Možnoti reševanja problemov onesnaževanja okolja z izpušnimi plini cestnih vozil

1. Možnoti reševanja problemov onesnaževanja okolja z izpušnimi plini cestnih vozil Pripravil: Prof.dr. Ferdinand Trenc

2. UVOD • Razvoj bencinskihih (otto) in dizelskih motorjev v avtomobilski industriji je usmerjen k čim varčnejšim in ekološko čistejšim motorjem.Velik vpliv na specifično porabo in na emisijo škodljivih plinov ( CO, NOX...) ima način dovoda goriva v valj in parametri samega zgorevanja in kontrola le teh. • V tem pregledu bodo podrobno predstavljeni novejši sistemi za bencinske motorje (GDI-mitsubishi in FSI-volkswagen) in diezelske motorje (sistem skupnega voda in sistem tlačilka-šoba) • Najprej si bomo pogledali nekaj lastnosti alternativnih goriv – npr. biodizla in jih primerjali s konvencionalnim dizelskim gorivom. Hiter pregled nakazuje nekaj prednosti, ki so zanimive predvsem s stališča okoljske primernosti oziroma možnosti zmanjšanja količine škodljivih emisij v izpušnih plinih motorjev.

3. Kratek pregled alternativnih goriv za motorje cestnih vozil Za ottove motorje (s prisilnim vžigom): • - Netradicionalni bencin (RFG); pridobivamo ga iz nafte • - utekočinjen naftni plin (LPG); pridobivamo ga iz nafte ali zemeljskega plina; je zmes butana in propana; ima visoko oktansko število; uporaben kot drugo gorivo poleg bencina • - stisnjeni zemeljski plin (CNG); in utekočinjeni zemeljski plin (LNG); za ptravilno delovanje motorja so potrebne predelave motorja • - metanol (MeOH); pridobivamo ga iz zemeljskega plina; zmanjšuje emisije NOx, in CO2 ; zaradi agresivnosti zahteva uporabo posebnih maziv. • - Etanol (EtOH); pridobivamo ga iz biomase (sladkorni trs, koruza..) Za motorje s samovžigom (dizelske): • Netradicionalno – predelano dizelsko gorivo d2 (RFD); vsebuje le 0.01% žvepla • Dimetil-eter (DME); pridobivamo iz zemeljskega plina, omogoča nizke emisije NOx, saj in hrupa; ima visoko cetansko število; zahteva dodatke za mazanje tlačilk • Biodizelsko gorivo (BD); pridobivamo ga iz oljne repice, soje...; priporoča se mešanje z D2; ima visoko0 CŠ, zmanjšuje emisijo saj, v povprečju zvišuje emisije NOx

4. Primerjava fizikalnih in kemijskih lastnosti biodizelskega in D2 goriva

5. Kratki zaključki primerjav vpliva uporabe čistega biodizla in dizelskega goriva D2 na moč, specifično porabo in škodljive emisije v izpušnih plinov pri uporabi na istem dizelskem motorju za pogon gospodarskih cestnih vozil • Moč motorja je pri enaki nastavitvi (polnem plinu) goriva v celotnem področju vrtljajev motorja za do približno 5% nižja za motor na biodizel v primerjavi z močjo, ki jo dosegamo z D2. Vzrok je v 12,5% nižji kurilnosti biodizla, katere vpliv pa nekoliko ublaži večja gostota in večja prostornina vbrizganega goriva. Specifična poraba goriva je pri uporabi biodizla za malenkost nižja oziroma praktično enaka porabi pri motorju na D2. • V smislu primerjav emisij škodljivih snovi v izpušnih plinih bomo primerjali ustrezne vrednosti specifičnih emisij (torej mase emisij na enoto razvite moči in uro) pri polni obremenitvi motorja. Najprej lahko ugotovimo, da motor potrebuje za enako kakovost zgorevanja manj zraka – to je posledica kemijske sestave goriva, predvsem vsebnosti kisika v biodizlu. 10% delež O2 znižuje primanjkljaj kisika v območjih ki so bogata z gorivom; neposredno se znižajo specifične emisije CO, CH zmanjša se tvorba saj in pospeši proces oksidacije pri vseh režimih delovanja motorja. Opazno je bistveno zmanjšanje – tudi do 80 % emisije saj. Pričakovali bi povečanje emisij NOx, kar pa se ne zgodi. Zakasnitev vžiga je za biodizel manjša, s tem pa tudi vpliv prve faze zgorevanja homogene zmesi goriva z velikim presežkom zraka, pri kateri nastane največji delež emisij NOx manjši. Emisije NOx so na polni obremenitvi motorja za biodizel nekoliko nižje, pri delnih obremenitvah motorja (pri enaki količini goriva), pa so specifične emisije NOx za biodizel višje od ustreznih emisij pri uporabi dizelskega goriva.

