A motorhajtóanyag adalékok fejlesztésének irányai és hajtóerői

A motorhajtóanyag-adalékok fejlesztésével összefüggésben említést kell tenni a környezetvédelmi kérdésekről, illetve a motor- és a motorhajtóanyag (így a dízelgázolaj) ipar fejlődéséről is. A szénhidrogén alapú hajtóanyagok használata a szállításban a legtöbb ember számára mindennapos. Egyre több ember utazik, egyre több árut szállítanak, sokkal hatékonyabban, sokkal biztonságosabban és sokkal környezet-tudatosabb módon, mint néhány évtizede. Ennek elérése jelentős erőfeszítést igényel a

− a motorgyártóktól – biztonságos, hatékony és környezetbarát járművek fejlesztése;

− a kőolajipartól – megfelelő minőségű és mennyiségű hajtóanyagok biztosítása;

− az adalékipartól – a jó minőségű hajtóanyagokhoz való adalékok szállítása.

1.1.1. A piaci igények és a környezetvédelmi szabályozások hatása a dízelgázolajok és adalékaik fejlesztésére

A korszerű dízelüzemű motorok ma már kiemelkedő teljesítményt biztosítanak a személygépjárműveknek, és felveszik a versenyt a benzinüzemű motorokkal. Ezek növekvő használata némely piacon részben elősegíti a dízelgázolaj használatának folyamatos növekedését. Az EU-ban napjainkban a motorbenzin felhasználás több mint 140 millió t/év, míg a dízelgázolajé ezt is meghaladóan 170 millió t/év (1. ábra) [4]. Az értékesített dízelgázolaj részaránya a motorhajtóanyagok piacán az elmúlt években tartósan 50% felett volt és a becslések szerint a közeljövőben a 60%-ot is megközelíti.

0 10 20 30 40 50 60 70

1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014

Dízelgázolaj-felhasználás, %

1. ábra

A dízelgázolaj felhasználásának részaránya az EU-ban

A dízelgázolaj és motorbenzin használatának növekedése a kőolajfogyasztás növekedését eredményezte. Az 1970-es évekbeli olajválság következményeként nagy változásokra volt szükség a kőolajfinomítók üzemeltetésében, hogy minél több motorbenzint és dízelgázolajat állítsanak elő egyre kevesebb kőolajból. Ez a nehéz fűtőolajból történő könnyű termékek gyártását kényszerítette ki. Ezek a változások nagy hatással voltak a motorhajtóanyagok minőségére. A konverziós eljárásokkal előállított áramoknak nagyobb az olefin- és aromástartalmuk, mint amelyeket egyszerű hidrogénező finomítással gyártanak. Ezek a szénhidrogének számos problémák forrásai, például az instabilitás, a hajtóanyagrendszer-lerakódások és a rosszabb égési karakterisztika. Ez a változás a hajtóanyagok minőségében éppen akkor történt, amikor felmerült az igény a jobb minőségű hajtóanyagok iránt. Ezeknek a minőségi igényeknek a kielégítése szükségessé teszi a korszerű motorhajtóanyagok adalékolását [5-8].

Az adalékfejlesztés másik fő mozgatórugója a környezetvédelmi szabályozásoknak való megfelelés. A dízelgázolajok esetében például azok megengedett kéntartalmát – környezetvédelmi és humánbiológiai okok miatt – az Európai Unióban 2000-ben 0,05%-ra, majd 350 mg/kg-re csökkentették, 2005-től 50 mg/kg-re, 2009-től pedig már csak legfeljebb 10 mg/kg lehet [9]. A nagy nyomáson történő hidrogénezés hatására a természetes kenőképességet adó poláris komponensek (heterociklikus aromások, kén-, nitrogén- és oxigéntartalmú vegyületek) eltűnnek a dízelgázolajokból, így a dízelgázolajok természetes kenőképessége fokozatosan kisebb lett, illetőleg lesz, amit még csak fokoz az aromástartalom csökkentése is. Ennek eredményeként megváltozott a dízelgázolajok kenőképessége, így egyre inkább előtérbe kerültek a nagy hatékonyságú kenőképesség-javító adalékok is [5-9].

A 2. ábra a dízelüzemű személygépjárművek emissziós stratégiájának fejlődését mutatja.

