatások és azok lehetőségeinek kutatása. Kinetikai kísérletek A kipufogógázok katalizátorai kerámia vagy fém monolit szerkezetek, bennük kb. 1 mm átmérőjű, szabályosan elrendezett párhuzamos csatornákkal, amelyekben a gáz laminárisan (rétegesen) áramlik. A katalizátorok ilyen körülmények között is elvégezhető vizsgálatához kifejlesztettek (és 1997-ben bemutattak) egy berendezést, amely lehetővé teszi a gázkoncentrációk állandó hőmérsékletű mérését a monolit egész hoszszában reális geometriai és áramlási feltételek mellett. Ezeket a Kirchner-féle készülékeket számos egyetemi és ipari laboratórium használja katalizátorok kinetikájának meghatározására. Az összehasonlíthatóság érdekében a méréseket a valós összetételnek megfelelő térfogatarányban

3 oxigént, hidrogént, szén-monoxidot, propént és propánt (mint könnyen, ill. nehezen oxidálható szénhidrogén), nitrogén-monoxidot és -dioxidot, valamint kén-dioxidot tartalmazó szintetikus kipufogógázzal végzik. Az egyes komponensek közt lejátszódó reakciókat, a gyakorlathoz közelítve nem nitrogénben, külön-külön, hanem reális, 12 12%-os vízgőz és szén-dioxid tartalmú gázkeverékekben vizsgálják. Az eredmény azonban így is csak általános, azaz formális gázkinetikaként értelmezhető, amelyből nem lehet következtetni a ténylegesen lejátszódó reakciókra és azok kölcsönhatásaira. Ezért a tudományos feltárás és a katalizátorok modellezésen alapuló fejlesztése szempontjából mégis fontos a homogén gázreakciók leírása elemi lépésekkel. Monolitkatalizátorok modellezése A kutatók által elfogadott, némileg egyszerűsítő egydimenziós kétfázisú diffúziós modell, amely csak az áramlási keresztmetszetre átlagolt gázfázist és a katalizátorfelületet különbözteti meg, az e két fázis közötti anyag- és hőátmenetre pedig a csatornák geometriájára épülő szokásos összefüggéseket alkalmazza (2. ábra). A nem izotermikus és nem stacionárius kísérletek és a szimuláció eredményei közötti egyezés javításakor a modellt ki kellett egészíteni a szilárd fázis dinamikai egyensúlyi jellemzőivel, bevonva a tengelyirányú hővezetést. A teljes monolit viselkedését akkor reprezentálhatja egyetlen csatorna, ha a bemenő gázáram egyenletesen oszlik el a csatornák között, a gyakorlat azonban ennek éppen az ellentéte. A monolit keresztmetszeten a szennygáztisztítás teljesítményét erősen csökkentő nagy koncentráció- és hőmérséklet-különbségek háromdimenziós helyi érvényű számításokat kívánnak meg. Az itt alkalmazott számítások viszont abból indulnak ki, hogy a gázáramlás eloszlása kellő beavatkozással egyenletessé tehető, továbbá, hogy a kerámiába ágyazott katalizátorok hőszigetelése igen jó, így a környezetnek való hőátadás elhanyagolható. A modellezés célja a kipufogógáz-rendszer viselkedésének leírása szabványos utazóciklus nem stacionárius körülményei között is. Erre alkalmasnak bizonyult a helyi egydimenziós konvekciós diffúzióegyenleteket megoldó, 1996-ban közzétett (PDEX) programcsomag, amelyhez a hely-

4 és időbeli lépéshosszak numerikus hibák közelítésén alapuló vezérlése is tartozik. A program PDEX-PACK-változata amelyet tudományos és ipari feladatok megoldására egyaránt alkalmaznak képezi az itt bemutatott szimulációs példák alapját is.,12,9 C 3 H 6 1,2,9 CO,6,6,3, cm cm,12 1,2,9 C 3 H 6,9 CO,6,6,3, cm cm 2. ábra Az izoterm koncentrációk alakulása kereskedelmi forgalomban levő háromutas katalizátor hossza mentén, százalékban, enyhén sovány kipufogógázban. Fent: mért értékek, lent: szimulálás λ-szabályozású háromutas katalizátor A benzinmotorok égésgázának kipróbált, immár szabványos tisztítóeszköze a λ-szabályozással rendelkező háromutas katalizátor, amelyben a katalitikus hatású nemesfém egyidejűleg oxidálja a szénmonoxidot (CO) és el nem égett szénhidrogéneket (HC), továbbá redukálja a nitrogén-oxidokat (NO x ) molekuláris nitrogénné. Ennek feltételéül a gázösszetételben a levegő arányát, az ún. levegőszámot az oxidálásnak sztöchiometriailag megfelelő kb. λ 1-re kell beállítani. Ezen a szűk tartományon, λ-ablakon kívüli értékekre a λ-szonda

