Úvod / Pôdohospodárstvo podľa tém / Stroje a zariadenia / Rôzne

Technológie na zníženie obsahu emisií vo výfukových plynoch

22-11-2021
S použitím dostupných zdrojov spracoval: doc. Ing. Jozef Ďuďák, CSc. | jozef.dudak@uniag.sk
Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre

Už niekoľko rokov sú hlavne v Európe zavádzané prísne emisné normy nielen pre automobily, ale aj pre tzv. necestné vozidlá, ku ktorým patria traktory a aj ostatné samohybné stroje využívané hlavne v poľnej rastlinnej výrobe. Pri výrobe spaľovacích motorov, ktoré predstavujú základnú pohonnú jednotku mobilnej techniky, výrobcovia musia spĺňať emisné limity dané legislatívou Európskej únie.

Vznetový spaľovací motor je piestový spaľovací motor, v ktorom sa zmes paliva a vzduchu zapaľuje pôsobením vysokej teploty vzduchu stlačeného v pracovnom priestore motora. Ku kontaktu paliva so vzduchom dochádza po jeho vstreknutí do spaľovacieho priestoru. Ako palivo sa najčastejšie používa motorová nafta. Zmes sa u vznetových motorov tvorí až tesne pred a počas spaľovania. Rozprášené palivo, vstreknuté do horúceho vzduchu cez dýzu vstrekovača sa začína odparovať a premiešavať s náplňou valca. Vplyvom vysokej teploty a tlaku dôjde k vznieteniu zmesi paliva so vzduchom.

Keďže pri takomto procese spaľovania okrem užitočného efektu, ktorým je premena tepelnej energie zhoreného paliva na mechanickú prácu, vznikajú aj škodliviny vo forme oxidov dusíka, nespálených uhľovodíkov a pevných častíc (sadzí), ktoré v konečnom dôsledku zaťažujú životné prostredie, sú na prevádzku spaľovacích motorov kladené čoraz prísnejšie požiadavky prostredníctvom tzv. emisných noriem.

Výrobcovia vznetových spaľovacích motorov sú už niekoľko rokov nútení vplyvom postupného sprísňovanie emisných noriem hľadať riešenia pre zníženie emisií vo výfukových plynoch. V oblasti vývoja nových technológii, ktoré sú šetrné k životnému prostrediu, boli vyvinuté viaceré systémy.

Pokiaľ ide o emisné normy a v nich uvádzané emisné limity, tak pre stupne I až IV boli tieto hodnoty riadené smernicou Európskeho parlamentu a Rady 97/68/ES. Táto smernica upravovala nástup jednotlivých etáp a množstiev vypúšťaných škodlivín. Od minulého roku nastúpený stupeň V však už podlieha nariadeniu Európskeho parlamentu a rady 2016/1628. Na toto nariadenie sa odvoláva aj Vyhláška č. 132/2018 Z. z. - Vyhláška Ministerstva dopravy a výstavby Slovenskej republiky, ktorou sa ustanovujú podrobnosti o technických požiadavkách na niektoré vozidlá, systémy, komponenty a samostatné technické jednotky na účely schvaľovania. Podľa uvedeného nariadenia v rokoch 2020 a 2021 bude postupne nabiehať emisná norma stupňa V. Aktuálne sa však ešte možno stretnúť s tým, že je možné v Európe okrem traktorov nastupujúcej normy stupňa V a dosluhujúcej normy stupňa IV ponúkať aj traktory s motormi spĺňajúcimi úroveň stupňa IIIB. Toto prechodné opatrenie bolo prijaté kvôli tomu, že napr. niektoré traktory kategórie T1 nadväzujú z úrovne stupňa IIIB priamo na úroveň stupňa V.

Ako už bolo uvedené, na postupné sprísňovanie emisných limitov samozrejme reagovali aj výrobcovia spaľovacích motorov využívaných pri pohone mobilných energetických prostriedkov. V podstate všetkými výrobcami traktorov sú v súčasnosti ponúkané koncepčné riešenia, ktoré majú zabezpečiť splnenie prísnejších emisných limitov naftových motorov. Úpravy sa týkajú predovšetkým výfukových systémov motorov, pričom kým pri prechode zo stupňa III na stupeň IIIB v podstate postačovali dva technologicky samostatne využívané princípy znižovania emisií vo výfukových plynoch (označované ako SCR, prípadne EGR), v súčasnosti sa často uvedené technológie kombinujú, prípadne doplňujú ďalšími prvkami (označovanými ako DPF, prípadne DOC). Čo v skutočnosti znamenajú uvedené skratky označovaných systémov a ich prvkov, skúsime vysvetliť v nasledujúcich riadkoch.

