Propisi o Emisiji

1 Ekologija i tehnika

1.3 PROPISI O EMISIJI IZ VOZILA 1.3.1 Uvod Zagađenja vazduha, vode i zemljišta su neželjene promene fizičkih, hemijskih i bioloških svojstava životne sredine, koje mogu nepovoljno delovati na živa bića ili narušiti njihove ekosisteme. Zagađujuće materije ili zagađujuće supstance (polutanti) su ostaci onoga što proizvodimo, koristimo i odbacujemo. Drugim rečima, materija i/ili energija postaju zagađujuće kada se pojave na nepoželjnom mestu, u nepoželjnom obliku, u nepoželjno vreme i u nepoželjnim količinama. Prema prirodi zagađivanja može se napraviti podela i na sledeća tri oblika: 1. zagađivanje materijama, 2. zagađivanje energijom (otpadna toplota, buka,...) i 3. zagađivanje poljima sila (npr. elektromagnetskim). 1.3.1.1 Vozila i atmosfera Zemljina atmosfera je sastavljena od 21% kiseonika, 78% azota i takođe od vodene pare i ostalih gasova u tragovima. Kroz milione godina, sadržaj atmosfere se manje ili više menjao. To se uglavnom odnosi na gasove koji se u njoj nalaze u tragovima, kao što su: ugljen dioksid, vodena para, ozon, oksidi azota, metan i niz drugih. Sadašnji sadržaj atmosfere je rezultat međudejstava (nastajanja i nestajanja pojedinih supstanci) koji ostvaruju odgovarajuću ravnotežu. Ogromna količina atmosfere i odgovarajući procesi u njoj omogućuje da se prirodne katastrofe, kao što su erupcije vulkana, mogu kompenzovati bez izazivanja kolapsa u ekosistemu. Mada je u toku poslednjih 100 godina primećeno povećanje intenziteta promena koncentracije pojedinih gasova, koji se u atmosferi nalaze u tragovima i koji su do sada praćeni. Te promene se, uglavnom, pripisuju ljudskim aktivnostima. Fenomen se uglavnom može objasniti naglim povećanjem svetske populacije ljudi i povećanim angažovanjem energije, a takođe porastom industrijalizacije i poljoprivrede. Komponente koje dovode do promene prirodnog sadržaja atmosfere su sadržane u štetnim - zagađujućim materijama. Te štetne materije može stvoriti sama priroda - prirodni izvori ili one nastaju usled antropogenih aktivnosti. Prirodni izvori tih supstanci su flora i fauna, vulkani, površine okeana i razna dešavanja u atmosferi. U antropogene izvore spadaju sve aktivnosti ljudi kao što su: stvaranje električne struje, industrija, saobraćaj, grejanje stanova, spaljivanje otpada, poljoprivredne aktivnosti, i na kraju (strogo govoreći) umiranje ljudi, životinja i biljaka. Upotrebom transportnih sredstava čovek godišnje troši više od jedne milijarde tona nafte. Kako za sagorevanje 1 kg goriva, naftnog porekla, treba oko 15 kg vazduha ili 3.5 kg kiseonika sam proces sagorevanja goriva narušava ekološki bilans u atmosferi. Znači godišnje samo motori sus troše skoro 4 milijarde tona kiseonika iz atmosfere (više od jedne generacije ljudi!). Kada se ovome dodaju i drugi potrošači atmosferskog kiseonika dolazimo do saznanja da već danas prirodne fabrike kiseonika - zelene površine planete - nisu u stanju da nadoknade utrošeni kiseonik, tim pre što je nekontrolisana seča šuma odavno prisutna. Pored otrovnih komponenata u produktima sagorevanja se nalaze i velike količine zagušljivih gasova 62

1.3 Propisi o emisiji iz vozila (H2O i CO2-oko 4.5 kg/kg goriva) koje dovode do promene klimatskih uslova na planeti i do povećanja globalnog zagrevanja (Greenhouse-efekat). Sem štetnih materija koje iz vozila izlaze sa produkatima sagorevanja (emisija sa izduvnim gasovima) imamo i isparenja goriva iz vozila a takođe i isparenja pri punjenju rezervoara gorivom.

