KORSZERÛ ENERGETIKAI BERENDEZÉSEK 4.6 4.9 Környezetkímélő személyautó a clean-engine-vehicle projekt Tárgyszavak: gázautó; emisszió; környezetkímélő technika; személygépkocsi. A földgázzal vagy tisztított biogázzal (azaz metánnal) hajtott korszerű járművek a benzin- vagy dízelhajtásúaknál lényegesen kevesebb, vagy alig mérhető mennyiségű káros anyagot bocsátanak ki. A kipufogógázokban kibocsátott szénhidrogének ózonképző hatása és a savképző összetevők koncentrációja kicsi, a benzol és hasonló rákkeltő anyagok gyakorlatilag nem mérhetőek, hasonlóan a kibocsátott szilárd részecskék koncentrációja is a külső levegőéhez hasonló. A legnagyobb jelentőségű a CO 2 -emisszió csökkentése. Ennek fő oka a földgáz benzinhez viszonyított kisebb széntartalma, a földgázzal és benzinnel is közlekedő bivalens gépkocsi kereken 20%-kal, a tisztán földgáz-hajtású, monovalens jármű kb. 30%-kal kevesebb széndioxidot bocsát ki a hagyományosaknál. A különbség az utóbbi esetben a metán kopogásmentességének is köszönhető, ami megengedi a hatásfoknövelő optimálást. A mérleg tovább javítható a földgáz dúsításával pl. komposztból előállított metánnal. A clean-engine-vehicle projekt A svájci irányítású, de nemzetközi clean-engine-vehicle (CEV) projekt keretében elkészült egy sorozatgyártásra alkalmas, a földgázhajtás emisszió-csökkentési lehetőségeit bemutató tiszta motorral hajtott jármű. Sorozatgyártású Volkswagen Polo autóból indultak ki; az optimális üzemmód elérésére számos átalakítást végeztek el: a benzinmotor átépítése monovalens földgázmotorrá, a sűrítési arány és a kipufogógáz-kezelés optimálása, méretcsökkentés turbófeltöltéssel és a sebességváltó módosításával.
A fő cél pedig a CO 2 -kibocsátás legalább 30%-os csökkentése volt a hivatalos európai közlekedési próbaciklusban egy hasonló benzinmotoros járműéhez képest, az egyéb kipufogógázokra vonatkozó legszigorúbb európai (Euro-4) és amerikai (SULEV, super ultra low emission vehicle) határértékek betartása mellett. A nagyszabású projekt együttműködő partnerei: a dübendorfi Empa, Zürichi Műszaki Egyetem (ETH) Volkswagen, Bosch, Corning, Engelhard. Anyagilag támogatták a kutatást: a svájci Szövetségi Energiahivatal (BFE), a svájci Gázipari Kutatási Alap (FOGA), a Német Gáz- és Vízügyi Egyesülés (DVGW), valamint az Osztrák Gáz- és Vízügyi Egyesülés (ÖVGW). A kompresszióarány növelése A kopogásálló földgáz fokozott sűríthetősége a motor sűrítési ütemében nagyobb nyomást és magasabb hőmérsékletet, tágulási ütemében a gáz erős tágulásánál fogva alacsonyabb kipufogógáz-hőmérsékletet enged meg, és e két hatás következtében javul a termikus hatásfok és megnő a motorteljesítmény. Még a kompressziós aránynak a szimulációs modell alapján számított optimálása előtt az égés, a fogyasztás és a kipufogógázok elemzésével néhány fontos üzemi pontban meghatározták a kipufogógáz visszavezetési arányának, a gyújtás szögének, a fordulatszámnak és a terhelésnek a befolyását a földgázüzemre átépítendő, eredetileg 10,7-es kompreszszióarányú motorban végbemenő égésre. Ezek után főleg a henger belsejében végzett nyomásmérésekre alapozva kidolgozták a belsőégésű motor működésének számítógépes modelljét, majd összevetették azt a kísérleti adatokkal különböző terhelések és fordulatszámok mellett. Ennek a modellnek a segítségével határozták meg a földgázmotorra optimumként a 13,5-os kompresszióarányt. Nagyobb sűrítésnél az égéstér szabálytalan formát vesz fel, és emiatt
aránytalanul nagy a hőveszteség a falon át, valamint a láng terjedése is lassul. A szimulációs modell alapján a sűrítés e növelése révén az eredetihez képest 2,5%-os üzemanyag-megtakarítás is adódik. Méretcsökkentés Kisebb, de turbófeltöltéses motorral részterhelésnél a motorteljesítmény korlátozása nélkül csökkenhet a fogyasztás, a feltöltésnek pedig kedvez a földgáz kopogásmentessége. A benzin mint folyadék térfogatilag kompaktabb befecskendezésével szemben a gáz halmazállapotú földgázt beszívó motor teljesítménye szükségszerűen 10 15%-kal kisebb (kevesebb a betáplálás), ezt viszont turbófeltöltéssel nemcsak ki lehet egyenlíteni, hanem még teljesítménynövelést