Željko Đurić, ma, dipl. inž mašinstva
Rezime: Savremeni motori moraju da zadovolje veoma složene zahtjeve u pogledu pogonskih karakteristika, energetskih i ekoloških pokazatelja. Ekološki pokazatelji spadaju u aktuelne teme, bilo da se radi o novom vozilu koje treba da dobije odobrenje tipa ili da se radi o vozilu koje je već u eksploataciji, pa treba da zadovolji zahtjeve pri periodičnoj provjeri tehničke ispravnosti vozila. Sirova emisija izduvnih gasova savremenih motora sa unutrašnjim sagorijevanjem (motora SUS) ima određene specifičnosti u odnosu na emisiju motora SUS starije generacije. Sistem za naknatni tretman emisije izduvnih gasova takođe je usavršavan kako bi se zadovoljile propisane vrijednosti za koncentraciju pojedinih komponenti u emisiji izduvnih gasova. U radu su date specifičnosti sirove emisije izduvnih gasova savremenih motora SUS, pregled sistema za naknadni tretman emisije izduvnih gasova i mogućnosti kontrolisanja emisije na tehničkom pregledu vozila.
Ključne riječi: savremeni motori SUS, emisija izduvnih gasova, katalitičke tehnologije
1. UVOD
U kojoj mjeri motorna vozila predstavljaju ekološko opterećenje posmatrane sredine zavisi od više faktora, od kojih ćemo istaći sljedeće: broj vozila u eksploataciji, intenzitet korišćenja vozila, vrsta pogonskog agregata, karakteristike pogonskog goriva, uslovi eksploatacije vozila.
Broj vozila koja se danas eksploatišu u drumskom saobraćaju je skoro dvostruko veći nego na početku ovog vijeka. Intenzitet korišćena vozila je višestruko veći nego što je to bilo sredinom prošlog vijeka. Više od 95% od ukupnog broja novih vozila koja se godišnje prodaju u svijetu pogonjena su konvencionalnim pogonom, gdje se kao pogonski agregat koristi oto ili dizel motor. Posebno nepovoljnom, smatra se eksploatacija motornih vozila u gradskim uslovima, gdje motor SUS radi na niskim opterećenjima, na režimima rada pri kojima je velika specifična efektivna potrošnja goriva i nepovoljna emisija izduvnih gasova.
Usavršavanjem motora SUS (i opreme motora) ekonomičnost mu je povećana blizu 50% tokom poslednjih 50 godina, što je bitno uticalo i na sirovu emisiju izduvnih gasova. Primjenom sistema za naknadni tretman emisije izduvnih gasova koncentracija štetnih materija je dodatno smanjena.
Već je napomenuto da na emisiju izduvnih gasova bitno utiče i vrsta pogonskog agregata. U ukupnom broju novih vozila koja se prodaju u svijetu u toku jedne godine dominiraju vozila pogonjena oto motorom (Slika 1). U ukupnom broju novih motornih vozila koja su u evropskoj uniji (EU) prodana u 2016. godini, procentualni udio vozila sa oto motorom iznosi 49,9%, a vozila sa dizel motorom 45,9%. Udio vozila sa alternativnim pogonom iznosio je 4,2%.
U ukupnom broju motornih vozila koja su u 2019. godini pregledana na stanicama tehničkog pregleda vozila u Republici Srpskoj, procentualni udio vozila pogonjenih dizel motom iznosi oko 70%, a vozila pogonjenih oto motorom oko 30%, pri čemu određeni procenat vozila sa oto motorom kao pogonsko gorivo mogu koristiti motorni benzin ili tečni naftni gas (TNG).
HEV- hibridno-električna vozila; HEVMP- hibridno-električna vozila sa mrežnim punjenjem; EV-električna vozila; TNG- tečni naftni gas, KPG-komprimovani prirodni gas
Slika 1. Struktura pogonskih agregata novih, putničkih i lakih teretnih, vozila prodanih u svijetu u 2017. godini, [2]
2. IZDUVNA EMISIJA VOZILA
Od energije koja se gorivom unese u motor oko 30 % se pretvori u mehanički rad koji se iskoristi za kretanje vozila (Slika 2.). Naravno, govorimo o najpovoljnijem slučaju, kada motor radi sa najvećim efektivnim stepenom korisnosti. Iz toplotnog bilansa se može uočiti da izduvni gasovi kod savremenih motora odnose oko 40% energije u obliku: kinetičke, pritisne i hemijske energije. Očekuje se da će budući optimizirani motori SUS imati efektivni stepen korisnosi oko 50%. Dakle, izduvni gasovi iz vozila predstavljaju veliko opterećenje za okolinu.
Slika 2. Toplotni bilans motora SUS,[2]
Emisija izduvnih gasova iz vozila sadrži preko stotinu jedinjenja i međuprodukata od kojih su neka toksična za ljudski organizam i vrše negativan uticaj na okolinu. Bez obzira da li govorimo o savremenim vozilima sa oto ili dizel motorom, da bi vozilo dobilo odobrenje tipa i moglo da se prodaje na evropskom tržištu, ono mora da zadovolji i evropske propise za odobrenje tipa vozila u pogledu emisije. Homologacijskim propisima propisane su dozvoljene količine toksičnih materija u emisiji izduvnih gasova koje se javljaju u značajnijoj količini, a to su: ugljen-monoksid (CO), nesagorjeli ugljovodonici (HC), oksidi azota (NOx), čestice (PM), nemetanski ugljovodonici (NMHC) i metan (CH4) kod vozila pogonjenih prirodnim gasom (KPG).
Ugljen-monoksid je vrlo otrovan gas i nastaje kao produkt nepotpunog sagorijevanja ugljenika iz goriva usljed nedostatka kisaonika. Javlja se pri bogatoj smješi, ali se u manjoj mjeri može pojaviti i pri stehiometrijskoj i siromašnoj smješi zbog loklnog nedostatka kiseonika usljed nesavršenog miješanja goriva i vazduha.
Nesagorjeli ugljovodonici nastaju usljed nepotpunog sagorijevanja molekula goriva zbog lokalnog nedostatka kiseonika i niske temperature u zonama uz zidove komore. Većina ugljovodonika u emisiji izduvnih gasova su toksični, a teži ugljovodonici mogu biti i kancerogeni.
