Silniki przemysłowe Caterpillar dla poziomu emisji spalin Stage V

1. AKTUALNE NORMY EMISJI SPALIN

14 września 2016 roku Parlament Europejski wydał rozporządzenie 2016/1628 regulujące wymogi dotyczące granicznych emisji zanieczyszczeń gazowych i pyłowych oraz homologacji typu w odniesieniu do silników spalinowych przeznaczonych do maszyn mobilnych nieporuszających się po drogach publicznych. Rozporządzenie to zastąpiło dotychczas stosowaną dyrektywę 97/68/WE.

Aby uniknąć niepotrzebnych nieporozumień na początku warto wyraźnie wskazać, że rozporządzenie 2016/1628 NIE dotyczy m.in.:

• Napędów pojazdów drogowych (samochody, motocykle, itp.)
• Napędów ciągników rolniczych i leśnych
• Statków morskich wymagających ważnego morskiego świadectwa żeglugi
• Napędów statków żeglugi śródlądowej o mocy netto poniżej 19 kW

 

Dokładna lista silników wyłączonych z zastosowania rozporządzenia 2016/1628 opisana jest w Artykule 2 Pkt. 2 tego rozporządzenia.

UWAGA

Na potrzeby tego artykułu zajmować się będziemy tylko silnikami spalinowymi mającymi zastosowanie w maszynach przemysłowych. Rozporządzenie 2016/1628 określa też normy emisji spalin dla silników kolejowych, ale nie będą one opisywane w niniejszym opracowaniu. Będą one opisane w oddzielnym tekście dla silników z branży kolejowej.

Ponadto rozporządzenie 2016/1628 dokładnie definiuje czym jest „maszyna mobilna nieporuszająca się po drogach”. Zgodnie z Artykułem 3 rozporządzenia jest to: „maszyna ruchoma, przewoźne urządzenie lub pojazd z nadwoziem lub kołami lub bez nadwozia lub kół, nieprzeznaczona(-e) do przewozu pasażerów lub towarów po drogach oraz obejmuje maszyny montowane na podwoziach pojazdów przeznaczonych do przewozu pasażerów lub towarów po drogach;”.

Wynika z tego, że rozporządzenie obejmuje też maszyny nie-samojezdne, takie jak motopompy, kompresory czy agregaty prądotwórcze, które nie są montowane stacjonarnie. Zgodnie z rozporządzeniem „maszyna stacjonarna” to maszyna, która ma być trwale zamontowana w jednym miejscu jej pierwszego użytkowania, nieprzeznaczona do przemieszczania po drogach lub w inny sposób, z wyjątkiem przemieszczenia z miejsca produkcji do miejsca pierwszego montażu.  Takich maszyn stacjonarnych rozporządzenie 2016/1628 nie obejmuje.

Zanim zaczniemy się bliżej przyglądać szczegółowym limitom emisji z rozporządzenia 2016/1628 chciałbym wrócić jeszcze do poprzednio obowiązującej dyrektywy 97/68/WE. Poniższe tabele przedstawiają wartości graniczne emisji szkodliwych substancji dla etapów (tzw. stage) III i IV ustanowionych w tej dyrektywie. Etap III został podzielony na dwa podetapy: Stage IIIA i Stage IIIB.

 

Rozporządzenie 2016/1628 wprowadza etap Stage V, który charakteryzuje się jeszcze bardziej restrykcyjnymi wartościami granicznymi dla zawartości cząstek stałych PM, tlenków węgla CO, węglowodorów HC oraz tlenków azotu NOx w spalinach. Zgodnie z poniższą tabelą zauważamy, że im większa moc silnika tym mniej szkodliwych substancji może występować w generowanych przez niego spalinach. Należy również zwrócić uwagę na pojawienie się nowego parametru PN, który nie występował w dotychczasowej dyrektywie. PM oznacza maksymalną dopuszczalną masę cząstek stałych w spalinach, która podawana jest w g/kWh. Natomiast PN oznacza maksymalną dopuszczalną ilość cząstek stałych zawartych w spalinach na 1 kWh pracy silnika. Nowe rozporządzenie limituje więc nie Maksymalna zawartość CO, HC i NOx w spalinach podawana jest w jednostkach masowych, czyli g/kWh.

2 .CO TO OZNACZA DLA PRODUCENTÓW MASZYN?

 Wprowadzane poziomy emisji spalin mają wpływ na producentów maszyn, w których pracują silniki diesla. Poniżej trzy najważniejsze daty istotne z punktu widzenia produkcji maszyn. Daty te obowiązują tych producentów, którzy produkują więcej niż 100 szt maszyn na rok.

