Sajtóinformáció RBHU/MK Bxb_30601ba-d MPK_DS_h Befecskendező-rendszerek új generációi: a dízelmotorokat a piezo-jelenség és más alkalmazások teszik még tisztábbá és hatékonyabbá Dr. Ulrich Dohle, a Robert Bosch GmbH Dízelrendszerek ágazat vezetőségének elnöke Az 56-dik nemzetközi autós újságíró-kollokviumon tartott előadás Boxberg, 2003. júniusa Az öngyulladásos motorok Nyugat-Európában soha nem tapasztalt sikernek örvendenek. A kilencvenes évek elejéhez képest a dízelmotorral szerelt új személygépkocsi eladások aránya közel megháromszorozódott: 1991-ben 15 százalékos volt a részesedésük, napjainkban ez a szám 40 százalék fölött van. Ausztriában, Franciaországban és Belgiumban például az összes eladott újautó hozzávetőlegesen kétharmada dízelhajtású. Az európai dízel-robbanásban a Boschnak kiemelkedő szerepe volt. A letűnt idők nehézkes, lomha csúszómászóit a korszerű nagynyomású befecskendező rendszerek egyik napról a másikra korszerű, sportos, takarékos és alacsony kibocsátású autókká varázsolták. A kilencvenes évekhez képest - egyáltalán nem utolsósorban a Bosch innovációinak köszönhetően - a dízel személygépkocsik részecske-kibocsátását sikerült 80 százalékkal, az egyéb emissziós értékeket pedig (szén-monoxid, nitrogén-oxidok valamint szénhidrogének) 90 százalékkal csökkenteni. Az EU4-es előírások betartásával a részecske kibocsátást már 90 százalékkal, a szén-monoxid, nitrogén-oxidok valamint a szénhidrogének emisszióját pedig 95 százalékkal kell csökkenteni az alapértékhez képest. Az öngyulladásos motorok emellett nagyon erősek is: napjaink turbófeltöltéses motorjai a literenkénti lökettérfogatra számolva elérik a 170 newtonméteres forgatónyomatékot, illetve a 60 kilowattos fajlagos teljesítményt. Ennek a teljesítménynek a leadásához a dízelautók nagyon kevés tüzelőanyagot fogyasztanak ebből a szempontból jelenleg az összes többi hajtástechnikai eljárás alulmarad a dízelmotorhoz viszonyítva. A Bosch nagy erőkkel dolgozik a befecskendező rendszerek optimalizálásán, hogy a tüzelőanyag fogyasztást és az emissziós értékeket tovább csökkentsék, a motor teljesítményét pedig növeljék. Ennek jegyében Robert Bosch Kft. Telefon: +36 1 43 13-8 52 Public Relations Gyömrői út 120. Telefax: +36 1 43 13-7 25 Raveczki Róbert H-1103 Budapest E-mail: robert.raveczki@bosch.com http://www.bosch.hu
2 fejlesztette ki például a Bosch Common Rail rendszerek 3-dik generációját, amelynek sorozatgyártása 2003. májusában kezdődött el. Az új befecskendező rendszer lelke a piezoelektromos elven működő gyorskapcsolású és kompakt felépítésű in-line injektor. A cég 2005-re tervezi egy továbbfejlesztett, változtatható befecskendező fúvóka bevezetését, amelynek köszönhetően a motorok még csendesebbek és tisztábbak lehetnek. A Bosch olyan kipufogógáz utánkezelő rendszerekkel foglalkozik, amelyek alkalmazása bizonyos személy- és haszongépjárművek esetében elkerülhetetlen lesz. 3-dik generációs Common Rail, piezo in-line injektorokkal A Bosch hagyományos Common Rail rendszereinél az injektort egy mágnestekercs működteti, hidraulikus közvetítéssel. Az így létrejövő hidraulikus erőt egy nyomórúd továbbítja a befecskendező fúvóka szeleptűje felé, ez végzi az injektorok nyitását-zárását. 2003. májusában kezdődött el a Common Rail 3-dik generációjának sorozatgyártása, amelynél a végrehajtó elem piezo-kristályokból áll. A piezo-kristályok tulajdonsága, hogy elektromos mező hatására megváltoztatják méreteiket. A piezo működtető elem megvalósításához a Bosch mérnökei egy több száz darab vékony kristályból álló csomagot használnak. A piezoelemnek kevesebb, mint egy tízezred másodpercre van szüksége a kapcsoláshoz ez pedig fele sincs a mágnestekerccsel létrehozható működtetési időnek. Ennek az előnynek a tökéletes kihasználására a Bosch a működtető elemet az injektor testébe integrálta. Az in-line injektor esetében