Gépjárművek Üzemanyag ellátó Berendezései. Dr. Szabó József Zoltán Egyetemi docens Óbudai Egyetem Mechatronikai és Autótechnikai Intézet

Átírás

1 Gépjárművek Üzemanyag ellátó Berendezései Dr. Szabó József Zoltán Egyetemi docens Óbudai Egyetem Mechatronikai és Autótechnikai Intézet

2 12. A. Előadás Környezetszennyezés csökkentés Benzin motor károsanyag kibocsátás csökkentési lehetőségei

3 US US EU5 2008/9* EU6 2012/13* EU HK EU Big cities EU China EU4 2010/11* EU EU pnlt 2009/10* ppnlt 2013 US04/ EU US07/ EU EU USA Japán Jelenlegi EURO1-3 Jelenlegi EURO4 * Új járművek EU EU EU4 2010/12* EU EU EU EU EU5/ US07/ JPN NLT 2010/11* KR EU4 2006/ 8* EU5 2010/11* TW US07/ EU5 2011

4 KÖRNYEZETVÉDELEM Európai előírások az emisszióra vonatkozóan environnement

5 Gépjárművek európai emissziós határértékei Hatályba lépés dátuma NOx g/kwh CO g/kwh HC g/kwh PT g/kwh Füstölés m -1 EURO 0 előtt ,5 0, EURO ,4 11,2 2,45 0, EURO ,5 1,1 0,36 0,63 - EURO ,1 0,15 0,25 - EURO ,1 0,66 0,1 0,13 0,8 EURO ,5 1,5 0,46 0,02-0,5 EURO ,5 0,46 0,02-0,5 EEV nem kötelező 2 1,5 0,25 0,02-0,15 EURO től 0,4 1,5 0,13 0,01 - -

6 Euro 6 várhatóan ,075 0,06 Személygépkocsik európai emissziós határértékei (g/km) Fokozat Év Co Hc HC+Nox Nox PM Dízel Euro ,5 0,23 0,18 0,005 Euro 6 várhatóan ,5 0,17 0,08 0,005 Benzin Euro ,075 0,06

7 0.03 (g/kwh) JPN NLT EU EU Bevezetés éve, minden járműre 0.01 US US JP pnlt 2010 JP ppnlt EU Közúti nehézgépjármű ultra alacsony emissziós normák PM (korom) NOx 0 (g/kwh) 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

8 Benzinmotor Tökéletes égés esetén (ideális állapot)

9 A motor benzin (azaz szénhidrogén: HC) és levegő (O 2 ) SZ keverékét szívja be SZÍVÁS

10 A motor benzin (azaz szénhídrogén: HC ) és levegő (O 2 ) SZ a nyíló keverékét szívja be SZÍVÁS szívószelepen át.

11 Közben a benzin cseppek elgőzölögnek SZ SZÍVÁS

12 Közben a benzin cseppek elgőzölögnek SZ SZÍVÁS

13 SZ Kémiai átalakulás nem történik! SZÍVÁS

14 A sűrítés során S a benzin-levegő keverék nyomása és hőmérséklete növekszik SŰRÍTÉS Kémiai átalakulás nem történik!

15 S SŰRÍTÉS Kémiai átalakulás nem történik!

16 S SŰRÍTÉS Kémiai átalakulás nem történik!

17 A felső GY holtpont előtt a gyújtógyertyán megjelenik GYÚJTÁS a villamos ív a gyújtószikra

18 GY GYÚJTÁS

19 GY GYÚJTÁS

20 GY GYÚJTÁS

21 GY Az ív hőenergiája indítja meg az GYÚJTÁS égést a vegyi átalakulást

22 A vegyi átalakulás során a HC és O 2 TÖKÉLETES ÉGÉS ESETÉN víz és széndioxid keletkezik

23 Tökéletes égés és keveredés esetén a lángfront egyenletesen terjed

24 T TERJESZ- KEDÉS

25 A gázok égésekor T felszabaduló energia révén a motor hasznos munkát végez TERJESZ- KEDÉS

28 Az energiájukat K vesztett gázok KIPUFO- GÁS a kipufogó-szelepen át a szabadba távoznak

29 K KIPUFO- GÁS

30 K KIPUFO- GÁS

31 Ennek a gáznak (kipufogó gáz) K az összetételét KIPUFO- GÁS mérik a gázelemző készülékek

32 Benzinmotor Tökéletlen égés esetén (valós állapot)

33 A felső holtpont GY előtt a gyújtógyertyán megjelenik GYÚJTÁS a villamos ív (gyújtószikra)

34 Az ív GY hőenergiája megindítja az égést GYÚJTÁS a vegyi átalakulást

35 Mivel a keveredés és az égés sem tökéletes, az égés során a széndioxidon és vízen kívül más anyagok is keletkeznek.

36 A léghiányos területeken szénmonoxid GY keletkezik. GYÚJTÁS A szénhidrogénből is marad elégetlen rész.

37 a levegő nitrogénjének egy része oxidálódik A magasabb hőmérsékletű részeken N 2 +2O 2 =2NO 2