• 1 STYCZEŃ 2019, koniec produkcji i sprzedaży silników wysokoprężnych spełniających europejskie poziom emisji spalin Stage IV przewidzianych do pracy na maszynach niestacjonarnych nieporuszających się po drogach publicznych.
• 1 CZERWIEC 2020, koniec produkcji maszyn samojezdnych nieporuszających się po drogach publicznych wyposażonych w silniki wysokoprężne spełniające europejskie poziom emisji spalin Stage IV.
• 1 STYCZEŃ 2021, koniec możliwości umieszczenia na rynku maszyn niestacjonarnych nieporuszających się po drogach publicznych wyposażonych w silniki wysokoprężne spełniające europejskie poziom emisji spalin Stage IV. *

* Powyższe daty nie dotyczą silników o zakresach mocy od 56 do 130 kW, które mają dodatkowe 12 miesięcy czasu (oznaczone na zielono w Tabeli 3).

 

Producenci maszyn, produkujący ograniczone liczby sztuk maszyn rocznie, mogą mieć poważne trudności z przeprojektowaniem parku maszynowego w ramach standardowego okresu przejściowego. Ci producenci to zwykle małe i średnie przedsiębiorstwa („MŚP”), które mają ograniczony potencjał inżynieryjny i często otrzymują informacje o silnikach przyszłych etapów później niż inni producenci oryginalnego sprzętu. Jest tak w szczególności w przypadku producentów maszyn rolniczych produkujących ograniczone liczby sztuk rocznie, którzy stanęliby przed znacznym wyzwaniem strukturalnym związanym z przechodzeniem do wartości granicznych emisji dla etapu V.

W przypadku silników kategorii NRE państwa członkowskie zezwalają na przedłużenie okresu przejściowego i 18-miesięcznego okresu, o którym mowa wyżej, o dodatkowe 12 miesięcy w odniesieniu do producentów oryginalnego sprzętu, których całkowita produkcja roczna jest mniejsza niż 100 sztuk maszyn mobilnych nieporuszających się po drogach wyposażonych w silniki spalinowe. Na potrzeby obliczenia tej całkowitej produkcji rocznej wszyscy producenci oryginalnego sprzętu podlegający kontroli tej samej osoby fizycznej lub prawnej są uznawani za jednego producenta oryginalnego sprzętu.

  

3. OFERTA CATERPILLAR

Pierwsze przepisy EU dotyczące emisji spalin dla maszyn mobilnych nieporuszających się po drogach publicznych zostały ogłoszone 16 grudnia 1997r. Przepisy te weszły w życie w dwóch etapach: Stage I wprowadzony w 1999r. i Stage II wprowadzany na przełomie lat 2001-2004 w zależności od mocy silnika. W kolejnych latach wprowadzane były kolejne etapy: Stage IIIA (2006), Stage IIIB (2012), Stage IV (2014) i Stage V (2019). Każdy etap coraz bardziej obniżał graniczne wartości zanieczyszczeń w spalin. Poniższe wykresy pokazują jak bardzo na przestrzeni lat ograniczone zostały poziomy emisji PM i NOx dla dwóch przykładowych mocy silnika: 100 kW i 300 kW.

 

W latach 90-tych Caterpillar zaczął rozwijać kilka potencjalnych ścieżek technologicznych, aby spełnić wymagania zapowiadanych przepisów dotyczących emisji zanieczyszczeń. Spełnienie wymogów etapów I i II można było osiągnąć poprzez dostrojenie systemów dostarczania paliwa i powietrza w elektronicznych jednostkach sterujących pracą silnika. Etap III wymagał jednak znacznie bardziej złożonych rozwiązań inżynieryjnych. Podczas gdy niektórzy producenci silników spełnili wymogi przepisów poprzez przeprojektowanie pojedynczych komponentów w swoich silnikach, firma Caterpillar zainwestowała w plan dalekiego zasięgu. W ramach tego planu przeprojektowano całe silniki i ich systemy wspomagające. W wyniku tego powstała ostatecznie nowa linia silników oparta na technologii ACERT, która była w stanie spełnić wymogi etapu III i dalszych.

Co równie ważne, technologia ACERT nie tylko spełniła normy emisji spalin, ale również zapewniła naszym Klientom stałą niezawodność, trwałość i żywotność silników.

Główna zasada działania technologii ACERT jest stosunkowo prosta – jeśli lepiej kontrolujesz proces spalania, obniżasz szczytowe temperatury spalania i znacznie ograniczasz emisje. Usprawnienie procesu spalania wymagało od technologii ACERT postępu w czterech kluczowych systemach silnikowych:

• Elektroniczne sterowanie
• Optymalizacja przepływu powietrza
• Optymalizacja pracy układu paliwowego, opartego o bezpośredni wtrysk paliwa do komory spalania
• Zastosowanie zewnętrznego układu oczyszczania spalin tylko w przypadku kiedy jest to niezbędne

 

Ulepszenia w procesie spalania mieszanki paliwowej skutecznie zmniejszyły emisję NOx. Aby zredukować ilość cząstek stałych PM zastosowano układ oczyszczania spalin, który składał się z dwóch podstawowych elementów:

• Utleniający reaktor katalityczny (DOC), który chemicznie przekształca węglowodory i tlenek węgla w nieszkodliwy dwutlenek węgla i parę wodną
• filtr cząstek stałych DPF, który zbiera cząstki stałe. Proces ten jest szybki, wydajny i niezawodny.

