Technologie silnikowe - Czas na Stage V

Technologie silnikowe - Czas na Stage V

Silniki nowych pojazdów typu nonroad (ang. Nonroad Mobile Machinery NRMM), jak wiadomo, będą podlegać wartościom granicznym dla normy emisji spalin Stage V. Są one określone w nowym rozporządzeniu UE 2016/1628 zastępującym dotychczasową dyrektywę emisyjną 97/68WE. Dla rolniczych i leśnych maszyn pociągowych (ciągników) istnieje w postaci UE 2015/96 z kolei odrębne rozporządzenie (analogicznie 2000/25WE).

Do tej pory obowiązywały zasady „im wyższa klasa mocy, tym surowsze wartości graniczne” i „im wyższa klasa mocy, tym wcześniejsze momenty wprowadzenia”. Pierwsza zasada obowiązuje – przynajmniej dla reglamentowanych do tej pory klas mocy (19 do 560 kW) – w dalszym ciągu, z kolei druga już nie do końca. Celem Stage V była harmonizacja w odniesieniu do momentów wprowadzenia (tabela 1.). Jednakże także tutaj istnieją znów okresy przejściowe i regulacje specjalne, które ostatecznie trochę wykrzywiają obraz (ramka).
W ramach Stage V po raz pierwszy będą obowiązywać wartości graniczne także dla ciągników o mocy poniżej 19 kW/26 KM i powyżej 560 kW/761 KM. Wartości dla tlenków azotu (NOx) i masy cząstek stałych (PM) są jednakże w wypadku tych „nowych” klas mocy mniej surowe niż w wypadku dotychczas reglamentowanych klas mocy. I tak np. emisja NOx w wypadku nowej najwyższej klasy mocy >560 kW może być przy 3,5 g/kWh prawie dziewięciokrotnie wyższa niż w wypadku klasy 130 ≤ P ≤ 560 kW. Ogólnie wartości granicz­ne dla NOx i PM kształtują się tym samym mniej więcej na poziomie Stage IIIA danych klas sąsiednich.
W wypadku „starych” klas mocy limit dla PM zostanie jeszcze raz obniżony i dojdzie jako nowość wartość graniczna dla liczby cząstek stałych (PN). Tym samym ma zostać zminimalizowana emisja dostających się do płuc, bardzo małych cząstek stałych, które są szczególnie szkodliwe dla zdrowia człowieka. Wartość graniczna dla PN 1x1012 (#/kWh) może zostać utrzymana z obecnego punktu widzenia tylko za pomocą zamkniętych systemów filtrów cząstek stałych.
Nowością w wypadku Stage V jest ponadto monitorowanie emisji silników podczas pracy (in service monitoring) oraz okres trwałości emisji (EDP) wynoszący 8 tys. mth (ana­logicznie 700 tys. km przebiegu w wypadku samochodów ciężarowych). I co w szczególno­ści dla ciągników w przyszłości będzie miało znaczenie - jeśli chodzi o podział na klasy mo­cy, to nie będzie obowiązywać moc znamionowa, lecz najwyższa moc użytkowa, czyli moc maksymalna wraz z funkcją boost! Tym samym nie będzie w przyszłości sytuacji, że ciągni­ki rolnicze w praktyce wykazują moc maksymalną około 75 kW, podczas gdy na papierze są ho­mologowane ze znacznie niższą mocą znamionową.