a piezo-kristályok mozgása mechanikus elemek közvetítése nélkül, teljesen súrlódásmentesen hat a gyors kapcsolású fúvókatűre. Az eddig alkalmazott tekercses és hagyományos piezo elven működő befecskendező szelepekhez képest az előny a befecskendezett mennyiség pontosabb adagolása és a tüzelőanyag tökéletesebb elporlasztása az égéstérben. A nagy kapcsolási sebességnek köszönhetően csökkenthető az egyes befecskendezések közötti távolság, a befecskendezés lefutása pedig rendkívül rugalmasan alakítható. A dízelmotorok ezáltal csendesebbek, takarékosabbak, tisztábbak és erősebbek lehetnek. A befecskendezés során fel nem használt tüzelőanyagból keletkező visszafolyó mennyiség az inline injektorok esetében nagyon csekély. A Bosch mérnökei ebből kifolyólag tovább csökkenthették a nagynyomású szivattyú szállítási mennyiségét, így annak a teljesítményigényét is. A befecskendezési mennyiség és -kezdet nagyon csekély tűrési tartományának köszönhetően az injektor rendkívül pontosan adagolja a tüzelőanyagot. Ez az égés során alacsony károsanyag emisszióhoz vezet. Egy vagy két előbefecskendezéssel például kiküszöbölhető a hidegindítás után jelentkező fehér vagy kék füstölés,
3 az égési zajokkal egyetemben. Egy, közvetlenül a fő befecskendezést követő utóbefecskendezéssel csökkenthető a koromkibocsátás, további utóbefecskendezésekkel pedig elvégezhető a részecskeszűrő regenerálása (amennyiben van ilyen). A Bosch in-line piezo injektorral szerelt 3-dik generációs Common Rail rendszerének segítségével már a motoron belül akár 20 százalékkal csökkenthetők az emissziós értékek, a jelenleg piacon lévő mágneszelepes vezérlésű vagy hagyományos piezo technikával működtetett rendszerekhez viszonyítva. A Bosch a 2006-os évre egy további innovációs ugrást tervez a a Common Rail rendszerek területén. Ehhez már 2000 bar fölötti befecskendezési nyomásokkal és változó befecskendezési geometriájú injektorokat alkalmazó berendezésekkel végeznek kísérleteket. Továbbfejlesztés az adagoló-porlasztó egységek (Unit- Injector-System) területén A Bosch adagoló-porlasztó egységénél használt 2050 bar-os érték jelenleg a legmagasabb alkalmazott befecskendezési nyomás. Ezt a rendszert a személygépkocsik területén kizárólag a VW konszern számára állítják elő. A különösen magas befecskendezési nyomásoknak köszönhető többek között az alacsony részecske-emissziós érték. Éppen ennek köszönhetően teljesíthették egyes UIS-sel szerelt gépkocsik már jó ideje elsőként az EU4-es előírások károsanyag kibocsátásra vonatkozó határértékeit. 2005 első félévére tervezi a Bosch az UIS továbbfejlesztett változat sorozatgyártásának beindítását. Az úgynevezett koaxiális vario-fúvóka (Koaxial-Vario-Düse) alkalmazásával a motorok egyidőben lehetnek lényegesen csendesebbek és tisztábbak, a tervezhető motorteljesítmény pedig nagyobb lehet. A koaxiális vario-fúvóka az UIS-nél alkalmazott hagyományos fúvókától a befecskendező furatok számában, elrendezésében, átmérőjében és alakjában különbözik. A két, koaxiálisan elhelyezett fúvókatűt egy mágnesszelep vezérli, és két sorozat befecskendező furatot tud szabaddá tenni. Az első, kisebb átfolyó mennyiségű furatcsoport kisebb tüzelőanyag-mennyiséggel előkészíti a folyamatot, lehetővé téve a lágyabb égést és az alacsonyabb égési zajszintet, ezen kívül részterhelési tartományban jobb keverékképzést biztosít, lényegesen csökkentett emissziós értékekkel. Az eddig végzett mérések 25 és 40 százalék közötti csökkenést mutatnak a részecske-, és nitrogén-oxid kibocsátásban. Amikor a nagyobb átömlési keresztmetszetű második furatcsoport is bekapcsolódik, megnő a motor teljesítménye, anélkül, hogy a befecskendezési nyomást növelni kellene. Ideális esetben a vario-fúvóka alkalmazásával széles tartományban lehet kiküszöbölni az előbefecskendezés alkalmazását, ezáltal csökkenthető a részecske kibocsátás.