Oksidi azota nastaju oksidaciojm azota iz vazduha a svi zajedno se obilježavaju sa NOx. U komori za sagorijevanje nastaje uglavnom azot-monoksid (NO) koji kasnije u izduvnom sistemu prelazi u azot-dioksid (NO2). Bitni preduslovi za nastanak oksida azota su visoka temperatura radnog ciklusa motora i dovoljna količina kiseonika. Azot-monoksid je toksičan za čovjeka i životinje. Azot-dioksid izaziva edem pluća sa smrtonosnim ishodom.
Čestice u izduvnim gasovima potiču uglavnom od nesagorjelog ugljenika iz goriva. Nastale čestice u komori upijaju razna jedinjenja iz goriva i maziva (na primjer policiklični ugljovodonici), pa su potencijalni uzročnici kancerogenih oboljenja.
Značajno smanjenje emisije izduvnih gasova, buke i potrošnje goriva, a time i zadovoljenje strogih zakonskih propisa, moguće je ostvariti ukoliko se uporedo radi na:
– konstrukcionim mjerama na motoru i opremi motora,
– novim tehnologijama za naknadni tretman izduvnih gasova,
– preformulacijama goriva i maziva i
– smanjenju otpora kretanju vozila.
Doprinos navedenih mjera može se vidjeti na Slici 3. gdje je prikazano smanjenje dozvoljenih emisija štetnih materija kod automobila kategorije M sa dizel motorom u posljednjih 30 godina.
Slika 3. Smanjenja dozvoljenih emisija štetnih materija kod automobila kategorije M sa dizel motorom [1]
2.1. Izduvna emisija vozila sa dizel motorom
Jedna od karakteristika dizel motora je sagorijevanja heterogene smješe, koja je neophodna da bi se procesom obrazovanja smješe regulisao proces sagorijevanja tako da se, što je moguće više, održi konstantan pritisak tokom sagorijevanja. Heterogena smješa se obrazuje ubrizgavanjem goriva u sabijeni vazduha kojim je ispunjen radni prosor motora. Prema obliku komore sagorijevanja razlikuju se:
– dizel motori sa podijeljenim prostorom za sagorijevanja (komorni motori), odnosno motori sa indirektnim ubrizgavanjem goriva i
– dizel motori sa jedinstvenim prostorom za sagorijevanja, odnosno motori sa direktnim ubrizgavanjem.
Na Slici 4. prikazani su dizel motor sa podijeljenim prostorom za sagorijevanje i dizel motor sa jedinstvenim prostorom za sagorijevanje.
Slika 4. Dizel motor:a) sa podijeljenim prostorom za sagorijevanje-komorni motori, b) sa jedinstvenim prostorom za sagorijevanje, odnosno direktnim ubrizgavanjem [1]
Dizel motori sa podijeljenim prostorom za sagorijevanje mogu imati različita konstrukciona izvođenja, ali su najzastupljeniji:
– dizel motori sa vihornom komorom i
– dizel motori sa pretkomorom.
Uopšte, sistem ubrizgavanja dizel goriva treba da obezbijedi:
– doziranje tačno određene količine goriva u tačno određenom trenutku u funkciji opterećenja motora i
– da tačno određenu količinu goriva ubrizga u komoru po određenom zakonu ubrizgavanja koji će diktirati i oslobođanje toplote tokom sagorijevannja.
Dizel motori sa podijeljenim prostorom za sagorijevanje (motori sa indirektnim ubrizgavanjem)
Kod dizel motora sa podijeljenim prostorm za sagorijevanje gorivo se ubrizgava u pretkomoru, gdje se miješa sa vazduhom, isparava i pali, zatim smješa prestrujava u glavnu komoru u kojoj se proces sagorijevanja nastavlja i završava.
Pritisci ubrizgavanja kod komornih dizel motora iznose od 350 do 450 bar. Brizgači kod ovih motora su sa mlaznicama sa jednim otvorom većeg prečnika. Zbog toga se mlaz goriva raspršuje u kapljice većeg srednjeg prečnika, što se odražava na isparavanje kapljice, potpunost sagorijevanja, potrošnju goriva, pa i na emisiju izduvnih gasova.
Komorni motori u odnosu na motore sa direktnim ubrizgavanjem imali su i do 20% veću potrošnju goriva.
Dizel motori sa jedinstvenim prostorom za sagorijevanje (motori sa direktnim ubrizgavanjem)
Značajan iskorak u usavršavanju dizel motora napravljen je pojavom koncepta direktnog ubrizgavanja dizel goriva u cilindar.
Prema načinu ubrizgavanja i obrazovanja smješe dizel motori sa jedinstvenim prostorom za sagorijevanje mogu biti:
– sa zapreminskim obrazovanjem smješe i
– sa filmskim obrazovanjem smješe.
Kod savremenih dizel motora sa direktnim, elektronski kontrolisanim, ubrizgavanjem pritisci ubrizgavanja iznose i preko 2000 bar. Visoki pritisci ubrizgavanja goriva, optimalan zakon ubrizgavanja i primjena brizgača sa mlaznicom sa više otvora predstavljaju značajan potencijal za smanjenje specifične efektivne potrošnje goriva, emisije izduvnih gasova i buke. Visokim pritiscima ubrizgavanja postignuto je bolje raspršivanje goriva i kontakt goriva sa vazduhom, što su bitni uslovi za potpunije sagorijevanje goriva, pa se smanjuje potrošnja goriva i emisija izduvnih gasova. Kao neželjeni efekti javljaju se veća buka sagorijevanja i emisija finih čestica, prečnika ispod 2,5 mm (PM 2,5). Višestukim ubrizgavanjem tokom jednog ciklusa riješen je problem buke. Primjer višestrukog ubrizgavanja u zavisnosti od opterećenja prikazan je na Slici 5.: pri vrlo niskim opterećinjima motora primijenjeno je dvostruko pilot ubrizgavanje, na niskim opterećinjima primjenjuje se pilot ubrizgavanje i glavno ubrizgavanje, pri visokim opterećenjima primjenjuje se dvostruko ubrizgavanje s tim da drugo ubrizgavanje kraće traje i pri vrlo visokim opterećenjima motora primjenjuje se jednostruko ubrizgavanje.