SCR - Selective Catalytic Reduction

Do oblasti prevádzky traktorov sa v predchádzajúcich rokoch rýchlejšie rozšírila technológia založená na využití metódy selektívnej katalytickej redukcie. Táto technológia má zabezpečiť zníženie objemov oxidov dusíka bez nutnosti ovplyvňovať optimálne nastavenie spaľovacieho cyklu motora. Podstata uvedenej metódy spočíva v tom, že motorom vyprodukované plyny s obsahom oxidov dusíka sú vo výfuku zmiešané s novou prevádzkovou kvapalinou označovanou ako Ad Blue. Ide o chemicky pripravený 32,5% roztok močoviny. K „premene“ výfukových plynov na vodu a plynný dusík dochádza pri chemickej reakcii molekúl oxidov dusíka s molekulami čpavku. Emisie oxidov dusíka sa znížia až o 70 %, uhľovodíkov o 90 % a tuhých častíc o 10 %.

Pri používaní technológie SCR je potrebné na traktor umiestniť prídavnú nádrž na kvapalinu Ad Blue, ktorá sa spravidla umiestňuje vedľa štandardnej nádrže, ďalej namontovať čerpadlo kvapaliny Ad Blue, vstrekovaciu jednotku a katalyzátor SCR. Výhodou uvedeného riešenia je to, že sa motor priamo na procese úpravy výfukových plynov nepodieľa, čím nie sú v žiadnom smere ovplyvňované jeho prevádzkové parametre.

V porovnaní s motorovou naftou nezaberie kvapalina Ad Blue veľa miesta. V závislosti od stupňa zaťaženia motora udávajú niektorí výrobcovia traktorov spotrebu prípravku Ad Blue od 0,1 až do 4% spotreby nafty (napr. MF). Pri maximálnom primiešavaní 4 %  bude napr. 1000 litrov motorovej nafty vyžadovať iba 40 litrov kvapaliny Ad Blue. Nádrže na kvapalinu Ad Blue sa dodávajú s objemom okolo 30 litrov. Nádrže na prídavnú kvapalinu Ad Blue sa vyrábajú najčastejšie z plastu tak, ako aj nádrže na naftu.

Z hľadiska chemického zloženia kvapalina Ad Blue obsahuje amoniakálne činidlo - močovinu - a vodu. Pri reakcii vo výfukovom systéme teplo z výfukových plynov premieňa močovinu na amoniak (NH3) a oxid uhličitý (CO2). Práve amoniak je účinnou látkou a hlavnou zložkou procesu, ku ktorému dôjde v katalyzátore SCR. V chemicko-katalytickom procese, ktorý nasleduje, sú oxidy dusíka (NOX) premieňané na dusík (N2) a vodnú paru (H2). Dusík je prirodzenou zložkou vzduchu, ktorý dýchame. Akékoľvek zvyšky amoniaku sú odstraňované v zabudovanom čistiacom katalyzátore.

Výhody a nevýhody technológie SCR:

Hlavnou výhodou technológie SCR je to, že k úprave výfukových plynov dochádza až za motorom, teda vo výfuku. Preto nedochádza k ovplyvňovaniu prevádzkových parametrov motora, jeho chod môže byť optimalizovaný po stránke výkonu, spotreby a aj životnosti. Predbežné výsledky meraní naznačujú aj významné zníženie spotreby nafty. Niektoré testy udávajú úspory až na hranici 6 %. Uvedené riešenie úpravy výfukových plynov umožňuje prostredníctvom vhodnej stratégie vstrekovania Ad Blue vyhovieť už teraz emisným normám, ktoré sa budú určite ďalej sprísňovať. Viacerí autori medzi rozhodujúce výhody technológie SCR zaraďujú najmä to, že:

  • technológia SCR sa už dnes využíva v nákladnej automobilovej doprave prakticky po celej Európe a je podstatne menej citlivá na zlú kvalitu motorovej nafty ako iné technológie,
  • systém SCR vyžaduje iba malú údržbu a jeho životnosť zodpovedá celej dobe životnosti vozidla,
  • technológia SCR je vhodná pre vysoký výstupný výkon, napr. nie je nevyhnutné zabezpečovať dodatočné mazanie alebo chladenie motora, ako tomu môže byť v prípade použitia iných technológií,
  • z hľadiska spotreby paliva technológia SCR zabezpečuje najvýhodnejšie riešenie.