1.3.1.1.1 Emisija sa izduvnim gasovima Nesagoreli ugljovodonici (HC). Emisija nesagorelih ugljovodonika je posledica nepotpunog sagorevanja molekula goriva. Osnovni uzrok je lokalni nedostatak kiseonika i niske temperature u zonama uz zidove komore. Ugljovodonici reaguju u prisustvu oksida azota i sunčevog svetla i doprinose formiranju prizemnog ozona, glavne komponente fotohemijskog smoga. Većina ugljovodonika u izduvnim gasovima su takođe i toksični, sa mogućim kancerogenim dejstvima. Oksidi azota (NOx). Glavni izvori azota u vazduhu su prirodni izvori, pre svega aktivnosti nekih bakterija. Oksidi azota iz prirodnih izvora ravnomerno su raspoređeni u atmosferi, dok se njihova koncentracija u urbanim i industrijskim zonama i pored većih saobraćajnica povećava kao posledica raznih aktivnosti ljudi. U uslovima visokih temperatura i pritisaka u motoru, atomi azota i kiseonika iz vazduha reaguju stvarajući niz azotovih oksida, koje sve zajedno obeležavamo sa NOx. Utvrđeno je toksično delovanje azot-monoksida na čoveka i životinje. Azot-dioksid izaziva edem pluća sa smrtonosnim posledicama. Oksidi azota kao i ugljovodonici su glasnici formiranja ozona. Oni takođe doprinose formiranju kiselih kiša. Ugljen-monoksid (CO). On je otrovan gas bez boje i mirisa. Ugljenmonoksid (CO) je produkt nepotpunog sagorevanja i stvara se u slučaju rada motora sa bogatom smešom. Tada ugljenik iz goriva samo delimično oksidiše. On smanjuje protok kiseonika kroz krvotok i rizičan je za ljude sa bolesnim srcem. Više od 90% ugljen-monoksida u urbanim sredinama potiče iz izduvnih gasova vozila i ložišta. Čestice. U izduvnim gasovima vozila čestice najčešće potiču od nesagorelog ugljenika iz goriva. Takve čestice bi bile samo mehanički zagađivači. Međutim u komori motora te čestice upiju razna jedinjenja iz goriva i maziva, među kojima su i policiklični ugljovodonici. Oni su optuženi za izazivanje raka pluća pa je time i emisija čestica potencijalno kancerogena. Ugljen-dioksid (CO2). Od skoro, EPA (Environmental Protection Agency) je počela da prati emisiju CO2. On ne utiče direktno na zdravlje ljudi, ali je jedan od zagušljivih gasova koji doprinose povećanju globalnog zagrevanja naše Planete. Tako je ugljen-dioksid, kao produkat potpunog sagorevanja, dobio tretman zagađivača. Vodena para (H2O). Po Medjunarodnoj Uniji za Čistu i Primenjenu hemiju (engl. International Union of Pure and Applied Chemistry UIPAC) jedinjenje od dva atoma vodonika i jednog kiseonika (vodonik oksid ili dihidrooksid) je "laka voda" ili jednostavno voda. Najvažnija osobina "obične vode" je da je led lakši od tečnosti pa zato štiti živi svet na zemlji. Zimi se lede samo površinski slojevi vodene mase. Dalje, vodene kapljice imaju visok površinski napon koji zadržava vodu u biljkama i olakšava transport vode od korena do listova. Pitka i zdrava voda je prisutna u svim živim organizmima. Jedino ne znamo kako nastaje! Atmosferska voda prekriva 71% globusa; sa 80% je prisutna u ljudskom organizmu; u atmosferi daje 0.3% po masi, od 63

