ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(97)/2014

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(97)/2014 Stanisław W. Kruczyński 1, Bogdan Chrupek 2, Marcin K. Wojs 3 METODY OGRANICZANIA POZIOMU EMISJI STOSOWANE W SILNIKACH MASZYNACH BUDOWLANYCH W ŚWIETLE WYMAGAŃ NORM EMISJI SPALIN : STAGE III B/ STAGE IV 1. Regulacje prawne w zakresie emisji spalin W przypadku maszyn budowlanych mamy do czynienia z etapami wprowadzanych europejskich norm emisji. Obecnie od stycznia 2011 r. obowiązuje etap: Stage III B, znany w USA jako Tier 4 Interim. Stąd też silniki etapu III B są utożsamiane z amerykańskimi silnikami Tier 4 Interim. Parlament Europejski ustalił dopuszczalne wartości emisji dla czterech szkodliwych substancji, takich jak: CO, HC, NOx, i PM. Nowo wprowadzane na rynek maszyny o mocy przekraczającej 129 kw muszą być zmodernizowane już od 1 stycznia 2014 r., podczas gdy okres ochronny dla lżejszych pojazdów budowlanych kończy się w połowie 2014 roku. Jakość emitowanych spalin stanie się niedługo ważnym wskaźnikiem dla producentów maszyn budowlanych. I tak na przykład w porównaniu do etapu Stage III B dopuszczalne wartości emisji tlenków azotu zostaną ograniczone aż o 88 %. Wielkość wprowadzanych zmian ujętych w poszczególnych etapach dla silników o określonych mocach znamionowych ilustruje poniżej zamieszczony diagram. Rys.1 Zakres regulacji emisji substancji szkodliwych w kolejnych etapach, w USA i UE, dla pojazdów i maszyn poza drogowych o mocy silnika : kw 1 prof. dr hab. inż. Stanisław W. Kruczyński Kierownik Zakładu Silników Spalinowych, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska 2 mgr inż. Bogdan Chrupek Instytut Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego 3 mgr inż. Marcin K. Wojs Zakład Silników Spalinowych, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska 109

2 2. Przegląd konstrukcji silników spalinowych Silniki spalinowe obecnie produkowane i seryjnie montowane w maszynach budowlanych spełniają normy emisji spalin etapu Stage IIIB, na co złożyło się kilka zasadniczych czynników, z których najważniejsze to zastosowanie: - wysokociśnieniowych układów paliwowych nowej generacji, - układów turbodoładowania, - układów recyrkulacji spalin, - nowoczesnych układów chłodzenia, - układów oczyszczania spalin. 2.1 Wysokociśnieniowe układy paliwowe nowej generacji Maszyny budowlane Caterpillar Wysokociśnieniowe układy wtryskowe Common Rail, sterowane w pełni elektronicznie, zapewniają wysokie osiągi i czystość spalin w jednostkach napędowych mniejszych mocy ( do 300 kw ), takich jak: C4.4 ACERT; C6.6 ACERT; C7.1 ACERT i C9.3 ACERT. Układy te precyzyjnie kształtują przebieg procesu spalania, realizując wtrysk wielofazowy, co pozwala w sposób zdecydowany obniżyć poziom emisji substancji szkodliwych a jednocześnie wyraźnie zmniejszyć głośność pracy silnika. W silnikach o mocy powyżej 300 kw zastosowano nowoczesne układy wtryskowe MEUI- C, z pompowtryskiwaczami sterowanymi elektronicznie, które precyzyjnie dawkują paliwo pod wysokim ciśnieniem. Pompowtryskiwacze te zapewniają niezbędną szybkość reakcji i czystość spalin w silnikach, takich jak: C13 ACERT; C15 ACERT; C18 ACERT; C27 ACERT i C32 ACERT. Rys. 2. Wysokociśnieniowy układ wtryskowy typu: Common Rail 110

