Szabványok és követelmények

A szabványozás első lépéseit az USA tette meg (mint sok más tekintetben, pl. ISO minőségügyi szabályozással is), ahol már 1996-ban megjelentek az első előírások a motorok káros füstgázösszetevőinek mérséklésére. Az USA-ban az EPA (Environmental Protection Agency) a gazdája a szabályozásnak. Ez az ügynökség teszi közzé a TIER kategorizálás szerinti normákat, amelyben a legnagyobb amerikai motorgyártók közös nevezőre jutottak. Az ellenőrzést a hatóságok a motorok ISO 8178 szabvány szerinti vizsgálata során végzik és adják ki a minősítéseket. Az EPA a TIER 4 final normák kidolgozása során kiszámította, hogy az új követelmények az USA-ban 2030-ig 738 000 tonna veszélyes NOx (nitrogén-oxidok) és 129 000 tonna PM (korom) levegőbe jutását akadályozzák meg. Az USA füstgázemissziós szabályozása jelenleg a TIER 4-es szabványnál tart. Az ehhez készített táblázatban jól látható a szabályozás következtében a környezetre káros füstgázösszetevők mennyiségének (g/kWh) drasztikus csökkenése. Az Európai Unió valamivel később (1998-ban) lépett és alkotta meg a saját szabályozását a 97/68 EG direktívával, elsőként 1999-től érvényes EUR Stufe I. és II. normatívák megalkotásával. Később az EU a 2004/26/EG direktívában finomította és szigorította a követelményeket, amelyeket az EUR Stufe III.a és III.b, illetve az EUR Stufe IV előírások tartalmaznak. Az EUR-szabályozás is drasztikusan csökkentette az el nem égett szénhidrogének, a nitrogén-oxidok és szilárd részecskéknek a füstgázon keresztül a levegőbe jutását. Az US EPA és az EUR nagyon hasonló felépítésű (különösen a 2010 előtti szabályzásoknál), de tartalmaz eltéréseket is. Az US EPA már 8 kW-tól (11 LE-től) szabályozza a motorok füstgázemissziójára vonatkozó követelményeket, az EUR-előírások csak a 19 kW-tól (25 LE-nél) nagyobb teljesítményű motorokra vonatkoznak. A most 2014-től érvényben lévő szabályozásnál a füstgáz szilárd (PM) részecske-összetevőire vonatkozó határértékek szigorúbbak a TIER 4 final (0,02 g/kWh/0,015 g/LEh) előírásaiban, mint az EUR Stufe IV követelményeiben (0,025 g/kW/0,018 g/LEh). A motor- (és a traktor)gyártók nincsenek könnyű helyzetben, amikor mindkét követelménynek meg akarnak felelni, márpedig a gépeik forgalmazásának alapfeltétele a normatívák teljesítése.

A füstgázemisszió csökkentésének műszaki megoldásai

Az alacsonyabb határértékeket tartalmazó követelmények a motor- és erőgépgyártók a motorkonstrukciók változtatásával is képesek voltak teljesíteni. A motorok elektronikus vezérlése, a széles sávú Lamda-szondák alkalmazása, a turbófeltöltők és levegő visszahűtéses rendszerek alkalmazása, a befecskendezési nyomás növelése sokat javított a hengerben lezajló égési folyamatokon és kevesebb káros anyag fordult elő a kipufogógázban. További eredményeket hozott a motorok tisztulásánál a common rail (közös nyomócsöves) befecskendezési rendszerek és piezoporlasztók elterjedése, amelyek már 2000 bár feletti befecskendezési nyomással porlasztják az üzemanyagot az égéstérbe, valamint a hengerenkénti 4 (2 szívó és 2 kipufogó) szelep alkalmazása, amely az égéstér gyorsabb feltöltését, illetve gyorsabb ürítését teszi lehetővé.
A common rail rendszerek előnye, hogy a befecskendezési nyomás nem függ a motor fordulatszámától és a befecskendezett üzemanyag mennyiségétől, illetve rendkívül gyorsan követi az elektronika jelzéseit.

EGR rendszer

A következő motoros konstrukciós lépés volt a kipufogógáz káros-
anyag-összetevőinek a csökkentésére az EGR (Exhaust Gas Recirculation) füstgáz-visszavezetéses rendszerek alkalmazása, amellyel jelentősen csökkenthető a NOx-ok mennyisége a kipufogógázban. A kipufogógáz visszahűtésével és egy részének visszavezetésével a füstgáz káros összetevői kiégethetők a kipufogógázból. Az EGR rendszer előnye, hogy viszonylag egyszerűen és olcsón megvalósítható és alig igényel karbantartást, ugyanakkor csökkenti a motor teljesítményét, ill. kisebb mértékben szennyezi a motort és növeli annak kopását. Az EGR kiegészítve DOC-dizeloxidációs katalizátorral és DPF-részecskeszűrővel már képes teljesíteni a TIER 4 interim, ill. a Stufe III.b normatívákat. Sokáig ezen rendszer mellett tette le a voksát pl. a Deutz és a John Deere is.