Pored visokog sadržaja finih čestica, za sirovu emisiju izduvnih gasova dizel motora sa direktnim ubrizgavanjem karakteristična je i visoka koncentracija NOx. Nastanku NOx pogoduje visoka vršna temperatura ciklusa uz dovoljnu količinu kiseonika. Ako se proces sagorijevanja vodi tako da su vršne temperature tokom ciklusa više, manje je čestica ali je više NOx, a ako su temperature niže manje je NOx, ali je više čestica. Kod savremenih dizel motora, sa elektronski kontrolisanim ubrizgavanjem, ovaj problem se djelimično prevazilazi optimiziranjem procesa sagorijevanja. Odstranjivanje finih čestica, NOx, CO i HC iz sirove emisije izduvnih gasova vrši se primjenom savremenih tehnologija za naknadni tretman emisije izduvnih gasova.
Slika 5. Višestruko ubrizgavanje u zavisnosti od režima rada motora [1]
U Tabeli 1. date su granične vrijednosti za emisije izduvnih gasova dizel motora putnčkih vozila u Evropi i tehnologije primijenjene u sistemu za naknadni tretman emisije izduvnih gasova.
Tabela 1. Granične vrijednosti za emisije izduvnih gasova dizel motora putnčkih vozila u Evropi i tehnologije primijenjene u sistemu za naknadni tretman emisije izduvnih gasova
1-PM = masa čestica,
2- PN = broj čestica. Od 2017 godine PN= 6×1011,
3-Od 2017 godine uvodi se i alternativni ciklus-svjetski harmonizovani WLTP,
DOC(engl. Diesel Oxidation Catalyst) – oksidacioni katalizator dizel motora,
EGR(engl. Exhaust Gas Recirculation) – sistem za recirkulacija izduvnih gasova,
DPF(engl. Diesel Particulate Filter) – hvatač (filter) čestica,
NSC(engl. NOx Storage Catalyst) – katalitički adsorber (akumulacioni katqlizator),
SCR (engl. Selective Catalyst Reduction) – katalizator za selektivnu katalitičku redukciju
Za naknadno tretiranje izuvnih gasova kod savremenih dizel motora uglavnom se primjenjuje nekoliko tehnologija i to: recirkulacija izduvnih gasova, katalitičke tehnologije (primjena katalitičkih konvertora-katalizatora) i eliminisanje čestične emisije primjenom hvatača čestica.
Sistem za recirkulaciju izduvnih gasova (EGR). Primjena sistema za recirkulaciju izduvnih gasova je prvi concept za smanjanje sadržaja NOx u emisiji izduvnih gasova. Recirkulacijom izduvnih gasova dio izduvnih gasova se vraća u cilindar motora. Na taj način se smanjuje vršna temperatura sagorijevanja, a time je smanjena koncentracija NOx u emisiji izduvnih gasova. Za vozila koja su trebala da zadovolje normu Euro 5, razvijen je sistem sa recirkulacijom hlađenih izduvnih gasova. Na Slici 6. prikazana je recirkulacija izduvnih gasova pod niskim pritiskom i recirkulacija izduvnih gasova pod visokim pritiskom.
Slika 6. Primjer EGR: recirkulacija pod niskim pritiskom (lijevo): izduvni gasovi se uzimaju iza turbine, hlade se, miješaju se sa usisnim vazduhom i usisavaju u motor i recirkulacija pod visokim pritiskom ( desno): izduvni gasovi se uzimaju ispred turbine, hlade se, miješaju sa usisnim vazduhom i usisavaju u motor [3]
Oksidacioni katalizator (DOC). Primarni zadatak oksidacionog katalizatora kod dizel motora je oksidacija CO i HC uz pomoć viška kiseonika iz produkata sagorijevanja. Oksidacijom CO i HC nastaju ugljen-dioksid (CO2) i voda (H2O) koji nemaju direktni štetni uticaj na zdravlje ljudi. Oksidacioni katalizator takođe vrši i redukciju čestica, a oksidacijom NO u NO2 podržava se rad katalizatora kojim se eliminišu NOx.
Katalizatori za smanjanje emisije NOx (NSC/SCR). Primjena katalizatora (NSC/SCR) je drugi concept za smanjanje sadržaja NOx u emisiji izduvnih gasova. Na Slici 7. prikazan je primjer savremenog sistema za naknadni tretman emisije izduvnih gasova automobilskog dizel motora. Zbog rada motora u oblasti siromašne smješe i velike promjene temperature emisije izduvnih gasova, za smanjenje emisije NOx primjenjuju se dva principa: katalitička adsorpcija u NSC katalizatoru i selektivna katalitička redukcija u SCR katalizatoru.
Akumulacioni katalizator (NSC). Katalitička adsorpcija je intenzivna pri nižim temperaturama izduvnih gasova, kada dolazi do zadržavanja oksida azota u NSC katalizatoru. Katalizator ima sposobnost da zadržava NO2, ali ne i NO, pa je prvo potrebno izvršiti oksidaciju NO u NO2. Kada dođe do zasićenja katalizatora motor počinje da radi sa bogatijom smješom, u emisiji izduvnih gasova se povećava sadržaj CO, H2 i ugljovodonika, potrebnih za proces regeneracije katalizatora. Tokom regeneracije, NOx koji je prethodno zadržan u NSC katalizatoru mora biti pretvoren u azot N2 i CO2. Dakle, NSC katalizator ima visoku efikasnost eliminisanja NOx pri nižim opterećinjima, odnosno nižoj temperature izduvnih gasova.
Slika 7. Savremeni sistem za naknadni tretman emisije izduvnih gasova automobilskog dizel motora, [2]
SCR katalizator. Selektivna katalitička redukcija se zasniva na redukciji NOx u prisustvu kiseonika uz primjenu redukcijskog sredstva. Kao dobro redukcijsko sredstvo pokazao se 32,5 %-ni rastvor uree u demineralizovanoj vodi (komercijalni naziv AdBlue). Rastvor se raspršuje pomoću brizgača, ispred SCR katalizatora, a doziranje vrši kontrolna jedinica u zavisnosti od ubrizgane količine goriva i broja obrtaja motora. U prednjem dijelu katalizatora hidrolizom uree nastaje amonijak NH3 koji je jako redukcijsko sredstvo, tako da u srednjem dijelu katalizatora dolazi do eliminisanja NOx. S obzirom da je NH3 jako otrovan, u završnom dijelu ga je potrebno eliminisati. Pun potencijal SCR katalizator ostvaruje pri višim opterećenjima.