5 ugrásszerű feszültségváltozással reagál, és a motor elektronikus vezérlését a befecskendezett üzemanyag-mennyiség megváltoztatásával, a levegőszám kiigazítására készteti (3. ábra). átalakulás, % λ-ablak sovány CO HC 2 zsíros NO x,925,975 1,25 1,75,95 1, 1,5 λ-érték normális λ-ingadozás 3. ábra Káros kibocsátások háromutas katalizátor fölött, a levegőfölösleg függvényében; az λ-ablak: az optimáils üzemi feltételek tartománya A motoron keresztüli szabályozás eredményeképpen a λ-értékek periodikusan változnak, mégpedig a λ-ablak megengedett szélességét jóval túllépő mértékben (4. ábra). Ezért a katalizátor a nemesfémen (Pt, Pd, Rb) kívül olyan komponenseket (többnyire cérium/cirkónium vegyesoxidokat) is tartalmaz, amelyek λ>1-nél oxigént vesznek fel, λ<1-nél leadják, kiegyenlítve a levegőszám nagy terheléskor (hirtelen gyorsulás) vagy megszakításkor (átkapcsolás) bekövetkező változásait és kellő hőmérsékletnél csillapítva a katalizátorban a periodikus lengéseket. A háromutas katalizátorral és λ-szabályozással ellátott motorok kb. 35 és 5 C közötti hőmérsékleten megtisztítják a kipufogógázt minden jelentős ártalmas összetevőjétől, csupán hidegindításkor és a katalizátor öregedése miatti túlhevülés alkalmával jelentkeznek ezzel kapcsolatos problémák.

6 λ 1,4 1,2 1,,98,96 2 C 1,4 1,2 λ 1,,98,96 4 C 1,4 λ 1,2 1,,98 6 C, t, s ábra λ-jel háromutas katalizátor előtt (fekete) és után (szürke), a hőmérsékletfüggő csillapodás az oxigéntároló-képesség függvényében Hidegindítás és hőkárosodás A katalizátornak 25 C-ig való előmelegítésre van szüksége ahhoz, hogy a szennygázban lévő CO és H 2 elégése által felfűtse magát az ártalmas anyagok átalakításához elegendő hőmérsékletre. Mivel az előmelegítést maga a szennygáz végzi, a hidegindításos emissziók gyakorlatilag tisztítatlanok maradnak, s ezekből származik a szokásos utazási ciklusokban átlagosan kibocsátott káros anyagok legnagyobb része. A hidegindítási kibocsátások csökkentésére javasolták a katalizátor motortól független felmelegítését külön üzemanyagégővel, vagy elektromosan fűthető előkatalizátorral. A háromutas katalizátorral kapcsolatban nemcsak a hideg, a túl magas hőmérséklet is gondot okoz: 1 C körül (el nem égett üzemanyag áttörésekor vagy hosszantartó teljes terhelés alkalmával) károsodhat a katalizátor. Megvédése érdekében a motortól távolabb szerelik fel. Ilyenkor a köztük levő kipufogócsövet bekapcsolható módon külön hűtik, az előkatalizátor viszont továbbra is ki van téve a magas hőmérsékletnek. A német kipufogógáz-tisztítási rendeletek benzinre 2-től, dízel üzemanyagra 23-tól megkívánják a katalizátor működőképességének

