Emisszió csökkentési technológiák a vasúti dízel vontatójárműveken 2. rész

Átírás

1 KISS CSABA okleveles gépészmérnök, VMMSzK egyetemi tanársegéd, BME Emisszió csökkentési technológiák a vasúti dízel vontatójárműveken 2. rész Összefoglaló A dízel-vontatójárművekkel szemben támasztott egyik legfontosabb követelmény a károsanyag kibocsátás csökkentése az egyre szigorodó nemzetközi előírásoknak megfelelően. A közlemény a dízelmotorokon a fenti célok elérését célzó megoldásokat tárgyalja. Végül rövid áttekintést ad az alternatív tüzelőanyagokról és erőforrásokról. Csaba Kiss Dipl.-Ing. Maschinenbau, Assistent an der TU Budapest MÁV Zrt. VMMSzK Technologien für Emissionsreduktion bei Eisenbahn-Dieseltriebfahrzeugen Teil 2. Zusammenfassung Eine der gegen den Dieselmotor gestellten, wichtigsten Anforderungen ist die Reduzierung der Schadstoffemissionen entsprechend der immer verschärfenden, internationalen Vorschriften. Im diesen Artikel werden die diesen Zweck zielenden Lösungen behandelt. Zuletzt eine kurze Übersicht über die alternativen Brennstoffe und alternativen Kraftquellen wird gegeben. Csaba Kiss Msc. mechanical engineer, University instructor MÁV Ltd. VMMSzK Emission reduction technologies for diesel traction vehicles Part 2. Summary One of the principal requirements addressed to the diesel-powered railway vehicles is the emission reduction corresponding to the even more stringent international standards. The solutions targeting the aforementioned objectives are discussed in the article. Finally a brief overview on the alternative fuels and alternative prime movers are given. A Vasútgépészet előző számában megkezdett írásban néhány általános megjegyzés a vasúti dízelmotorok károsanyag kibocsátásának csökkentéséről című fejezetet szakítottuk félbe. A tüzelőanyag befecskendező a dízeltechnológia alapvető összetevője. Két változatban létezik: mechanikus és elektronikus működtetésű. Mindkét változat jelentős, rajta végrehajtott kutatás és fejlesztési erőfeszítésekben részesült. Mivel az elektronikus tüzelőanyag befecskendezést vasúti dízelmotorokban az 1990-es években vezették be, a mozdony motorok jelentős része még mechanikus működtetésű tüzelőanyag befecskendezéssel rendelkezik. Az átalakított, mechanikus működtetésű tüzelőanyag befecskendezők alapvető jellegzetességei magukban foglalják, hogy a gyártók szűkítették az alkatrészek tűréseit keményebb anyagok és áttervezett porlasztócsúcsok használatával. A legutóbbi változatok zérus zsáktérfogatú típusok, hogy kiküszöböljék a befecskendezett tüzelőanyag utáncsepegését. Az utáncsepegés megnehezíti a teljes elégést, növeli a tüzelőanyag fogyasztást továbbá megnövekedett PM és koromképződéshez vezet. A porlasztott sugárkép javításához az újabb porlasztó kialakítás több furattal, különböző sugárszögekkel rendelkezik, és nagyobb nyomásokon működik. A megnövelt befecskendezési nyomás egyenletesebben elosztja a tüzelőanyagot a dugattyú tető felett. Ez az egyenletesség tökéletesebb égést eredményez, mely a kifejtett teljesítményre vonatkoztatva kisebb tüzelőanyag fogyasztást, kisebb NO x és PM képződésre vezető állapotokat biztosít. A dugattyú kialakítás a másik alapvető dízel égésfolyamatot befolyásoló változó. Szimbiotikus viszony van a dugattyútető alakja és a befecskendezett sugárkép között. Az égéstérben a tüzelőanyag sugárképnek ki kell elégítenie az éppen összesűrített levegő turbulenciájának előzetesen domináns módjával úgy, hogy a lángfrontnak a sugár mentén amennyire lehetséges egyenletes legyen. A tervezők megpróbálják elkerülni a túl gazdag vagy túl szegény tüzelőanyag csomagok -at a hengeren belül az égés során. VASÚTGÉPÉSZET 2013/4 29