6. Časovni razvoj dovoda goriva v valj pri bencinskih motorjih • Do 80-ih let prejšnega tisočletja je bil dovod goriva v valj preko uplinjalnika • Od 80-ih let naprej se je uveljavil nizkotlačni vbrizg goriva v sesalno cev (največkrat MPI – multi point injection ali večtočkovni vbrizg bencina). • V zadnjih letih pa se uveljavlja direkni vbrizg goriva neposredno v valj motorja (tlaki do 100 barov). Slika 1 : razvoj sistema za dobavo bencina

7. 2.Mitsubishi GDI sistem (Gasoline Direct Injection Engine ) • 2.1 Tehnične značilnosti (novosti) : - Navpični vstopni kanal zraka v valj za optimalno kroženje zraka - Zaobljeni vrh bata preusmeri tok zraka v zaželeno smer in služi kontroliranemu dovodu sorazmerno bogate gorivne zmesi k vžigalni svečki.

9. Zaobljeni vrh bata za boljše zgorevanje Zaobljeni vrh bata nadzira tok zraka in način mešanja zraka z gorivom v zgorevalni komori (valj).Ima odločilno vlogo pri mešalnem razmerju zrak - gorivo v varčnem režimu delovanja.Gorivo ki je vbrizgano pozno v kompresijskem taktu usmeri proti vžigalni svečki predno se le to razprši in tako omogoči zanesljiv vžig lokalno bogate zmesi (plastna priprava zmesi).

10. 2.2 Visokotlačna črpalka goriva za dobavo goriva vbrizgalnim šobam Visokotlačna tlačilka goriva skrbi za tlak goriva 50 bar pri vtoku v vbrizgalne šobe.Ta je za približno 15 krat višji kot je pri dosedanjih bencinskih motorjih z vbrizgavanjem goriva v sesalno cev ( cca 3 bar).

11. Visokotlačne vbrizgovalne šobe zagotavljajo optimalno razprševanje goriva ki ustreza trenutnemu režimu obratovanja motorja.Istočasno zagotavljajo tudi spremenljivo vendar različno vrtinčno gibanje razpršenega goriva ki omogoči ustrezno razpršitev in porazdelitev goriva kljub relativno nizkemu tlaku goriva (50 bar) 2.3 Visokotlačne vbrizgovalne šobe s prilagojeno geometrijo curka za optimalno pripravo zmesi goriva in zraka

13. 2.4 Delovanje motorja . Za GDI motor lahko rečemo, da sta to dva motorja v enem,saj deluje na dva zelo različna načina glede na trenutni režim oziroma glede na obremenitev motorja. Pri manjši obremenitvi motorja in v prostem teku motor deluje v ,,varčnem režimu,, (sparmodus). Pri večji obremenitvi pa deluje motor v ,,režimu večjih obremenitev,, (Leistungsmodus)

14. A ,,Režim večjih obremenitev GDI motorja,, • Svež zrak priteka skozi navpični sesalni kanal v valj. Gorivo se vbrizga že v času polnilnega takta.Uparjanje goriva v topli zrak povzroči hladilni učinek (uparjalna toplota se porablja za hlajnje vsebine valja), niža temperaturo stisnjene zmesi na koncu kompresijskega takta in poboljša volumetrični izkoristek. V kompresijskem taktu potiska bat homogeno zmes uparjenega goriva in zraka proti vžigalni svečki,kjer pride do vžiga.V tem režimu delovanja nam da GDI motor (zaradi ppovečanja mase polnitve in boljšega volumetričnega izkoristka) do 10% več moči in navora v primerjavi z običajnim motorjem z enako delovno prostornino.