1 Ekologija i tehnika toga je 80% u gasovitoj fazi, a sa 90% učestvuje u tzv. "greenhouse" (zagušljivim) gasovima. Po teoriji su toplote isparavanja i kondenzovanja jednake. Ali samo po teoriji. Sunčevo zračenje direktno izaziva stvaranje oblačnog prekrivača (global dimming) koji potamni nebeski svod. Jednom dignuti oblaci se i dalje greju, a onda hemijski procesi potpomognuti prašinom, česticama i sulfatima dovode do razlaganja svih isparenja. Velike mase oblaka se pregrevaju i nagomilavaju. Jednom dignuta masa je fizički i hemijski toliko izmenjena da menja klimu na zemlji. Oksidi sumpora. Procesom biološke razgradnje u okeanima i na kopnu nastaje sumpor-vodonik (H2S), koji se oksidiše do sumpor-dioksida. Koncentracije SO2 u atmosferi se razlikuju u različitim područjima. U urbanim i industrijskim područjima koncentracija ove zagađujuće materije je, po pravilu, veća. Tu svoj doprinos, pored sagorevanja uglja koji ima i više od 1% sumpora, daje i emisija izduvnih gasova iz vozila kada se koristi gorivo u kome ima sumpora. Sumpor-dioksid i njegovi sekundarni proizvodi (sumporasta, sumporna kiselina i sulfidi), mogu izazvati ozbiljne zdravstvene probleme kod ljudi (konjuktivitis, efekti na respiratornom sistemu) kao i kod biljaka (pojava kiselih kiša i sušenja šuma) a zapaženi su štetni efekti na metale, kožu, papir i tekstil. Ozon. Predstavlja alotropsku modifikaciju kiseonika. Molekuli ozona se sastoje od tri atoma kiseonika. Lako se raspada i predstavlja snažno oksidaciono sredstvo. U prirodi nastaje prilikom električnih pražnjenja i pod dejstvom ultraljubičastih zraka. Ozon iritira oči, oštećuje pluća, i dovodi do problema sa disanjem. Ozon koji se stvara u prizemnim slojevima je poseban problem zagađenja u urbanim zonama. Na intenzitet stvaranja ozona utiče prisutna koncentracija ugljovodonika i azotovih oksida. Takođe je intenzitet stvaranja proporcionalan temperaturi i zračenju sunca. Tako da su dugi i toplo letnji dani, pre svega popodne, najpogodniji za stvaranje ozona. Ozon koji se stvara u gornjim slojevima atmosfere ima pozitivnu zaštitnu ulogu u filtriranju ultra-violetnog zračenja sunca.

1.3.1.1.2 Emisija isparenja iz vozila Ugljovodonici takođe dospevaju u vazduh i preko isparavanja goriva i ulja. Današnji nivo izduvne emisije je takav da gubici na isparavanje mogu odgovarati za glavni deo u ukupnoj emisiji HC iz vozila u toku toplog dana. Emisija isparavanja nastaje sa nekoliko mesta i zbog sledećih uzroka: - u toku stajanja vozila, kako raste temperatura u toku dana, zagreva se gorivo u rezervoaru i isparava kroz odušku rezervoara, - vruć motor i izduvni sistem mogu pospešiti isparavanje goriva kada motor radi kroz eventualno nezaptivena mesta u sistemu za napajanje, - kod zaustavljanja motora posle duže vožnje motor ostaje topao u toku odgovarajućeg perioda vremena nakon isključivanja motora, tada se nastavlja isparavanje goriva u okolini parkiranog vozila, - gorivo isparava uvek tokom proizvodnje, transporta i kada se toči u rezervoar, pare goriva su prisiljena da iz rezervoara izađu vani kada u rezervoar ulazi tečno gorivo.

64

1.3 Propisi o emisiji iz vozila 1.3.1.2 Udeo emisije vozila u ukupnom zagađenju Emisija iz vozila je generalno mala, slika 1.27 u odnosu na emisiju stvorenu antropogenim aktivnostima. Ukoliko analiziramo udeo u odnosu na ukupnu emisiju (prirodni + antropogeni izvori) udeo je još manji. Recimo u ukupnoj emisiji CO2 priroda učestvuje sa 95% a antropogene aktivnosti sa samo 5%. Za emisiju metana taj odnos je 37 prema 63%. Dok kod azot-suboksida taj odnos je 69% prema 31%. Kako broj vozila na putevima neprekidno raste u mnogim gradovima automobil je jedan od najvećih uzroka zagađenja. Tako je na ukupno zagađenje vazduha u naseljenim mestima uticaj vozila znatan i izazvan njihovom velikom koncentracijom. 100%