Hvatač čestica (DPF)
Vozila koja se prodaju na tržištu Evropske unije moraju zadovoljiti izuzetno stroge granice u pogledu emisije čestica (Tabela 1), a propisane vrijednosti jedino je moguće zadovoljiti primjenom hvatača čestica. Hvatač čestica radi na principu prečistača (filtera). Izduvni gasovi prolaze kroz poroznu površinu ispune hvatača, a na površini se zadržavaju čestice. Otpor strujanju kroz hvatač srazmjeran je stepenu punjenja hvatača. Kada se u hvataču ostvari neka granična vrijednost protivpritiska, hvatač se mora regenerisati. Da bi se obavila regeneracija temperatura izduvnih gasova treba da je iznad 600oC. Pri toj temperaturi, u prisustvu kiseonika iz viška vazduha, deponovane čestice sagorijevaju. Temperatura potrebna za regeneraciju hvatača čestica spontano se postiže na visokim opterećenjima. Da bi se regeneracija obavila i na nižim opterećenjim neophodno je obezbijediti ambijent za oksidaciju čestica. To se može postići tako što se podigne temperaturu emisije izduvnih gasova ( npr. naknadnim ubrizgavanjem goriva, tokom takta širenja) ili se snizi temperatura oksidacije čestica (npr. dodavanjem aditiva u gorivo ili primjenom katalitičkog premaza na hvataču čestica koji blago snizi temperaturu regeneracije).
2.1.1. Ispitivanje izduvne emisije vozila sa dizel motorom na stanici tehničkog pregleda vozila
Pravilnikom o tehničkim pregledima vozila (Službeni glasnik BiH 33/19) propisano je da se tokom tehničkog pregleda ispitituju i izduvni gasovi motornih vozila. Pravilnik o izmjenama i dopunama pravilnika o dimenzijama, ukupnoj masi i osovinskom opterećenju vozila, o uređajima i opremi koju moraju imati vozila i o osnovnim uslovima koje moraju ispunjavati uređaji i oprema u saobraćaju na cestama (Službeni glasnik BiH 26/19), u daljem tekstu Pravilnik, propisuje: koji parametar se mjeri, na koji način se mjeri, referentne vrijednosti parametra koji se mjeri i koja vozila su izuzeta od ispitivanja izduvne emisije.
Kod vozila sa dizel motorom, kojima se prema Pravilniku vrši ispitivanje izduvne emisije, potrebno je ispitati stanje izduvnog sistema (da li su svi elementi izduvnog sistema koje je proizvođač vozila ugradio prisutni na vozilu i da li su ispravni) i vrijednost srednjeg koeficijenta apsorpcije svjetlosti (k).
Srednji koeficijent apsorpcije svjetlosti izduvnog gasa (k) se određuje na radnoj temperaturi motora, a izračunava kao srednja vrijednost najmanje tri mjerenja metodom slobodnog ubrzanja od (propisanog) broja obrtaja u praznom hodu do (propisanog) najvećeg dozvoljenog broja obrtaja.
Nije dozvoljeno da rasipanje rezultata mjerenja koji ulaze u izračunavanje srednje vrijednosti, izračunato kao apsolutna vrijednost razlike najveće i najmanje vrijednosti koeficijenta apsorpcije svjetlosti, bude veće od 0,5 m-1.
Referentne vrijednosti
• Za vozilo koje je prvi put registrovano u Bosni i Hercegovini prije 11. aprila 2007. godine nije dozvoljeno da je srednji koeficijent apsorpcije svjetlosti izduvnog gasa veći od:
– 3,22 m-1, ukoliko snaga motora nije veća od 73,5 kW;
– 2,44 m-1, ukoliko je snaga motora veća od 73,5 kW.
• Za vozilo koje je prvi put registrovano u Bosni i Hercegovini od 11. aprila 2007. godine, na radnoj temperaturi motora, nije dozvoljeno da premaši od proizvođača propisanu vrijednost srednjeg koeficijenta apsorpcije svjetlosti izduvnog gasa (k).
• Ukoliko podaci proizvođača nisu poznati nije dozvoljeno da srednji koeficijent apsorpcije svjetlosti izduvnog gasa bude veći od:
1) 2,5 m-1, u slučaju vozila sa usisnim motorom,
2) 3,0 m-1, u slučaju vozila sa prehranjivanim motorom,
3) 1,5 m-1, u slučaju vozila koje je proizvedeno nakon 31. decembra 2008. godine i odgovara
zahtjevima jednoobraznih tehničkih uslova u pogledu emisije gasovitih zagađivača nivoa
“Euro 4” ili višeg, osim vozila navedenih pod 4),
4) 0,7 m-1, u slučaju vozila koje odgovara zahtjevima jednoobraznih tehničkih uslova u pogledu emisije gasovitih zagađivača nivoa “Euro 6” ili višeg, i koje je prvi put registrovano u Bosni i Hercegovini nakon dana stupanja na snagu Pravilnika.
Priprema vozila za ispitivanje izduvne emisije
Pripremne radnje koje su iste za sve izvedbe motora (Oto i Dizel):
Prije početka ispitivanja potrebno je ugasiti motor i provjeriti nivo ulja u vozilu. Ako je nivo neodgovarajući (ulja ima previše ili premalo) ispitivanje se ne smije vršiti, jer može doći do oštećenja motora ili do dobijanja pogrešnih podataka mjerenja. Ako je nivo ulja odgovarajući, na osnovu dužine šipke za mjerenje nivoa ulja treba pažljivo podesiti dužinu mjerne sonde za mjerenje temperature ulja. Prevelika dužina sonde može dovesti do udaranja koljenastog vratila o sondu, oštećenja sonde ili zaplitanja sonde oko koljenastog vratila. Sonda nedovoljne dužine neće biti uronjena u ulje, pa se ne može dobiti stvarna temperatura ulja. Kada se podesi dužina mjerne sonde, ona se postavlja u cijev kroz koju prolazi šipka za mjerenje nivoa ulja, tako da konusni završetak sonde dobro prijanja uz otvor cijevi šipke za ulje i osigurava nepropusnost. Nakon toga, potrebno je postaviti instrumente za mjerenje broja obrtaja na način kako to nalaže proizvođač mjernog instrumenta. Sve navedene radnje se izvode dok je motor ugašen. Nakon toga je potrebno upaliti motor i sačekati dok se ne postigne radna temperatura (temperatura ulja minimalno 80oC). Tek tada se može mjerna sonda za mjerenje sastava izduvnih gasova postaviti u izduvnu cijev.