2 A forgóelosztós befecskendező szivattyú (másik lehetőség a soros befecskendezőszivattyú) B common-rail rendszer, elosztóvezetékes rendszer C szivattyú-porlasztó egység D szivattyú-nyomócső-porlasztó 1 befecskendező szivattyú minden porlasztóhoz külön vezetékkel 2 befecskendező fúvóka 3 közös nagynyomású vezetékű befecskendező szivattyú 4 közös nagynyomású elosztó ( common-rail ) 5 injektor (befecskendező szivattyú mágnesszeleppel) 6 befecskendező szivattyú elem és befecskendező fúvóka mágnes szeleppel 7 befecskendező szivattyú elem mágnes szeleppel, nagynyomású vezetékkel és befecskendező fúvókával 3. ábra Tüzelőanyag ellátó rendszerek (Forrás: MAN) Bild 3. Kraftstoffversorgungssysteme Figure 3. Fuel supply systems 1 nagynyomású szivattyú 3 elosztóvezeték 2 nagynyomású vezeték 4 injektorok 5 ECU (Elektronikus Szabályzó Egység) 4. ábra Elosztóvezetékes rendszer (Forrás: MTU) Bild 4. Speichereinspritzsystem Figure 4. Common-Rail system A IIIA és IIIB fokozat és azontúl elérését célzó módszerek Magától értetődik, hogy a dízel égés kutatás és fejlesztés számos változó igen bonyolult integrációja. Alapos, folyamatos és többnyire tapasztalati folyamat, melyet gondos és ismétlődő teszteléssel kapcsolnak össze a teljesítőképességet, gázolajfogyasztást, károsanyag kibocsátást, megbízhatóságot, tartósságot, karbantarthatóságot, biztonságot és költséget befolyásoló változók tartományának megértésére és mérésére. Vasúti dízelmotorokon később jelennek meg a legújabb technikai megoldások, mint a gyorsjárású, nagyterhelésű haszongépjárművekben használt dízelmotorokon. Ennek egyik oka, hogy utóbbiakat évente 100 ezres darabszámban gyártják (ez megteremti a forrásokat a nagy kutatási és fejlesztési erőfeszítések számára), míg legfeljebb néhány 1000 kimondottan vasúti dízelmotort gyártanak évente. Haszongépjárművek esetében gyakrabban előfordul, hogy a gyártók szinte teljesen új konstrukcióval jelennek meg, míg az alapvető vasúti dízelmotor konstrukciók már jobbára korábban is létezett szerkezetek átalakításai és továbbfejlesztései. A gyorsjárású gépjármű és ipari dízelmotorokhoz kifejlesztett technológiák nem alkalmazhatók közvetlenül a vasúti dízelmotorokra, a jelentősen eltérő geometriai viszonyok, terhelésállapotok, elvárások és igénybevételek miatt. A vasúti vontatójárművek átlag év becsült élettartammal rendelkeznek, ez alatt az idő alatt, a motorjaikat többször átépíthetik. Fontos követelmény a vasúti dízelmotorokkal szemben, hogy a károsanyag kibocsátási értékeket teljesítsék a vontatójármű élete során széles környezeti hőmérséklet tartományban és viszonylag nagy tengerszint feletti magasságokig. Ugyanakkor nagyon fontos hangsúlyozni, hogy ezeket a célkitűzéseket úgy kell teljesíteni a vasúti dízelmotoroknak, hogy a tüzelőanyag fogyasztásuk sem fajlagosan, sem összesen nem növekedhet. 30 VASÚTGÉPÉSZET 2013/4

3 általában be van kapcsolva mindkét turbófeltöltő a második turbófeltöltőt kipufogógáz- és légcsappantyúval kapcsolják be általában be van kapcsolva a turbófeltöltő 5. ábra Egyfokozatú turbófeltöltés elvi vázlata (Forrás: MTU) Bild 5. Einstufige Turboaufladung Figure 5. One-stage turbocharging 6. ábra Sorba kapcsolt egyfokozatú turbófeltöltés (Forrás: MTU) Bild 6. Reihengeschaltete, einstufige Turboaufladung Figure 6. Series-connected, one-stage turbocharging villamos motorral szabályozott ETC megkerülő ág további turbófeltöltőket kapcsolnak be: soros turbófeltöltés 2 turbófeltöltőt kapcsolnak sorba: kétfokozatú turbófeltöltés 7. ábra Sorba kapcsolt kétfokozatú turbófeltöltés elvi vázlata (Forrás: MTU) Bild 7. Reihengeschaltete, zweistufige Turboaufladung Figure 7. Series-connected, two-stage turbocharging 8. ábra Szabályozott kétfokozatú turbófeltöltés elvi vázlata (Forrás: MTU) Bild 8. Geregelte, zweistufige Turboaufladung Figure 8. Controlled, two-stage turbocharging 9. ábra Állítható vezető lapátozású turbófeltöltő (Forrás: MTU) Bild 9. Turbolader mit verstellbaren Leitschaufeln