80%

60%

Transport Grejanje Elektrane Industrija

40%

20%

0%

CO

NOx

SOx

HC

CO2

PM

Slika 1.27: Udeo emisije iz pojedinih izvora u antropogenim izvorima Gasovi koji stvaraju efekat staklene bašte su: - vodena para H2O (učestvuje sa 90%), - ugljen dioksid CO2, - azot suboksid (N2O), - metan (CH4), - hidrofluorougljenik (HFC) itd. Ove supstance imaju, dug period raspada u atmosferi, i zato imaju globalni efekat na zagađenje okoline. Za razliku od njih, azotovi oksidi, nesagoreli ugljovodonici, sumporni oksidi, ugljen monoksid, čestice itd. imaju regionalni ili lokalni efekat na zagađenje okoline. Inženjeri u svom životnom opredeljenju ni jednim svojim proizvodom ne smeju ugrožavati ni genetske ni biološke osnove zdravog života. Strateška obaveza S+3E (Sirovine+Energija+Ekologija+Ekonomija) je definisana ograničenim kapacitetima planete Zemlje. Globalno razmišljanje ali lokalno delovanje je pravilo ekološkog ponašanja za sve. Kada malo bolje razmotrimo liste potrošnih dobara onda ispada da ljudi i vozila egzistiraju na istim prirodnim resursima: troše kiseonik, a izdišu CO2; troše ugljovodonike i naftu kao hranu ili gorivo, a emituju zagušljive i otrovne gasove; troše sirovine i metale pretvarajući ih u otpatke. Kod vozila se godinama 65

1 Ekologija i tehnika pojavljuje kao krajnji cilj vozilo nulte emisije (engl. ZEV -Zero Emission Vehicle) iako se zna da ne postoji ni jedan ljudski proizvod koji ne utiče na svoju okolinu. Tek nedavno je uvedena nova ciljna emisija za vozila: NZEV-Near ZEV tj. blizu minimuma i EZEV- ekvivalentno minimalnoj emisiji! Smanjenje negativnog uticaja vozila na okolinu ostvaruje se brojnim konstruktivnim i tehnološkim novinama, koje su povezane sa povećanjem cene vozila. Upravo zato odluku o primeni tih rešenja ne smeju donositi sami proizvođači. O tome moraju brinuti i odgovarajuće državne institucije i organizacije, koje svakim danom donose sve veći broj zakonskih regulativa. Te regulative definišu štetne materije koje se kontrolišu, odgovarajuće metode za njihovo merenje, postavljaju određene granične vrednosti i uvode obaveze primene novih tehnologija i sistema, kao na primer sistemi dijagnostike na vozilima (OBD – On Board Diagnostics).

1.3.2 Američki propisi o emisiji iz vozila Prema vrsti i nameni transportnih sredstava u SAD postoje propisi za: - putnička i laka teretna vozila (engl. Cars and Light-Duty Trucks), - teška teretna vozila i autobuse (engl. Heavy-Duty Truck and Bus Engines), - za gradske autobuse (engl. Urban Bus), - za poljoprivrednu i vanputnu mehanizaciju (engl.Of-road Diesel Engines), - lokomotive, - brodove, - avione i - sva ostala transportna sredstva (motocikle, mopede, motokultivatore ...). 1.3.2.1 Za putnička i laka teretna vozila Federalna vlada je 1969. godine donela niz regulativa sa ciljem da se smanji emisija iz vozila i da auto industrija razvija nove tehnologije, prva uredba o čistom vazduhu “Clean Air Act” je usvojena na Kongresu 1970. godine. Sada je emisija iz putničkih motornih vozila smanjena za više od 95% u odnosu na te početne vrednosti, slika 1.28. U jednom trenutku se automobilska industrija protivila donošenju takvih normi, a sada sarađuje sa zakonodavcima zahtevajući dugoročno i blagovremeno donošenje novih regulativa. U Americi federalne propise donosi EPA (engl. Environmental Protecting Agency), dok propise za Kaliforniju donosi ARB (engl. Air Resources Board). U tabeli 1.9 prikazan je plan uvođenja amandmana za čist vazduh u Americi (engl. Clean Air Act Amendments) - Federalni propisi. Od 1994. godine uveden je propis za kontrolu emisije na niskim temperaturama. Klimatizacija i ispitivanje vozila vrši se na -7 °C, vozni test je hladna faza FTP testa (prvih 505 s), a dozvoljena emisija za CO iznosi 10 g/mi. Standardi Tier 1 su uvoženi progresivno između 1994. i 1997. Dok se standardi Tier 2 fazno uvode u periodu o d 2004. do 2009. Predlog LEV II standarda za Kaliforniju je dat u tabeli 1.10. Granične vrednosti su iste za putnička vozila i sa dizel i sa benzinskim motorima i to u toku čitavog veka vozila, vozni test je FTP 75. Modeli posle 2003. godine imaju smanjenu 66