7 folyamatos felügyeletét érzékelőkkel (on-board-diagnosis, OBD), újabban a katalizátor oxigéntároló képességének mérésén alapuló módszerrel. Ez a képesség, jóllehet független a katalízis folyamataitól, azokkal párhuzamosan gyengül, tehát alkalmas az öregedés jelzésére. Eszerint, ha a katalizátor után elhelyezett λ-szonda jele az előtte levőéhez képest határozottan csillapodik, akkor a katalizátor jól működik, egyébként pedig ki kell cserélni. Egy másik ellenőrző rendszerben az oxigénszegény (kevés levegőjű, zsíros ) feltételek mellett kiürített katalizátorra hirtelen sovány keveréket engednek, és mérik az oxigéntárolás termikus öregedés miatti csökkenését (5. ábra). Ennek előrehaladásával a háromutas katalizátor egyre kevésbé képes kiegyenlíteni a levegőszám erős változásait és fenntartani a belső λ = 1 állapotot. Ennek következtében az NO x - és COkibocsátás a kellő üzemi hőfokon is nagyban hozzájárulnak az összes cikloemisszióhoz. NO x -tároló katalizátorok A kis és közepes terhelésű tartomány üzemanyag-fogyasztása tekintetében a sovány feltételekkel működő belsőégésű motorok előnyösebbnek bizonyultak a (λ = 1)-re szabályozott benzinhajtású ( Ottó- ) motornál, λ >>1 esetén viszont a háromutas katalizátor nem redukál nitrogén-oxidot, ezért speciális NO x -csökkentő eljárásokat kell alkalmazni, amennyiben az NO x -kibocsátást nem lehet motor-módosítással vagy szennygáz-visszavezetéssel a törvényes határérték alatt tartani. Nagy oxigéntartalmú kipufogógáznál NO x -csökkentésre jelenleg ún. SCR-katalizátorok (selective catalytic reduction) és NO x -tároló katalizátorok használatosak. Az SCR-katalizátorok az NO x -et oxigén jelenlétében is redukálják elemi nitrogénné. Ennek feltételeként a kipufogógázhoz az NO x -nek megfelelő sztöchiometriai arányban ammóniát kell adni, amely a katalizátor előtt bejuttatott vizes karbamidoldat elbomlásakor képződik. Ezt a módszert inkább haszonjárművek számára fejlesztették sorozatgyártásra éretté. A személyautókat a gyártók többsége NO x -tároló katalizátorral szereli fel, amely sovány kipufogógázból (λ > 1) kalcium-oxid vagy -karbonát nitráttá alakításával tárolja az NO x -nitrogént. Először azonban a kipufogógázban legnagyobb arányban jelenlevő NO a katalizátorba épített nemesfémen könnyebben tárolható NO 2 -vé oxidálódik.

8 1,4 2, λ 1,2 1,,98,96 friss Ω, g O2/l 1,5 1,, 1,4 2, λ 1,2 1,,98,96 öregedett katalizátor, 15 C-nál Ω, g O2/l 1,5 1,, 1,4 2, λ 1,2 1,,98,96 öregedett katalizátor, 12 C-nál Ω, g O2/l 1,5 1,, λ 1,4 1,2 1,,98,96 öregedett katalizátor, 13 C-nál Ω, g O2/l, , 1,5 1, t, s lépések sorszáma 5. ábra Balra: levegőszámok a katalizátor előtt és után, zsírosról sovány kipufogógázra való hirtelen váltáskor, 7 C-on, jobbra: számított oxigéntárolási kapacitások A tárolókapacitás kimerülésekor regenerálni kell a katalizátort az eredeti kémiai formákká való visszaalakítással. Ehhez a motorvezérlés útján CO-ban dús kipufogógáz-összetételt kell beállítani, ezáltal NO szabadul fel, amelyet Pt/Rb-katalizátoron H 2 - és CO-gáz N 2 -vé redukál:

