8. AVGASRENING Avgasemissioner och avgasrening Avgaskrav för arbetsmaskiner

Transkript

1 8. AVGASRENING Avgasemissioner och avgasrening Vid förbränning i en dieselmotor bildas olika typer av avgasemissioner. Utsläppsnivån för en del av dessa är reglerade i lagar och förordningar som successivt skärpts. De emissioner som är reglerade är kolväteemissioner (HC), koloxid (CO), Kväveoxider (NOx) samt partiklar (PM). För Euro VI, senaste avgaskravet för tunga fordon, regleras även partikelantal (PN). Koldioxid emitteras även vid dieselförbränning men denna gas är en förbränningsprodukt vars mängd är beroende av antalet kolatomer i bränslet. Koldioxiden är en gas som bidrar till växthuseffekten och om denna produceras vid förbränning av fossilt bränsle så utgår en skatt på denna s.k. koldioxidskatt. Grundläggande för all motorutveckling avseende emissioner har sedan lång tid tillbaka varit att minska motorns basemissioner alltså de emissioner som bildas i motorns förbränningssystem. Detta har man lyckats mycket väl med genom åren genom avancerad förbränningsutveckling, insprutningssystem med mycket höga tryck och sekventiell insprutning samt avancerad gasväxling genom utveckling av turboladdningssystem. Detta har skett i kombination med en alltmer avancerad elektronisk styrning av motorn och dess komponenter. Emellertid så har emissionskraven skärpts kraftigt under det senast decenniet och detta har medfört att olika typer av avgasefterbehandlingssystem har utvecklats. Dessa system reducerar emissionerna ytterligare efter motorn. Ett av de svåraste problemen att lösa är minska emissionerna av partiklar och NOx samtidigt. NOx är ett resultat av oxidering mellan luftens syre och kväve och ökar snabbt med förbränningstemperaturen. Förbränning vid hög temperatur minskar HC, CO och bildande av partiklar samt bidrar till att bränsleförbrukningen minskar men ökar emissionen av kväveoxider. Som exempel på minskning av emissionerna för de större motorerna till arbetsmaskiner sedan kraven infördes ungefär vid millennieskiftet kan nämnas att NOx och partikelemissionerna minskat i storleksordningen 95%. Avgaskrav för arbetsmaskiner Arbetsmaskiner är underordnade regler avseende avgasemissioner och bestämmelser om fordonsbränslen. I Sverige är det är Transportstyrelsen som ansvarar för dessa frågor. Avgaskraven är specificerade i EU direktiv 97/68/EG. Direktivet för arbetsmaskiner gäller dock enbart motorer med kompressionständning vilket gör att tändstiftsmotorer inte är omfattade, och att läget för metandieselmotorer inte är helt klart eftersom direktivet med testmetoder etc. är helt inriktat på dieseldrivna fordon. För lätta fordon och motorer till tunga fordon omfattar de senaste EU-kraven även gasdrivna motorer. När det gäller avgascertifiering så är det inte arbetsmaskinen som certifieras utan det är själva motorn som skall uppfylla kraven. Något helfordonsgodkännande finns inte, förutom för traktorer. Varje motortyp skall omfattas av ett typgodkännande. En certifiering avseende avgasemissioner knuten till en viss arbetsmaskin skulle bli mycket komplex och förmodligen ganska intetsägande. Belastningen på en arbetsmaskin, det så kallade belastningskollektivet är starkt beroende av var och hur maskinen används likväl av hur maskinföraren använder maskinen. En hjullastare som används vid lastning i en grusgrop får en mycket större belastning än en maskin som används för lastning av sopor i en förbränningsanläggning. Den certifierade motorn kan sedan användas i olika typer av maskiner.