1.3 Propisi o emisiji iz vozila o

o

emisiju HC za 50% u odnosu na 2000-tu. Pri merenju emisije na 10 C (50 F) faktor multiplikacije za SULEV je 2 i na toj temperaturi granica za CO je 10 g/mi. Od 2004. godine modeli vozila zadovoljavaju LEV i ULEV standarde sa 0.05 g/mi NOx u tri faze kroz period od tri godine: 40% modela u prvoj modelskoj godini (2004.), 80% u drugoj (2005.) i 100% u trećoj modelskoj godini (2006).

E m i s i j a /%/

100 80 60 40 20 0 1975

1985

1995

2005

2015

2025

Godine Slika 1.28: Ekološki zahtevi prema putničkim motornim vozilima Tabela 1.9: Plan uvođenja amandmana za čist vazduh u Americi (Clean Air Act Amendments CAAA od 1999.) Uvođenje u (%) Izduvna emisija

95

96

97

Tier I Standard za CO pri niskim temp.

40 40

80 80

100 100

98

99

00

Tier II NLEV Emisija isparenja Enh. EVAP USA Enh. EVAP Kalifornija ORVR Ostalo

10

20 30

40 50

01

02

03

04

5

6

7

8

9

10

40

60

80

100

40

60

80

100

90 100 100 40

80

100

100 OBDII 100 15 ppm S Čista goriva NLEV - National Low Emission Vehicle, Enh. EVAP-Enhanced Evaporative Emissions (Strožija emisija isparenja), ORVR - On-Board Refueling vapour Recovery (Smanjenje isparenja prilikom punjenja gorivom uz pomoć OBD dijagnostike), OBDII – On-bord dijagnostika druge generacije, Zahteva se očuvanje emisije u toku veka vozila. Za putnička vozila 100,000 milja, za teretna vozila 160 000 milja.

67

1 Ekologija i tehnika Tabela 1.10: Predlog LEV II za emisiju putničkih vozila u Kaliforniji g/mi: Kategorija emisije TLEV

Vek vozila NMOG CO NOx Čestice mi 50,000 0.125 3.4 0.4 120,000 0.156 4.2 0.6 0.04 LEV 50,000 0.075 3.4 0.05 120,000 0.090 4.2 0.07 0.01 ULEV 50,000 0.040 1.7 0.05 120,000 0.055 2.1 0.07 0.01 SULEV 120,000 0.010 1.0 0.02 0.01 TLEV= Transitional Low-Emission Vehicle; LEV= Low-Emission Vehicle; ULEV= Ultra - Low-Emission Vehicle; i SULEV= Super-Ultra- Low-Emission Vehicle, NMOG= Nemetanski organski gasovi (engl. Non-Methane Organic Gases)

1.3.2.2 Za teška teretna vozila i autobuse U oktobru 1997. godine EPA je usvojila nove regulative za emisiju teretnih vozila i autobusa. Osnovni cilj je bio smanjenje emisije NOx kod tih vozila do nivoa oko 2 g/KSh do 2004. godine. Ovi federalni propisi su, na zahtev proizvođača motora koji snabdevaju oba tržišta, usaglašeni sa Kalifornijskim. Međutim u februaru 2000. godine u Kaliforniji ARB donosi novu regulativu u cilju daljeg smanjenja emisije NOx i čestica za autobuse koji prolaze kroz naseljena mesta. Usvojena pravila se odnose kako na proizvođače motora tako i na autotransportna preduzeća. Autotransportna preduzeća mogu birati između programa klasičnih dizel motora ili programa dizel motora sa alternativnim gorivima. Ukoliko se opredele za program dizel motora sa alternativnim gorivima u obavezi su da svake godine, sve do 2017. godine, 85% novo kupljenih ili iznajmljenih motora budu na alternativna goriva. Oni koji se opredele za dizel program mogu da nabavljaju dizel motore na klasična goriva, ali se kod njih postavljaju strožije granice za emisiju. Kada se ova regulativa u potpunosti uvede obe alternative će se sresti na nivou vozila sa približno nultom emisijom (engl. Near Zero Emission Levels). Ta regulativa uključuje brojna pravila koja se mogu iskazati kroz: - prosečna emisija NOx za flotu je ista za dizel i za alternativna goriva i od 2002. godine iznosi 4.8 g KS-1 h-1, dozvoljeno je izdvajanje iz flote starih motora sa većom emisijom, - od 01.07.2002. godine zahtevano je gorivo sa ekstremno niskim sadržajem sumpora (ispod 15 ppm po masi), - svi dizel motori proizvedeni pre 2004. godine će morati da izvrše ponovnu homolagaciju u Kalifornija ARB, uz primenu filtera za čestice sa 85% efikasnošću, rehomologacija je počela 2003. a treba da se završi 2008., - svi novi motori se moraju homologovati prema strožijim standardima, tabela 1.11 i - na kraju, 15% novo nabavljenih autobusa, za flotu veću od 200 autobusa, mora biti sa „nultom“ emisijom (engl. Zero Emission Bus - ZEB).