4 Kipufogógáz utánkezelés személygépkocsiknál A dízelmotorok további emissziócsökkentésénél a Bosch a motoron belüli megoldásokat helyezi előtérbe. Ennek megfelelően a tüzelőanyag tökéletesebb elégetése a lehető legnagyobb mértékben megakadályozza a károsanyagok keletkezését, ezenkívül csökkenti a fogyasztást is. Ezen a területen a gépjárműgyártók és beszállítóik már jelentős sikereket értek el: az 1600 és 1800 kilogramm (esetenként akár e fölötti) megengedett össztömegű gépkocsik az EU4 követelményeit kipufógógáz utánkezelés nélkül is teljesíteni tudják. A nehéz személygépkocsik kipufógógáz utánkezelés nélkül nem képesek kielégíteni az EU4 előírásait. A részecsekeszűrők és a nitrogén-oxid tárolókatalizátorok felügyeletét a Bosch EDC elektronikus dízelszabályzó rendszerei (Electronic Diesel Control) veszik át. Ekkor a befecskendezés rugalmasan illeszkedik a kipufógógáz utánkezelő rendszerek követelményeihez, például ennek megfelelően változtatja az EDC a befecskendezési időt, -mennyiséget és -lefutást. A motorba bevezetett, az égéshez szükséges levegő mennyiségét is az EDC határozza meg a kipufogógáz visszavezetés csappantyújának állításával, valamint a turbófeltöltővel létrehozott turbónyomás szabályzásával. A Bosch gyártmányú szenzorok tájékoztatják az EDC vezérlőegységet a kipufogógáz hőmérsékletéről, torlónyomásáról, illetve összetételéről. A motormenedzsment ezáltal nem csak a részecsekeszűrők és a nitrogén-oxid tárolókatalizátorok telítettségét tudja megfelelően kezelni, de az égés minőségét is javíthatja. Dízel részecskeszűrők Amennyiben a befecskendező rendszerek és a részecskeszűrők optimálisan vannak egymáshoz hangolva, az emissziós értékeken még tovább lehet finomítani. Ebből kifolyólag a Boschnál előreláthatólag 2005-től kezdődik meg a személygépkocsik dízel részecskeszűrőinek nagy sorozatú gyártása. A Bosch részecskeszűrői szinterezett fémből vannak és az eddigi kerámia megoldásokhoz képest lényegesen nagyobb az élettartamuk, mivel a különleges szerkezet megnöveli az additívekre és olajhamura vonatkozó tárolóképességüket. A szűrő úgy van kialakítva, hogy a kiszűrt részecskéket nagyon egyenletesen tudja tárolni, ezáltal a szűrő telítettségét az eddigi módszerekhez képest nagyobb biztonsággal lehet felismerni és a regenerálási folyamatot optimálisan vezérelni. A Bosch dízel részecskeszűrőjének élettartama a gépkocsi teljes élettartamára szól. Amennyiben a szűrő szilárd részecske tároló képessége kimerült, úgy a felületen megkötött részecskéket el-
5 égetés útján, a forró kipufogógázok segítségével kell regenerálni. Az ehhez szükséges forró kipufogógázok előállításához az EDC megváltoztatja a motorba vezetett légtömeget, tüzelőanyag mennyiséget, valamint a befecskendezési időpontot. Ezen kívül az oxidációs katalizátorba a kipufogó ütemben végzett utóbefecskendezés segítségével el nem égett tüzelőanyagot is lehet juttatni. Az ekkor befecskendezett tüzelőanyag már a katalizátorban ég el, és ott tovább emeli a kipufogógáz hőmérsékletét. Az égéstéren keresztül végzett motorikus utóbefecskendezésen kívül fejlesztik a kipufogócsőbe végzett közvetlen tüzelőanyag befecskendezésen alapuló eljárást is. Egyre gyakrabban beszédtéma a dízelgépkocsik utólagos