Snížení emisí vznětových motorů pomocí inovativní. techniky nejnovější vstřikovací systémy firmy Bosch. pro čisté a úsporné vznětové motory

Transkript

1 Červen 2005 RF50602 Snížení emisí vznětových motorů pomocí inovativní techniky nejnovější vstřikovací systémy firmy Bosch pro čisté a úsporné vznětové motory Dr. Ulrich Dohle, Vedoucí úseku Dieselové systémy firmy Robert Bosch GmbH Přednáška na 57. mezinárodním tiskovém kolokviu o automobilové technice, červen 2005 v Boxbergu Robert Bosch odbytová s.r.o Pod Višňovkou 1661/ Praha 4 pavel.roman@cz.bosch.com Phone Fax Corporate Communications Vedoucí: Pavel Roman

2 Moderní vznětové motory s přímým vstřikováním se těší stále větší oblibě, protože díky vysokému kroutícímu momentu již při nízkých otáčkách a nízké spotřebě paliva přinášejí radost z jízdy. Nízká produkce kysličníku uhličitého (CO2), která provází nízkou spotřebu paliva, navíc řadí vznětový motor také do budoucna mezi pohony moderních osobních automobilů. Kvůli dalšímu snižování emisí škodlivin vznětových agregátů a ještě šetrnějšímu vztahu těchto motorů k životnímu prostředí pokračuje firma Bosch v dalším technologickém vývoji. Po zavedení emisní normy EU4 je v oblasti vývoje středem pozornosti budoucí emisní norma EU5, která bude platit od roku 2010 a pro vývojové techniky je s ohledem na emise kysličníků dusíku (NOx) a částic sazí velkou výzvou. Mezní hodnoty plánované normy EU 5 nejsou ještě politickými grémii schváleny s konečnou platností. V současnosti se v Evropské komisi v Bruselu projednávají maximální hodnoty, které jsou výrazně pod nynějšími hodnotami. U maximálně přípustných emisí částic sazí má být mezní hodnota snížena na pětinu, což odpovídá produkci škodlivin maximálně pět miligramů/kilometr namísto nynějších 25. Tímto zadáním bude zapotřebí pro všechny osobní automobily se vznětovým motorem používat filtr pevných částic. Kvůli nízké výši mezních hodnot se kromě toho musí vzhledem k dnešním ustanovením opět jednoznačně zvýšit procentuální rozdíl mezi mezními hodnotami což je do jisté míry rezerva aby mohlo být dodržení emisních zadání zajištěno i při jízdě vozidla. Budoucí vývoj nesmí současně snižovat výhodu nižší spotřeby, neboť pro dlouhodobé snižování emisí kysličníků uhlíku nelze od vozidel se vznětovými motory ustoupit. Produkce částic sazí, která vyvolává veřejné diskuse o vznětovém motoru, může být nadále výrazně snížena použitím filtru částic sazí (DPF). A to přesto, že emise osobního automobilu se vznětovým motorem přispívají k místní koncentraci jemného prachu jen v malé míře podílem ve výši pouhých třech procent. Vedle této konečné úpravy výfukových plynů se inženýři ve firmě Bosch zabývají snižováním surových emisí tedy emisí bez konečné úpravy výfukových plynů a tedy co možná nejčistším spalováním, s co možná nejmenší produkcí škodlivin. Page 2 of 6

3 Klíčová úloha připadá na vstřikovací systémy. Firma Bosch vyvíjí vstřikovací systémy, které se vyznačují zvláště přesným odměřením paliva. Čím je při tom možné pružněji variovat, tím větší vzniká možnost k omezení produkce škodlivin. Hlavní úlohu přitom hrají rovněž vysoké systémové tlaky jako diferencované řízení vstřikovačů, pomocí kterých se palivo vstřikuje do spalovacích komor. 3. Generace Common Rail se vstřikovači piezo-inline Systém 3. generace Commom-Rail zavedený firmou Bosch v květnu roku 2003 jasně ukazuje směr současného vývoje. Díky inovativní piezo technice lze jehlu ventilu vstřikovače otvírat a uzavírat během jedné desetitisíciny vteřiny. Tím je možné pět i více vstříknutí během cyklu, přičemž lze nastavit rychlejší takt magnetického ventilu a je tak možné dosáhnout kratších intervalů mezi vstřikováním. Při maximálním tlaku vstřikování 1600 bar lze již dnes dosáhnout aktuální mezní hodnoty emisní normy EU 4 bez konečné úpravy výfukových plynů. Diskutované mezní hodnoty budoucí emisní normy EU 5 mohou být ale u mnohých osobních automobilů dodrženy nejen pouze pomocí filtru částic oxidačního katalyzátoru, ale navíc dodatečným opatřením k vyloučení dusíku. Zvláštní výzvou jsou ovšem vysokovýkonné motory a těžká vozidla s pohotovostní hmotností cca 1800 kilogramů a více. S ohledem na další optimalizaci při zpracování paliva a tím ještě nižší surové emise plánuje firma Bosch uvést na trh piezo-systém Common-Rail pro systémové tlaky do 2000 bar. 4. Generace Common Rail hydraulickým posilováním Kromě toho vyvíjíme 4. generaci systému Common Rail, ve kterém bude použit hydraulicky posilovaný vstřikovač nafty. Tento vstřikovač Hydraulically Amplified Diesel Injector (HADI) pracuje s převodovým pístem, který zvyšuje stávající tlak v systému, a umožňuje tak vstřikovací tlak do 2500 bar. Tato nová technika dává možnost pracovat v systému Common Rail i s výrazně nižším tlakem a vytvářet požadovaný maximální tlak teprve ve vstřikovači. Snížení emisí škodlivin se také dosahuje tím, že speciálním geometrickým dimenzováním není palivo vstřikováno rázem, ale zvyšujícím se tlakem. Tím vznikne velmi příznivý průběh vstřikování. Zlepšuje se tak příprava zápalné Page 3 of 6