15. B Varčni režim delovanja GDI motorja (Sparmodus) • Gorivo se vbrizga v vdolbino bata šele proti koncu kompresijskega takta.Oblika bata, oblika curka goriva in pozen vbrizg poskrbita da se lokalno precej bogata gorivna zmes ob preskoku iskre vžge kljub v povprečju zelo revni celotni gorivni zmesi: razmerje gorivo-zrak znaša 1:40 in tako v povprečju zmes ni vnetljiva.

17. Homogeno polnjenje valja ( režim velikih obremenitev ) Slojno polnjenje – varčni režim

18. 2.5 Prednosti GDI motorja v primerjavi z MPI motorjem 2.5.1 Primerjava podatkov obeh motorjev:

19. 2.5.2 Zgorevanje zelo revne gorivne zmesi zraka in goriva Pri standardnih MPI motorjih smo omejeni z mejno vrednostjo siromašne zmesi, če se želimo izogniti nepopolnemu zgorevanju. Pri GDI motorjih pa lahko zaradi slojne priprave zmesi, ustrezne oblike bata in poznega vbrizga goriva razmerje gorivo/zrak spustimo na vrednost 1:40, kar je manj kot pri prostem teku motorja, kjer je zgorevanje manj popolno.

20. 2.6 Poraba goriva 2.6.1 poraba goriva med prostim tekom V primerjavi z MPI porabi GDI motor v prostem teku do 40% manj goriva 2.6.2 Poraba goriva pri konstantni hitrosti Pri 40 km/h je poraba GDI motorja za 35% manjša od primerljivega MPI motorja

21. 2.6.3 Poraba goriva v mestu Glede na test narejen na Japonskem (10-E15 povprečna mestna vožnja po japonskih normativih),porabi GDI motor 35% manj goriva kot primerljiv MPI motor.Po teh rezultatih naj bi bila poraba celo manjša kot pri diezelskem primerljivem motorju.

22. 2.7 Kontrola izpuha Prvotni problem NOx-ov pri zgorevanju zelo puste mešanice goriva in zraka so pri GDI motorjih rešili z uporabo višjega razmerja EGR (Exhaust Gas Ratio) ki znaša 30% in je dovoljen pri stabilnem zgorevanju značilnem za GDI motorje. To skupaj z novo razvitim NOx katalizatorjem je uspelo NOx zmanjšati za 97%

23. 2.8 Moč in navor Zasluga za povečano moč GDI motorjev glede na primerljive MPI motorje je večje kompresijsko razmerje ki ga dosežejo GDI motorji in boljši izkoristek polnitve s svežim zrakom ki izboljša volumetrični izkoristek. 2.8.1 Izboljšan volumetrični izkoristek Raven navpičen vhodni kanal zraka omogoča mirnejši dotok zraka v valj. To in pa vbrizg goriva direktno v valj,ki povzroči ohladitev zraka je vzrok za boljši volumski izkoristek

24. 2.8.2 Povečano kompresijsko razmerje Ohladitev zraka v valju zaradi uparjanja vbrizganega goriva zmanjšuje možnost klenkanja in to posredno dovoljuje višje kompresijsko razmerje do 12. 55.2 2.8.3 Moč in navor Moč in navor se pri GDI motorju povečata do 10% glede na primerljiv MPI motor.

25. 3. Folkswagen 2.0 FSI motor 3.1 Tehnične značilnosti • Enobatna visokotlačna tlačilka • Preklopna sesalna cev iz umetnih mas • z nastavljivim pretokom zraka • Vodno hlajen ventil povratnih izpušnih plinov • Dve odmične gredi z zvezno nastavljivostjo. • Izravnalna protivibracijska gred v karterju.