3 Maszyny budowlane Volvo Silniki Volvo, nowej generacji, wykonane w technologii V-ACT wyposażone zostały w nowoczesny układ zasilania, w którym paliwo jest wtryskiwane do komory spalania w sposób bezpośredni w kilku dawkach pod ciśnieniem ok. 250 MPa, co ogranicza jego zużycie, zmniejsza głośność pracy i poprawia sprawność procesu spalania. W silnikach mniejszych mocy zastosowano układ wtryskowy typu: Common Rail, zaś w silnikach większych mocy zastosowano pompowtryskiwacze sterowane elektronicznie. Maszyny budowlane Komatsu Rys.3. Układ zasilania Common Rail maszyn Komatsu Wysokociśnieniowy układ wtryskowy HPCR (High Pressure Common Rail), precyzyjnie odmierza dawki paliwa, które pod wysokim ciśnieniem ( MPa) są w procesie wtrysku wielofazowego dostarczane do przeprojektowanych komór spalania. Maszyny budowlane John Deere W silnikach John Deere Power Tech, spełniających wymagania normy emisji spalin Stage III B zastosowano również wysokociśnieniowy system bezpośredniego wtrysku paliwa Common Rail, który zapewnia stałą kontrolę nad zmiennymi parametrami wtrysku paliwa, takimi jak: ciśnienie i czas trwania wtrysku, co z kolei przekłada się na wielkość dawki podawanego paliwa. System ten zapewnia natychmiastową reakcję silnika na zmienne warunki obciążenia i jednocześnie wytwarza wyższy moment obrotowy przy niskich prędkościach obrotowych. 2.2 Układy turbodoładowania Maszyny budowlane Caterpillar Silniki Cat Tier 4 Interim/Stage III B wyposażono w układy dolotowe, optymalizujące przepływ powietrza i przyczyniające się do wzrostu mocy, sprawności i niezawodności. W silnikach o mocy do 130 kw zastosowano jedną turbosprężarkę, natomiast w silnikach o zakresie mocy od 130 kw do 225 kw zastosowano dwie turbosprężarki zainstalowane w układzie szeregowym o regulacji ciśnienia doładowania sterowanym zaworem upustowym. W silnikach o mocy od 205 kw do 520 kw zastosowano nowy rodzaj turbosprężarki o wysokiej wydajności, w której ciśnienie doładowania regulowane jest poprzez zmienną geometrię ustawienia łopatek kierownicy, 111

4 kierujących strumień spalin na wirnik turbiny. Silniki CAT o mocy powyżej 520 kw wyposażono w dwie turbosprężarki w układzie szeregowym, z których pierwsza jest o stałej charakterystyce, zaś druga wysokiej wydajności regulowana zmianą geometrii ustawienia łopatek kierownicy. Maszyny budowlane Volvo Nowe jednostki są standardowo wyposażone w turbosprężarkę o zmiennej geometrii ustawienia łopatek kierownicy, która już przy niskich prędkościach obrotowych zapewnia wysoki stopień doładowania. Oczyszczanie doprowadzanego powietrza, ze względu na pracę w warunkach wysokiego zapylenia, następuje w sposób trzystopniowy, poprzez: wstępny filtr odśrodkowy, filtr zasadniczy i filtr bezpieczeństwa. Maszyny budowlane Komatsu Turbosprężarka Komatsu (KVGT) o zmiennej geometrii łopatek dostarcza optymalną ilość powietrza do komory spalania przy każdej prędkości obrotowej i każdym stanie obciążenia silnika. Rezultatami są czystsze spaliny i niższe zużycie paliwa, bez zmniejszenia mocy silnika i wydajności maszyny. Rys. 4. Turbosprężarka Komatsu KVGT Maszyny budowlane John Deere W silnikach tej firmy zastosowano także turbosprężarkę o zmiennej geometrii ustawienia łopatek kierownicy, która reguluje ilość schłodzonych spalin mieszanych z zassanym świeżym powietrzem. Sterowanie elektroniczne precyzyjnie zmienia położenie łopatek w zależności od stanu obciążenia i obrotów silnika, co pozwala uzyskać większy zapas mocy przy jednoczesnej maksymalizacji momentu obrotowego w zakresie niskich prędkości obrotowych. 2.3 Układy recyrkulacji spalin Maszyny budowlane Caterpillar, Volvo, Komatsu i John Deere W silnikach maszyn budowlanych producentów: Caterpillar, Volvo, Komatsu i John Deere zastosowano rozwiązania konstrukcyjne układów recyrkulacji spalin bardzo zbliżone do siebie. Obecnie powszechnym stało się stosowanie w tych układach chłodnic, których zadaniem jest schładzanie niewielkiej ilości spalin kierowanych z powrotem do cylindra, w celu obniżenia ich temperatury, co z kolei wpływa na 112