EGR - Exhaust Gas Racyclation

Druhou technológiou, ktorá bola overená aj pri prevádzkovaní traktorov, je technológia recyklácie výfukových plynov. Táto technológia sa vo väčšej miere používa na americkom kontinente. Podstatou technológie je redukovanie objemu emitovaných oxidov dusíka znížením objemu dusíka a kyslíka privedeného do reakcie a znížením špičkovej teploty spaľovacieho procesu. Pracovný princíp uvedenej technológie spočíva v primiešavaní definovaného množstva výfukových plynov do vzduchu privádzaného z turbodúchadla. Miesto prebytočného vzduchu (t.j. zmesi 71 % dusíka a 25 % kyslíka) je do reakcie privedený už vzniknutý NOX. Znižovanie emisií NOX a PM vo výfukových plynoch vznetových motorov je zabezpečené ochladením časti výfukových plynov a ich vrátením späť do spaľovacieho priestoru.

Výhody a nevýhody technológie EGR:

Viacerí autori medzi podstatné výhody technológie EGR zaraďujú to, že pri jej použití:

  • dochádza k úspore prevádzkových nákladov – nie je potrebné nakupovať prídavnú kvapalinu,
  • nevyžaduje žiadne dodatočné nádrže,
  • pracuje s palivom pre štandardný vznetový motor,
  • redukuje emisie výfukových plynov v každom prevádzkovom režime vozidla,
  • ide o technológiu, ktorá je dôkladne overená.

Pri používaní technológie EGR však treba hovoriť aj o je určitých nevýhodách. K nim možno zaradiť napr. to, že uvedená technológia je veľmi citlivá na množstvo a kvalitu recyklovaných plynov. Pri väčšom množstve nedostatočne filtrovaných plynov pevné častice z výfuku môžu v motore pôsobiť ako abrazívum a znižovať jeho životnosť. V motore vznikajú spaľovaním aj vodné pary a vo výfuku sa po ochladení zlučujú s NOX. Motor recirkuluje aj kyslú vodu. Pri jej pôsobení v motore môže dôjsť k predčasnému znehodnoteniu motorového oleja, ako aj ku korózii kovových častí. Pri akejkoľvek nepredvídanej poruche riadiaceho systému môže dôjsť k znefunkčneniu motora pri jeho zahltení výfukovými plynmi (ak je napr. recyklácia príliš vysoká). Znížením teploty spaľovania sú eliminované oxidy dusíka, zhoršuje sa však účinnosť spaľovania a klesá merný výkon motora. Za jednu z nevýhod je považovaná aj väčšia potreba chladenia (približne o 20 %), ktorá je vzatá z práce motora, čo tiež spôsobuje zvýšenie spotreby paliva a tiež hlučnosti vozidla. Podľa viacerých výsledkov publikovaných v rôznych uskutočnených testoch bolo namerané zvýšenie spotreby paliva asi o 2 %.

DPF - Diesel Particular Filter

Naftový motor produkuje nespálené častice (sadze). Tieto častice sú tvorené množstvom rôznych látok. Základ tvoria častice uhlíka o veľkosti približne 0,05 mikrometra, na ktoré sú nabalené rôzne uhľovodíky, voda a sulfidy pochádzajúce zo zvyškov paliva a oleja. Ďalej sa v nich nachádza malé množstvo oxidov kovov, vznikajúcich oderom vo vnútri motora. Pevné častice sú karcinogénne, preto sú nebezpečné.

Keďže naftové motory majú vo výfukových plynoch pomerne vysoký obsah týchto karcinogénnych mikročastíc, bolo potrebné sa s týmto faktom vysporiadať predovšetkým pri prechode zo stupňa IIIB na stupeň IV. Pomocou klasického katalyzátora sa táto zložka nedá odbúrať, vznikol nový tzv. filter pevných častíc, ktorý je schopný zachytiť viac ako 95% týchto mikročastíc.