26. TDI med bencinskimi motorjiVolkswagnovi tehniki so si zastavili cilj, da bodo razvili bencinski motor, ki ga bosta odlikovala večja moč in večji navor kot predhodne bencinske motorje, hkrati pa bo tudi občutno varčnejši. Odgovor na ti navidezno protislovni zahtevi se imenuje FSI, kar je kratica za Fuel Straitified Injection (slojevito polnjenje valjev z direktnim vbrizgavanjem bencina). Zmes goriva in zraka, ki ne gori.Bistvo tehnologije FSI je tehnika slojevitega polnjenja valjev. Vedno kadar motor ne deluje pod polno obremenitvijo, se v zgorevalnem prostoru tvori izjemno revna zmes z malo bencina in veliko količino zraka. Ker pa tako revna zmes ni gorljiva, so Volkswagnovi inženirji uporabili trik – z bencinom se zmeša le del vsesanega zraka.

27. Gorljiva zmes se dovede neposredno pod vžigalno svečko, preostali zrak pa tvori sloj okrog te zmesi in ima nalogo toplotnega izolatorja. Tehnika slojevitega polnjenja valjev zahteva izboljšan sistem vbrizgavanja in posebno obliko dna bata, ki zagotavlja pravilno vrtinčenje zmesi bencina in zraka. Tako je poraba goriva v primerjavi s predhodnim sistemom vbrizgavanja bencina v sesalno cev tudi za 15 % manjša. V prostem teku se lahko zmanjša celo za 40 %.

29. Ko FSI-motor deluje pod polno obremenitvijo (na primer pri pospeševanju, pri katerem voznik močneje pritisne na pedal za plin), krmilnik motorja preklopi na homogeno polnjenje valjev. FSI-motor v tem primeru deluje podobno kot običajni bencinski motor, kljub temu pa je njegov navor pri tem načinu delovanja za okrog 5 % večji kot pri primerljivem bencinskem motorju.

31. 3.2 Načini delovanja Glede na položaja pedala za plin,obremenitve motorja in ostale parametre motorna elektronika izbere optimalni režim delovanja. Motor 2.0 FSI ima 4 glavne režime : • Delovanje s slojevito revno zmesjo z povratnimi izpušnimi plini • (AGR- Abgasruckfurung) • Homogen delovanje z revno zmesjo brez AGR • Homogeno delovanje z Lambda = 1 in z AGR • - Homogeno z Lambda = 1 in brez AGR

32. 3.2.1 Delovanje s slojevitim polnjenjem Vbrizgavanje, geometrija zgorevalnega prostora in notranje vrtinčenje morajo biti med seboj optimalno uglašeni, če hočemo omogočiti delovanje s slojevitim polnjemjem.Poleg tega morajo biti zagotovljeni še naslednji pogoji : • -Motor se mora nahajati v ustreznem območju • obremenitve in vrtljajev • - Ne sme priti do napake (odstopanja) v sistemu • v zvezi z izpušnimi plini • Hladilna tekočina mora imeti preko 50 0C • Temperatura NOx – shranilnega katalizatorja • mora biti med 250 0C in 500 0C • - Loputa sesalne cevi mora biti zaprta V tem načinu delovanja loputa sesalne cevi zapre spodnji del sesalnega kanala.Zato potuje zrak skozi zgornji del sesalnega kanala in pravilno polni val.

33. Vhodni vrtinčni tok zraka se v vdolbini (muldi) bata obrne navzgor in ojača zaradi poti bata navzgor. V kompresijskem taktu pride do vbrizga goriva tik pred trenutkom vžiga.Gorivo se vbrizga v zračni vrtinec v valju pod tlakom 40 – 110 bar Zračni tok (vrtinec ) prenese zmes goriva in zraka do vžigalne svečke.

34. Zaradi skoraj vodoravnega kota vbrizga gorivna zmes praktično ne pride v stik z površino bata.Tukaj govorimo o delovanju na takoimenovano revno zmes (zrak in goriva) oziroma varčni režim. Pri zgorevanju se ob stenah nahaja plast čistega zraka, ki deluje kot izolator.To zmanjša odvod toplote skozi stene in s tem poveča stopnjo učinkovitosti.

