Gépjárművek Üzemanyag ellátó Berendezései Dr. Szabó József Zoltán Egyetemi docens Óbudai Egyetem Mechatronikai és Autótechnikai Intézet
12. A. Előadás Környezetszennyezés csökkentés Benzin motor károsanyag kibocsátás csökkentési lehetőségei
US10 2010 US10+ 2016 EU5 2008/9* EU6 2012/13* EU4 2010 HK EU5 2009 Big cities EU4 2008-10 China EU4 2010/11* EU4 2008 EU4 2010 pnlt 2009/10* ppnlt 2013 US04/ EU4 2008 US07/ EU5 2011 EU4 2012 USA Japán Jelenlegi EURO1-3 Jelenlegi EURO4 * Új járművek EU5 2009 EU6 2013 EU4 2010/12* EU4 2012 EU4 2012 EU4 2011 EU5 2009 EU5/ US07/ JPN NLT 2010/11* KR EU4 2006/ 8* EU5 2010/11* TW US07/ EU5 2011
KÖRNYEZETVÉDELEM Európai előírások az emisszióra vonatkozóan environnement
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 - 18 14 3,5 0,72 - - EURO 0 1990.10.01 14,4 11,2 2,45 0,72 - - EURO 1 1993.10.01 8 4,5 1,1 0,36 0,63 - EURO 2 1996.10.01 7 4 1,1 0,15 0,25 - EURO 3 2001.10.01 5 2,1 0,66 0,1 0,13 0,8 EURO 4 2006.10.01 3,5 1,5 0,46 0,02-0,5 EURO 5 2009.10.01 2 1,5 0,46 0,02-0,5 EEV nem kötelező 2 1,5 0,25 0,02-0,15 EURO 6 2014-től 0,4 1,5 0,13 0,01 - -
Euro 6 várhatóan 2014.09.01 1 0,075 0,06 Személygépkocsik európai emissziós határértékei (g/km) Fokozat Év Co Hc HC+Nox Nox PM Dízel Euro 5 2009.09.01 0,5 0,23 0,18 0,005 Euro 6 várhatóan 2014.09.01 0,5 0,17 0,08 0,005 Benzin Euro 5 2009.09.01 1 0,075 0,06
0.03 (g/kwh) JPN NLT 2007 0.02 EU5 2009 EU4 2006 Bevezetés éve, minden járműre 0.01 US10 2010 US07 2007 JP pnlt 2010 JP ppnlt 2013-2016 EU6 2013 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
Benzinmotor Tökéletes égés esetén (ideális állapot)
A motor benzin (azaz szénhidrogén: HC) és levegő (O 2 ) SZ keverékét szívja be SZÍVÁS
A motor benzin (azaz szénhídrogén: HC ) és levegő (O 2 ) SZ a nyíló keverékét szívja be SZÍVÁS szívószelepen át.
Közben a benzin cseppek elgőzölögnek SZ SZÍVÁS
Közben a benzin cseppek elgőzölögnek SZ SZÍVÁS
SZ Kémiai átalakulás nem történik! SZÍVÁS
A sűrítés során S a benzin-levegő keverék nyomása és hőmérséklete növekszik SŰRÍTÉS Kémiai átalakulás nem történik!
S SŰRÍTÉS Kémiai átalakulás nem történik!
S SŰRÍTÉS Kémiai átalakulás nem történik!
A felső GY holtpont előtt a gyújtógyertyán megjelenik GYÚJTÁS a villamos ív a gyújtószikra
GY GYÚJTÁS
GY GYÚJTÁS
GY GYÚJTÁS
GY Az ív hőenergiája indítja meg az GYÚJTÁS égést a vegyi átalakulást
A vegyi átalakulás során a HC és O 2 TÖKÉLETES ÉGÉS ESETÉN víz és széndioxid keletkezik
Tökéletes égés és keveredés esetén a lángfront egyenletesen terjed
T TERJESZ- KEDÉS
A gázok égésekor T felszabaduló energia révén a motor hasznos munkát végez TERJESZ- KEDÉS
T TERJESZ- KEDÉS
T TERJESZ- KEDÉS
Az energiájukat K vesztett gázok KIPUFO- GÁS a kipufogó-szelepen át a szabadba távoznak
K KIPUFO- GÁS
K KIPUFO- GÁS
Ennek a gáznak (kipufogó gáz) K az összetételét KIPUFO- GÁS mérik a gázelemző készülékek
Benzinmotor Tökéletlen égés esetén (valós állapot)
A felső holtpont GY előtt a gyújtógyertyán megjelenik GYÚJTÁS a villamos ív (gyújtószikra)
Az ív GY hőenergiája megindítja az égést GYÚJTÁS a vegyi átalakulást
Mivel a keveredés és az égés sem tökéletes, az égés során a széndioxidon és vízen kívül más anyagok is keletkeznek.