is el lehet érni. A CEV-projekt kiindulási alapjaként szolgáló egyliteres benzinmotoros autónak 80 km/h-nál az ötödik sebességben még 58 Nm forgatónyomatéktartalékja volt, amely azonban az átépítés után lecsökkent 49 Nm-re (1. ábra). A feltöltetlen földgázmotort az 1,4 literes szériához tartozó hosszabb áttételű sebességváltóval kombinálva 39 Nm-re csökkenne a tartalék forgatónyomaték. Ezzel a járművel kétségtelenül sok üzemanyagot lehetne megtakarítani, de ötödik sebességnél nem volna mód 80 km/h fölé gyorsítani. A projekt során az egyliteres motor névleges nyomatékát a turbófeltöltés alkalmazásával az 1,4 literes modell nyomatékszintjére növelték, így az ahhoz tartozó sebességváltó használatával 80 Nm nyomatéktartalék adódott a szimuláció szerint. A turbófeltöltés alkalmazásával az egész motorkarakterisztika is a benzinüzemű 1,4 literes szériamodell karakterisztikájához vált hasonlóvá. Motorvezérlés Ahhoz, hogy a részterheléses tartományban ne váljék szükségessé feltöltéskor a levegőbeszívás erősebb lefojtása, kifejlesztettek és beépítettek a motorvezérlésbe egy a töltőnyomást szabályozó rendszert. Ebben a kipufogószelepet lefojtott üzemben nyitva kell tartani, és csak majdnem nyitott fojtószelepnél (nagy terhelés) kell zárni. Ezzel érhető el, hogy szükség esetén nagy motorteljesítmény áll rendelkezésre, a gyakorlatban igen fontos részterheléses üzem fogyasztásának romlása nélkül. A motorvezérlés fő feladata beállítani a motornak a vezető által választott állapotát. Ehhez a gázpedál helyzetéből a motor megkívánt forgatónyomatékának megfelelő jelet kell képezni. A motorvezérlés a fojtószelep útján gondoskodik a kellő levegőmennyiségről, és kiszámítja a sztöchiometrikus égéshez szükséges földgázbefúvás mennyiségét.
teljes terhelésű forgatónyomaték-göbék forgatónyomaték, Nm 120 100 80 60 40 20 0 1,0 l-es benzinmotor 1,0 l-es gázmotor, feltöltés nélkül 1,0 l-es, feltöltött és új hajtóművel ellátott gázmotor forgatónyomatéktartalékkal, 87 Nm 1,0 l-es feltöltés nélküli, az eredeti hajtóművel rendelkező gázmotor 1,0 l-es földgázmotor, feltöltve közlekedési görbe, 80 km/h 1000 2000 3000 4000 5000 fordulatszám, 1/min 1. ábra Forgatónyomaték-tartalék feltöltetlen benzin- és földgázüzem, valamint turbófeltöltéses földgázüzem esetén A motorvezérlésben olyan dinamikus folyamatokat is szimulálnak, mint a szívócső nyomásának változásai vagy az oxigéntárolás a katalizátorban. Az ezeket leíró szabályozási modellek felhasználásával a motorban lezajló tranziens folyamatok jobban kézben tarthatóak, és ezek során is csökkenthető a káros anyagok kibocsátása. A Bosch gyártmányú széria motorvezérlésbe a modell alapján integrálták a gázüzem imént vázolt többletfeladatait, valamint inaktiválták benne a csak a benzinüzemhez szükséges részfunkciókat (a benzinpárolgás figyelembevétele, hidegindításkor a hengerfalon való filmképződés modellezése stb.). Az így elkészült üzemképes motorvezérlést motorpróbapadon optimálták a kibocsátások, az üzemanyag-fogyasztás és a motorteljesítmény szempontjából. Kipufogógáz-utókezelés Az eredeti benzinmotoros jármű közvetlenül a motor után egy kis fémhordozós előkatalizátorral és egy padló alatti főkatalizátorral volt ellátva. Ezek közül a sorozatgyártású előkatalizátort a projektben új, na-
gyobb cellasűrűségű, vékonyabb falú és több nemesfémet tartalmazó kerámiaváltozatra kellett kicserélni. A kétféle üzemanyag égéstermékei között elég nagyok az eltérések: a földgázmotorból kevesebb nyers CO-, NMHC- és NO x - de lényegesen több CH 4 (metán-) emisszió származik, mint a benzinmotoros járművekből. A stabil metánmolekula katalitikus lebontása magas hőmérsékletet igényel. A katalizátorokkal szemben a földgázüzem tehát jelentősen eltérő követelményeket támaszt, főként az oxigéntárolási képességek, a lambda-hatás és az égéstermék útja mentén való elhelyezés szempontjából. Eredmények Az előkatalizátort turbófeltöltő nélküli motor esetén a motorhoz közelebb lehetett felszerelni, mint feltöltve. Emellett a turbofeltöltő a kipufogógázból hőt von el, így ez már nem használható fel a katalizátor felmelegítésére. Mindezek miatt a