38 Különböző nitrogénoxidok keletkeznek (NO, NO 2, NO 3 ) Ezeket összefoglalva NO x -ként jelöljük

39 Mivel nem tudtuk elégetni, természetesen még az oxigénből is marad (O 2 ).

40 SZÉNDIOXID SZÉNHIDROGÉN NITROGÉNOXID SZÉNMONOXID OXIGÉN A kipufogógáz tehát (a vízgőzön kívül) több összetevőt tartalmaz!

41 A széndioxid A szerves anyagok normális égésének természetes égésterméke. Környezetvédelmi szempontból a hosszabb időtartamú széndioxid kibocsátást tekinthetjük veszélyesnek, ugyanis a légtér széndioxid feldúsulása klímaváltozáshoz vezet.

42 A széndioxid A légkörben a széndioxid szabályozza a kibocsátott napsugárzás felszínen maradó mennyiségét,...

43 A széndioxid Ha megnövekszik a légkör széndioxid tartalma, akkor az úgynevezett üvegház hatás következtében tartósan megnő a Föld átlagos hőmérséklete

44 A széndioxid A kipufogógáz széndioxid tartalmát térfogat-százalékban (Vol%) adják meg. Pl.: 13Vol%= 13% CO 2 87% egyéb gáz Minél nagyobb a kipufogógáz CO 2 tartalma, annál tökéletesebb az égés, annál gazdaságosabb a motor üzeme

45 SZÉNHIDROGÉNEK A kipufogógázokban elégetlen szénhidrogének találhatók. Az üzemanyag bomlástermékeiből, főleg aldehidekből, keton-származékokból, szerves savakból, aromás vegyületekből áll.

46 SZÉNHIDROGÉNEK A kipufogógáz HC tartalma a hőelvezetés és az égésfolyamat megszakadásának valamint az égéstér szűkebb, a falhoz közeli részeiben létrejövő tökéletlen égés következményeként jön létre. Képződését az égéstér alakja és az öblítés hatásossága befolyásolja.

47 SZÉNHIDROGÉN Környezet károsító hatása főként abban jelentkezik; hogy a növények felszíni szöveteiben felhalmozódik.

48 SZÉNHIDROGÉN Mivel a növények felszíni szöveteiben felhalmozódik, levélhullást, virágzási, szaporodási problémákat, a virágok szövetpusztulását okozza.

49 SZÉNHIDROGÉN

50 SZÉNHIDROGÉN

51 SZÉNHIDROGÉN

52 SZÉNHIDROGÉN

53 SZÉNHIDROGÉN Az aromás szénhidrogének rákkeltő hatása is kimutatható. A közlekedés a HC-szennyezés kb. 75%-át adja!

54 SZÉNHIDROGÉN A kipufogógáz szénhidrogén tartalmát ppm- ben adják meg. ppm = parts per million, azaz milliomodrész. 100 Vol%= ppm Például: 400 ppm=400/ = =0,0400/100=0,04%

55 SZÉNHIDROGÉN Egy belsőégésű motor kipufogógázának magas HC tartalmát : gyakran gyújtáskimaradás, hibás gyújtókábel, helytelen gyújtási időpont vagy zárásszög, tömítetlen szívórendszer, helytelen keverék-beállítás, vagy rosszul záró szelepek okozzák.

56 SZÉNHIDROGÉN Az összes előbb felsorolt hiba tökéletlen égést eredményez és a HC tartalom megnövekedése mellett egy nem elhanyagolható mértékű túlfogyasztást is okoznak.

57 A szénmonoxid Mérgező, színtelen, szagtalan gáz. Akkor keletkezik, ha az égéshez nincs elegendő oxigén. (léghiányos égés)

58 A szénmonoxid Megakadályozza az oxigén és a vér hemoglobinjának összekap-csolódását, ezért az képtelen lesz az oxigén szállítására. Ez a szövetek oxigénhiányához, látásés egyensúlyzavarokhoz, figyelemkieséshez, szédüléshez, légzéselégtelenséghez, súlyosabb esetben halálhoz vezet. A növényekre ártalmatlan.