5 wydatne zmniejszenie emisji tlenków azotu (NOx). System ten jest najbardziej niezawodnym układem recyrkulacji spalin, dzięki, miedzy innymi, zastosowaniu w pełni elektronicznego sterowania zaworem EGR. Rys.5.Schemat układu recyrkulacji spalin Komatsu (EGR) 2.4 Układ chłodzenia Maszyny budowlane Caterpillar W silnikach CAT zastosowano aluminiową konstrukcję chłodnicy, która podnosi trwałość zespołu, lepiej odprowadza ciepło i jest całkowicie odporna na korozję. W standardowej konfiguracji na cal długości przypada 8-9 żeberek ( 6-5 żeberek na cal w konfiguracji do prac na wysypiskach), aby zanieczyszczenia mogły swobodnie przemieszczać się pomiędzy nimi. Dzięki temu znacznie zmniejszono ilość problemów powstających w wyniku braku przepływu powietrza. Opcjonalna funkcja zmiany kierunków obrotów wentylatora umożliwia ręczną zmianę kierunku przepływu powietrza w przypadku niskiej temperatury otoczenia. Osłony przeciwpyłowe znajdujące się pomiędzy chłodnicą a wentylatorem chronią chłodnicę przed działaniem kurzu i materiałów o właściwościach ściernych. Maszyny budowlane Volvo W silnikach Volvo z poziomu Stage III B, stosowanych, między innymi, do napędu ładowarek kołowych serii G, zastosowano hydrostatyczny napęd wentylatora ze sterowaniem elektronicznym. Wymagane ciśnienie robocze w układzie napędu tego wentylatora zapewnia jedna z trzech hydraulicznych pomp tłoczkowo-osiowych o zmiennej wydajności. W silnikach tych stosuje się również dodatkowo chłodzenie cieczą łożysk ślizgowych wałka turbosprężarki o zmiennej geometrii ustawienia łopatek (VGT). W maszynach tych w celu zwiększenia poziomu bezpieczeństwa i systemu bezawaryjnej pracy zastosowano systemy ostrzegawcze i sygnalizujące miedzy innymi takie usterki układu chłodzenia jak: niski poziom i zbyt wysoka temperatura cieczy chłodzącej. Maszyny budowlane Komatsu W silnikach tej firmy zastosowano hydrostatycznie napędzany wentylator chłodnicy, który w każdych warunkach wiruje z możliwie najniższą prędkością obrotową. Kierunek obrotów i prędkość obrotowa wentylatora są sterowane elektronicznie, zależnie od temperatury cieczy chłodzącej i oleju hydraulicznego. Dzięki 113

6 temu, w porównaniu do wentylatora napędzanego paskiem klinowym spada pobór mocy silnika, zużycie paliwa i emisja hałasu. Dodatkowy wzrost wydajności chłodzenia zapewnia duża powierzchnia wylotowa wentylatora. Wlot powietrza do wentylatora jest zabezpieczony gęstą siatką zatrzymującą nawet bardzo małe zanieczyszczenia. Maszyny budowlane John Deere W silnikach John Deere zastosowano elektroniczne sterowanie układem chłodzenia wyposażonym w wentylator ze sprzęgłem wiskotycznym, które automatycznie dostosowuje jego prędkość obrotową do zmian obciążenia silnika. Ponadto stosuje się sterowanie kierunkiem przepływu powietrza w celu zmaksymalizowania wydajności układu chłodzenia, poprzez wtłaczanie powietrza do przedziału silnika zamiast jego zasysania, co minimalizuje zasysanie brudu i pozwala utrzymać chłodnicę w pełnej czystości. 2.5 Układ oczyszczania spalin Maszyny budowlane Caterpillar Zasadniczym elementem układów oczyszczania spalin jest filtr cząstek stałych, wymagający procesu ciągłej lub okresowej regeneracji. Dla ułatwienia regeneracji filtra stosowane są następujące metody: * pasywne polegające na obniżeniu temperatury zapłonu sadzy poprzez zastosowanie katalizatorów, w tym głównie katalitycznie wytwarzanego dwutlenku azotu. * aktywne polegające na podniesieniu temperatury gazów spalinowych do poziomu ok. 600 C, co możliwe jest z wykorzystaniem sterownika silnika, który dokonuje zmian w parametrach pracy silnika, np. poprzez wyłączenie recyrkulacji spalin w celu zwiększenia ilości tlenu i podwyższenia temperatury spalania, opóźnienia kata wtrysku i dokonywanie dodatkowego wtrysku paliwa. Efekt ten można również osiągnąć stosując ogrzewanie gazów spalinowych w wyniku zastosowania: - grzejników elektrycznych, - palników paliwa, - grzejników mikrofalowych, - wtrysku łatwopalnych substancji do układu wydechowego, bez wykorzystania reaktorów podnoszących temperaturę lub przy ich użyciu. * mieszane pasywno-aktywne będące połączeniem obydwu poprzednich metod. Silniki małej i średniej mocy są wyposażone w pasywny układ regeneracji, filtra cząstek stałych, który w sposób ciągły dopala cząstki stałe (PM) w trakcie użytkowania maszyny, wykorzystując do tego celu ciepło spalin. W silnikach o mocy maksymalnej kw, które wymagają większej wydajności procesu regeneracji stosowany jest aktywny system regeneracji Cat Regeneration System (CRS). Układ ten, w wyniku spalania niewielkich ilości paliwa, podgrzewa spaliny, a tym samym inicjuje utlenianie i dopalanie cząstek stałych w filtrze DPF. CRS jest dostosowany do wymagań danego silnika, umożliwia błyskawiczne i precyzyjne sterowanie procesem regeneracji, niezależnie od temperatury spalin. Stanowi idealne rozwiązanie we wszystkich warunkach eksploatacji, m. in. warunkach małego obciążenia silnika, w niskiej temperaturze otoczenia i podczas długotrwałej pracy silnika na biegu jałowym. 114

