Emisní norma Tier 4i: jak fungují nové motory v zemních strojích a na co si dát pozor

Co nová emisní norma, to čistější zplodiny, ale i o pár litrů vyšší spotřeba nafty. Tato zjednodušená, ale trefná rovnice přestává se současnou emisní normou Tier 4i / Stage III B platit. Kromě spotřeby totiž budete muset řešit i další věci.

V letech 2002 - 2004 přišla norma Tier 2 / Stage II a s ní u mnoha strojů znatelné zvýšení spotřeby paliva. Další zhoršení nastalo kolem roku 2007 s normou Tier 3 / Stage III A. Nicméně pro strojníky a provozovatele se nic nezměnilo, stroje fungovaly stejně jako předtím. Změna v obsluze strojů přišla až nyní.

Za všechno může evropská emisní norma Stage IIIB, obdoba americké normy Tier 4 interim (zatímní), která letos „postihla“ stroje s výkonem motoru 130 - 560 kW. Příští rok začne platit pro stroje s motory 56 - 129 kW a v roce 2013 „semele“ i malé stroje s motory 37 - 55 kW.

Nástup platnosti emisních norem v EU

Proč, co a jak

Každá z dosud platných norem adresovala početné množství škodlivin, ovšem nejvíce pozornosti si vysloužily emise pevných částic sazí (PM) a oxidy dusíku (NOₓ). Oxidy dusíku přispívají k tvorbě smogu, zatímco pevné částice, které sestávají ze sazí a nespotřebovaného paliva ve výfuku (černý dým), způsobují rakovinu a alergie. Norma Tier 4 oproti předchozí Tier 3 snížila limity oxidu dusíku na polovinu a obsah pevných částic na pouhopouhou jednu desetinu původního množství.

U motorů můžete snížit produkci pevných částic na minimum, to není žádný konstrukční oříšek. Vyletí vám ale nahoru oxidy dusíku. Když se pokusíte omezit oxidy dusíku, máte zase problém s vysokým obsahem pevných částic. Cestou z tohoto začarovaného kruhu je následná úprava výfukových plynů.

Buď tedy snížíme tvorbu oxidů dusíku a z výfuku potom odchytneme pevné částice (technologie CEGR + DPF) nebo naopak snížíme tvorbu pevných částic už v motoru a následně se vypořádáme s oxidy dusíku (technologie SCR). I když řešení můžeme dosáhnout i spojením těchto technologií v určitém poměru, v praxi se tyto dva koncepty vůči sobě vyhranily a stojí proti sobě téměř jako Kain a Ábel.

CEGR + DPF – jak to funguje

CEGR je zkratka pro recirkulaci a chlazení výfukových plynů (Cooled Exhaust Gas Recirculation nebo také Cooled EGR). Mimoto se tato technologie vyznačuje systémem proměnného vstřikování paliva pod velmi vysokým tlakem, přesným řízením turbodmychadel, elektronickým systémem řízení motoru a dodatečnou úpravou výfukových plynů za použití filtru pevných částic DPF.

Recirkulace výfukových plynů snižuje obsah kyslíku ve spalovací komoře, čímž také snižuje maximální teplotu spalování a tím i tvorbu oxidů dusíku - zásadního požadavku nových limitů.

Filtr pevných částic je zpravidla vyroben z karbidu křemíku a nachází se pod kovovým opláštěním. Zároveň vykonává funkci výfukového tlumiče. Prochází jím soustava kanálků s póry na povrchu, ve kterých se pevné částice zachycují. Filtr pohlcuje pevné částice a dočasně je v sobě uchovává. Jakmile se nahromadí dostatečné množství, spustí se proces tepelné regenerace, při kterém jsou při teplotách až přes 700 °C pevné částice zcela spáleny. Tento proces často bývá alespoň částečně zautomatizován.