Pripremne radnje koje se odnose samo na dizel motor:
Da bi se dobili tačni rezultati mjerenja mora se izvršiti produvavanje motora ( ujedno i provjera najvećeg broja obrtaja). Produvavanje se vrši tako da se motor ubrzava do najvećeg broja obrtaja, da bi se iz motora i izduvnog sistema izbacila sva čađ koja se nakupila, pogotovo u gradskim uslovima vožnje. Ako se utvrdi da regulator broja obrtaja ne obavlja svoju funkciju, tj. ne ograničava broj obrtaja, dalje ispitivanje treba prekinuti i vozilo proglasiti neispravnim.
Produvavanje motora izvodi se konstantnim pritiskom na papučicu za gas do kraja njenog hoda, tj. do postizanja maksimalnog broja obrtaja. Pritiskanje papučice do kraja njenog hoda treba trajati jednu sekundu. Motor se treba zadržati na maksimalnom broju obrtaja od 0,5 do 2 sekunde, a zatim se papučica treba otpustiti i pustiti da se motor vrati na prazan hod. Do sljedećeg ubrzavanja potrebno je sačekati najmanje 15 sekundi. Ovaj postupak treba ponavljati nekoliko puta, sve dok se vrijednost srednjeg koeficijenta apsorpcije svjetlosti par uzastopnih produvavanja ne ustali.
Mjerenje srednjeg koeficijenta apsorpcije svjetlosti
Postupak ubrzavanja motora tokom ispitivanja je identičan onom pri produvavanju. Poslije svakog ubrzanja motora, uređaj mjeri vrijednost srednjeg koeficijenta apsorpcije svjetlosti i mjerenje se može ponoviti više puta (najviše deset) sve dok se ne dobiju tri uzastopne vrijednosti koje se međusobno ne razlikuju za više od 0,5 m-1. Nakon najmanje tri uzastopna ubrzanja motora izračunava se vrijednost srednjeg koeficijenta apsorpcije svjetlosti.
Izmjerenu vrijednost srednjeg koeficijenta apsorpcije svjetlosti potrebno je uporediti sa referentnim vrijednostima propisanim u Pravilniku.
Neke specifičnosti koje se mogu javiti kod ispitivanja izduvne emisije savremenih vozila sa dizel motorom:
• Kada se naglo pritisne komanda za gas do krajnjeg položaja komande motor postiže broj obrtaja od oko 2500 min-1 i ograniči dobavu goriva tako da nema daljeg ubrzavanja motora (takvi motori u vožnji pod opterećenjem postižu maksimalne brojeve obrtaja od oko 6000 min-1). U ovom slučaju potrebno je u zapisniku navesti da motor u praznom hodu ne može ostvariti više od datog broja obrtaja (npr 2500 min-1).
• Izmjerena vrijednost srednjeg koeficijenta apsorpcije svjetlosti je k=0. U ovom slučaju procedura ispitivanja i uređaj za ispitivanje izduvne emisije, s obzirom na karakteristike čestične emisije savremenih dizel motora, nisu prikladni za ispitivanje izduvne emisije.
• Proizvođač na vozilu nije ugradio konvencionalni mjerač nivoa ulja (šipku za mjerenje ulja), pa temperaturu ulja nije moguće izmjeriti pomoću mjerne sonde. U zapisniku je potrebno navesti da na motoru nije moguće izmjeriti temperaturu primjenom mjerne sonde.
Ustanovljeno je da tokom ispitivanja emisije izduvnih gasova po postojećoj proceduri, na postojećoj opremi, pridržavajući se propisane vrijednosti koeficijenta k, većina Euro 6 dizel motora će zadovoljiti zahtjeve i bez hvatača čestica ukoliko su ispravni ostali sitemi na vozilu koji utiču na emisiju izduvnih gasova. Ovaj slučaj se javlja kada neispravan hvatač čestica treba zamijeniti novim. Pojedini vlasnici vozila, zbog visoke cijene novog hvatača, eliminišu postojeći hvatač ili na njegovo mjesto postavljaju element koji samo vizuelno podsjeća na hvatač čestica. U tom slučaju, savremeni dizel motori emituju veliku količinu podmikronskih čestica, a na tehničkom pregledu zadovoljavaju postavljene zahtjeve u pogledu emisije izduvnih gasova.
Zbog toga se u stručnoj javnosti sve češće govori o nedostacima: postojećih procedura, opreme i referentnih vrijednosti koeficijenta k. Direktivom 2014/45/EU, pored standardne procedure ispitivanja, za vozila sa dizel motorom Euro 5 i Euro 6, propisano je da se za ispitivanje izduvne emisije koriste i dijagnostički uređaji kojima se pristupa OBD dijagnostici na vozilu. Na taj način moguće je otkriti neke od neispravnosti na sistemima koji direktno utiču na emisiju izduvnih gasova.
Razlozi za neprolazak na tehničkom pregledu:
1. Vrijednost srednjeg koeficijenta apsorpcije svjetlosti izduvnog gasa (k) veća je od propisane granične vrijednosti.
2. Propuštanja gasa koja mogu uticati mjerenje emisije izduvnih gasova.
3. Oprema za naknadni tretman emisije izduvnih gasova, koju je proizvođač ugradio, nedostaje.
2.2. Izduvna emisija vozila sa oto motorom
Kod oto motora pogonjenih motornim benzinom obrazovanje smješe može biti spoljašnje i unutrašnje. Spoljašnje obrazovanje smješe može biti, prema načinu obrazovanja smješe, putem karburacije i putem ubrizgavanja. Prema mjestu ubrizgavanja ubrizgavanje može biti: centralno ubrizgavanje u usisni kolektor, ubrizgavanje u usisne vodove u oblasti usisnog ventila i direktno ubrizgavanje. Na Slici 8. prikazani su sitemi sa spoljašnjim obrazovanjem smješe, a na Slici 9. sistem sa unutrašnjim obrazovanjem smješe (direktno ubrizgavanje).