7 Elementy składowe układu oczyszczania spalin Cat, to: * Reaktor katalityczny utleniający DOC (Diesel Oxidation Catalyst), w którym zachodzi proces utleniania tlenku węgla, węglowodorów i tlenku azotu, w wyniku czego powstają : dwutlenek węgla, para wodna, oraz dwutlenek azotu, wykorzystywany w procesie regeneracji filtra cząstek stałych. * Filtr cząstek stałych DPF (Diesel Particulate Filter), w którym zachodzi proces magazynowania i utleniania cząstek sadzy (PM), w wyniku czego powstają: dwutlenek węgla, tlenek węgla oraz tlenek azotu. Filtry te mają jednak ograniczoną pojemność, w związku z czym, wymagają okresowej regeneracji, najczęściej metodami przedstawionymi powyżej. Maszyny budowlane Volvo Nowe rozwiązanie wprowadzone przez Volvo wykorzystuje zaawansowany układ oczyszczania spalin, który zmniejsza ilość cząstek stałych o 90% w porównaniu z poprzednią serią maszyn. Filtr wychwytuje cząstki i przetrzymuje je tymczasowo do momentu, gdy nagromadzi się ich dostateczna ilość pozwalająca na przeprowadzenie regeneracji. Proces ten polega na skutecznym spalaniu cząstek przy użyciu regeneratora termicznego w temperaturze powyżej 600 C. Czas trwania procesu regeneracji trwa około 30 minut i trzeba go powtarzać raz na około 10 godzin pracy maszyny. W temp. 600 C sadza ulega spalaniu i powstaje dwutlenek węgla, który zostaje usunięty z filtra przez rurę wydechową, powodując jednocześnie oczyszczanie filtra ceramicznego. Volvo dla silników D4H, D6H i D8H, o pojemności skokowej od 4 do 8 dm³ używa technologii pasywnej i aktywnej regeneracji filtra cząstek stałych. w którego skład wchodzi utleniający reaktor katalityczny (DOC), oraz filtr DPF, zmniejszający poziom zadymienia spalin opuszczających silnik. Regeneracja pasywna, w tym przypadku, polega na doprowadzeniu wraz z paliwem dodatku katalitycznego do DOC. Regeneracja aktywna polega na spalaniu dodatku paliwa przy wykorzystaniu palnika, celem zwiększenia temperatury spalin do ok. 550 C. Sterownik silnika decyduje, która metoda w danym momencie pracy silnika będzie bardziej skuteczna i ta zostaje uruchamiana. Volvo dla silników D11H, D13H, D16H, o pojemności skokowej od 11 do 16 dm 3, aby osiągnąć wymagany poziom emisji, używa tylko filtra cząstek stałych DPF, nie włączając w ten proces utleniającego reaktora katalitycznego. W silnikach tych stosuje się aktywną metodę regeneracji filtra, w której palnik zapala podawane paliwo zwiększając tym samym temperaturę spalin do ok. 625 C, tak aby proces regeneracji filtra mógł przebiegać prawidłowo. 115

8 Maszyny budowlane Komatsu Rys. 6. Schemat układu oczyszczania spalin Komatsu KPDF Utleniający reaktor katalityczny Opracowany przez Komatsu filtr DPF wychwytuje ponad 90% cząstek stałych ze spalin. W jego skład wchodzi specjalny utleniający reaktor katalityczny z układem wtrysku paliwa, dopalającym wychwycone cząstki stałe w procesie regeneracji aktywnej lub pasywnej. Regeneracja filtra nie powoduje przerwy w użytkowaniu maszyny. Maszyny budowlane John Deere Silniki z poziomu Stage III B tej firmy są standardowo wyposażone w utleniający reaktor katalityczny (DOC), który w normalnych warunkach eksploatacyjnych wchodzi w reakcję ze spalinami powodując zmniejszenie emisji tlenku węgla, węglowodorów, oraz niektórych cząstek stałych. W dalszej części układu znajduje się filtr cząstek stałych (DPF), który zmusza spaliny do przepływu przez porowate ścianki kanałów zatrzymując pozostałe cząstki stałe. Wychwycone cząstki stałe są następnie utleniane w filtrze DPF w trakcie samoczynnego procesu oczyszczania, zwanego regeneracją pasywną, który wykorzystuje ciepło spalin wytwarzane w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych. 116

