Malte Månson AB

Utmaningen med morgondagens emissioner i dieselmotorer

Blogginlägg   •   Nov 15, 2011 15:53 CET

Processen att göra dieselmotorer renare fortsätter nu när vi närmar oss den fjärde nivån (Steg 3B/Tier4) av utsläppsminskning för dieselmotorer i effektintervallerna 56-130 kW. Lagförändringen gäller inom geografiska områden som EU, Nordamerika och Japan med början 2012. Det kommande steget innebär den största förändring som motortillverkare och OEM kunder hittills har upplevt inom arbetsmaskiner avseende dieselmotorteknologi.

Mot framtiden – snart morgondagen!
När vi pratar om kommande emissionskrav för arbetsmaskiner, pratar vi faktiskt om två regelverk, det första som vi kallar ”Tier4 Interim”, gäller för Nord Amerika samt ”Stage IIIB” eller som vi säger i Sverige ”Steg3B”, för Europa. De nya regelverken kommer innebära stora skillnader i emissionsnivåer jämfört med nuvarande regelverk ”Steg3A”. För NOx (kväveoxider) krävs 15-50% lägre nivåer och för PM (partiklar) upp till 95% lägre nivåer jämfört med dagens krav. Regelverket och certifieringen kommer inte gälla för enbart en specifik temperaturnivå, utan motorn måste uppfylla fastställda emissionsnivåer både vid låga som höga temperaturer såväl som olika höjdnivåer, och dessutom i hela motors effektregister. Bestämmelserna gäller inte enbart nya dieselmotorer som kommer direkt från fabrik utan motorerna förväntas förbli rena under hela maskinens livstid och under ett stort antal olika driftsförhållande. Ytterligare lagstiftning i synnerhet i Europa fokuserar även på maskinernas bullernivåer.

System för NOx - och Partikelreduktion
För att klara de stora emissions minskningar måste motorerna utrustas med någon form av efterreningsutrustning. Emissionsproblemen med dieselmotorteknik är framförallt NOx och PM. Motortillverkarna har i utvecklingsarbetet av de nya motorgenerationerna noga utvärderat de olika systemen som idag finns för reduktion av NOx och PM. För effektiv NOx reduktion används idag framförallt två olika tekniker: den ena är att utnyttja avgaser till att kyla förbränningsprocessen, det som normalt kallas EGR (Exhaust Gas Recirculation). Den andra är mer känd som SCR teknik (Selective Catalytic Reduction). SCR tekniken bygger på att man sprutar in ett reduktionsmedel (ammoniak) i avgasflödet för att reducera NOx till kväve och vatten. Som reduktionsmedel används framförallt en 30% urealösning som bland annat marknadsförs under betäckningen AdBlue. Vätskan lagras i en separat tank och det förbrukas 4-5% per enhet diesel. SCR teknik är en effektiv teknik att reducera NOx med, men det finns självklart nackdelar t.ex.:

1. Man ska hantera ytterligare en vätska, införskaffande, transporter, lagring, påfyllnad, m.m. Infrastrukturen för att få tag i vätskan skiljer även rätt mycket i olika delar av världen. Exempelvis, hur ska man garantera att en entreprenadmaskin alltid har tillgång till urealösning.

2. Komplexitet, det krävs ett helt nytt system på motorn för att få SCR teknik att fungera. Urea vätskan är även känsligt för kyla och har en fryspunkt vid -9°C, vilket kräver en separat uppvärmningssystem för tank och rörsystem.

Partikelrening (PM) med Diesel

Partikelfilter
För partikelreduktion har många motortillverkare valt att använda DPF (Diesel Particulate Filter). Avgaserna får flöda igenom DPF filtret med väggar av poröst keramiskt material som fångar upp partiklarna effektivt, minst 90% oftast ännu mer.

Diesel Oxidations Katalysator (DOC)
Diesel partikelfiltret i sig kan inte reducera andra reglerade emissioner som exempelvis kolmonoxid (CO) eller kolväten (HC), till detta krävs ytterligare teknik i form av Diesel Oxidations Katalysator. Principen bygger till stor del på samma teknik som partikelfiltret, skillnaden är att filtret inte är uppbyggt med väggar som avgaserna skall flöda igenom, utan här flödar avgaserna rakt igenom filtret. Väggarna är belagda med ädelmetaller som startar en oxidations process. Både oxidations katalysatorn och partikelfiltret är ofta integrerade i samma behållare.

Underhåll av filtret
I samband med att partiklarna renas ifrån avgaserna bildas det sot i filtret. Driftsförhållande och antal drifttimmar är avgörande för hur mycket sot filtret ackumulerar. Tids nog behöver filtret rengöras genom en process som kallas ”Regenaration”. Det finns i princip två sätt att rengöra filtret från partiklar: en kontinuerlig process som kallas ”Low Temperature Regenaration” eller en avbränning vid lämplig tidpunkt kallad ”High Temperature Regenaration”.

Low Temp erature RegenarationLow Temperature Regenaration är en kontinuerlig process där katalysatorn innehåller ett speciellt material som bildar kvävedioxid (NO2) vid en temperatur kring 250°C. Kvävedioxiderna får brinna med sotpartiklarna som oxideras. En begränsning med den här tekniken är att det krävs lite NOx för att få processen att fungera. Kommande emissionskrav tillåter att motorer under 130 kW avger mer NOx utsläpp än dieselmotorer över 130 kW. Low Temperature Regenaration passar därför bäst för motorer under 130 kW. För starkare motorer finns bland annat en annan teknik som en del motortillverkare har valt att använda: ”High Temperature Regenaration”.

High Temp erature Regenaration

Den här processen är inte kontinuerlig som ”Low Temperature Regenaration”, utan man bränner av sotpartiklarna vid lämpligt tillfälle. Det finns flera olika metoder för att höja avgastemperaturen tillräckligt för att bränna av partiklar. Det kan göras både elektriskt eller med en efterförbränning där man använder maskinens eget bränsle. Den extra upphettningen värmer avgaserna till över 600°C vilket påbörjar en direkt och kontrollerad oxidationsprocess. Det här systemet har visat sig väldigt tillförlitligt jämfört med andra lösningar och det är även möjligt att själv starta och stoppa regenereringen, vilket är en stor fördel beroende på vilken miljö och situation maskinen befinner sig i.

Aska
Trots att nästan alla sotpartiklar i filtret oxiderar genom regenereringsprocessen så blir det ändå en del aska kvar i filtret som undan för undan lagras upp och successivt täpper igen filtret. Aska går inte att regenerera utan måste rengöras separat. Idag finns det speciella maskiner som man använder för att rengöra filter. I Europa finns idag inget regelverk fastställt efter hur många timmar ett filter skall rengöras till skillnad från Nord Amerika. Där är regelverket att filter på en dieselmotor under 130 kW skall rengöras efter 3000 timmar och på en dieselmotor över 130 kW 4500 timmar.

Slutsats
De förändrade miljökravet på dieselmotorer för arbetsmaskiner kommer ställa stora krav både på OEM tillverkare som maskinägare. Kvalité och genomförande vid reparationer och ingrepp kommer att behöva dokumenteras vilket i sin tur ledet till att kvalificerad service och support kommer att vara extra viktigt för maskinägarens totala driftsekonomi. Nästa planerade steg (Steg 4) i emissionsreglering av dieselmotorer i effektintervallerna 56-130 KW är planerat till 2014, då kommer kravet på kväveoxid NOx att skärpas markant vilket blir en ytterligare utmaning för alla dieselmotortillverkare.

Skribent: Tomas Svensson, Malte Månson AB