Slika 8. Sistemi sa spoljašnjim obrazovanjem smješe: centralno ubrizgavanje u usisni kolektor (lijevo) i ubrizgavanje u usisne vodove u oblasti usisnog ventila (desno), [4]
Za sistem obrazovanja smješe sa centralnim ubrizgavanjem u usisni kolektor u tehničkoj praksi se koristi termin SPI (Singl Point Injection). Ubrizgavanje je centralno, posredstvom jednog brizgača, za sve cilindre. Pritisak ubrizgavanja je oko 1 bar. Smješa koja se formira u usisnom kolektoru razvodi se do pojedinih cilindara.
Za sistem ubrizgavanja u usisne vodove u oblasti usisnog ventila u tehničkoj praksi se koristi termin MPI (Multi Point Injection). Brizgači su postavljeni za svaki cilindar zasebno, napajaju se iz zajedničkog magistralnog voda i ubrizgavaju gorivo ispred usisnih ventila. Pritisak ubrizgavanja je oko 8 bar.
Sistemi sa unutrašnjim obrazgovanjem smješe, odnosnosno direktnim ubrizgavanjem goriva (GDI-Gasoline Direct Injection), su savremeni sistemi za obrazovanje smješe. Pritisci ubrizgavanja su oko 200 bar. Trenutak ubrizgavanja goriva i sastav smješe zavise od režima rada motora. Pri nižim opterećenjima motor radi sa slojevitom smješom, a pri visokim opterećenjim smješa je homogena kao kod motora sa spoljašnjim obrazovanjem smješe.
Direktno ubrizgavanje benzina omogućilo je značajno povećanje efektivnog stepena korisnosti motora, odnosno smanjenje specifične efektivne potrošnje goriva. To je postignuto zahvaljujući sljedećim činjenicama:
• Integrisanjem sistema direktnog ubrizgavanja benzina sa sistemom za paljenje i prečišćavanje izduvnih gasova, omogućeno je obrazovanje slojevite smješe na nižim režimima rada motora, pri čemu prosječna vrijednost koeficijenta količine vazduha za cio cilindar može biti vrlo visoka (lmax<3).
• Kod direktnog ubrizgavanja, isparavanje benzina se odvija na račun oduzimanja toplote od vazduha u cilindru. To omogućava povećanje stepena punjenja motora, a zbog veće otpornosti prema detonantnom sagorijevanju moguće je povećati i stepen kompresije do ε=12.
• Na nižim opterećenjima, regulacija snage se vrši putem optimalnog odmjeravanja ubrizgane količine goriva, bez prigušivanja usisa što povećava efektivni stepen korisnosti (manji je rad koji se troši na izmjenu radne materije pa je veći i stepen dobrote ciklusa, a time i efektivni stepen korisnosti).
Slika 9. Sistemi sa unutrašnjim obrazovanjem smješe – direktno ubrizgavanje, [4]
Stepen razvoja sistema upravljanja i regulacije procesima u motoru SUS dugo je bio ograničavajući faktor u pogledu optimiranja pogonskih i ekoloških karakteristika motora SUS. Neke od naprednih tehnologija, pored koncepta direktnog ubrizgavanje, koje su oto motoru omogućile smanjenje potrošnje goriva, postizanje ekološki prihvatljive emisije izduvnih gasova uz ostvarivanje zahtijevanih vrijednosti i zakona promjene snage i obrtnog momenta su: primjena varijabilne šeme razvoda radne materije, smanjanje radne zapremine motora uz uvođenje natpunjenja (engl. Downsizing), primjena konstrukcionih rješenja motora sa promjenljivim stepenom kompresije.
Način obrazovanja smješe utiče na proces sagorijevanja u cilindru, a samim tim i na sirovu emisiju izduvnih gasova. Kod vozila pogonjenih oto motorom za naknatni tretman emisije izduvnih gasova primjenjuju se recirkulacija izduvnih gasova i katalitičke tehnologije.
Tabela 2. Granične vrijednosti za emisije izduvnih gasova oto motora putnčkih vozila u Evropi
1-PM = masa čestica. Samo za GDI motore,
2- PN = broj čestica
Sistem za recirkulaciju izduvnih gasova (EGR). Recirkulacijom izduvnih gasova dio izduvnih gasova se vraća u cilindar motora. Izduvni gasova koji se recirkulacijom vraćaju u cilindar ne učestvuju u sagorijevanju, ali se troši toplota za njihovo zagrijavanje, što za posljedicu ima smanjanje temperature smješe u cilindru. Na taj način je narušen ambijent koji pogoduje nastanku NOx.
Katalitičke tehnologije
Trokomponentni katalizator je standardardna katalitička tehnologija kod oto motora sa spoljašnjim obrazovanjem smješe (MPI i SPI), Slika 10. Katalizator se naziva trokomponentni jer eliminiše sve tri toksične komponente: CO, HC i NOx. CO i HC je potrebno oksidovati u CO2 i H2O, a NOx, redukovati u N2. Da bi katalizator mogao efikasno da ukloni sve tri komponente potrebno je da u njemu vlada oksidaciono-redukciona sredina, a to je moguće ako motor radi sa tačno stehiometrijskom smješom, λ=1 (u uskim tolerancijama λ=0,97-1,03). Ovo je moguće ostvariti samo ako se sastav smješe reguliše u povratnoj sprezi (regulacija u zatvorenoj petlji), sa povratnom informacijom o sastavu izduvnih gasova na bazi čega se stalno koriguje ubrizgana količina goriva. U tu svrhu se koristi tzv. O2-senzor (popularno nazvan lambda sonda) koji daje signal o sadržaju kiseonika u izduvnom gasu. U unutrašnjosti katalizatora se nalazi monolit izrađen od keramike ili tankog čeličnog lima u obliku saća, tako da izduvni gas prolazi kroz veliki broj cjevčica malog prečnika (1-2 mm) na čijem zidu je nanesen tanak katalitički sloj od plemenitih metala (Pt-platina, Rh-rodijum) koji ubrzavaju hemijske reakcije.