Figure 9. Turbocharger with controlled blade angle A dízelmotorok emisszió csökkentési lehetőségeit emellett úgy is csoportosíthatjuk, hogy: 1. Dízelmotoron belüli módszerek Tüzelőanyag ellátó rendszerek: A tüzelőanyagellátó rendszeren végrehajtott módosítások járulnak leginkább hozzá a vasúti dízelmotorok termikus hatásfokának javulásához. Reálisan megvalósítható, hogy a célzott kutatások és fejlesztések növelnék a termikus hatásfokot 40%-ról 50%-ra, mely ugyanakkor 15-20% fajlagos tüzelőanyagfogyasztás javulást eredményezne. Ezeknek a fejlesztéseknek a középpontjában az elektronikus szabályozás és tökéletesített tüzelőanyagszivattyúk és befecskendezők szerkesztése áll annak érdekében, hogy a tüzelőanyagot az égéstérbe a befecskendezési nyomás, előbefecskendezés, befecskendezési törvény és porlasztott sugár elhelyezés legjobb kombinációjával tudjuk szállítani. Ez segít a tüzelőanyag meggyulladásában és egyenletesebb VASÚTGÉPÉSZET 2013/4 31

4 elégésében a hengerben anélkül, hogy hőmérséklet csúcsokat okozna, mely növelné a NO x -kibocsátást vagy a tüzelőanyagban gazdag részek kialakulását, melyekben a nem optimális égés PM-képződést okozna. A vasúti dízelmotorok részére kialakított elosztó vezetékes (common-rail rendszer) tüzelőanyag ellátó rendszer fejlesztése és a dízelmotor üzemi területéhez optimalizált elektronikus vezérlésű tüzelőanyag befecskendezőkkel kombinálva nagyon hatékony tökéletesítési lehetőséggel rendelkezik az egymással szoros kapcsolatban lévő, égéssel kapcsolatos paraméterek megkívánt irányú befolyásolására. A 3. ábra a különböző dízel befecskendező rendszereket mutatja. A 4. ábra egy korszerű, elosztóvezetékes befecskendezési rendszer elvi felépítését mutatja. A dízelmotorban zajló keverékképzés, égés és emisszió képződés kutatás és fejlesztés nehézségét az a tény képezi, hogy a hengeren belül a befecskendezett tüzelőanyagsugár és a levegő áramlási tere közötti kölcsönhatás, közvetlen kompresszió gyújtás és égés rendkívül bonyolult és ezeket számos tényező befolyásolja. Amint ezeket a folyamatokat egyre jobban megértjük a vasúti dízelmotorokban, hatékonyabb tüzelőanyag rendszerek tervezhetők és fejleszthetők. Ezek a folyamatok várhatóan a következő technológiai elemek járulékos tökéletesítését és lépésről lépésre történő alkalmazását követik: az elosztóvezetékes rendszer használata a mindegyik hengerhez egyedi tüzelőanyag szivatytyú és nyomócső helyett. Ez nemcsak csökkenti az elemek számát, hanem megengedi a tüzelőanyag jelentősen nagyobb nyomással történő szállítását a befecskendezőkhöz. Az elosztóvezetékes rendszerek az előbefecskendezés, a többszörös befecskendezés és a nagyobb befecskendezési nyomások szabad választását nyújtják, melyek a PM-képződés csökkenését eredményezik, az NO x -növekedés nélkül. A befecskendezés vezérlés, a befecskendezési törvény és befecskendezési nyomás elektronikus irányítása, mely a dízelmotor fordulatszám, a terhelés és környezeti feltételek változásának folyamatos figyelemmel kísérését teszi lehetővé. Korszerű, nagy pontosságú tüzelőanyag befecskendezők alkalmazása, melyek magukban foglalják az előadag, osztott valamint többszörös befecskendezést, továbbá a képességet a befecskendezési törvény alakja pontos alakítására, pl. a tűszelep nyílás meredeksége és a zárási folyamatának befolyásolására. Elektronikusan vezérelt, mágnesszelep működtetésű befecskendező tűszelepek rendelkeznek a mikroszekundumok alatt történő pontos zárás szabályozásának lehetőségével az utáncsepegés elkerülésére (mely nem lehetséges mechanikus működtetésű, hagyományos rendszerekkel) céljából. Ez a jellemző és a többszörös befecskendezés használata előrevetíti mindegyik hengerben a jelenlegi egyszeres, nagy porlasztófuratokkal rendelkező befecskendezők kialakítási korlátainak legyőzését. Nagy porlasztófurat átmérők