35. 3.2.2 Homogeno polnjenje – delovanje pri večji obremenitvi Pri homogenem polnjenju se loputa sesalne cevi odpre in omogoči optimalen tok zraka v valj. S tem dosežemo manjšo porabo goriva in zmanjšamo emisijo škodljivih plinov. V tem načinu delovanja se gorivo ubrizga že med sesalnim taktom in ne v kompresijskem taktu kot pri delovanju s slojevitim polnjenjem

36. Z vbrizgavanjem goriva v sesalnem taktu ima zmes goriva in zraka dovolj časa da se do vžiga optimalno premeša (homogena zmes) Zgorevanje poteka po celotnem zgorevalnem prostoru brez izolacijske plasti čistega zraka ob stenah. Prednost pri homogenem polnjenju nastane zaradi direktnega vbrizgavanja goriva. Pri tem pride zaradi uparjanja goriva do ohladitve polnilne zmesi v valju. To zmanjša možnost klenkanja in zato dovoljuje uporabo večjega kompresijskega razmerja, kar poveča izkoristek.

37. 3.2.4 Shema delovanja sistema

38. 4. Volkswagen 1.6 FSI motor K dosedanjim načinom delovanja FSI motorjev ima ta motor še dva dodatna režima delovanja.Gre za dvojni vbrizg pri potrebi segrevanja katalizatorja in za dvojni vbrizg goriva pri polni obremenitvi. Pri prvem gre za hitrejše segrevanje prehladnega katalizatorja , pri drugem pa se poveča navor pri nižjih vrtljajih motorja. 4.1 Dvojni ubrizg – segrevanje katalizatorja Prvi ubrizg Do prvega vbrizga pride približno 3000 glavne gredi pred ZMT (zgornja mrtva točka gredi) med sesalnim taktom. S tem dosežemo enakomerno porazdeliten zmesi goriva in zraka.

39. Drugi ubrizg Do druega, tokrat manjšega vbrizga goriva pride v kompresijskem taktu približno 600 pred ZMT. Ta zmes zgori zelo pozno in dvigne temperaturo izpušnih plinov. Toplejši izpušni plini hitreje segrejejo katalizator na delovno temperaturo. S tem hitreje dosežemo manjšo emisijo škodljivih izpušnih plinov.

40. 4.2 Dvojni vbrizg – polna obremenitev Pri FSI motorjih pride pri vrtljajih do 3000 /min in polni obremenitvi do nezaželjene neenakomerne porazdelitve zmesi goriva in zraka.To preprečimo z dvojnim vbrizgom in hkrati povečamo navor za 1 – 3 Nm. Prvi vbrizg Zopet pride do prvega ubrizga približno 300 0 Pred ZMT med sesalnim taktom.Pri tem se vbrizga približno 2/3 skupne količine goriva. Drugi vbrizg Preostala 1/3 goriva se vbrizga nekje na začetku kompresijskega takta.Zato se manj goriva nabira na stenah valja.Gorivo se skoraj popolnoma upari in s tem se izboljša porazdelitev zmesi goriva in zraka. Poleg tega nastane v bližini vžigalne svečke nekoliko bogatejša zmes kot v preostalem delu zgorevalnega prostora.To izboljša potek zgorevanja in zmanjša možnost klenkanja.

42. 4.3 Shema visokotlačne črpalke

43. 4.4 Sistem dovoda goriva

44. 5. TEHNOLOGIJA TDI Ideja Rudolfa Diesla o samovžigu goriva je stara že več kot 100 let, njegova konstrukcija racionalnega toplotnega pogonskega stroja pa je aktualna kot še nikoli. Moderni dieselski pogonski agregati imajo z glasnimi, ropotajočimi in šibkimi motorji zgodnjih let razen delovnega principa le še malo skupnega. Tradicionalne zahteve po gospodarnosti, zanesljivosti in visoki življenjski dobi so v današnjem času z željo po večjih voznih zmogljivostih, izboljšanem voznem udobju in ekološki sprejemljivosti postale precej obširnejše. Turbodieselski motor z direktnim vbrizgom goriva, kakršen je pri Audiju v serijski proizvodnji že od leta 1989 predstavlja začetek tehnologije direktnega ubrizga dieselskega goriva pri hitrotekočih dieselskih motorjih Medtem so tovrstni agregati postali tipični high-tech pogonski stroji, katerih prihodnost se šele prav pričenja. Turbinski polnilnik s spremenljivo geometrijo lopatic, hladilnik polnilnega zraka, štiri ventilska tehnika s pravokotno postavljenimi vbrizgalnimi šobami, sistem povratnih izpušnih plinov in visokotlačnega vbrizgavanja kot npr. princip skupnega voda ali tlačne šobe s popolnoma elektronskim krmiljenjem predvbrizga še dodatno izboljšujejo specifično moč in navor motorja, hkrati pa ugodno vplivajo tudi na čistočo izpušnih plinov.