A léghiányos területeken szénmonoxid GY keletkezik. GYÚJTÁS A szénhidrogénből is marad elégetlen rész.
a levegő nitrogénjének egy része oxidálódik A magasabb hőmérsékletű részeken N 2 +2O 2 =2NO 2
Különböző nitrogénoxidok keletkeznek (NO, NO 2, NO 3 ) Ezeket összefoglalva NO x -ként jelöljük
Mivel nem tudtuk elégetni, természetesen még az oxigénből is marad (O 2 ).
SZÉNDIOXID SZÉNHIDROGÉN NITROGÉNOXID SZÉNMONOXID OXIGÉN A kipufogógáz tehát (a vízgőzön kívül) több összetevőt tartalmaz!
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.
A széndioxid A légkörben a széndioxid szabályozza a kibocsátott napsugárzás felszínen maradó mennyiségét,...
A széndioxid Ha megnövekszik a légkör széndioxid tartalma, akkor az úgynevezett üvegház hatás következtében tartósan megnő a Föld átlagos hőmérséklete
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
SZÉNHIDROGÉNEK A kipufogógázokban elégetlen szénhidrogének találhatók. Az üzemanyag bomlástermékeiből, főleg aldehidekből, keton-származékokból, szerves savakból, aromás vegyületekből áll.
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.
SZÉNHIDROGÉN Környezet károsító hatása főként abban jelentkezik; hogy a növények felszíni szöveteiben felhalmozódik.
SZÉNHIDROGÉN Mivel a növények felszíni szöveteiben felhalmozódik, levélhullást, virágzási, szaporodási problémákat, a virágok szövetpusztulását okozza.
SZÉNHIDROGÉN
SZÉNHIDROGÉN
SZÉNHIDROGÉN
SZÉNHIDROGÉN
SZÉNHIDROGÉN Az aromás szénhidrogének rákkeltő hatása is kimutatható. A közlekedés a HC-szennyezés kb. 75%-át adja!
SZÉNHIDROGÉN A kipufogógáz szénhidrogén tartalmát ppm- ben adják meg. ppm = parts per million, azaz milliomodrész. 100 Vol%=1 000 000 ppm Például: 400 ppm=400/1 000 000 = =0,0400/100=0,04%
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.
SZÉNHIDROGÉN Az összes előbb felsorolt hiba tökéletlen égést eredményez és a HC tartalom megnövekedése mellett egy nem elhanyagolható mértékű túlfogyasztást is okoznak.
A szénmonoxid Mérgező, színtelen, szagtalan gáz. Akkor keletkezik, ha az égéshez nincs elegendő oxigén. (léghiányos égés)
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.
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.
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.
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.
Az oxigén A szívórendszer tömítetlensége vagy gyújtási problémák az oxigéntartalom erős ingadozását okozzák. Az oxigén a széndioxiddal együtt a sztöchiometrikus pont biztos indikátora is.
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
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.
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.
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 )
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.
A nitrogénoxidok Az NOx-ek a motor égésterében képződnek 1100...1200 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)
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.
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.
Káros anyagok képződése Benzin motorok égésterében
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
Emisszió csökkentési lehetőségek benzinmotor esetében
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)
Kipufogógáz tisztítás katalizátorral Hordozó felület Köztes réteg (Wash-coat) Platina,Palladium, Rhodium bevonat
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
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.
Katalizátorok felépítése
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
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).
Katalizátorok főbb típusai, fejlődése
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
Lambda szabályzás folyamata
Átalakítási hatásfok % Lambda-ablak 100 Szondafeszültség (V) 50 V 1.0 0.5 0 dús 0.9 1.0 1.1 elméleti szegény LITO-TECHNIK OBD felügyeleti rendszer
Lambda szabályzás hatása 0,9 0,95 1,0 1,05 1,1 Luftzahl l ----- utókezelés nélkül utókezeléssel utókezeléssel
Lambdaszonda felépítése fűtés-csatlakozás fűtőelem védőhüvely tömítés Cirkóniumelem kerámia-tartó LITO-TECHNIK OBD felügyeleti rendszer
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
Ugrás jelű Lambda szonda felépítése
Szélessávú Lambda szonda