59 A szénmonoxid A CO tartalom értékét térfogatszázalékban(vol%) adják meg. A magas CO érték: túl dús keverék, túl alacsony alapjárati fordulatszám, helytelen benzinszint beállítás, elszennyeződött levegőszűrő, hibás forgattyúsház-szellőzés vagy hibás porlasztóbeállítás esetén alakulhat ki.

60 A szénmonoxid A magas CO és az alacsony CO 2 értékek oxigénhiányra utalnak. Ebben az esetben túl dús a keverék. Mivel a levegő mennyiség adott, így a bevezetett üzemanyag mennyiségét kell csökkenteni.

61 Az oxigén Az O 2 a széndioxiddal együtt az égésfolyamat lefolyásának egyik legbiztosabb jelzője. Ugyancsak Vol%-ban mérik. Ha mérjük az oxigéntartalmat miközben a porlasztót vagy a befecskendező-rendszert dús keverési arányról szegényre,vagy fordítva, szegényről dúsra átállítjuk, akkor az oxigéntartalom min. 0,5 % érték ugrásszerű megváltozása jelzi az átmenetet.

62 Az oxigén A szívórendszer tömítetlensége vagy gyújtási problémák az oxigéntartalom erős ingadozását okozzák. Az oxigén a széndioxiddal együtt a sztöchiometrikus pont biztos indikátora is.

63 Az oxigén A sztöchiometrikus ponton a keverési arány (l) megfelel az elméleti keverési aránynak, azaz nincs sem léghiány, sem légfelesleg. l =1 :a benzin-levegő keverési tömegaránya r =1:14,7 sztöchiometrikus (görög): a kémiai egyenlet egyensúlyának megfelelő keverési arány

64 Szegény keverék esetén a CO 2 ugyancsak alacsony, de az O 2 értékek kimutatják az oxigénfölösleget. Az oxigén Ha a motor katalizátoros, a CO és HC értékek a nullához közelítenek, csak a széndioxid és az oxigén értékek utalnak pontosan a helyes keverék beállítására. Dús keverék esetén a CO 2 és az O 2 érték is igen alacsony.

65 A nitrogénoxidok A környezeti levegő kb. 78% nitrogénből és 20,9% oxigénből áll. A maradék gázok csekély részarányban CO 2 -t, nemesgázokat, és más egyéb gázokat tartalmaznak. A belsőégésű motor az oxigént felhasználja a működéséhez, a nitrogént viszont nem. Ezt csaknem teljes egészében újra kibocsátja.

66 A nitrogénoxidok Az oxigénben dús, magas hőmérsékletű égés következtében a beszívott levegő nitrogénjének egy része valamilyen nitrogénoxiddá oxidálódik. ( NO 2, NO 3, NO NO x )

67 A nitrogénoxidok Az emberi szervezetre gyakorolt hatása hasonló a szénmonoxidéhoz. Nagyobb töménységben mérgezést, halált okozhat. A növényekre is káros szövetroncsoló hatással van. A légkörbe kerülve befolyásolhatja az ultraibolya sugárzást. Az elégetlen szénhidrogénekkel összekapcsolódva a rettegett SZMOG-ot alkotja.

68 A nitrogénoxidok Az NOx-ek a motor égésterében képződnek ºC hőmérséklet fölött. Emiatt szükséges a szériakocsik ún. típusvizsgálata során a jármű kipufogógázának NO x - tartalmát szabvány szerint mérni. (gramm/km, vagy g/miles mértékegységben)

69 A nitrogénoxidok Az NO x tartalom csökkentésének egyik módja az úgynevezett EGR rendszer (Exhaust Gas Recirkulation = kipufogógáz-visszavezetés) alkalmazása. Egy speciális szelep segítségével a friss keverékhez a teljesítménytől függő menynyiségű kipufogógázt adagolnak. Ennek következménye az égési hőmérséklet és a kipufogógáz NO x tartalmának lényeges csökkenése.

70 A nitrogénoxidok Ellentétben a szokásos kipufogógáz komponensekkel az NO x -tartalmat a szerelők nem befolyásolhatják, feltételezve azt, hogy az alapfunkciók, a gyújtási időpont, a szelepvezérlés, a kipufogógáz visszavezető rendszer és a keverékképzés rendben van.