A gépjármű- és a motorgyártóknak ezen intézkedések figyelembevételével kell módosítaniuk a motorok, a befecskendező-rendszerek és az utókezelő katalizátorok tervezését. Így ahhoz, hogy a személygépjárművek kielégítsék az EURO 5 szabványban leírtakat, mindegyiket szükséges lesz dízel részecske-szűrővel és NOx-átalakító katalizátorral felszerelni [8,9].

2006 szeptemberében az Európai Parlament Környezetvédelmi Tanácsa elfogadta az EURO 5 Emissziós Szabvány bevezetésére irányuló beadványt, melynek főbb pontjai a következők [8]:

− a dízelüzemű gépjárművek részecske-kibocsátásnak 80%-kal való csökkentése,

− a dízelüzemű gépjárművek NOx-emissziójának 20%-kal való csökkentése,

− a benzinmotoros gépjárművek NOx- és szénhidrogén-kibocsátásának további csökkentése,

− a szegénykeverékkel üzemelő gépjárművek részecske-kibocsátás határértékének bevezetése,

− az emissziót szabályozó rendszerek életciklusának növelése (80000 ről 160000 km-re),

− a 2500 kg-nál nagyobb tömegű személygépjárműveknek a kis tömegű járművek emissziós szabványaihoz való besorolásának megszüntetése.

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Személygépjárművek kibocsátási határértékének változása és a motorok műszaki fejlődésének főbb állomásai

A másik jelentős előírás már a jövőben bevezetni kívánt EURO 6 emissziós szabványra vonatkozik, amelyben az NOx-kibocsátás megengedett értékét tovább csökkentik 180-ról 70 mg/km-re, sőt a benzines motorok esetében az NOx és a teljes szénhidrogén kibocsátás összegét maximalizálnák. Ez a módosítás is az NOx utókezelők bevezetését sürgeti [8].

A károsanyag kibocsátás csökkentése mellett az Európai Parlament és a fogyasztók fő célja a CO2 emisszió csökkentése és a motorhajtóanyag takarékosság: „flotta-átlagban” 120 g/km átlagfogyasztás elérése a cél. Az Európai Bizottság eredeti javaslata 2012-re minden új autó számára ezt a csökkentett határértéket szabta volna, de a gazdasági válság által erősen sújtott autóipar védelme érdekében könnyíteni igyekszik a megszorításon. A szabályozás 2012-re az új autók 65 százalékára, 2013-ra 75 százalékukra, 2014-re 80 százalékukra és

végül 2015-re minden újonnan előállított személyautóra kiterjedne. A gépjárművek motortechnológiájában a 130 g/km-es célértéket kell teljesíteni. A fennmaradó 10 g/km kibocsátás-csökkentés más technológiák – például az abroncsok és a bioüzemanyagok, vagy a motorhajtóanyagok – fejlesztésével érhető el. Ennek érdekében szükséges a megfelelő forgatónyomaték biztosítása alacsony fordulatszám mellett, ami 2000 bar feletti legnagyobb nyomást igényel a hengerekben. Ezekhez a megváltozott követelményekhez a motorhajtóanyag befecskendező rendszernek igazodnia kell. Ennek következtében a motorhajtóanyag-detergensek kulcsfontosságú szerephez jutnak [10].

További jelentős kihívás a bio-motorhajtóanyagok megjelenése a piacon [11].

Dízelgázolajok esetében ez leginkább a növényolaj-zsírsav-metilészter (NOME), vagyis a biodízel bekeverését eredményezi. A dízelgázolaj/NOME elegy már megjelent a piacon. A biodízel jelenléte megváltoztatja a dízelgázolaj tulajdonságait és az adalékok teljesítményét;

például jelentősen befolyásolja a hidegfolyási tulajdonságokat javító adalékolást, vagy a detergens-diszpergens adalékokkal szembeni elvárásokat is.

1.1.2. Diesel-gépjárművek fejlesztései

Az elmúlt években a dízelüzemű gépjárművek fejlődése – mind a személygépjárművek, mind a nehézgépjárművek esetében – felgyorsult (1. táblázat) [12-14]. Ennek következtében:

− Jelentősen nőtt a fajlagos teljesítmény és a hajtóanyag gazdaságosság.

− A járművek kötelező karbantartási igénye egyre jobban csökkent.

− Az utó-átalakító katalizátorok bevezetése jelentősen csökkentette a gépjármű emisszióját.

− A motor elektronikus vezérlése lehetővé teszi a hatékony befecskendező rendszerek használatát és növeli a hajtóanyag gazdaságosságot, mialatt csökkenti a kipufogógáz emissziót.