9 Tárolás: BaCO 3 + 2NO O 2 tároló Ba(NO 3 ) 2 + CO 2 Regenerálás: Ba(NO 3 ) 2 + 3CO tároló BaCO 3 + 2NO + 2CO 2, NO + CO Pt, Rh 1 2 N 2 + CO 2 A kipufogógáz kén-dioxidját, amely a NO x -hoz hasonló módon tárolódik szintén regenerálható, de csak 65 C-on (alkálifém- és alkáliföldfém-tárolók regenerálása ennél még magasabb hőmérsékletet igényel). Az NO x -tároló katalizátor tehát szükségessé teszi a kipufogógázban az oxidáló és redukáló feltételek ciklikus változtatását. E ciklusok hoszszát és reakciókinetikáját a stuttgarti egyetemi és ipari szakemberek által a háromutas autókatalizátorok sokrétű problematikájának tanulmányozására szerkesztett berendezésben vizsgálták, amelyben két gázkeverék közötti átkapcsolással ciklikusan váltakozó összetételű szintetikus kipufogógáz állítható elő. A NO-tároló katalizátor 2 35 C-os tároló/regeneráló működésekor 2 ppm-es bemenő és 4 ppm-es NO 2 koncentrációnál a gyorsan lezajló regenerálásra jellemző a meredek NO-csúcs, a tároló fázisra pedig a NO- és NO 2 -koncentráció lassú növekedése (6. ábra). 2 C-on az NO x nagy része regeneráláskor ismét felszabadul, a ciklus folyamán az átlagos NO x -átalakulás csupán 27%-os, 25 C-on már eléri a 75%-ot, mivel a regeneráláshoz felszabadult NO-ból több alakul át. A 3 C-os maximum után 35 ºC-nál már visszaesés észlelhető, ami tárolási NO x - és nitrátképződés hőmérséklettel együtt növekedő egyensúlyi gátlásának a következménye. Így a NO x -tároló katalizátor működésének legkedvezőbb hőmérséklet-tartomány 23 4 C. A tárolás/regenerálás modellezése A tárolókatalizátor viselkedése nehezen modellezhető a tároló/regeneráló dinamikai eltérései miatt, főként pedig mivel az üzemi feltételek megváltozása után az új stacionárius állapot késlekedve áll be. A kutatók számos kísérletből levezetett modellkoncepciója szerint a tárolókatalizátorban a fém és a hordozó közötti rétegben (washcoat) a bárium nanodiszperz eloszlásban található. A báriumtömörülések a γ-al 2 O 3 -mal komplex vegyesfázist képeznek.

10 2 C 3 C yno x, ppm O 2 CO 2 CO 2 NO 2 NO 2 NO NO O 2 yo 2 [%] yco 2 [%] 25 C 35 C yno x, ppm O 2 O 2 CO 2 CO 2 NO 2 NO 2 yo 2 [%] yco 2 [%] NO NO idő, s idő, s 6. ábra NO x -tároló katalizátor ciklikus üzeme, koncentrációk időbeli alakulása különböző hőmérsékleten A modell felállításakor a kutatók a bárium-nitrát karbonáténál csaknem kétszeres fajlagos térfogatából (81,6, ill. 45,9 cm³/mol), valamint a γ-al 2 O 3 támasztóréteg stabilizáló hatásából kiindulva feltételezik, hogy a tárolt nitrátforma a karbonátnál sokkal kompaktabb. Ezen az átalakuláskor létrejövő tömör Ba(NO 3 ) 2 rétegen kell átdiffundálnia ellentétes irányban az NO x - és a felszabaduló CO-molekuláknak (7. ábra). Ezért lassú a tárolás, szemben a regeneráláskor kialakuló kisebb térfogatú és laza karbonáthéjjal, amelyen keresztül a folyamat lezajlása gyors és egyenletes. A modellkoncepciónak megfelelő, teljesen regenerált tárolókatalizátorra vonatkozó számítások grafikus leképezésén felismerhető a monolit elején a nitrátfront mély behatolása, és erős beépülése. Ezzel szemben a monolit végén, az itteni kis koncentrációk folytán mindkét folyamat csökkent mértékű (8. ábra). A monolit bemenete tehát mindig használhatóvá regenerálódik, a végén egyre nagyobb nitrátterhelés halmozódik fel, mert az 5 s-ig tartó regenerálás ott nem elég. A szimulációs értékek a mértekkel jó egyeznek (l. a 6. ábrát).

11 tömörülésszerkezet: a) BaCO 3 (γ-al 2 O 3 -ra) Ba(NO 3 ) 2 (γ-al 2 O 3 -ra) 45,92 cm 3 /mol 81,56 cm 3 /mol tárolás: regenerálás: NO BaCO x O 2 3 Ba(NO 3 ) 2 CO Ba(NO 3 ) 2 BaCO3 b) c) Ba(NO 3 ) 2 BaCO 3 Ba(NO 2 ) 3 BaCO 3 Ba(NO 3 ) 2 BaCO 3 7. ábra Báriumtárolás tömörüléseinek karbonátos és nitrátos szerkezete Z monolitcsatorna tárolás után 1,,8 nitrátarány a nitrátrétegben nitrátarány a nitrátrétegben nitráttartalom,6,4,2 1 1, ,,8 monolithosszúság, cm regenerálás után,6,4 5, , nitráttartalom ξ, nm monolithosszúság, cm ábra Kezdetben teljesen regenerált tárolókatalizátoron kialakuló tárolási és regenerálási nitrátprofilok; balra: nitrátfrontok a báriumos tömörülésben a monolit három helyén, az első tároló- és regeneráló ciklus alkalmával; jobbra: az átlagos nitráttartalom változása a monolit hosszában az első tárolástól és regenerálástól a ciklikusan stacionárius állapotig