Regenerace může být pasivní, aktivní anebo kombinace obojího. Pasivní regenerace probíhá samovolně při větším zatížení motoru, kdy teplota spalin vyšplhá na cca 500 - 550 °C. Tuto hodnotu lze snížit ještě asi o 100 °C, pokud je filtr částic opatřen katalytickým povlakem. Pasivní regenerace je využitelná pouze tam, kde teplota výfukových plynů neklesá pod výše uvedené hodnoty. V opačných případech je nutno přistoupit k aktivní regeneraci za vyvinutí vysokých teplot, přičemž spalování je podpořeno přidáním většího množství paliva.

Na rozdíl od automobilů nelze u stavebních strojů kvůli jejich krátkým pracovním cyklům a časté práci při nízkých otáčkách motoru na pasivní regeneraci spoléhat - teplota spalin se nedostane na požadovanou úroveň. Je nutno používat regeneraci aktivní.

Stejně jako technologie SCR, vyžaduje i CEGR + DPF naftu, která obsahuje méně než 0,15 ‰ síry, což v Evropě není žádný problém. Stejně tak v USA, Kanadě, Japonsku, Jižní Koreji a Maroku. Avšak u CEGR + DPF je navíc důležité dbát na speciální motorový olej. Předepsaný motorový olej totiž omezuje usazování pevných částic ve filtru a prodlužuje čas mezi jednotlivými regeneracemi.

Elektronické řídicí jednotky musí být nyní rychlejší a zvládat více činností najednou. Jedním z jejich hlavních úkolů je řídit proces recirkulace - správně dávkovat množství výfukových plynů pro smíchání s čistým vzduchem tak, aby se příliš neodebíral výkon motoru a nespotřebovávalo se více pohonných hmot, než je nutné.

Nevýhody CEGR + DPF

Motory osazené CEGR + DPF mají vyšší spotřebu, protože filtr pevných částic tvoří překážku ve výfuku a snižuje výkon motoru. Proto jsou motory seřízeny na vyšší dodávku paliva, čímž roste spotřeba nafty, která se při regeneraci dále zvyšuje.

Při procesu regenerace často nesmí strojník vypnout motor, aby se mohla regenerace úspěšně dokončit. Vzhledem k tomu, že regenerace trvá 30 – 45 minut a děje se jednou za 10 – 12 provozních hodin, nejedná se o zanedbatelné omezení. Naštěstí má strojník možnost regeneraci odmítnout a provést ji při nejbližší možné příležitosti (zpravidla však nejpozději do tří hodin). Některé stroje sice disponují tzv. automatickým systémem regenerace, nicméně i v tomto případě je doporučeno provést úplnou regeneraci každý den.

Po čase již nestačí čištění formou regenerace a je nutná výměna. Cena repasovaného („vyklepaného“) filtru pevných částic se v současnosti u různých výrobců pohybuje různě, ale jako orientační můžeme vzít úroveň okolo 1000 €. Předpokládá se, že k jeho výměně bude muset dojít během každých cca 5000 Mh, což vychází zhruba na 5 Kč za motohodinu.

Regeneraci nelze provádět v prostředí s lehce zápalnými materiály, například na pile. V jakémkoliv prostředí byste se potom při běžném provozu měli vyvarovat delších prodlev s otáčkami motoru pod 1000 ot/min.

Jak funguje SCR

Systém SCR (selektivní katalytická redukce) vstřikuje vodní roztok močoviny (známý pod obchodním názvem AdBlue) do výfukové soustavy, kde se rozloží na čpavek, který obratem reaguje s oxidy dusíku v katalyzátoru SCR za vzniku neškodných látek.

Systém SCR sestává z prvků namontovaných na motoru, nádrže a vedení AdBlue, elektrických vodičů a katalyzační jednotky o něco větší než tlumič výfuku, který zároveň nahrazuje.

Spotřeba AdBlue kolísá v návaznosti na zatížení motoru a dalších faktorech. Neočekává se však, že by měla v průměru překročit 5 % objemu paliva. Nicméně v průběhu může kolísat v rozmezí cca 4 - 8 %. Zjednodušeně můžeme říci, že PHM ušetřené ve srovnání s dřívějšími motory Tier 3 nahradíme AdBlue. Cena AdBlue se liší podle dodavatele a množství/balení, v současné době se však ocitá hluboko pod cenou nafty.