71 Káros anyagok képződése Benzin motorok égésterében

72 Benzinmotorok kipufogógáz-összetétele N 2 Nitrogén O 2 Oxigén H 2 O Víz CO 2 Szén-dioxid CO Szén-monoxid NO X Nitrogén-oxid SO 2 Kén-dioxid Pb Ólom HC Szén-hidrogén

73 Emisszió csökkentési lehetőségek benzinmotor esetében

74 Szelepemelés 2.8 V6 FSI Változtatható szelepvezérlés Valvetronic FILM Schaltbarer Schlepphebel 2/3-stufig (z.b. Honda VTEC) Schalttasse 2-stufig (z.b. Porsche Variocam Plus) mech. VVH-System mit Zwischenhebel kontinuierlich (z.b. BMW Valvetronic)

75 Kipufogógáz tisztítás katalizátorral Hordozó felület Köztes réteg (Wash-coat) Platina,Palladium, Rhodium bevonat

76 Kipufogógáz tisztítás Benzin Levegő Kat.elött Kat.után C x H y + O 2 = CO 2 N 2 H 2 O H 2 O CO CO 2 CO 2 C x H y H 2 O NO x N 2

77 Kipufogógáz tisztítás A fejlesztés kezdetén léteztek nem szabályozott rendszerek, ma már kizárólag Lambda-szondával szabályozott rendszereket alkalmaznak a járműgyártásban. A katalizátor csökkenti a kipufogógáz mérgező komponenseit (szén-monoxid, nitrogén-oxidok szénhidrogének). A katalizátor nem vesz részt a reakcióban, csak elősegíti azt. A rácsszerkezete lehet fém vagy kerámia, erre jön a hordozó réteg, mely többszörösére növeli a felületet, így hatékonyabb a kipufogógáz tisztítás. Erre kerülnek a katalitikus hatású fémek.

78 Katalizátorok felépítése

79 1,2l 3 hengeres motor Nincs előkatalizátor A katalizátor közvetlenül a kipufogógáz gyűjtőcső mögött foglal helyet, így gyorsan felmelegszik, és a gázok utókezelése indítás után hamar megkezdődik. Katalizátor

80 Az elöregedett vagy hibás katalizátornak kisebb az oxigéntároló kapacitása, és így rosszabb az átalakító-képessége. Ha a teszt során a szénhidrogének szintje meghaladja a hatályban lévő határértékek 1,5-szörösét, akkor ezt fel kell ismernie az OBD rendszernek. A katalizátort károsító hatások A hőmérsékleti viszonyok miatt a katalizátorok elhasználódnak, és ez befolyásolja az átalakítási-kapacitásukat. A termikus elhasználódás mellett az átalakítási-képességet a szennyezés is ronthatja (kémiai elhasználódás). Például ha gyújtáskimaradások következtében túl magas hőmérsékletek alakulnak ki a katalizátorban, akkor az aktív katalizátorfelület károsodhat. Bizonyos körülmények között a katalizátor mechanikusan is sérülhet (benyomódik, széttöredezik, leválik a hordozó réteg).

81 Katalizátorok főbb típusai, fejlődése

82 OBD motorvezérlő rendszer /Otto/ Aktívszéntartály Lezáró-szelep Tank szell.szelep Befecskendezőszelep Gyújtótekercs/ gyújtógyetya Szekunderlevegő -szivattyú MAP-szenzor. NW-szenzor Szekunderlev. -szelep Légtömegmérő E-GAS Kop.-sz. Hőm.-érz. λ-szonda LSU ECU AGR-szelep Fordszámadó Különbségnyomásszenzor KAT. Vezérlőegység LSF Diagnosztikai aljzat AKKU λ-szonda MIL-lámpa Üzemanyag -szivattyú Gázpedál-modul Indításgátló CAN KBS OBD-specifikus komponensek Hagyományos komponensek. LITO-TECHNIK OBD felügyeleti rendszer

83 Lambda szabályzás folyamata

84 Átalakítási hatásfok % Lambda-ablak 100 Szondafeszültség (V) 50 V dús elméleti szegény LITO-TECHNIK OBD felügyeleti rendszer

85 Lambda szabályzás hatása 0,9 0,95 1,0 1,05 1,1 Luftzahl l utókezelés nélkül utókezeléssel utókezeléssel

86 Lambdaszonda felépítése fűtés-csatlakozás fűtőelem védőhüvely tömítés Cirkóniumelem kerámia-tartó LITO-TECHNIK OBD felügyeleti rendszer

87 Lambda szonda típusok Oxigénszondák: /ZrO2+Y2O3/ --- / Feszültség-szonda / - Fűtetlen /LS/ - Fűtött /LSH 24/ - Fűtött testpotenciál eltolt /LSH 25/ Planár-referenciakamrás /LSF/ - Szélessávú kétcellás szivattyús /LSU/ Ellenállás-szondák: /Titán-oxid /--TiO2

88 Ugrás jelű Lambda szonda felépítése

89 Szélessávú Lambda szonda