szükségesek nagy terhelési (névleges terhelés) viszonyoknál az elegendő tüzelőanyag szállításához, de ez kisebb beállított teljesítménynél az optimálistól eltérő égést eredményezhet. Szerkezeti anyagok, melyeket a tüzelőanyag szállító befecskendező alkatrészekben használnak. Valószínűsíthető, hogy a jövő befecskendező rendszerei alkalmazni fognak számos, az új anyagok területén elért fejlesztést, amelyek legyőzik a jelenlegi nagy nyomású tüzelőanyag ellátó rendszer alkatrészek kopási és tartóssági korlátait. A kerámiák alkalmazása a befecskendezők- ben várhatóan növekedni fog, valamint a nagyobb keménységű anyagok alkalmazása, melyek megmunkálhatók kisebb szélességű tűrésmezővel beleértve a kenőképességet fokozó felületi megmunkálási tulajdonságot. Ez utóbbi helyettesíti a kenőképességet, amelyet korábban a nagy kéntartalmú vasúti dízelolaj biztosított, és amelyet megszüntetnek a kötelező kis kéntartalmú tüzelőanyagok érdekében. Az irányítási rendszerek elektronikája és szoftverei így képesek lesznek irányítani egy cikluson belül a befecskendezési folyamat paramétereit, melyeket más motor-, égési és környezeti feltételeket figyelemmel kísérő érzékelők csoportjától érkező bemenetek alapján alakítanak ki. Ezzel kapcsolatban a fejlesztés igen kiterjedt szimulációs követelményeket támaszt. Keverékképzés és égésfolyamat optimalizálás A dízelmotor égésterében két alapvető légmozgás van jelen a munkafolyamat során. Az egyik a henger tengelye körüli örvénylő mozgás, melyet az elpárolgott tüzelőanyag és a levegő minél jobb keveredésének elősegítésére alakítanak ki. A másik az úgynevezett squish, amely abból származik, hogy a dugattyú felfelé történő haladásakor a dugattyú szélén gyorsabban csökken a térfogat, mint középen, ezért erőteljes sugárirányú, befelé történő áramlás alakul ki. Ezért különleges figyelmet kell szentelni a dugattyútető geometriának és a kompresszióviszonynak. Vannak továbbá olyan konstrukciós jellemzők, mint a dugattyúhűtés kialakítása, dugattyúgyűrű elhelyezése, anyag tulajdonságok vagy bevonatok stb., amelyek szintén emisszió csökkentést eredményező égési jellemzőket eredményezhetnek. Ugyanígy tökéletesített olajlehúzó gyűrű kialakítás és ezzel kapcsolatos szerkezeti részletek révén az olajfogyasztás csökkentés a PM- és a HC-emissziót csökkentheti. 32 VASÚTGÉPÉSZET 2013/4

5 A dugattyútető geometria kialakításának kiválasztása (általában csésze alakú Hesselmann-égéstér) rendkívül bonyolult folyamattá válik a motorfejlesztésben, mivel a változtatásoknak és módosításoknak minden jellemzőre hatásuk van és a megfelelő műszaki kompromisszum kialakítása igen nehéz feladat. Levegőellátó rendszer: A turbófeltöltő, a levegő visszahűtő áttervezése és a szívó szelepek kedvező elhelyezése révén optimális szívócső nyomás, hőmérséklet és levegőáramlás irányítás biztosítása. Ez fontos a jó keverékképzés- és égéshez szükséges fizikai és kémiai folyamatok szolgáltatásához. Hibrid villamos turbófeltöltés a turbólyuk (levegőszállítási késedelem) legyőzését teszi lehetővé, de számottevően bonyolítja a rendszert, így nem várható az elterjedése. A turbófeltöltéssel kapcsolatban megjegyezzük, hogy a korszerű dízelmotorok gyakorlatilag kivétel nélkül turbófeltöltött gépek. A turbófeltöltők nyomásfokozó gépe kivétel nélkül centrifugális kompresszor, az expanziós gépe kisebb teljesítményű motoroknál radiális, nagyobb teljesítményű gépeknél pedig axiális turbina. Az elmúlt néhány esztendőben több dízelmotor gyártó a korábban általános radiális lapátozású centrifugális kompresszor helyett hátrahajló lapátozást alkalmaz. A beszívott levegő állapotának előzetes befolyásolása és szállítása a hengertérbe magában foglalja a levegőszűrőket, turbófeltöltőket, levegővisszahűtőket, szívó gyűjtőcső furatokat a megfelelő állapotú beszívott levegő biztosítása