Na evropském trhu nákladních vozidel se SCR používá od roku 2006 a lze říci, že Evropa je se svou sítí dodavatelů AdBlue systému SCR nakloněna více, než jiné části světa.

Nevýhody SCR

První a zásadní nevýhodou je, že do samostatné nádrže s modrým víčkem musíte pravidelně dolévat AdBlue. S tím je spojená i případná logistika a skladování AdBlue.

Pro bezproblémový provoz je také nutné nikdy se nesplést při tankování. Do nádrže určené pro AdBlue nesmíte za žádných okolností nalít naftu. Ani voda systému nesvědčí - problémy na sebe nenechají dlouho čekat.

Technologie SCR je náročnější na prostor - na rozdíl od CEGR má problém vtěsnat se do útrob malých strojů. Není snadné zde nalézt místo pro nádrž AdBlue, pro velké chladiče nebo pro SCR katalyzátor.

AdBlue při -11°C zamrzá a systém SCR ho zahřeje až teplem od motoru. Za tuhých mrazů se tak motor nastartuje bez přídavku AdBlue, a teprve jak se AdBlue zahřeje na optimální teplotu, dojde k jeho dávkování. Do té doby nedochází ke snižování emisí NOₓ.

Neznalý strojník: Co může způsobit?

Dostáváme se k důležitému bodu, kterým je „doškolení“ obsluhy stroje, která začíná pracovat na stroji osazeném systémem CEGR+DPF nebo SCR.

U systému CEGR+DPF bez plně automatického režimu musí strojník na výzvu stroje potvrdit provedení aktivní regenerace filtru pevných částic, při které by následně neměl vypnout motor. U systému AdBlue zase musí tankovat do nádrže s modrým víčkem AdBlue. Ale co se přihodí, když to strojník neudělá?

Nejdříve se podívejme na systém CEGR+DPF. Když strojník odmítne několikrát za sebou provést regeneraci (je k ní vyzván opakovaně), dojde ke snížení výkonu a rychlosti stroje a následnému zničení filtru pevných částic. Poté se motor zcela vypne. Některé stroje jsou vybaveny automatickým systémem regenerace. Zde strojník musí na palubní desce sledovat míru zanesení filtru a nejlépe jednou denně dosáhnout úplné regenerace filtru, jinak hrozí obdobné problémy jako u systému poloautomatického.

Systém SCR je v tomto milosrdnější, protože při nepřítomnosti AdBlue se nikde nic nezanáší. Motor může běžet dále, v rozletu se mu musí zabránit „uměle“. Jde se na to stejnou cestou jako CEGR + DPF, tzn. postupně se elektronicky snižuje výkon motoru, až se zcela zastaví. Po dotankování AdBlue se motor opět rozběhne.

Horší je, když do nádrže určené pro AdBlue strojník naleje něco, co tam nepatří. Nejčastěji se jedná o naftu nebo o vodu. Nejzáludnější je v tomto právě nafta, protože systém SCR je chráněn proti používání AdBlue kontaminovaného ropnými látkami. Toto opatření je realizováno v rámci čerpací jednotky, která obsahuje pryžové části, jež po styku s ropnými látkami nabobtnají a znemožní takto kontaminovanému AdBlue průchod. Po odčerpání omylem natankované nafty zůstávají pryžové části čerpadla naftou nasáknuté a je potřeba provést jejich revizi, opravu či výměnu.

Evropa? Nezájem.

Cestou CEGR + DPF jdou Caterpillar, Hitachi, Komatsu, Liebherr nebo Volvo. Naproti tomu Case, Doosan, New Holland nebo Terex do svého sortimentu zařadili též stroje se systémem SCR.