2 De första avgaskraven för arbetsmaskiner, eller mobila maskiner som de heter i regelverket, infördes 1997 och kallades för steg I. Varje steg är i sin tur uppdelade i olika effektklasser för motorns nettoeffekt. Steg I gällde för motorer ut på marknaden 31 dec Det steg som gäller nu (2014) steg IV för motorer inom effektklass kw och Steg IIIB för motorer inom effektklass kw. För den senare effektklassen införs nya krav, Steg IV, den 1 januari I steg III B infördes PM gräns på 0,025 g / kwh, vilket motsvarar ca 90% utsläppsminskning jämfört med steg II. När detta gränsvärde sattes förväntades det att samtliga arbetsmaskiner skulle utrustas med partikelfilter. Den tekniska utvecklingen har dock visat att det är fullt möjligt att klara en utsläppsnivå av 0,025 g / kwh utan filter, vilket många tillverkare valt att göra. I Steg IV införs också ett mycket strängt NO x gräns på 0,4 g / kwh, vilket förväntas kräva efterbehandling. Det är förenat med större tekniska utmaningar för ett avgasefterbehandlingssystem för arbetsmaskiner jämfört med vägfordon. Det ställs många krav på ett efterbehandlingssystem såsom låg driftskostnad, långa serviceintervaller, användarvänlighet, hög tillförlitlighet samt att systemet ska få plats inom ett begränsat tillgängligt utrymme. Avgaskraven för arbetsmaskiner följer samma princip som för tunga fordon, men med något års eftersläpning. På detta sätt har man kunnat ta lärdom av teknikutvecklingen som skett för tunga fordons avgasrening. Dock har tiden mellan olika Steg varit kortare än för tunga fordon vilket betyder att Steg IV och Euro VI införs samtidigt. Arbetsmaskinerna har ofta långa driftstider i en tuff miljö vid många varierande applikationer. Kraftigt varierande laständringar med mycket större svängningar av avgastemperatur, kraftigare vibrationer och stötar, ställer större krav på högre hållfasthet jämfört med vägbundet fordon. Det kan ibland ställas högre krav på att styra injektionen av urea till rätt mängd vid de snabba och stora lastväxlingarna. Vid en felaktig dosering kan antingen avgasemissionerna bli för höga eller så kan exempelvis ammoniak släppas ut i omgivningen. Det finns dock katalysatorteknik för att minska ammoniakslip men till ökande kostnad, komplexitet och platsbehov. Urea kan även förorsaka igensättning och vätning på väggytor som kan leda till uppbyggnad av kristaller och till korrosion. För att undvika detta är vissa system försedda med tryckluftsassisterad insprutning av urea. Detta medför en finare fördelning med mindre droppar som förångas snabbare och vid lägre temperatur, samt att ureakonsumtionen minskar. Länkar: Avgaskrav på arbetsmaskiner & traktorer På denna sida finns ytterligare länkar till lagar och förordningar avseende avgaskrav för arbetsmaskiner och traktorer. Metoder för att minska avgasemissioner Exhaust Gas Recirculation (EGR) Metoden bygger på att en del av avgaserna kyls ner och återcirkulerar till motorns luftinlopp och vidare in i cylindern. Dessa avgaser minskar NOx produktionen genom att dels syrekoncentrationen minskar, dels att avgaserna kyler gasen i cylindern. Detta medför då en lägre förbränningstemperatur i själva flamman vilket minskar bildandet av NOx.