felszerelése részecskeszűrőkkel. Ez a megoldás komoly műszaki problémákat vet fel, mivel a motort is illeszteni kellene a megváltoztatott kifupogórendszerhez, valamint a vezérlőegységet és a szoftvert is jelentős mértékben kellene módosítani. Kipufogógáz utánkezelés haszongépjárműveknél A haszongépjárművek már az optimalizált befecskendező rendszerekkel, korszerű égetési eljárásokkal és a feltöltő levegő visszahűtésével is képesek teljesíteni a jelenleg hatályos EU3-as határértékeket. Ahhoz, hogy az EU4-es értékeknél is kisebb emissziójuk lehessen, két lehetőség közül lehet választani: az egyik a kipufogógáz visszavezetése, szükség esetén egy részecskeszűrővel kiegészítve, vagy az SRC katalizátor alkalmazása (Selective Catalytic Reduction = szelektív katalitikus redukció). A 2008-as évben hatályba lépő EU5 számára az SRC lesz az általánosan elterjedt megoldás, szükség esetén egy részecskeszűrővel kiegészítve. Az SRC katalizátorok számára a Bosch Denoxtronic néven fejlesztett ki egy adagoló készüléket. Az SRC eljárás esetében a kipufogógázban található nitrogénoxidok ammóniával reagálva vízzé és nitrogénné alakulnak. A reakcióhoz szükséges ammónia hidrolízis útján jön létre, a közvetlenül a kipufogórendszerbe fecskendezett AdBlue redukálószerből (ez utóbbi karbamid vizes oldata). A Bosch Denoxtronic rendszere méri a katalizátor mindenkori üzemi állapotához szükséges AdBlue mennyiségét. A rendszer 2004-ben kerül először szériaautókba. Az SRC katalizátorral megvalósított motorkoncepció pontosan 85 százalékkal képes csökkenteni a haszongépjárművel nitrogén-oxid kibocsátását, emellett lehetségessé válik a befecskendezéskezdet 5 fokkal való eltolása a korai irányba, ami a fogyasztást 5 százalékkal csökkenti. Oxidációs katalizátor egyidejű használatával a részecskekibocsátás még további 30 százalékkal csökkenthető az SRC katalizátor alkalmazása esetén tehát a környezetvédelem még gazdaságos is, mivel a ki-
6 pufogógáz utánkezelő rendszer miatt kifizetett felár a használat során rövid idő alatt megtérül. A dízelrendszerek piacának alakulása A Bosch cég, a csupán 0.8 literes Smart motortól a pontosan 1700 literes lökettérfogatú hajómotorokig közel minden létező dízelmotorhoz képes a megfelelő befecskendező rendszer előállítására. A 2002-es év során a Bosch világszerte közel 9,5 millió dízelbefecskendező rendszert szállított partnereinek. A nyomástároló elven működő Common Rail ebből 42 százalékkal részesedett, az UIS és az UPS (adagoló porlasztó egység) 15 százalékkal. A soros- és az elosztórendszerű adagolók az összes szállítás 43 százalékát jelentették. Középtávon részarányuk 20 százalékra fog lecsökkenni, a hagyományos dízelrendszerek azonban nem tűnnek el teljesen a palettáról. A kevésbé szigorú emissziós határértéket előíró országokban, illetve a különleges alkalmazások területén, mint például az építőipari gépek, illetve az áramfejlesztők, ezek a robosztus felépítésű berendezések még sokáig megőrzi létjogosultságukat. A Common Rail részaránya ugyanakkor középtávon 60 százalékra, az UIS/UPS-é pedig 20 százalékra növekszik. Ez olyan változási irány, amelyet a Bosch még inkább siettetni fog a 3-dik generációs Common Rail kifejlesztéséhez hasonló innovációkkal.