− A hengerenként több mint két szelep használata és egyéb berendezések, mint például a turbófeltöltők, segítik a teljesítmény további növelését és az emisszió csökkenését.

Ahogy már említettem a motorok gyors ütemű fejlesztéséhez a motorhajtóanyag befecskendező rendszereknek is igazodnia kell. Régebben a legtöbb kis Diesel-motor közvetett, míg a nagy motorok közvetlen befecskendezésűek (IDI, illetve DI) voltak.

Napjainkban a korszerű személygépjárművek is átállnak a közvetlen injektálásra. Ugyan az IDI rendszerek „simább” járásúak és halkabbak, de a DI rendszerek

hajtóanyag-takarékosabbak. A hajtóanyag-befecskendezők befecskendezik a dízelgázolajat a forró sűrített levegőbe, és a keverék begyullad. A hatékony adagolás a porlasztás és a hajtóanyag-levegő keverés a megfelelő égés, és így az alacsony kipufogógáz-emisszió kulcsa. A korszerű befecskendezőket szigorú szabványoknak megfelelően tervezik, és a hajtóanyag-fogyasztás optimalizáló rendszer integrált részét képezik. Az áramlási karakterisztikájukat úgy állítják be, hogy az égés kezdetéhez kis mennyiségű hajtóanyagot fecskendezzenek be, majd fokozatosan több hajtóanyagot juttassanak be az égő keverékbe. A befecskendező tű eltérő mértékű emelkedése biztosítja a lépcsős injektálást. A fő hajtóanyag-tömeget nem juttatják be, amíg a tű emelkedése be nem fejeződik. Ez a megoldás biztosítja a kis nyomásemelkedést és az egyenletes égést [15]. A tiszta hajtóanyag-befecskendező a hatékony működés egyik kritikus pontja. A jól diszpergált aeroszol optimalizálja a hajtóanyag-levegő keveréket, ezáltal biztosítva a gyors, hatékony égést. Az utóbbi években növekedett a fúvókák hidraulikai hatékonysága, emiatt csökkent a kavitációs áramlás, ami viszont a fúvókalyukak öntisztulását csökkenti. A megnövelt hajtóanyagnyomás és hidraulikus hatékonyság a fúvókahegy nagyobb hőmérsékletét eredményezi, ezáltal lényegesen nagyobb a természetes bomlásból eredő lerakódások képződése [16-20].

1. táblázat

Dízelüzemű gépjárművek jellemzőinek változása (az adatok csak tájékoztató jellegűek) Időtartam 1960-as évek 1990-es évek 2000-es évek

Lökettérfogat, l 2,5

(ohv)

1,9 (ohc)

1,9 (ohc, 16v) Kompresszióarány/típus 20:1 IDI NA 20:1 IDI NA/TC IC 20:1 DI/TC/IC/

(CR&UI)

Max. teljesítmény, kw 40 70 100+

Max. sebesség, km/h 120 170 200

Hajtóanyag fogyasztás, l/100km 11 8 7

Olajcsere periódus, km 5000 15000 30000

Katalizátor Nincs Nincs Van

Füst/részecske szint Nagyon nagy Közepes Kicsi

NA – Normally aspirated, szívó motor; IDI – Indirect injection, közvetett befecskendezés; DI – Direct injection, közvetlen befecskendezés; TC – Turbo charged; turbó feltöltő; IC – Intercooler; közbenső hűtés; CR & UI – Common Rail és szakaszos befecskendezés

Minden dízelgázolaj, de főleg a termikus krakkolással és hasonló eljárásokkal előállítottak csoportja, hajlamos kis mennyiségű koksz lerakására az injektorban. Ez a koksz az instabil hajtóanyag komponensek termikus bomlásából származik. Ezt a problémát egyszerűen meg lehet oldani úgy, hogy a befecskendező méretezésénél figyelembe vesznek bizonyos mennyiségű kokszot. Ennek ellenére sok jelenlegi dízelgázolajnak túlságosan nagy a

kokszosodási hajlama, ezáltal rossz eloszlású és hatásfokú a hajtóanyag porlasztása. Ez nagyobb emissziót, hangosabb motorműködést és rosszabb hajtóanyag-gazdaságosságot eredményez. Az előzőekben felsorolt okokból származó „kokszosodás” kiválóan szabályozható a dízelgázolajok megfelelő adalékolásával [9, 15].