Jak vidno, u stavebních strojů vítězí systém CEGR + DPF. Čím to? Když uvážíme, že většina nákladních automobilů v Evropě využívá systém SCR, a že stavební stroje na rozdíl od nákladních aut v podstatě nevyužijí pasivní regeneraci a musejí spoléhat pouze na regeneraci aktivní, je tato otázka na místě. Co je ten nejpádnější argument, který u výrobce stavebního stroje převáží pomyslnou misku vah ke zvolení jednoho systému na úkor druhého?

CEGR + DPF nemá navrch proto, aby se majitelé strojů a strojníci nemuseli obtěžovat s bandaskami naplněnými AdBlue. Takoví lidumilové výrobci strojů zase nejsou. Skutečná odpověď na tuto otázku je mnohem prozaičtější a je k nalezení například na webových stránkách druhého největšího výrobce bagrů na světě. Jako jediný důvod pro technologii CEGR + DPF zde firma Hitachi uvádí skutečnost, že AdBlue není k dispozici ve všech částech světa.

Jinými slovy, Evropa se se svou drahou naftou a hustou sítí dodavatelů AdBlue ocitla na druhé koleji. Nemůžeme se divit, že zájmem výrobců strojů není šít stroje na míru danému kontinentu, ale nabídnout univerzální stroje s co největším světovým pokrytím. Používat u každého stroje tři druhy motorů podle geografického určení by bylo značně komplikované a zbytečně by to prodražovalo proces vývoje a výroby.

Když jsme u těch prozaických odpovědí, je nezbytné dodat, že u výrobců strojů, kteří si nevyrábí motory sami, ale nakupují je od motorářských firem, často rozhoduje nabídková cena motorů. Ta v mnohých případech určí, jaký systém se bude používat.

Co nás ještě čeká?

Od roku 2014 čeká výrobce a potažmo uživatele strojů ještě přísnější finální norma Tier 4. Již teď se hovoří o systémech EGR + SCR, tedy o kombinaci obou výše uvedených postupů. Z AdBlue se tak možná stane další běžná provozní kapalina, stejně samozřejmá, jako je třeba náplň do ostřikovačů. To stejné platí pro filtry pevných částic DPF.

Výrobci jsou proto umírnění ve svých soudech a nevylučují používání jiné technologie, než té, kterou zvolili nyní pro větší stroje v rámci zatímní normy Tier 4.

Možná však bude všechno jinak. Technologie pro finální Tier 4 jsou sice zatím zahaleny rouškou tajemství, ale první motory jsou doslova za dveřmi. Paradoxně se jedná o motory s výkonem přesahujícím 560 kW, které v Evropě nejsou nijak regulovány. Caterpillar se rozhodl v předstihu použít motory vyhovující Tier 4 Final v nových pevných demprech pro USA a Kanadu. A co je zajímavé, tyto motory se stále obejdou bez použití AdBlue. Vypadá to tedy, že ke „smíření“ technologií CEGR + DPF a SCR nakonec nemusí dojít ani v rámci finální normy Tier 4 a tato dvě řešení budou existovat vedle sebe i nadále.

Na závěr je třeba uvést, že pokud provozujete starší stroje, které nesplňují zatímní normu Tier 4, neznamená to pro vás v dnešní době problém nebo komplikaci - emisní norma se vztahuje pouze na stroje, které byly vyrobeny v době její platnosti.

V případě, že má už nyní někdo zkušenost se spotřebou pohonných hmot a spolehlivostí těchto nových systémů u stavebních strojů, může informovat ostatní čtenáře formou komentáře pod článkem.