3 Metoden är effektiv men mängden återcirkulerade avgaser måste styras beroende av motorns varvtal och last. Nackdelen är att partikelbildningen oftast går upp och metoden medverkar till högre belastning på partikelfiltret. Tekniken ökar motorns bränsleförbrukning något. SCR - Selektiv Katalytisk Reduktion. SCR innebär att en SCR-katalysator monteras efter motorn. På fordonet sitter en tank som innehåller en urealösning. Från tanken sprutas lösningen in i avgasröret före katalysatorn som omvandlar urea till ammoniak. Vid rätt inblandning omvandlas avgasernas kväveoxider till kvävgas och vatten. Insprutningen av urea styrs elektroniskt och varieras beroende på motorns varvtal och belastning. Katalytisk reduktion av NOx innebär en omvandling till kväve (N2) och syre (O2) (vatten: H2O) av katalysatorn och ett reduktionsmedel som tillsätts före katalysatorn. Den mest förekommande reducerande kemikalien är ammoniak (NH3) vanligen i form av urea. Urea (AdBlue ) lagras ombord på fordonet och omvandlas till ammoniak i samband med reduktionen. En förutsättning för att SCR-system ska fungera är att avgastemperaturerna är tillräckligt höga. Om avgastemperaturen sjunker under ca 200 C är SCR-systemet inte längre aktivt och reduktionen av NOx upphör. Vid ca 300 C är reduktionen ca 90-95%. En annan förutsättning är också att det skall finnas tillräckligt med syre i avgaserna. Det finns även system som har luftassisterad ureainsprutning som finfördelar urealösningen så att sprayen/urean nyttjas effektivare. Metoden säkerställer även att syrehalten i avgaserna ligger på en lämplig nivå. SCR-katalysator reducerar förutom NOx även partiklar och HC i avgaserna från dieselmotorer. HC-emissioner kan reduceras upp till 80 procent och partiklar med procent. Att få SCR-system att fungera innebär flera tekniska utmaningar. Några exempel: den komplicerade hanteringen av urea och dess dosering, behovet av höga temperaturer för att katalysatorn ska fungera effektivt, kontrollen av ammoniaköverskott under transienta förhållanden och storleken på katalysatorn. Ammoniak i omgivningsluft kan bilda sekundärpartiklar och av den anledningen bör även en ammoniakslipkatalysator användas. SCR kan släppa ut mer små partiklar och används därför ofta i kombination med ett partikelfilter. Reduktion av CO och HC emissioner Halten av CO från en dieselmotor har utgjort ett relativt litet problem eftersom en dieselmotor har en förbränning som sker vid stort luftöverskott. Halterna av HC kan dock vara höga från motorn under start och uppvärmningsfasen. Vid normal drift är dessa halter normalt ganska låga. Emissionerna av CO och HC är dock lätta att reducera med en oxidationskatalysator. Denna behöver ett överskott av syre i avgaserna och det är just vad en dieselmotor har. Med hjälp av detta syre oxideras CO, HC och HC-derivat till CO2 och vattenånga. Svagheten är att det behövs en viss temperatur hos avgaserna för att katalysatorn skall vara aktiv och detta är oftast inte fallet vid uppstart och varmkörning av motorn. Oxidationskatalysatorer har ingen effekt på de totala NOx-emissionerna, men oxiderar NO till NO2. Det är användbart när oxidationskatalysatorn används i kombination med ett partikelfilter (se nedan under Kombinationer av dessa system ). Den används ofta i kombination med EGR-teknik för att minska utsläpp av kolväten. Oxidationen av NO till NO2 kan också öka effektiviteten av en SCR katalysator något, samt öka renbränningen av sot i partikelfilter. Metoder för att reducera partikelnivån Partiklar bildas i motorns förbränningsrum och får sedan viss tillväxt i avgasröret genom att mindre partiklar klumpas ihop till större partiklar och via kondens av flyktiga ämnen på fasta partiklar. Partiklarna som är mycket små består huvudsakligen av kol, oförbränt bränsle, smörjolja,