12 A komplex viselkedésű NO x -tároló katalizátor szerkezeti és méréstechnikai beépítése a járműbe is sokkal igényesebb feladat a háromutas katalizátorénál. Ez különösen a motorvezérlést érinti, amelynek gondoskodnia kell nemcsak a sovány és zsíros üzemi feltételek szabályos váltakozásáról, hanem a rendszeres kénregenerálásról is. Ez utóbbihoz a kipufogógázt hosszabb időn át 7 75 C-on kell tartani. Ennek megfelelően épül fel pl. a Volkswagen autók kipufogógáz-kezelő rendszere (9. ábra). Mivel a VW-autók nagy terhelésnél (λ = 1)-szabályozással futnak, a tárolókatalizátor elé hagyományos háromutas katalizátor is beépül a rendszerbe. motorvezérlés Lambda-szonda CO NO réteges terhelésű üzem háromutas előkatalizátor hőmérséklet-érzékelő NOx-érzékelő H2O CO2 O2 N2 NOx-tároló katalizátor 9. ábra Sovány üzemű benzinmotor kipufogógázának kezelése Az NO x -tároló katalizátorokkal kapcsolatos legnagyobb gond a gyors öregedésük a teljes terheléskor fellépő magas hőmérsékleten, amikor a (λ = 1)-re szabályozott sovány Ottó-motor zsírosabb körülmények közt jár. Nagy felmelegedésre a tároló katalizátor a háromutasnál is érzékenyebben reagál. Dízelkoromszűrők A dízelmotorok esetében, amelyek a benzinhajtásúakkal ellentétben, folyamatosan a sovány tartományban, kipufogógázukban 5 15%-os

13 oxigénkoncentrációval működnek, az NO x -csökkentésén kívül meg kell oldani a koromeltávolítást is. A koromszűrés kiérlelt technikájával a törvényes emissziós határértékek jól tarthatók, használata ennek ellenére korántsem általános, sem a teher-, sem a dízelmotoros személyautókban. A kerámiamonolit, a zsugorított fém- és a szövetszűrők visszatartása igen jó, nehézkes viszont a telített szűrőről a korom eltávolítása. A szűrő regenerálása céljából a kormot le lehet égetni a dízelgázban fölöslegben levő oxigén jelenlétében, de ehhez 6 C-nél magasabb hőmérséklet szükséges, amely elérhető ugyan, de nem biztos, hogy a kellő ideig eltart (városi közlekedésben a kipufogógáz hőfoka 2 C-ra is leeshet). A magas hőmérséklet fenntartására üzemanyag-utóbefecskendezést alkalmaznak a hengerbe vagy a szennygázelvezetésbe, egyszerű vagy katalitikus utóégetéssel. A koromégetés üzemanyag-fogyasztásának csökkentése érdekében kísérleteznek a kiszűrt korom gyulladási hőmérsékletének leszállításával. Ennek két leghatásosabb módja a CRT-effektus (continuously regeneration trap = a folyamatos regenerálódás csapdája) és a katalitikus hatású üzemanyag-adalékok. A CRT-effektus azon alapszik, hogy a korom, az NO 2 -t oxidálószerként használva már 28 ºC-on égni kezd. A szennygáz NO-ját tehát először nemesfém katalizátoron NO 2 -vé kell oxidálni korom C + 2NO 2 CO 2 + 2NO Mivel pedig ezúttal ismét NO keletkezik, az oxidációs katalizátort nem a szűrő elé kell helyezni, hanem a szűrő anyagába (is) be kell építeni, így az NO többszörösen oxidálódik megnövelve a regenerálás hatásfokát. A rendszer gyakorlati működését a stuttgarti kutatók még vizsgálják. A katalizátorbevonatú szűrővel és a levegő oxigénjével mint oxidálószerrel folytatott kísérletekben nem sikerült leszállítani a koromleégetés hőmérsékletét, valószínűleg a koromrészecskék és a katalizátorral bevont szűrő közti kis érintkező felület miatt. Ezért ígéretesebb megoldás az üzemanyagot a feloldott katalizátorhoz keverni, amely azután finom eloszlásban jelenik meg a koromszemcséken. A PSA/Peugeot-féle, katalizátorként cériumot használó technika, amely kb. 45 C-ra csökkenti a koromleégetés hőfokát, már kereskedelmi forgalomban van. Ezzel is gondot jelent azonban a katalizátoroldat készenlétben tartása és adagolása, valamint a koromégetés katalizátorának maradéka a szűrőn, amely folyamatosan növeli annak ellenállását, és idő előtti cseréjét teszi szükségessé.

