A jövő a villamos hajtások irányába mutat, de amíg elérhető lesz a kőolajból előállított gázolaj, illetve az alternatív hajtóanyagok rendelkezésre állnak, addig a mezőgazdaságban bizonyos területeken használni fogják a dízelmotorokat. A gazdáknak még hosszú ideig gondot jelent majd a dízelmotor környezetszennyező hatása és a vonatkozó hatósági előírások betartása.
A mezőgazdasági eszközök jelentős része még néhány évtizedig dízelmotorral fog üzemelni. A közeljövő igen változatos motorválasztékából a cikk terjedelmi korlátai miatt most csak a mezőgazdasági dízelmotorokkal foglalkozunk.
A DÍZELMOTOR KÖRNYEZETSZENNYEZŐ HATÁSA
A dízelmotor a működése során leginkább a környezete levegőjét szennyezi a kijuttatott kipufogógázzal.
A dízelmotor kipufogógáz-alkotói közül csak a nitrogén, az oxigén és a vízgőz környezetbarát, az összes többi szennyezőanyag. A kipufogógáz szennyezőanyag-tartalmának és összetételének mennyiségét többféleképpen lehet befolyásolni, mérsékelni, például a hajtóanyag minőségével, a levegő szűrésével, az égés befolyásolásával, a légfelesleg szabályozásával, a motor után a kipufogógáz kezelésével. A dízelmotor kezeletlen kipufogógáz-mennyiségének mintegy feléta nitrogén-oxidok (NOx) teszik ki, és közel egyötödét a részecskék (PM) alkotják, amelyek kis része rákkeltő anyag, ezért ezekre nagyon oda kell figyelni.
HATÓSÁGI ELŐÍRÁSOK
A gyári új mezőgazdasági dízelmotorok (new nonroad diesel engines) levegőszennyezésére vonatkozó korlátozó amerikai előírásokat 1991-ben dolgozták ki. A világ többi országa is átvette az amerikai előírások alapjait, így 1997-ben az Európai Unió is. Az évek folyamán a hatósági előírások minden országban szigorodtak, de ezek csak az új dízelmotorokra vonatkoznak. A hatósági előírások általában: szén-monoxid (CO), szénhidrogének (HC), nem metántartalmú szénhidrogének (NMHC), nitrogén-oxidok (NOx), részecskék tömegére (PM) és számára (PN) vonatkoznak.
Az amerikai U.S. EPA előírásaiban ma a „Final Tier 4” jelenti a legszigorúbb korlátozást. Az Európai Unió 1997. december 16-án (Directive 97/68/EC) kezdte meg a betartandó kipufogógáz-emissziós határértékek előírását, ma a „Stage V” fokozat van érvényben (1. táblázat). A Stage V részletes előírásai megtalálhatók a „BIZOTTSÁG FELHASZNÁLT RENDELETE (EU) 2017/654” és a módosításokat tartalmazó rendeletekben.
A mezőgazdasági dízelmotorok kipufogógáz-emissziós vizsgálatának amerikai és európai előírásai nagyjából megegyeznek, határértékeik viszont eltérnek egymástól; a mostani európai Stage V szigorúbb határértékeket tartalmaz.
A SZIGORÚ ELŐÍRÁSOK TELJESÍTÉSE
A dízelmotorok kipufogógáz-utókezelésére, a levegőszennyezés mérséklésére szolgáló kezdeti eszközök két évtizede kialakultak. A Final Tier 4, illetve a Stage V előírás bevezetését követően a John Deere dízelmotorjain alkalmazott levegő- és kipufogógáz-utókezelő rendszer komplex felépítése útmutatást jelentett a többi gyártó számára, és ma is több motortípuson a továbbfejlesztett ilyen szerelvények változatait alkalmazzák (1. ábra).
(forrás: dieselnet.com/news)
A mezőgazdasági dízelmotor kipufogógáz-kezelő rendszerének összes alapvető eszköze címszavakban a következő: elektronikus vezérlésű Common-Rail hajtóanyag-ellátó rendszer; a hűtött kipufogógáz-visszavezetés (EGR) és elektronikus szabályozású hűtött változata (CEGR); a kipufogógáz hőmérsékletét szabályozó rendszer (ETM); a levegőellátó rendszer, egy vagy két intercooleres turbófeltöltővel, ahol az első turbófeltöltő rögzített (fix) kivitelű, a második levegőtöltő wastegate szeleppel szabályozott (WGT) vagy változtatható beömlésű (VTG) turbófeltöltő. A kipufogógáz-utókezelő rendszer további része a dízeloxidációs katalizátor (DOC), részecskeszűrő (DPF), az AdBlue (DEF) segédanyaggal működő szelektív katalizátoros redukciós (SCR) rendszer, valamint az AdBlue felhasználásából visszamaradt ammónia semlegesítésére szolgáló (AOC) katalizátor.