9 Rys.7. Schemat silnika Power Tech spełniającego wymagania normy emisji spalin Stage III B 3. Podsumowanie Przedstawiona analiza stanu rozwiązań technicznych wykorzystywanych w maszynach budowlanych w celu spełnienia obecnie obowiązujących norm emisji spalin Tier 4 Interim/Stage IIIB świadczy o zastosowaniu równoległym bądź łącznym kilku sprawdzonych technologii w tej dziedzinie. Są to następujące rozwiązania: a) Układy wysokociśnieniowego wtrysku Common Rail (HPCR), b) Turbodoładowanie, c) Układy recyrkulacji spalin z ich chłodzeniem (EGR), d) Utleniający reaktor katalityczny (DOC), e) Filtry cząstek stałych (DPF), Ponadto rozważane jest wprowadzenie w przyszłości systemu selektywnej katalitycznej redukcji NOx ( SCR-NOx ) za pomocą amoniaku wytwarzanego na pokładzie maszyny z wodnego roztworu mocznika ( płyn Ad Blue). Każde z przedstawionych rozwiązań posiada swoje zalety oraz wady, gdyż obniżenie zawartości jednej szkodliwej substancji zawartej w spalinach powoduje zwiększenie poziomu emisji innej. Przykładowo system EGR zmniejsza stężenie NOx, ale zwiększa poziom emisji PM cząstek stałych. Tak więc dobór optymalnego systemu oczyszczania spalin dla danej jednostki napędowej poprzedzony jest licznymi badaniami oraz próbami i zależy głównie od mocy silnika, stopnia jego obciążenia oraz rodzaju maszyny w jakiej będzie stosowany, gdzie zmienność obciążeń odgrywa kluczową rolę. Silniki z poziomu Tier 4 final/ Stage IV, różnych producentów maszyn, aby sprostać wymaganiom wdrażanych norm emisji spalin będą korzystać z różnych kombinacji przedstawionych wcześniej technologii, w tym głównie z zastosowaniem systemu EGR i SCR, który musi być precyzyjnie dostosowany do cyklu pracy danego silnika. 117

10 Literatura: [1] Katalog produktów firmy : Bergerat-Monnoyeur CAT-434F. [2] Kruczyński St.: Filtracja cząstek stałych w spalinach pojazdów samochodowych, INW SPATIUM, Radom 2011 r. [3] Materiały szkoleniowe firmy: Bergerat-Monnoyeur CAT, 2010 r. [4] Materiały szkoleniowe firm: Volvo 2013 r., Komatsu 2012 r., Cummins 2010 r. [5] Katalog produktów firm: Volvo 2012 r., Komatsu 2012 r., Cummins 2013 r., [6] Dyrektywa spalinowa Parlamentu Europejskiego 97/68/WE, [7] normy-emisji spalin, [8] -rolnicze, dostępny r. [9] dostępny r. [10] http.// dostępny r. [11] dostępny r. [12] dostępny r. [13] dostępny r. [14] dostępny r. [15] dostępny r. Streszczenie W artykule przedstawiono obowiązujące regulacje prawne odnośnie poziomu emisji substancji toksycznych z silników o zapłonie samoczynnym pojazdów i maszyn poza drogowych. Przedstawiono również technologie stosowane przez producentów celem spełnienia coraz bardziej restrykcyjnych norm emisji spalin etapu Stage IIIB, oraz stanu przygotowań na wdrożenie etapu Stage IV. Słowa kluczowe: emisja spalin, turbodoładowanie, recyrkulacja spalin, utleniający reaktor katalityczny, filtr cząstek stałych METHODS OF THE EMISSION REDUCING OF ENGINES USED IN CONSTRUCTION MACHINES IN THE LIGHT OF THE REQUIREMENTS OF THE REGULATIONS FOR EMISSION STAGE III B / STAGE IV Summary The article presents legal regulations regarding emission of toxic substances from diesel engines of vehicles and non road machines. It also presents the technologies used by manufactures in order to meet more and more restrictive emission standards of the Stage IIIB phase and the stage of preparation for implementation of Stage IV phase. Keywords: emission, diesel engines 118