Katalyzátor je tvorený kremičitou zlúčeninou, ktorá vytvára pórovitý filter podobný včeliemu plástu. Po priechode výfukových plynov sa veľké pevné častice, ktoré filtrom nemôžu prejsť zachytia. Postupne sa však filter upcháva a výfukové plyny majú čoraz väčšiu prekážku na svojej ceste von do ovzdušia. Takýto filter treba po určitom čase vyčistiť. Raz za čas sa zvýši teplota výfukových plynov na 550°C a pevné častice sa dodatočne spália. Pretože pri bežnom spaľovaní nafty výfukové plyny takúto teplotu nedosiahnu, vstrekuje sa pri regenerácii do motora viac paliva. Po dvoch malých predvstrekoch a dvoch hlavných vstrekoch, sa vstrekujú ďalšie dva dodatočné, ktoré sa používajú iba pri potrebe spálenia prebytočných sadzí. Tým dôjde k zvýšeniu teploty horenia o 200 až 250°C. Časť nespálených uhľovodíkov, ktoré vzniknú pri tomto dodatočnom vstreku sa spáli v oxidačnom katalyzátore na vstupe do filtra pevných častíc, čo zvýši teplotu o ďalších 100°C.

Spaľovanie sadzí závisí od znečistenia filtra, nedá sa presne určiť po akom počte motohodín. Ak však dôjde k čiastočnému upchatiu a teda pretlaku, riadiaca jednotka spustí regeneráciu. Pri tejto regenerácii vodič nič nepostrehne. Určitou nevýhodou tohto riešenie je aj to, že filter pevných častíc čiastočne znižuje výkon motora.

DOC - Diesel Oxydation Catalyst

Ide o zariadenie označované ako oxidačný katalyzátor. Je v ňom vytvárané vhodné prostredie pre reakciu kyslíka s limitovanými zložkami CO, HXCY a NO, ktorých výsledkom sú menej škodlivé molekuly CO2, H2O a NO2. Systém DOC znižuje plynné emisné zložky CO a HC až o 90 %, pri dostatku kyslíka, teda keď λ > 1. Tato hodnota je meraná pomocou tzv. lambda sondy, ktorá porovnáva okolitý vzduch s výfukovými plynmi. Vo vnútri filtra sa nachádzajú kanáliky z keramiky alebo zo železa a na stenách týchto kanálikov je povlak účinnej katalytickej vrstvy zo vzácnych kovov platiny a paládia. Okolo týchto kanálikov je tepelne odolné chránené pletivo, ktoré je obopnuté kovovým obalom.

Záver

V posledných rokoch došlo k významnému rozvoju v oblasti motorov poľnohospodárskej techniky. Tento fakt možno pozorovať napríklad na stále vyšších výkonoch, ktoré motory dosahujú, na lepšom využití paliva najmä vďaka stále prepracovanejšiemu systému vstrekovania, na aplikáciách elektronických systémov, ktoré majú za úlohu šetriť palivo i na riešení otázok znižovania množstva emisií.

K výraznému rozvoju v oblasti emisií motorov došlo vďaka zavedeniu emisných limitov, ktoré obmedzujú množstvo vypúšťaných škodlivín v spalinách do ovzdušia s cieľom zachovať kvalitu ovzdušia aj pre ďalšie generácie. Pre tento účel boli postupne zavedené emisné normy, ktoré stanovujú maximálne množstvo vypúšťaných škodlivých látok do ovzdušia v g.kWh-1. Medzi najznámejšie limity pre pracovné stroje, ako sú traktory, samohybné stroje a ďalšie, patrí európske limity stupňov I až V, ktoré boli vyhlásené od roku 1997 a následne postupne zavádzané až do roku 2019, resp. 2020, kedy začala platiť zatiaľ posledná emisná norma stupňa V. Nové emisné limity uvedené ako „etapa V“ sú jedným z opatrení, ktorých cieľom je znížiť aktuálne emisie znečisťujúcich látok z vozidiel v prevádzke, medzi ktoré patria pevné znečisťujúce látky, ako aj ozónové prekurzory, ako sú napr. oxidy dusíka (NOx) a uhľovodíky.

Už v predchádzajúcom období boli pri výrobe traktorových motorov ich výrobcami odskúšané viaceré kombinácie popisovaných dvoch základných technológií a prídavných prvkov a konštruktéri sa rozhodujú, ktorou cestou sa v budúcnosti budú uberať. Čo je však najdôležitejšie, obidve základné technológie na zníženie obsahu výfukových plynov a to tak SCR, ako aj EGR, a predovšetkým prídavné zariadenia typu DPF a DOC významnou mierou redukujú škodlivé emisie pri prevádzke traktorov, čím zabezpečujú dodržiavanie emisných limitov neustále sa sprísňujúcich emisných noriem a tým prispievajú k znižovaniu znečistenia životného prostredia.