4 směsi a zabraňuje tomu, aby nedokonalým spalováním vznikaly saze a karbon. Pomocí tohoto systému je rovněž umožněno, podobně jako v případě současné generace, vícenásobné vstřikování. Další vývoj u systému Unit-Injector ve firmě Bosch Vedle systémů Common Rail pracují inženýři i na dalším vývoji systému Unit Injector (systém čerpadlo-tryska). Nejnovější generace (UIS3) koncipovaná firmou Bosch dává možnost maximálního vstřikovacího tlaku téměř 2200 bar, přičemž lze použitím dvou ovládačů namísto jednoho průběh vstřikování velmi variabilně upravovat. Pružnost při úpravě rychlosti vstřikování je přitom srovnatelná se systémem Common Rail 3. a 4. generace. K tomuto účelu se používají nové, velmi rychle spínací magnetické ventily. Jedním ventilem se řídí nárůst a pokles tlaku, zatímco druhý ventil nezávisle řídí otvírání a uzavírání jehly ventilu, podobně jako ovládací ventil vstřikovače Common Rail. Tímto je i u systému čerpadlo-tryska možných pět variabilních vstříknutí během jednoho cyklu. Tím se přispívá k nižším emisím popílku a oxidů dusíku. Optimalizovaný systém řízení motoru K co možná nejlepšímu využití potenciálu systémů vstřikování vyvíjí firma Bosch novou řídící jednotku (EDC17), jejíž výroba bude sériově zahájena v roce Evidují se přitom komplexní interakce, například mezi tlakovým chvěním v zásobníku vedení paliva vstřikovače a vstřikovaným množstvím ze vstřikovače (oprava tlakové vlny) a záměrně se kompenzují. Pomocí signálů otáček může systém analyzovat parametry vstřikování v každém válci a případně je upravovat. Oproti víceparametrovému řízení dovoluje modelové osazení jednoduchou a na různé motory snadno přenositelnou regulaci, která využívá přímou zpětnou vazbu z motoru. Optimalizuje se přesnost a odolnost vůči mechanickému opotřebení. Další potenciál, kterým lze snížit emise oxidů dusíku a pevných částic až na 90 procent, nabízí částečné homogenní spalování (phcci). Protože může být doposud používáno pouze v okruhu částečného zatížení, pracuje firma Bosch intenzivně na tom, aby rozšířila proces spalování na větší okruhy zatížení. V případě částečného homogenního spalování je zapotřebí vysoké cirkulace výfukových plynů, aby se palivo nezapálilo příliš brzy. Dokonalejší přípravou Page 4 of 6

5 paliva dochází k rovnoměrnějšímu spalování, čímž lze značně omezit tvorbu škodlivin. Systémy ke konečné úpravě výfukových plynů K odstranění i zbytkových částic sazí, které jsou ještě obsaženy v výfukových plynech, vyvíjí firma částicový filtr pro vznětové motory (DPF), který zadrží více jak 97 procent pevných částic. Filtr se skládá ze slinutých kovů a oproti původním křemičito karbidovým filtrům má vyšší kapacitu k uložení popílku tím je upraven na extrémně dlouhou životnost. Na základě zvláštního způsobu konstrukce je možné filtry ze slinutých kovů od firmy Bosch regenerovat o 20 až 30 procent rychleji. K ekologickému vznětovému motoru patří i nízká produkce oxidů dusíku. Jejich vznik funguje opačně než u částic sazí. Pokud je vznětový motor seřízen na nízkou produkci částic, vzniká více oxidů dusíku a naopak nízká cílová hodnota oxidů dusíku s sebou přináší vysoké hodnoty částic. Na základě vysokého účinku částicového filtru může být vnitřními zákroky v motoru spalovaní ve smyslu minimálních emisí oxidů dusíku optimalizováno. Tím se snižují nezbytné náklady na odlučování dusíku z výfukových plynů. Zaváděním stále přísnějších mezních hodnot pro výfukové plyny se zejména pro silná a vysokovýkonná vozidla nebo při úpravě Downsizing snižování surových emisí prosazuje stále obtížněji. K odbourání oxidů dusíku se používají zásobníkové katalyzátory NOx (NSC) nebo systémy SCR, které se zakládají na redukčním prostředku AdBlue. V případě systémů NSC se musí čas od času provést odsíření, protože i takzvaná odsířená nafta obsahuje procesně podmíněný nízký podíl zbytkové síry. Aby se zabránilo poškození katalyzátoru, vyvíjí se ve firmě Bosch speciální strategie regulace jednotky řízení motoru k zpětné vazbě síry. Systémy SCR tuto nevýhodu nemají, vyžadují ovšem redukční prostředek AdBlue, kterým oxidy dusíku transformují na dusík a vodu. Firma Bosch k těmto systémům SCR vyvíjí dávkovací systémy a regulační koncepty. Již od roku 2004 dodává firma Bosch do užitkových vozidel dávkovací systém Denoxtronic. Kromě toho se vyvíjí systémy 2. generace, u kterých se doposud může upouštět od běžného rozprašování stlačeného vzduchu. Page 5 of 6

6 S našimi systémy Denox je možné zvláště účinné odlučování dusíku s mírou přeměny až 85 procent. Podle hmotnosti vozidla a specifického výkonu motoru se nabízí buď systém NSC nebo systém SCR. Firma Bosch tím nabízí inovativní řešení k dalšímu snižování emisí pro všechny osobní automobily se vznětovým motorem a užitková vozidla. Page 6 of 6