kipufogógáz hőmérséklete az előkatalizátor előtt mérve turbófeltöltés esetén melegüzemben még teljesen nyitott kipufogószelep mellett is lényegesen lassabban emelkedik, mint feltöltetlen motor esetén. A 300 o C-os hőmérséklet elérése feltöltés nélkül 12 másodpercig tartott, feltöltéssel viszont kereken 30 másodperccel tovább. A teljes 10 perces európai szabvány közlekedési ciklus alatt ez a hőmérséklet turbófeltöltés esetén 50 100 o C-kal alacsonyabb volt, mint feltöltés nélkül. Ilyen üzemi körülmények között a metán átalakulása csak jól összehangolt motorvezérlés és katalizátorkialakítás mellett lehet kellő hatásfokú. Ez a hatásfok nagy mértékben függ a kipufogógáz hőmérsékletétől. A földgázmotor szénhidrogén-kibocsátása lényegesen kevesebb a benzinmotorénál. A 10 perces európai közlekedési ciklusban az emiszszió 75%-a az első 200 s alatt lezajlik, és csak a maradék oszlik el a ciklus hátralevő részében. A nyers NO x -emisszió lévén a motorterhelés függvénye elsősorban gyorsulás és nagy sebességű haladás közben válik jelentőssé. A CEV-projekt azonban ennek a kibocsátásnak a nagy részét megszüntette, azaz az említett ciklus indító másodperceire redukálta. A CO 2 -emisszió 31%-os csökkenéséből 21,6% származik a földgáznak a benzinénél sokkal kisebb széntartalmából (2. ábra). A motoron a kizárólagos földgázüzemre való átállításkor a gyújtás idejének kellő megváltoztatásán kívül más változtatásokat nem végrehajtva a motortel-
jesítmény kb. 16%-kal csökkent. Ezt azonban látványosan túlkompenzálták a fejlesztők kreatív beavatkozásai: 180 90 CO 2 -kibocsátás, g/km 160 140 120 100 80 60 148,6-21,6% 37-16,2% 116,5 31-2,7% +6,5% CO2-kibocsátás teljesítmény 113,4 109,5-3,4% 44 33 +33,3% CO 2 : -31% 159 44 40 20 0 benzin üzemű alapmotor földgázmotor változtatás nélkül földgázmotor, erősebb kompresszióval földgázmotor, méretcsökkentéssel benzin teljesítmény: +20% 80 70 60 50 40 30 motorteljesítmény, kw 20 10 0 2. ábra A CEV-projekt eredményeinek összehasonlítása 1,4 l-es motorral felszerelt benzinüzemű járművel a kompresszióarány növelése további 2,7%-kal csökkentette a CO 2 -kibocsátást és a motorteljesítményt 6,5%-kal megnövelte az eredeti kompresszióaránynak megfelelőhöz képest, a turbófeltöltés (a sebességváltó módosításával) a CO 2 -emisszió újabb 3,4%-os csökkentését és a teljesítmény 33,3%-os növekedését eredményezte a nem feltöltött földgázmotoréhoz képest, végeredményben a CEV-prototípus gépkocsi monovalens földgázmotorjának teljesítménye 20%-kal múlja felül az eredeti 1,0 l- es benzinmotorét.
A turbófeltöltéses földgázautó CO 2 -kibocsátása 31%-kal kisebb, mint az 1,4 l-es benzinmotorral felszerelt Polóé. Ezt az előnyt a kibocsátott metán üvegházhatása az IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) előírásai szerint 100 éves időtartamra figyelembe véve kissé lerontja, de a korrigált CO 2 -kibocsátás így is 30%-kal csökken. A benzinmotorokkal összehasonlítva a többi káros kibocsátást is sikerült a hatósági határértékek alá csökkenteni (1. táblázat). 1. táblázat Földgáz- és benzinüzemű járművek kipufogógáz-kibocsátásai európai (NEFZ) és az amerikai (FTP-75) közlekedési ciklusban, g/km NEFZ CO T.HC 1) NMHC 2) NO x Benzin Földgáz, G20 Földgáz, G25 Európai határérték Euro-4 0,12 0,14 0,15 1,0 0,07 0,10 0,09 0,10 0,05 0,00 0,01 0,06 0,00 0,00 0,08 FTP75 CO T.HC 1) NMHC 2) NO x Benzin Földgáz, kaliforniai Amerikai határérték SULEV 0,114 0,081 0,62 0,028 0,047 0,020 0,004 0,006 0,064 0,001 0,012 1) szénhidrogének (metánnal együtt) 2) nem metán szénhidrogének Összességében elmondható tehát, hogy a gázüzemre a konstrukció alkalmas módosításával átépített kisautó jelentősen kevesebb káros anyagot bocsát ki, mint az ugyanakkora teljesítményű benzin- vagy dízeljárművek, és megfelel a legszigorúbb európai és USA-beli környezetvédelmi előírásoknak is. Összeállította: Dr. Boros Tiborné [1] Bach, Ch.; Lammle, Ch.: Das Clean-Engine Vehicle Projekt. = GWA Gas Wasser Abwasser, 84. k. 6. sz. 2004. p. 411 417. [2] Leonhard, T.: Keramische Hochleistungsträger für PKW-Abgaskatalysatoren. = MTZ Motortechnische Zeitschrift, 43. k. 5. sz. 2003.