A motor vezérlését számos elektromos szenzor és elektronikus motorvezérlő egység (ECU) biztosítja. A mostani fejlesztések olyan irányba mutatnak, hogy a továbbfejlesztett egységek hatékonyabban működésével a dízelmotorhoz kevesebb rendszert, eszközt kelljen felhasználni, annak ellenére, hogy a megengedhető szennyezőanyagok emissziós értékeire szigorúbb elírások vonatkoznak. Az európai előírásokat (1. táblázat) szemlélve négy csoport különböztethető meg: a 19 kW-ig terjedő; a 19 kW-tól az 56 kW-ig; az 56 kW-tól az 560 kW-ig és az 560 kW feletti motorok csoportja.
Az egyes csoportokba tartozó termékek ma már többé-kevésbé hasonló levegő- és kipufogógáz-kezelő berendezésekkel rendelkeznek, a tömeggyártás és a felhasználás egyszerűbbé, gazdaságosabbá tétele érdekében.
Az igen sokféle eredményes új fejlesztési megoldás közül csak néhányat mutatunk be, amelyek az egyes motorteljesítmény-csoportokon túl a többi termékre is jellemzők lehetnek.
19 KW-NÁL KISEBB TELJESÍTMÉNYŰ MOTOROK
Az ide tartozó dízelmotorokat előszeretettel alkalmazzák fűnyírókhoz, kis mezőgazdasági gépekhez, szivattyúkhoz, áramfejlesztőkhöz stb. Az ebbe a csoportba tartozó motorokhoz igyekeznek nagyon kevés kipufogógáz- utókezelő berendezést használni. Újdonságnak számít a japán, új tervezésű Kubota V1505-E4B típusjelzésű dízelmotor, amely kipufogógáz-utókezelés nélkül, önmagában teljesíti a Stage V előírást az E-TVCS égéstérrel (2. ábra).
A japán Kubota V1505-E4B dízelmotor az új E-TVCS (Three Vortex Combustion System) hármas örvénylésű égéstér-kialakítással rendelkezik, amely az örvénykamrás égéstér továbbfejlesztett változata, elektronikusan vezérelt új befecskendezési rendszerrel. Az E-TVCS égési megoldás nagyon kis károsanyag-tartalmú kipufogógázt bocsát ki, és igen csendes működésű. Hátránya az örvénykamrás égéstérmegoldásnak, hogy a motor fajlagos hajtóanyag-fogyasztása (245–255 g/kWh) viszonylag magas, ezért jelenleg nagy teljesítményű mezőgazdasági dízelmotorokhoz nem alkalmazzák.
A Kubota V1505-E4B dízelmotor négyütemű, folyadékhűtésű, szívó rendszerű, 4 hengeres, soros hengerelrendezésű, 1498 cm3 lökettérfogatú, 78 mm furatú, 78,4 mm löketű. A motor névleges teljesítménye 18,5 kW (24,8 LE), 2300 1/min fordulaton, maximális nyomatéka 92,6 Nm 1700 1/min fordulatszám mellett.
A 19 KW-TÓL AZ 56 KW-IG TERJEDŐ TELJESÍTMÉNYŰ MOTOROK
A mezőgazdasági dízelmotorok kipufogógáz-utókezelésére ebben a teljesítménycsoportban mindenféleképpen szükség van. Különböző irányzatok léteznek, például az egyikben a részecskeszűrő (DPF) elhagyására törekednek, a másikban a szelektív katalitikus rendszert (SCR-AdBlue) mellőzik, a harmadikban a kipufogógáz-visszavezetés rendszerét (EGR) teszik szükségtelenné a hatékonyabb kivitelű SCR alkalmazása mellett, illetve ezek kombinációja is előfordul.
A Ricardo angol fejlesztőcég szabadalmaztatott új Twin Vortex Combustion System (TVCS) ikerörvénylésű égési rendszere (3. ábra) újdonság a közvetlen befecskendezésű dízelmotoroknál, amely nem tévesztendő össze a Kubota E-TVCS (Three Vortex Combustion System) hármas örvénylésű égési rendszerrel.