SCR technológia

Forradalmi változást hozott a mezőgazdasági erőgépek füstgázkezelésében a SCR (Selective Catalytic Reduction) katalizátorok alkalmazása, amelyekkel egyidejűleg csökkenthetők a kipufogógázban az el nem égett szénhidrogének (HC/NHHC), a szén-monoxid (CO) és a nitrogén-
oxidok (NOx). Ráadásul javul a motor tisztasága, 8–12%-kal csökken az üzemanyag-fogyasztása és 5–7%-kal növekszik a teljesítménye is. Az SCR rendszer hátránya, hogy adalékanyag (AdBlue) befecskendezését igényli és bonyolultabb kipufogó rendszerek alkalmazására van szükség. Az AdBlue adalékanyag döntően a NOx-ok redukálásához szükséges, amely egyébként egy viszonylag olcsó anyag, a karbamid 32,5%-os vizes oldata. A hatását azáltal fejti ki, hogy a traktorok kipufogórendszerébe az SCR katalizátor elé befecskendezve belőle a hő hatására ammónia (NH3) szabadul fel, amely reakcióba lép a nitrogén-oxidokkal (NO, NO2) és ennek eredményeképpen a kipufogógázba nitrogén és vízgőz keletkezik. Az SCR katalizátorok a füstgáz szilárd összetevőinek tartalmát is jelentősen csökkentik. Az AdBlue folyadék adagolását a füstgáz összetételének függvényében, a kipufogógáz szenzor és a motorvezérlő elektronika (ECU) szabályozza. Általában az SCR katalizátoros mezőgazdasági erőgépeken az elfogyasztott gázolaj mennyiségének 4–5%-át teszi ki a AdBlue felhasználás. A gázolajtartállyal kombinált (egybeépített), kék fedéllel megkülönböztetett AdBlue folyadéktartályok 40–50 literes űrtartalmúak és általában két gázolajtankolást képesek kiszolgálni. Az AdBlue folyadék már nagyobb üzemanyagtöltő állomásokon is beszerezhető, de a traktorforgalmazók 1000–3000 literes konténeres változatban is forgalmazzák, amelyhez szivattyús töltőberendezés is kapható. Ugyanúgy tankolható, mint a gázolaj. A folyadék -11 és 30°C között tárolva 12–36 hónapig megőrzi minőségét. Alacsonyabb fagyási hőmérsékleten az AdBlue megfagyhat és kikristályosodhat, 30°C-nál melegebb körülmények között pedig elbomlik. Bőrre jutva irritációt, gőzét belélegezve rosszullétet okozhat, ezért megfelelő óvintézkedések mellett kell végezni a betöltését. Nagy mennyiségben a talajba, élővízbe jutva azok elszennyeződését eredményezheti, ilyenkor ártalmatlanításáról kell gondoskodni. A SCR/AdBlue nitrogénoxidos katalizátoros rendszerek kiegészülve DOC-dizeloxidációs katalizátorral és DPF-részecskeszűrővel, hatékony (TIER 4i/Stufe III.b) füstgáztisztítást eredményeznek. Több motor- és traktorgyártó (MF, Fendt, New Holland, Case IH, Valtra stb.) alkalmazza a füstgáz kezelésének ezen módját.
A közelmúltban megjelentek a II. generációs SCR/AdBlue rendszerek, amelyekben kétlépcsős nitrogénoxid katalizátorok kerülnek beépítésre. Ezekkel még hatékonyabb a szén-dioxid egyenértékben a szén-dioxidhoz képest 310-szeres üvegházhatást kifejtő nitrogénoxidok semlegesítése (MF, Fendt, Valtra).

Kombinált füstgázkezelési technológiák

A 2014-től érvénybe lépő követelmények újabb lépésre kényszerítették a motor- és traktorgyártókat. Ez a hannoveri 2013-as Agritechnica kiállításon is érzékelhető volt. Számos traktorba és magajáró betakarító gépbe beépített motorok már képesek a TIER 4 final/Stufe IV normákat teljesíteni. Ezt többnyire az eddig alkalmazott katalizátorok
kombinált beépítésével tudták elérni, azaz az EGR rendszer segítségével (kipufogógáz visszahűtésével és visszavezetésével) az el nem égett szénhidrogének (HC) nagy részét kiégetik a kipufogógázból, majd az így távozó CO, NOx és PM összetevőket tartalmazó gázt a DOC (dízeloxidációs katalizátor), DPF (részecskeszűrő) és a SCR/AdBlue nitrogén-oxid katalizátor segítségével tisztítják meg. A dízeloxidációs katalizátorok (DOC) a szén-monoxidot (CO) és a maradék szénhidrogéneket (HC) semlegesítik, a sziliciumkarbidot, vagy kordierítet tartalmazó porózus szerkezetű részecskeszűrős PDF pedig a szilárd részecskéket (alapvetően a kormot) távolítja el a kipufogógázból, az SCR/AdBlue vanádium-pentoxidból és titandioxidból felépülő katalizátor a nitrogén-oxidokat (NO, NO2) bontja le nitrogénné és vízzé. Az összetett rendszert gyakran kiegészítik ammónia (NH3) maradék semlegesítésére képes AOC katalizátorral is. Ezek a rendszerek képesek már a káros anyagok több mint 95%-át kiszűrni a kipufogógázból, amelyek így zömében a levegőben egyébként is megtalálható nitrogén (N2) és vízgőz (H2O) távozik az erőgépek kipufogóján keresztül.
A mezőgazdasági erőgépmotorok fejlesztése a tisztább dízelüzem irányában nem állt meg. Újabb és újabb műszaki megoldásokkal igyekeznek a gyártók a természeti környezetet óvni, miközben csökkentik az üzemanyagok felhasználását és növelik a motorok élettartamát, és kitolják az olajcserék (szervizek) ciklusidejét.

Dr. Hajdú József

A cikk szerzője: Dr. Hajdú József