céljából és a szívó gyűjtőcső nyomásának és hőmérsékletének szabályozását. Ez fontos a tüzelőanyag optimális égésfolyamatához szükséges kémiai s fizikai folyamatok irányításához. A jövő visszahűtő konstrukciójának hatásossága és a vele kapcsolatos hűtőelem rendszerek alapvető, meghatározó tényezők maradnak az égéstérben fellépő maximális lánghőmérsékleteknek és a vele együtt járó NO x -képződés szintjének csökkentésében. Hibrid turbófeltöltés: Egy hagyományos turbófeltöltő egy kipufogógázzal hajtott turbina, melyhez egy légsűrítőt kapcsolnak közvetlenül a hengerek sűrített levegővel történő ellátásához. Ez javítja azeffektív hatásfokot. Azonban, ha a dízelmotor fordulatszáma növekszik, vagy tranziens terhelésváltozás történik, késedelem lép fel, míg a turbófeltöltő a kimenő jellemzőit (szállított közegmennyiség, nyomásviszony) hozzá tudja igazítani az új állapothoz. E késedelem során az égés feltételei kedvezőtlenek és ez megnövekedett emissziót és lecsökkent hatásfokot eredményezhet. Ezt a késedelmet meg tudja szüntetni a már fentebb említett hibrid turbófeltöltő, amelyben egy nagy fordulatszámú, állandó mágnesű motor gyorsítja a feltöltő forgórészét az átmeneti folyamat során. A turbófeltöltés következő típusait alkalmazzák: Egyfokozatú turbófeltöltés A feltöltő nyomást ebben az esetben a teljes fordulatszám és terhelés tartományban egy feltöltő állítja elő. Valamennyi ábrán az ETC (exhaustgasturbocharger = kipufogógáz turbinás feltöltő). (5. ábra) Sorba kapcsolt egyfokozatú feltöltés Két turbófeltöltőt kapcsolnak a dízelmotor fordulatszámától és a terheléstől függően sorba vagy párhuzamosan. (6. ábra) Sorba kapcsolt kétfokozatú turbófeltöltés Alapjában véve a soros kétfokozatú turbófeltöltés ugyanúgy működik, mint egy sorbakapcsolt egyfokozatú turbófeltöltés. Ugyanakkor mindkét esetben egy turbófeltöltő helyett egy turbófeltöltő párt kapcsolnak be vagy ki. (7. ábra) Szabályozott kétfokozatú turbófeltöltés Két turbófeltöltőt kapcsolnak sorba. MTU által alkalmazott rendszerben a kipufogógáz tömegáramot megosztják, egyik része a nagynyomású turbinán áramlik át, a többit egy vezérelhető megkerülő szeleppel szabályozott bypass ágon keresztül vezetik. A teljes tömeg azután átáramlik a két kisnyomású turbinán. (8. ábra) Amint az ábrákból is kitűnik, különösen a szabályozott kétfokozatú turbófeltöltés, nagy igényű, meglehetősen bonyolult megoldás. Ezért ezeket nem alkalmazza minden dízelmotor gyártó. Ugyanakkor egyre jobban terjed a változtatható vezető lapátozású turbófeltöltő alkalmazása vasúti dízelmotorokban. A 9. ábrán láthatjuk ennek elvi felépítését. Ezzel lehetőség van a turbina által feldolgozott közegmennyiség és fajlagos entalpia esés szabályozására a dízelmotor teljes üzemi tartományában. Szívó és kipufogó csatorna és szelep kialakítás: Hasonlóan a dugattyú kialakításhoz, különös figyelmet kell szentelni az olyan részleteknek, mint a levegő-tüzelőanyag keverék szempontjából optimális áramlási mezőnek, melyet a szívószelepen, szívócsövön át belépő levegő és a kipufogó szelepen és nyíláson át kilépő kipufogógáz hoz létre. Az alapvető paraméterek minimális nyomásesés, minimális turbulencia és stabil, az égéstérben kedvező viszonyokkal összhangban lévő feltételek a több sugaras, nagynyomású, elektronikus tüzelőanyag befecskendezés előnyeinek kihasználása céljából. Egy lehetséges fejlődés közepes járású dízelmotorok esetében az elektronikusan vezérelt, mágnesszelep működtetésű szívó és kipufogó szelepek fejlesztése, a jelenlegi bütykös tengellyel vezérelt kialakítás kiváltására. Ez nyújtana szabadságot a szelepek nyitási és zárási idejének változtatására a motor fordulatszám- és teljesítmény pozíciónak megfelelően, hogy így megközelítsük az optimális gázcsere égés szempontjából optimális feltételeit. (Folytatjuk) VASÚTGÉPÉSZET 2013/4 33