A TVCS égéstérmegoldás előnye abban van, hogy benne két gyűrű alakú (felső és alsó), egymással ellentétesen forgó örvénymozgás jön létre, amelynek során kedvezően keveredik a levegő a befecskendezett hajtóanyaggal. A TVCS rendkívül alacsony koromtartalmú égést tesz lehetővé, kedvező fajlagos hajtóanyag-fogyasztás (210–215 g/kWh) mellett, és alkalmazása esetén nem szükséges részecskeszűrőt (DPFet) használni.
AZ 56 KW-TÓL AZ 560 KW-IGTERJEDŐ TELJESÍTMÉNYŰ MOTOROK
Az FPT Industrial amerikai-olasz motorgyár ebben a teljesítménycsoportban meghatározó szerepet képvisel az egy évtizeddel ezelőtti új kipufogógáz-utókezelő rendszerének kidolgozásával, amelynek mai változata a Hi-eSCR2 elnevezést viseli (4. ábra).
(forrás: fptindustrial.com)
A szabadalommal védett megoldás új kialakítású szelektív katalitikus SCR-AdBlue kipufogógáz-utókezelő rendszerrel rendelkezik. Az FPT motorok Hi-eSCR2 megoldással a Stage V előírást teljesítik, úgy, hogy nem kell kipufogógáz-visszavezető (EGR) rendszert és dízelrészecske-szűrőt (DPF) alkalmazni. Az EGR elhagyása a motor teljesítményének növekedését és a fajlagos hajtóanyag-fogyasztás mérséklését eredményezi. A DPF gyakorlati elhagyása a szűrőrendszer körülményes regenerálásának megszűnését, tisztításának szükségtelenségét jelenti.
A motorgyártók nagy része követte az FPT irányát az EGR elhagyásával, a részecskeszűrő (DPF) méretének drasztikus csökkentésével vagy a szelektív katalitikus redukció (SCR) nélkülözésének megvalósításával.
AZ 560 KW FELETTI, NAGY TELJESÍTMÉNYŰ MOTOROK
A hatósági előírások betartása érdekében ebben a teljesítménycsoportban – mivel a NOx-előírások szigorúbbak – valamennyi típusú kipufogógáz-utókezelő egységet használják (lásd 1. ábrát). A kipufogógáz-visszavezetésnél az EGR előtt jelentős hűtés szükséges a kevesebb NOx-képződés elősegítése érdekében, de ez sajnos hozzájárul a részecskék PM-mennyiségének a növekedéséhez, amit nagyobb kapacitású DPF alkalmazásával fognak vissza.
(forrás: cummins.com/components/emission)
ÚJABB SZERKEZETI MEGOLDÁSOK
Az amerikai Cummins többek között a következő új megoldásokat dolgozta ki a „tiszta” mezőgazdasági dízelmotor megvalósítása érdekében: a turbófeltöltés elektronikus szabályozása Rotary Turbine Control (RTC) forgó turbinavezérlés (forgótolattyús vezérlés) alkalmazásával (5. ábra). Az RTC-megoldás kibővíti a motor szabályozásának lehetőségét, mert a 6. ábra alapján a következő tolattyúhelyzetekben: a) motorféküzem valósítható meg 6 bar nyomásig; b) a turbófeltöltés növekedhet 100%-os töltőnyomásig; c) wastegate szabályozás, akár 50%-ig; d) töltőnyomás-korlátozás valósítható meg akár 100%-ig.
(forrás: cummins.com/components/emission)
A Cummins az SCR-rendszer továbbfejlesztése során kialakította a TW IN DOSING SCR-megoldást, a 2. fázisú SCR-technológiát (7. ábra). Ennél a megoldásnál az SCR 1 egység előkészíti a kipufogógázt tisztításra, amit az SCR 2 egység fejez be. Az SCR-megosztás segítségével finomabban szabályozható az AdBlue folyadék adagolása és a DOC, valamint a DPF működése.
A JÖVŐ KILÁTÁSAI
A közeljövőben az amerikai és az európai előírások további szigorítása várható az egységesítésre való törekvés elősegítése mellett. Az amerikai új Tier 5. szintű tervezetben a nem közúti dízelmotorok NOx– és PM-kibocsátásának további 50–90%-os csökkentése szerepel – a motor teljesítménykategóriájától függően –, és ez a szigorítás már akár a 2028–2030 közötti időszakban hatályba lépne.
A nagy mezőgazdasági dízelmotorgyártók bíznak a jövőben, és a folyamatos fejlesztés eredményeként új motortípusokat állítanak elő.
Dr. Varga Vilmos ny. okl. gépész- és villamosmérnök