Slika 10. Trokomponentni katalizator: 1. O2 senzor, 2. saćasti keramički nosač, 3. vatrostalni žičani omotač, 4. čelično limeno kućište
Adsorpcioni katalizator se ugrađuje u izduvnih sistem vozila pogonjenih oto motorom sa direktnim ubrizgavanjem, koji u zavisnosti od režima rada motora rade i sa siromašnom smješom. Primjenjuje se u kombinaciji sa trokomponentnim katalizatorom (Slika 11). Pri režimimima rada pri kojim motor radi sa stehiometrijskom smješom, oba katalizator rade kontinuirano eliminišući CO, HC i NOx. Kada motor radi sa siromašnom smješom trokomponentni katalizator nije dovoljan za eliminisanje NOx iz emisije izduvnih gasova. Tada se NOx eliminiše pomoću adsorpcionog katalizatora u dvije faze. Tokom prve faze NOx se sakuplja u katalizator do trenutka zasićenja katalizatora. Zasićenost se detektuje mjerenjem temperature izduvnih gasova između trokomponentnog i adsorpcionog katalizatora ili mjerenjem sadržaja NOx iza adsorpcionog katalizatora. Druga faza nastupa nakon zasićenja katalizatora. Tada, na osnovu informacije o zasićenju, elektronska upravljačka jedinica motora omogućuje rad motora sa bogatom smješom (λ < 0,8), pa se u izduvnim gasovima povećava koncentracija CO i HC, koji služe kao redukciono sredstvo u adsorpcionom katalizatoru.
Slika 11. Izduvni sistem vozila sa oto motorom sa direktnim ubrizgavanjem sa trokomponentnim i adsorpcionim katalizatorom (katalizatorom za okside azota)
2.2.1. Ispitivanje izduvne emisije vozila sa oto motorom na stanici tehničkog pregleda vozila
Pravilnikom, kao i kod vozila sa dizel motorom, je propisano: koji parametri se mjere, na koji način se mjere, referentne vrijednosti parametara koji se mjere i koja vozila su izuzeta od ispitivanja izduvne emisije.
Kod vozila sa oto motorom, kojima se prema Pravilniku vrši ispitivanje izduvne emisije, potrebno je ispitati:
• stanje izduvnog sistema (da li su svi elementi izduvnog sistema koje je proizvođač vozila ugradio prisutni na vozilu, da li su ispravni),
• zapreminski udio CO u emisiji izduvnih gasova,
• λ za motore sa elektronskom regulacijom smješe i kontrolom izduvnih gasova (npr. sa regulisanim trokomponentnim katalitičkim konvertorom sa λ sondom).
Referentne vrijednosti
Vozilo sa motorom sa karburatorskim napajanjem gorivom, ili motorom sa drugom vrstom napajanja bez elektronske regulacije smješe i kontrole izduvnih gasova (npr. bez trokomponentnog katalitičkog konvertora (sa λ sondom)):
– za vozilo koje je prvi put registrovano u Bosni i Hercegovini prije 11. aprila 2007. godine nije dozvoljeno da izduvni gas sadrži više od 4,5 % vol. ugljen-monoksida (CO), pri broju obrtaja motora u praznom hodu na radnoj temperaturi motora,
– za vozilo koje je prvi put registrovano u Bosni i Hercegovini od 11. aprila 2007. godine nije
dozvoljeno da izduvni gas sadrži više od 3,5 % vol. ugljen-monoksida (CO), pri broju obrtaja motora u praznom hodu na radnoj temperaturi motora.
Vozilo sa motorom sa elektronskom regulacijom smješe i kontrolom izduvnih gasova (npr. sa regulisanim trokomponentnim katalitičkim konvertorom (sa λ sondom)):
1. Nije dozvoljeno da vozilo na radnoj temperaturi motora, premaši propisane vrijednosti koje daje proizvođač: ugljen-monoksida (CO) pri propisanom broju obrtaja u praznom hodu, i ugljen-monoksida (CO) i koeficijenta viška vazduha (λ) pri propisanom povišenom broju obrtaja motora.
Ukoliko podaci proizvođača nisu poznati onda za vozilo, na radnoj temperaturi motora, nije dozvoljeno da izduvni gas sadrži više od:
• 0,5 % vol. ugljen-monoksida (CO) pri broju obrtaja motora u praznom hodu, i
• 0,3% vol. ugljen-monoksida (CO), uz vrijednost koeficijenta viška vazduha (λ) u opsegu od 0,97 do 1,03 pri konstantnom broju obrtaja motora od najmanje 2000 min-1.
2. Za vozilo koje je prvi put registrovano u Bosni i Hercegovini nakon dana stupanja na snagu Pravilnika i koje odgovara zahtjevima jednoobraznih tehničkih uslova u pogledu emisije gasovitih zagađivača nivoa “Euro 5” ili višeg, nije dozvoljeno da na radnoj temperaturi motora, premaši vrijednosti koje daje proizvođač: ugljen monoksida (CO) pri propisanom broju obrtaja u praznom hodu, i ugljen-monoksida (CO) i koeficijenta viška vazduha (λ) pri propisanom povišenom broju obrtaja motora.
Ukoliko podaci proizvođača nisu poznati onda za vozilo na radnoj temperaturi motora nije dozvoljeno da izduvni gas sadrži više od:
• 0,3 % vol. ugljen-monoksida (CO) pri broju obrtaja motora u praznom hodu i
• 0,2% vol. ugljen-monoksida (CO), uz vrijednost koeficijenta viška vazduha (λ) u opsegu od 0,97 do 1,03 pri konstantnom broju obrtaja motora od najmanje 2000 min-1.
Priprema vozila za ispitivanje izduvne emisije
Priprema vozila počinje sa opštim radnjama koje važe i za oto i za dizel motor, a to je: provjera nivoa ulja u motoru, postavljanje sonde za mjerenje temperature ulja u motoru i postavljanje instrumenata za mjerenje broja obrtaja motora.
Ukoliko je nivo ulja zadovoljavajući, potrebno je upaliti motor i sačekati dok se ne postigne radna temperatura (temperatura ulja minimalno 80 oC). Tek tada se može mjerna sonda za mjerenje sastava izduvnih gasova postaviti u izduvnu cijev. Kada je postignuta radna temperatura motora potrebno je izvršiti kondicioniranje katalizatora. Kondicioniranje katalizatora vrši se tako što se motor određeno vrijeme (oko 60 sekundi) drži na povećanom konstantnom broju obrtaja (oko 3000 min-1).