Komentáře

Výborný článek – Dobrý den, děkuji za výborný a z odborného hlediska i pravdivý článek. Snad jen pár přípomínek z vlastní zkušenosti a praxe. U normy TIER2, TIER 3 a TIER 4 nemusí zásadně dojít ke zvýšení paliva ve všech případech v porovnání s "neemisními" stroji. Případné navýšení spotřeby paliva na motoru se kompenzuje úsporami v hydraulické nebo převodové části stroje, např. čerpadla s proměnným prac. objemem nahradila čerpadla s pevným objemem nebo standartní použití zámku měniče apod. Použily se dokonalejší komponenty s menšími mechanickými a hydraulickými ztrátami a významně se zeefektivnila hydr. soustava, zvýšily se vstřikovací tlaky motoru, aby se docílilo větší atomizace paliva a využilo se tak více energie schované v palivu. Takže ve finále spotřeba paliva může být dokonce ještě nižší než u starších strojů. Do budoucna se opravdu počítá s kombinací obou emisních technologií, ale také se daleko více bude využívat el. energie (elektromotory nahradí sestavu čerpadlo-hydromotor a tak dojde ke snížení hmotnosti stroje a nutnosti mít natolik výkonný motor = menší motor, méně paliva, méně hmotnosti). Co se týká obou emisních technologií, tak jak EGR, tak SCR mají své výhody, které byly výše popsány. SCR je opravdu zaměřená na co nejmenší spotřebu paliva, ale zase je náročnější prosotorově, jak již bylo popsáno, ale i technologicky (více komponentů = více údržby) - přibudou filtry močoviny, vstřikovací jednotky apod. Tady jen poznámku, že nádrž na AdBlue nemusí být vyhřívaná jen motorem, ale lze do ní umístit i elektrické topení, takže SCR může fungovat ještě před zahřátím motoru. EGR je méně náročná na běžnou údržbu, ale o to více strojníka "otravuje" s regenerací DPF filtru. Při správné činnosti regenerace běží zcela automaticky bez zásahu strojníka a strojník by to neměl ani poznat na výkonu motoru (na zvuku motoru to asi pozná). Otázkou pak zůstává jak s výměnou DPF filtru apod. Další věcí také je, že když strojník bude ignorovat nutnost pravidelné regenerace, bude postupně opravdu docházet ke snižování výkonu motoru. Dobrou poznámkou je i používání kvalitních olejů zpravidla syntetických, aby neodcházelo k nadměrnému zanášení DPF filtru. A kvalita nafty je další úskalí - sice v EU platí norma o povinném prodeji nízkosirné nebo tzv. bezsirné nafty, ale záleží tak na kvalitě nafty z hlediska nečistot, příměsí apod. Všichni víme, že často se nafta na stavbu vozí v různých cisternách, barelech, nádržích apod. Tam bude bezpodmínenčně nutné dodržet jejich čistotu. Nekvalitní nafta dokáže odvařit DPF filtr během několika málo dní. Všechny tyto hi-tech technologie také pravděpodobně povedou ke zvýšení ceny strojů. Ale to už je na cenových politikách jednotlivých výrobců.

Re: Výborný článek – To já děkuji za výborný komentář, Kejsáku. happy Hlavně za doplnění a postřehy k oběma systémům, které doporučuji přečíst všem jako pokračování mého článku.<br />
<br />
K té spotřebě, samozřejmě máte pravdu. Článek se mi zdál poměrně obsáhlý, a tak jsem se nechtěl od motorů příliš vzdalovat k celkové konstrukci strojů, i když je to spolu těsně provázané. Výrobci se snažili a nadále se snaží regulovat chuť motoru „tím okolo“. Práce výrobců na hydraulických, mechanických a elektronických komponentech je velmi záslužná, bez nich by spotřeba a výkony nebyly tam, kde jsou. Ale asi se mnou budete souhlasit, že míra přínosu těchto opatření a jejich schopnost zvrátit negativní trend spotřeby samotných motorů se projeví až při běžné každodenní práci, kdy ne vždy musí docházet ke kýženému efektu.<br />
<br />
Ještě bych rád dodal, že při popisu systémů jsem zůstával na obecné úrovni a vycházel jsem ze současných poznatků. Každý výrobce motorů předkládá své specifické řešení daných problémů a navíc v těchto technologiích probíhá poměrně překotný vývoj, takže tento článek je potřeba brát spíše jako takový úvod do problematiky a podnět pro případnou diskuzi.

Pro přidání komentáře se přihlašte nebo zaregistrujte.