14 A szűrőregeneráló koromleégetés dinamikája Ha a nem kellően vagy nem elég tartósan magas hőmérsékleten nem ég el az egész korom, fennáll a veszélye, hogy a maradék az újabb korommennyiséggel együtt a következő regeneráláskor ellenőrizhetetlen magas hőfokon, gyorsulva ég, ami tönkreteszi a szűrőt. A szűrők koromrétegének leégetésekor ugyanolyan folyamatok játszódnak le, mint a katalitikus hidratálás és reformálás szilárdágyas reaktoraiban az elkoszolódott katalizátor regenerálása alkalmával. Így az utóbbit értelmező és elemző megfontolások, ill. számítások a koromleégetés hőmérsékleti és dinamikai leírására is felhasználhatók. Az összefüggésekből következik, hogy ha az oxigénkoncentráció nagy és a szén mennyisége csekély, a melegedés frontja megelőzi az égés frontját, megfordítva pedig oxigénkoncentráció és kis szénterhelés mellett pedig a reakció frontja halad a felmelegedésé előtt, de a felszabaduló hő mindkét esetben nagy terülten oszlik el. Ha viszont mindkét front nagy sebességgel tör előre, a hő a két front szűk tartományában maradva, folyamatosan a modell szerint a végtelenig emelkedik a fronthőmérséklet. Mindebből az következik, hogy a kipufogógáz dízelmotorokra jellemző nagy oxigéntartalma mellett csak csekély koromterhelésnél lehet alacsonyabb leégetési hőmérsékletre számítani. Ez gyakori regenerálást igényel, az ennek megfelelő nagy üzemanyag-felhasználással. Ha pedig sok a szűrőn a korom, akkor csak mérsékelt oxidálószer-koncentrációval lehet biztonságosan végrehajtani a regenerálást. Ezt a helyzetet NO 2, mint oxidálószer használata automatikusan megvalósítja, de előfordulhat, hogy a kipufogógáz túllépi az oxigénes gyulladás kb. 6 C-os hőmérsékletét, és megindul az oxigéngáz táplálta égés. Ezt meg lehet előzni pl. szennygáz-visszavezetéssel alacsonyan tartott O 2 -koncentrációval. Folyamatos autoterm koromleégés Elvben lehetséges a szűrő magasan tartott hőmérsékletével a korom folyamatos égetése, megelőzve annak felhalmozódását. Ehhez az említett módon hevítni kell a kipufogógázt. Az ehhez szükséges üzemanyag-többlet az ún. autoterm működésű reaktorban látványosan csökkenthető. Az autoterm koncepciók nagy hatásfokú hőcserén alapulnak, vagyis hogy a motor belépő kipufogógázát felmelegíti a szűrőből kiáramló forró égésgáz. A hőcsere hajtóereje a hőcserélő forró részében (azaz a szű-