Mjerenje vrijednosti ispitivanih parametara
• Vozilo sa motorom sa karburatorskim napajanjem gorivom, ili motorom sa drugom vrstom napajanja bez elektronske regulacije smješe i kontrole izduvnih gasova (npr. bez trokomponentnog katalitičkog konvertora (sa λ sondom)):
Mjerenje se vrši pri broju obrtaja motora na praznom hodu. Za vozila sa ovim motorom mjerodavna je samo vrijednost CO. Kada se vrijednost CO ustali potrebno je ispisati rezultate.
• Vozilo sa motorom sa elektronskom regulacijom smješe i kontrolom izduvnih gasova (npr. sa regulisanim trokomponentnim katalitičkim konvertorom (sa λ sondom)):
Mjerenje se vrši na povećanom konstantnom broju obrtaja (najmanje 2000 min-1) i na broju obrtajana motora na praznom hodu. Prilikom mjerenja na povećanom broju obrtaja mjerodavne su vrijednosti CO i λ. Nakon što se tokom mjerenja ustale vrijednosti CO i λ potrebno ih je ispisati, a zatim pustiti komandu gasa i motor ostaviti da radi na praznom hodu.
Nakon što se vrijednost CO na praznom hodu ustali potrebno je izvršiti ispis vrijednosti CO za prazan hod.
Izmjerene vrijednosti parametara potrebno je uporediti sa referentnim vrijednostima propisanim u Pravilniku.
Razlozi za neprolazak na tehničkom pregledu:
• Vozilo sa motorom sa karburatorskim napajanjem gorivom, ili motorom sa drugom vrstom napajanja bez elektronske regulacije smješe i kontrole izduvnih gasova (npr. bez trokomponentnog katalitičkog konvertora (sa λ sondom)):
1. Zapreminski udio CO u emisiji izduvnih gasova veći je od propisane granične vrijednosti.
2. Propuštanja gasa koja mogu uticati na mjerenje emisije izduvnih gasova.
• Vozilo sa motorom sa elektronskom regulacijom smješe i kontrolom izduvnih gasova (npr. sa regulisanim trokomponentnim katalitičkim konvertorom (sa λ sondom)):
1. Propuštanja gasa koja mogu uticati na mjerenje emisije izduvnih gasova.
2. Zapreminski udio CO u izduvnom gasu, pri broju obrtaja motora na praznom hodu ili pri povećanom broju obrtaja, veći je od propisane granične vrijednosti.
3. Vrijednost koeficijenta viška vazduha (λ), pri povećanom broju obrtaja, veći je ili manji od propisanih graničnih vrijednosti.
4. Oprema za naknadni tretman emisije izduvnih gasova, koju je proizvođač ugradio, nedostaje.
U zemljama članicama EU pored standardne procedure ispitivanja, direktivom 2014/45/EU, za vozila sa oto motorom Euro 5 i Euro 6 propisano je da se za ispitivanje izduvne emisije koriste i dijagnostički uređaji kojima se pristupa OBD dijagnostici na vozilu. Razlog za neprolazak na tehničkom pregledu mogu biti i greške očitane pomoću dijagnostičkog uređaja.
Pravilnikom o izmjenama i dopunama pravilnika o tehničkim pregledima vozila (Službeni glasnik BiH 29/20) propisano je da u obavezne uređaje na stanici tehničkog pregleda spada i dijagnostički uređaj, tj. „uređaj koji se spaja sa elektronskim sistemom na vozilu (uređaj za OBD dijagnostiku)“. Stanice tehničkog pregleda dužne su nabaviti ovaj uređaj najkasnije do 31. 12. 2021. godine.
Motorna vozila (sa motorom SUS), sa najmanje četiri točka, koja prema Pravilniku ne podliježu ispitivanju emisije izduvnih gasova na stanica tehničkog pregleda vozila su:
– četvorocikli (uključujući i laki),
– traktori,
– radne mašine,
– vozila oružanih snaga BiH,
– vozilo policijskih agencija u BiH, ako je konstruktivno izvedeno kao vozilo usko specijalizovane namjene i kao takvo se ne koristi u drugim segmentima društva,
– vozila sa oto motorom proizvedena prije 01. januara 1970. godine,
– vozila sa dizel motorom koja su proizvedena prije 01. januara 1980.
3. ZAKLJUČAK
Ekološki pokazatelji spadaju u aktuelne teme, bilo da se radi o novom vozilu koje treba da dobije odobrenje tipa ili o vozilu koje je već u eksploataciji, pa treba da zadovolji zahtjeve pri periodičnoj provjeri tehničke ispravnosti vozila. Prilikom ispitivanja vozila pri periodičnoj provjeri tehničke ispravnosti vozila ispituju se i izduvni gasovi motornog vozila. Bitan preduslov za pravilno ispitivanje vozila su pripremne radnje koje se ne smiju zaobići. Procedura pripreme vozila, ispitivanje vozila i parametri koji se ispituju zavise od vrste pogonskog agregata (oto ili dizel motor). Kod savremenih vozila postojeće procedure i oprema za ispitivanje vozila nisu prikladne. Izmjenama i dopunama propisa iz oblasti tehnički pregleda vozila, kako u EU tako i kod nas, pored standardnih uređaja za ispitivanje izduvne emisije vozila predviđena je primjena i dijagnostičkih uređaja, kojima bi se mogle identifikovati neispravnosti pojedinih sistema na vozilu odgovornih za emisiju izduvnih gasova.
LITERATURA
[1] Milašinović, A., Čiča, Đ., Đurić, Ž. Savremeni trendovi razvoja dizel motora. Zbornik radova, Stručni skup tehnički pregledi vozila Republike Srpske 2017, Teslić, Republika Srpska, 30.9-1.10. 2017: 91-121.
[2] Davinić, A., Pešić R. Pogonski sistemi u transportu, Fakultet inženjerskih nauka u Kragujevcu, Kragujevac, 2018.
[3] Pešić, R., Petković, S., Veinović, S. Motorna vozila i motori-oprema. Mašinski fakultet u Banjoj Luci, Mašinski Fakultet u Kragujevcu. Banja Luka – Kragujevac, 2008.
[4] Milašinović, A., Knežević, D. Tehnologija tehničkog pregleda vozila. Univerzitet u Istočnom Sarajevu, Saobraćajni fakultet Doboj. Doboj, 2010.
[5] Pravilnik o tehničkim pregledima vozila (Službeni glasnik BiH 33/19).