STAGE V

Podobnie jak dla poprzednich etapów Caterpillar podjął duży wysiłek konstruktorski i inżynierski, aby wprowadzić na rynek kompletną ofertę silników spełniających wymogi etapu Stage V we wszystkich zakresach mocy od 10 kW do prawie 1000 kW. Nasze silniki pomimo spełnienia bardzo wymagających norm emisyjnych charakteryzują się wysokimi parametrami mocy i momentu obrotowego, a także dużą niezawodnością (popartą świetnym wsparciem serwisowym).

Technologie oczyszczania spalin wykorzystywane obecnie w naszych silnikach to:

• Utleniający reaktor katalityczny – DOC
• Filtr cząstek stałych – DPF
• Reaktor Selektywnej redukcji katalitycznej (z użyciem roztworu mocznika) – SCR

Utleniający reaktor katalityczny DOC

Utleniający reaktor katalityczny (DOC), zwany czasami potocznie reaktorem oksydacyjnym, utlenia węglowodory (HC) i tlenek węgla (CO) w wyniku reakcji chemicznej zachodzącej podczas przepływu spalin przez katalizator. ReaktorDOC utlenia również rozpuszczalne frakcje organiczne, które są węglowodorami przyczepionymi do cząstek stałych (PM). Reaktor do pewnego stopnia obniża również ilość tlenków azotu NOx w spalinach.

Filtr cząstek stałych DPF

Filtr cząstek stałych do silników diesla (DPF) służy do wychwytywania sadzy i popiołu. Sadza składa się z cząstek węgla powstałych w wyniku niepełnego spalania paliwa w cylindrze. Popiół to pozostałość po niespalonym oleju silnikowym lub paliwie.

Pasywny filtr cząstek stałych do silników wysokoprężnych ma strukturę komórkową, w której wykorzystuje się naprzemienny układ kanałów, otwartych na jednym końcu i zamkniętych na drugim.

Pasywny filtr cząstek stałych DPF ma konstrukcję „ścienną”, która umożliwia przepływ spalin do otwartego końca kanałów i blokuje go przed wyjściem z drugiego końca. Wymusza to przepływ gazów przez pory ścianek komory, które działają jak elementy filtrujące. Przefiltrowane spaliny opuszczają sąsiednie kanały, które są otwarte w dolnej części strumienia. Cząsteczki stałe, które są zbyt duże, aby przepływać przez pory, gromadzą się na ściankach kanału.

 

W większości warunków pracy spaliny silnika są wystarczająco gorące, aby utlenić sadzę w wyniku opisanej wyżej regeneracji pasywnej. Jednak w niektórych przypadkach wymagana jest wyższa temperatura. Na przykład silniki C9.3 Stage IV firmy Caterpillar używają układu DPF z aktywnym wypalaniem sadzy o nazwie Cat Regeneration System. Ten „aktywny” system regeneracji wykorzystuje zewnętrzne źródło ciepła w celu zwiększenia temperatury spalin, co sprzyja utlenianiu i usuwa sadzę z filtra DPF.

Reaktor selektywnej redukcji katalitycznej SCR

System SCR to układ służący do zamiany cząsteczek tlenku azotu na wodę i azot (bez szkodliwych tlenków NOx). Płyn DEF (Diesel Exhaust Fluid), czyli ok. 32% roztwór mocznika (zwany potocznie Ad-Blue) jest wtryskiwany do reaktora katalizaticznego SCR, w którym zachodzi reakcja przekształcająca NOx do H₂O i N₂.

 

 

W przypadku pytań lub wątpliwości zapraszam do bezpośredniego kontaktu z naszym działem sprzedaży.

Autor: Andrzej Jankowski

Inżynier Sprzedaży w Dziale Silników Przemysłowych

Źródła:

Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2016/1628

(https://eur-lex.europa.eu/legal-content/PL/TXT/PDF/?uri=CELEX:32016R1628&from=PL)

Dyrektywa 97/68/WE Parlamentu Europejskiego i Rady (UE)

(https://eur-lex.europa.eu/legal-content/PL/TXT/PDF/?uri=CELEX:31997L0068&from=PL)

Portal internetowy dieselnet.com

(https://dieselnet.com/standards/eu/nonroad.php)

Materiały wewnętrzne firmy Caterpillar