45. 5.1 Razvojna pot vbrizgavanja dieselskega goriva Pri klasičnem diesel motorju se dieselsko gorivo dovaja v valj preko predkomore ali preko vrtinčne komore.V obeh primerih se je za mešanje goriva uporabljal od cilindra ločen prostor. Današnji moderni diezel motorji pa vbrizgajo diezelsko gorivo pod velikim tlakom direktno v zgorevalni prostor.Veliko vlogo ima tu tlak vbrizga in oblika čela bata.

46. 5.2 Direktno vbrizgavanje goriva • Visokotlačna distribucijska črpalka • Skupni vod ( common rail) • Tlačilka-šoba (pumpe-dize)

47. V sodobnih hitrotekočih diezelskih motorjih imamo sledeče vbrizgalne sisteme • Za direktno ubrizgavanje diezelskega goriva : • Visokotlačna distribucijska tlačilka • Unit–Injector : a) Unit –Injector - sistem skupne tlačilke s šobo z mehaničnimpogonom • b) Unit–Injector (sistem združene tlačilke in šobe) s hidravličnim pogonom • - Common Rail - sistem za vbrizgavanje s skupnim visokotlačnim vodom in skupno visokotlačno tlačilko goriva

48. 5.3 Visokotlačna distribucijska tlačilka Skrbi za dobavo goriva v vsak valj posebaj preko visokotlačnih cevi in injektorjev Že nekaj let je ta tehnika v kombinaciji z turbo polnilnikom zraka množično v uporabi in ima manjšo porabo goriva ,večjo moč in boljšo odzivnost kot motorji z predkomoro.

49. Visokotlačna distribucijska tlačilka za gorivo kombinirana z dvostopenjskim odpiranjem igle šobe. je prikazana na slikah 1a) in 1b). Tak sistem je uporabljen pri sodobnih vozilih znamk VW, Seat, Audi, Škoda, DB, Rover in Renault. Z novim izboljšanimi konstrukcijskimi rešitvami je bilo možno doseči tlake (izmerjeni pri tlačilki) 1300 bar in z dinamičnim procesom nihanj v visokotlačni cevi za gorivo med tlačilko in šobo tudi tlake do 1600 bar. Časovni potek tlaka pri tem sistemu ni posebno ugoden. Prostorninsko krmiljenje količine goriva omogoča enakomerno porazdelitev vbrizganega goriva po vseh valjih. Ta sistem ima prednosti pri predelavi starejšega motorja z deljenim zgorevalnem prostorom. Stroški opisanega sistema so večinoma nizki. Z dvostopenjsko vbrizgalno šobo je možno doseči nizko raven hrupa zgorevanja. Zaradi dolgih cevi med tlačilko in šobo morajo biti tlaki odpiranje igle v šobi sorazmerno nizki. (pri prvi stopnji  200, pri drugi pa 350 bar). Tlak vbrizgavanja ni optimalen za vse pogoje delovanja motorja (po celotni delovni karakteristiki motorja). Vrtilni moment je zaradi tega pri nizkih vrtljajih motorja nižji v primerjavi z vrednostmi, ki jih dosegamo s sodobnimi sistemi vbrizgavanja. Z omenjenim sistemom lahko dosežemo specifično (litrsko) moč motorja 45 kW/dm3 delovne prostornine valja. Doseganje te vrednosti je seveda odvisno tudi o mehanične vzdržljivosti motorja za določen namen uporabe.

50. 5.4 Common – rail (skupni vod) Sistem za ubrizgavanje s skupnim visokotlačnim vodom in skupno visokotlačno Tlačilko goriva,ki skrbi da skupni vod (common rail) konstantno pod enakim tlakom. Danes ta tlak znaša že do 1500 barov in je konstanten neglede na obremenitev in moment motorja.Iz skupnega voda se napajajo vse šobe. Za optimalno delovanje je Potreben elektronski nadzor ubrizga goriva.