15 rőben) lejátszódó reakció általi adiabatikus hőfokemelkedés. Az égésgáz a hőcserélő η HEX hatásfokától függően az elégetési reakció Τ ad adiabatikus hőmérséklet-emelkedésének sokszorosára, Τ max -ra melegszik fel η HEX = ( Τ max Τ ad )/ Τ max A hőcsere lehet regeneratív és rekuperatív. A regeneratív hőcsere a hőcserélőn való átáramlás arányának periodikus változtatásával működik, célszerűen a monolithordozót regenerátorként használva. Az irányváltoztató csappantyú a kísérletekben átkapcsoláskor 5 1 mbar nyomásesést okozott, ami által a tisztítóteljesítmény 75%-ra esett vissza. A továbbiakban ezért áttértek a rekuperatív hőcsere tanulmányozására. Az ellenáramú rekuperatív hőcserélő reveálló acélból készült lemezek olyan cikk-cakkban hajlítgatott kötegéből áll, amelyben párhuzamos csatornák szétválasztott sora alakul ki. A hőcserélő közeg a burkolóház oldalnyílásain áramlik be és ki. A csatornákat távköztartók stabilizálják, amelyek megnövelik a cserélő felületet és katalizátorral is bevonhatók. koromszűrő elektromos fűtés ellenáramú hőcserélő fejhőmérséklet, C kipufogógáz-nyomás, mbar idő, perc 1. ábra Koromszűrős ellenáramú reaktor; a szűrőhőmérsékletés a nyomáscsökkenés benne mért időfüggése Egy hasonló, a hőcserélő forró részén szintén koromszűrővel felszerelt hajtogatott reaktort kis dízelmotorral üzemeltettek. A hőbevitelről a

16 szűrő alatt elhelyezett elektromos fűtéssel gondoskodtak. A szűrőnyomás a koromterhelés növekedésével 46 C-ig fokozatosan csökken (1. ábra), a további melegítéskor visszaesik a terheletlen szűrőre jellemző értékre és 5 C-tól kezdve folyamatossá válik a szűrés, a nyomás növekedése nélkül. Egy azonos elvű újabb, kisebb hőveszteséggel, s ezáltal jobb hőcserélő hatásfokkal működő konstrukció próbaüzeme folyamatban van (11. ábra). szűrő, 2 mm katalíziszóna hőcserélő, 5 mm 11 x ábra Koromszűrős ellenáramú reaktor dízelmotoros személyautóhoz Az önálló és önszabályzó kipufogógáz-tisztítás új koncepciója Az autóipar a kipufogógáz-tisztítás egyre szigorúbb követelményeit a háromutas katalizátor (ill. dízelhajtásnál oxikat ) mellé NO 2 -tároló katalizátor, koromszűrő, λ-szonda vagy NO x -szonda, nyomáskülönbség- és koromérzékelő, valamint hőmérsékletmérés

17 beépítésével igyekszik kielégíteni, mégpedig lehetőleg az elektronikus motorvezérlés felhasználásával, megteremtve a tisztítókomponensek működési feltételeit. Ez ugyanis a leggazdaságosabb megoldás mindaddig, amíg nem zavarja a vezetés komfortját. Egyre nyilvánvalóbb azonban, hogy a konstrukciós kiegészítéseknek az üzemanyag-megtakarítás kényszere mellett határt szabnak a még mindig szorosabb, törvényes határértékek. Ezen belül az a fő korlátozó tényező, hogy az egyes gáztisztító berendezések más-más követelményeket támasztanak a gáz hőmérsékletével és összetételével szemben. Egy új alapokra helyezett koncepciós javaslat a kipufogógáz valamennyi komponensét a motorvezérléstől teljesen független önszabályozó egységbe foglalja. Ez a megoldás felszabadítaná a motortervezőket a jelenlegi megkötések alól, így ismét eredeti feladatukra, nagy teljesítményű, fogyasztás szempontjából kedvező konstrukciók kifejlesztésére összpontosíthatnának (12. ábra). NO- oxikát katalitikus égő dízelmotor NOx-tároló katalizátor levegő oxikát ellenáramú hőcserélő dízelkoromszűrő szennygázkimenet kipufogógáz-bemenet 12. ábra Beépített kipufogógáz-kezelő egység koncepciója