Prawdopodobnie mniejsza różnorodność kombinacji

Przepisy dotyczące emisji spalin pozostają tym samym w dalszym ciągu ważnym motorem napędowym dla rozwoju technologicznego. Większość producentów nie wypowiada się o­be­cnie za dużo w sprawie rozwiązań w zakresie Stage V, jednakże zarysowujące się kom­bi­nacje technologiczne można wyczytać z najnowszych rozwiązań konstrukcyjnych produ­cen­tów silników. Technologia wtrysku paliwa Common-Rail, technika czterozaworowa, tur­bo­sprę­żarka, chłodnica powietrza doładowującego, wentylator ze sprzęgłem wiskozowym i ele­ktroniczne sterowanie silnika stanowią przy tym w dalszym ciągu podstawowe filary tech­niki silnikowej, aby móc pogodzić ze sobą wymagania w zakresie mocy, zużycia paliwa i e­misji spalin. Także w wypadku technologii spalinowych producenci sięgają najczęściej do znanych technologii. Podczas gdy różnorodność kombinacji w wypadku Stage IV by­ła jeszcze stosunkowo duża, to w odniesieniu do ciągników standardowych nieobjętych re­gu­lacjami specjalnymi będzie ona ograniczona w przyszłości najprawdopodobniej do kombi­na­cji „AGR/DOC/DPF/SCR” i „DOC/DPF/SCR” (grafika 1).
Dieslowski katalizator utleniający (DOC), dieslowski filtr cząstek stałych (DPF) i selektywna redukcja katalityczna (SCR) jako systemy przeznaczone do oczyszczania spalin są tym sa­mym określone i będzie teraz już tylko chodzić o (filozoficzne) pytanie o to, czy recyrkulacja spalin (AGR) jako technologia wewnątrzsilnikowa do redukcji tworzenia się NOx jest jeszcze potrzebna czy też nie.
To wynika także z tabeli 1. Firmy Deutz (własne serie), John Deere i Perkins będą stosować w dalszym ciągu wszystkie cztery technologie spalinowe. Firma FPT Industrial rezygnuje z kolei z recyrkulacji spalin. Firma MAN z nowym silnikiem 9 l (D1556), który najpraw­dopodobniej w przyszłości będzie odgrywał rolę w ciągnikach, znajduje się również na ścież­ce „SCR only”. Głównymi powodami są rezygnacja z koniecznych w wypadku AGR mo­cy chło­dzą­cych oraz zmniejszenie ogólnej kompleksowości technicznej.
W wypadku systemów oczyszczania spalin (DOC, DPF, SCR) istnieje ogólnie tendencja ku bardziej efektywnym i kompaktowym jednostkom. Jednakże w wypadku maszyn z powo­du ograniczonego dostępnego miejsca w obrębie silnika trudno jest połączyć je w ramach jed­ne­go modułu, jak to jest np. możliwe w samochodach ciężarowych. Dlatego firma FPT Industrial jako jeden z pierwszych producentów zaprezentowała system o nazwie SCRonFil­ter (SCRoF), w wypadku którego filtr cząstek stałych wykazuje powłokę SCR i tym samym przejmuje część redukcji NOX. Dzięki temu właściwy katalizator SCR może być bar­dzo kompaktowy, a cały system DOC/DPF/SCR dla Stage V potrzebuje tylko trochę więcej miejsca niż dotychczasowa kombinacja DOC/SCR dla Stage IV. Firma FPT będzie stosować SCRoF w przyszłości we wszystkich silnikach typu nonroad o pojemności skokowej 4,5 l i wyższej.
To, że w wypadku silników reprezentujących Stage V w typowych klasach mo­cy nie można zrezygnować z zamkniętych systemów DPF, jest związane (o czym już wyżej), z wprowadzeniem wartości granicznych dla PN. Nowa wartość graniczna dla PM wyno­sząca 0,015 g/kWh byłaby za pomocą rozwiązań wewnątrzsilnikowych i DOC praw­dopo­do­bnie jeszcze do osiągnięcia, ponieważ w ten sposób są redukowane w szczególności więk­sze cząstki stałe, które mają szczególne znaczenie dla masy cząstek stałych.
Tam, gdzie jest DPF, jest prawie zawsze także DOC. Istotne zadanie tego „wstępnego kata­li­zatora” polega na zwiększeniu udziału dwutlenku azotu (NO2). Ten związek zalicza się wpra­w­dzie do grupy substancji szkodliwych NOx, które ostatecznie mają zostać zredukowane, ale ze względu na wysoką zdolność reagowania z cząstkami stałymi zmniejsza je z jednej strony już w samym DOC, zaś z drugiej strony zapewnia w DPF ciągłą pasywną regenerację w ten spo­sób, że znajdujące się w porowatym substracie filtrowym cząstki stałe są utleniane. Wy­so­ki udział NO2 ma ponadto pozytywny wpływ na wydajność katalizatorów SCR, które dzi­siaj muszą osiągać stopień przetwarzania NOx na poziomie do 95%.
Przebiegające ogólnie w DOC procesy utleniania (także tlenku węgla CO i węglowodoru HC) zwiększają ponadto temperaturę spalin, co dla dłuższego funkcjonowania DPF i katalizatora SCR - w szczególności w trybie niskiego obciążenia - jest nieodzowne.

Dotychczasowe osiągnięcia, spojrzenie w przyszłość

W dwóch ostatnich dziesięcioleciach udało się w znaczącym stopniu ograniczyć emisję NOx i PM w wy­padku NRMM. Jednakże producenci musieli zainwestować w tym celu ogromne su­my pie­niędzy w opracowanie nowych technologii silnikowych i spalinowych oraz w dostoso­wanie pojazdów; częściowo musieli przeznaczyć na ten cel do 50% całego budżetu na prace kon­strukcyjne. Te koszty zostały oczywiście doliczone do kosztów produkcji, co w wypadku sil­ni­ków w ciągu ostatnich 20 lat doprowadziło mniej więcej do dwukrotnego wzrostu cen.
Stage V oznacza od 2019 r. kolejne zaostrzenie wartości granicznych, a jednocześnie mu­szą zostać spełnione nowe dodatkowe obowiązki. Można by pomyśleć, że został osiągnięty finalny progres, jeśli chodzi o gazowe i stałe sub­stancje szkodliwe. Jednakże spojrzenie ku ciężkim pojazdom użytkowym nasuwa przy­­puszczenie, że w Brukseli snute są nowe plany, które sprawią, że działy konstrukcyjne producentów także w przyszłości będą miały sporo zajęcia.

Roger Stirnimann, docent techniki rolniczej w Wyższej Szkole Rolnictwa, Leśnictwa i Nauk o Ży­wności HAFL, Zollikofen (Szwajcaria).

opracował Grzegorz Antosik

Redakcja ATR

Reklama
Powiązane artykuły