4 metallpartiklar och svavelföreningar. De är cancerogena och genom sin ringa storlek stannar de kvar i lungorna vid inandning och tränger därifrån ut i blodomloppet. De kan transporteras långa vägar. Man har därför skärpt kraven på partikelnivån i lagstiftningen till mycket låga värden. För att reducera partikelutsläppet från en dieselmotor motorn förses med ett partikelfilter, som installeras i avgassystemet och som fysiskt fångar partiklarna innan avgaserna lämnar avgasröret. Efterhand som filtret fylls med partiklar blir genomströmningsmotståndet allt högre med ökad bränsleförbrukning som följd. De uppsamlade partiklarna behöver då avlägsnas från filtret vid en s.k. regenerering. Det finns väsentligen två metoder för detta. Förbränning och oxidation av partklarna genom att temperaturen på kontrollerad väg höjs så att kolet i partiklarna antänds och brinner upp, så kallad aktiv regenerering genom oxidation med hjälp av luftens syre. Den andra metoden bygger på kontinuerlig regenerering. Dessa system kallas Continuously Regenerating Trap (CRT ) Dessa filtersystem består av en oxidations-katalysator, framför ett partikelfilter. Katalysatorn funktion är att oxidera NO till NO2. Det således bildade NO2 oxiderar katalytiskt kolet till CO2 och N2. Katalysatorn oxiderar även HC och CO emissioner och är därmed ett system som reducerar samtliga emissioner. Detta system är ett så kallat passiv regenerering. Nackdelen med systemet är att det måste över tid finnas en balans mellan NO2 och partikelflödet samt att avgastemperaturen måste ligga över ca 250 grader C för att katalysatorerna skall vara aktiva. Om dessa villkor över tid ej är uppfyllda kan partikelfiltret bli mättat på partiklar med ökad bränsleförbrukning som följd och i värsta fall haverera. Med tiden så fylls dock filtret med askprodukter och då behöver filtret bytas eller rengöras. För en normal lastbil (40 tons långtradare) behöver kan detta behövas efter (skiljer mellan användning mm) ca mil. Många applikationer uppfyller inte temperaturkravet, t.ex. distributionsbilar och sopbilar. Det behövs då ett aktivt system som höjer avgastemperaturen. Ett vanligt system är att injicera bränsle före katalysatorn som då brinner katalytiskt och höjer avgastemperaturen. Grundproblemet med att avgastemperaturen är för låg för att katalysatorn skall vara aktiv kan dock kvarstå. I dessa fall kan man addera en brännare eller elektrisk uppvärmning till systemet. Diskussion För att klara emissionslagstiftningen har de stora tillverkarna valt att använda antingen EGR-teknik, SCR-teknik eller kombinationer av dessa. Inför en nyinvestering är det därför bra att informera sig om teknikernas för- och nackdelar och analysera vilken betydelse de kan ha i den egna verksamheten. Både SCR- och EGR-teknikerna har sina för- och nackdelar. Dieselförbrukningen minskar vid användning av SCR-teknik i ungefär motsvarande grad till insprutad mängd urea (Euro V cirka 5 procent). Förutsatt att priset på urea är väsentligt lägre än dieselpriset, blir bränslekostnaden för fordonet totalt sett lägre. Ett sätt att hålla nere kostnaden för urea är att hålla sig med egen depå där urean köps in i större kvantiteter till lägre pris. En EGR-motor kräver troligen tätare byten av motorsmörjolja än en SCR-motor på grund av de recirkulerade avgaserna. EGR-tekniken är känd och beprövad. Den reducerar utsläppen vid källan, d.v.s. motorn. Tekniken förfinas också successivt. SCR är ett aktivt efterbehandlingssystem som kräver extra tillsyn och underhåll. Som fordonsägare får man ytterligare en produkt (urea) att hantera för fordonets drift samt ytterligare ett system att underhålla. Fordonets vikt ökar p.g.a. tillsatsmedlet, vilket medför lägre nyttolast för fordonet.

5 En SCR-katalysator kräver en lägsta arbetstemperatur på cirka 300 C för att fungera effektivt. Det kan vara svårt att uppnå för exempelvis arbetsmaskiner som har en låg genomsnittlig belastning och mycket tomgång. När SCR-katalysatorn inte fungerar blir utsläppen av NOx likvärdiga med dem som släpps ut från en Steg I eller Steg II motor. Eftersom partikelfilter samlar aska från bränsle och olja, är det bra att använda bränsle med låg askhalt för att öka filtrets livslängd. Ett SCR system fungerar inte under motorns uppvärmningsperiod då avgaserna är för kalla för att systemet skall vara aktivt. EGR kan heller inte användas när motorn värms upp, vilket i praktiken innebär att reduktionen av NOx-emissioner är lika med noll från start till dess att motorn uppnått en viss temperatur. Utvecklingen av SCR katalysatorer syftar till att få katalysatorn att fungera vid lägre temperatur och EGR skulle potentiellt kunna användas (nästan) direkt från start. Ännu har dock de målen inte nåtts. Dagens avgaskrav prioriterar inte kallstart eller körmönster som innebär låg last på motorn. Valet mellan reningssystem borde göras med hänsyn till driftsförhållandet för att få den miljömässigt bästa lösningen men ofta sakas underlag för sådana överväganden.