18 A motorvezérlésről levált, autonóm kipufogógáz-kezelés követelményei: az eddigieknél kisebb összenergia-felhasználás, az eddigi konstrukciókénál nem nagyobb gáznyomásvesztés, termikusan biztonságos koromszűrő-regenerálás, a hozzáadó koncepciókénál kisebb összköltség és helyigény, lehetőség a kipufogózaj-csillapításnak és az álló beltérfűtésnek az egységbe való beépítésére. A dízelhajtásra javasolt autonóm egység meghatározó részei az ellenáramú hőcserélő (a 11. ábra szerinti kivitelben) és az aktív szabályozóelemként működő katalitikus égő. A hőcserélőbe alulról belépő kipufogógáz hőmérséklete a lefelé áramlóénak (és oldalt távozóénak) megfelelően változik. A hőcserélő tetején helyet foglaló elektromosan fűtött előkatalizátoron át indított égőt levegővel kevert üzemanyag (vagy oxigéntartalmú kipufogógáz) táplálja és elsősorban hidegindítónál (λ>) forró kipufogógázt vagy a részleges oxidálás feltételei mellett (λ<1) CO-ban és H 2 -ben dús gázt termel (a nemesfém katalizátorokon végbemenő parciális oxidálás hatékonyságát több szénhidrogénen kimutatták, sőt ki is próbálták fűtőanyagelemes járművek hidrogénellátására). A kibocsátott káros anyagok átalakításához szükséges katalizátorokat és szűrőket a hőcserélőnek a működésükhöz legkedvezőbb hőmérsékletű pontjain lehet felszerelni. A fent, a legforróbb ponton elhelyezett koromszűrő elé kerül az az oxidációs katalizátor, amely a HC- és COoxidálásán kívül a szűrő regeneráláshoz NO 2 -ről is gondoskodik. A NO 2 - tároló katalizátor a kiáramlási csatornákban, a túl forró gáztól védi a szűrőt. A tároló katalizátor periodikus regenerálásához szükséges, a COban és H 2 -ben dús redukáló gáz a katalitikus égőn keresztül jut el, a motor rövid idejű λ =1 feltételű járatása közben. Sovány üzemmódú benzinmotor esetében csak a koromszűrő marad ki a rendszerből. Mivel a katalitikus égőből származó autonóm hőbevitel a szennygáztisztítás összes elemét gyorsan felfűti az üzemi hőmérsékletre, s ott meg is tartja, nincs szükség a katalizátoroknak a túl alacsony hőmérsékletet és az öregedést kiegyenlítő szokásos túlméretezésére, ami a drága nemesfémekből tetemes megtakarítást jelent.

19 koromszűrő hőcserélő katalitikus égő Új koromszűrő-felépítés A hőcserélő fejrészébe beépíthető koromszűrők a szokásos módon szabályos időközönként regenerálhatók, amihez a hőcserélő ellenáramú működése a biztonságosabb koromleégetés lehetőségét nyújtja, még kevéssé hőálló anyagok használatával is. A hőcserélőre szerelt szűrővel ugyanis ellentétben az egyirányúan átjárt hagyományosakkal a hőcserélő-csatornákhoz csatlakozva meg lehet valósítani szennygáz váltakozó átáramlását. A korom leégetését az égő forró füstgáza indítja el és csaknem állandóan fennmarad a maximális hőmérséklet. A folyamat ismétlődik a szűrő koromrétegének nem teljes, csak mintegy 6%-os leégéséig. A teljes leégetést, kritikus túlhevülés nélkül akkor lehet elérni, ha az 13. ábra Koromszűrő égő hőjét nem a berendezés valamelyik regenerálása, ellenáramú szélén vezetik be (13. ábra), hanem a koromszűrő kipufogógázkezelő berendezés tetején szűrő közepébe oxidációs katalizátort kell szűrő belsejében szabadul fel. Ehhez a helyezni, az égő füstgázt pedig redukáló hatásúra beállítani, ezáltal ennek komponensei a szűrő közepében reagálnak a motorgáz oxigénjével. A kipufogógázt kezelő egység több megoldást is kínál a hatékony és energiamegtakarító, emellett a motorvezérléstől független gáztisztításra. A felsorolt követelmények teljesítésén felül a javasolt koncepció nagy előnye, hogy a szükséges katalizátoroktól nem kell megkívánni a széles hőmérséklettartományú működést, így azok egy jól definiált hőfokablakra optimálhatók. Összeállította: Dr. Boros Tiborné Brinkmeier, C., Opferkuch, F.: Autoabgasreinigung eine Herausforderung für die Verfahrenstechnik. = Chemie Ingenieur Technik, 77. k. 9. sz. 25. p Eigenberger, G.: Membran-Brennstoffzellensysteme: Eine Herausforderung für die Verfahrenstechnik. = Chemie Ingenieur Technik, 72. k. 9. sz. 2. p