68

1.3 Propisi o emisiji iz vozila Tabela 1.11: Pravila i granice za emisiji autobusa prema California ARB Datum

Dizel program -1 -1 -1 -1 NOx g KS h PM g KS h 4.0 0.05 Gorivo sa manje od 15 ppm S 2.5NOx+NMHC 0.01 Prosek flote 4.8 NOx Uvođenje filtera za čestice 3 ZEBs za flotu veću od 200kom 0.5 0.01 0.2 0.01 15% ZEBs za flotu >200 kom

Program alternativna goriva -1 -1 -1 -1 NOx g KS h PM g KS h 2.5-Opcija 0.05 Gorivo sa manje od 15 ppm S 1.8NOx+NMHC 0.03 Prosek flote 4.8 NOx Uvođenje filtera za čestice

2000. 01.07.2002. 10.2002. 10.2002. 07.2003. 07.2003 2004. 2007. 0.2 0.01 2008. 2010. 15% ZEBs za flotu >200 kom NMHC - Non-Methane Hydrocarbons (ostali ugljovodonici osim metana)

EPA je 17. maja 2000. godine najavila predlog granica za emisiju teretnih vozila modela 2007. godine i nove propise za kvalitet goriva. Uvedeno je goriva sa ekstremno niskim sadržajem sumpora ispod 15 ppm (u odnosu na tadašnjih 500 ppm). Za emisiju čestica je predviđana granica od 0.01 g KS-1 h-1 , a za NOx 0.2, -1 -1 a za NMHC 0.14 g KS h . Standardi za NOx i NMHC se uvode po fazama između 2007. i 2010. godine. Procenti su odnose na deo u ukupnoj floti proizvedeni dizel motora: 25% 2007., 50% 2008., 75% 2009. i 100% 2010. godine. EPA, takođe propisuje standard za emisiju formaldehida na 0.016 g KS-1 h-1. Ekstremno niski sadržaj sumpora u gorivu se zahteva na bazi “dostupnih tehnologija” za korišćenje filtera za čestice i DeNOx katalizatora koji su neophodni za zadovoljenje standarda nakon 2007. godine. Istovremeno se zahteva razvoj novih sistema i tehnologija za “naknadni tretman” izduvnih gasova, koji će biti tolerantniji na sadržaj sumpora u gorivu. 1.3.2.3 Za vanputnu mehanizaciju Prvi federalni standardi (Tier 1) za vozila vanputne mehanizacije sa dizel motorima su usvojeni 1994. godine i odnosili su se za motore nominalne snage iznad 37 kW. Uvođenje je bilo po fazama od 1996. do 2000. godine. Nacrt pravilnika za emisiju 1996. godine su potpisali: EPA, CARB i proizvođači dizel motora (Caterpillar, Cummins, Deere, Detroit Diesel, Deutz, Isuzu, Komatsu, Kubota, Mitsubishi, Navistar, New Holland, Wis-Con, i Yanmar). Konačnu regulativu u kojoj su uključeni i motori ispod 37 kW EPA donosi 27.08.1998. Tada se predlažu i strožije granice (Tier2 i Tier 3) koje treba da se uvedu po fazama od 2000. do 2008. Ta regulativa je usklađena sa kalifornijskim i evropskim standardima. Merenje emisije i test je definisan sa ISO 8178. EPA je usvojila posebnu kategoriju strožih granica koje proizvođači ne moraju zadovoljiti. Međutim, oni proizvođači dizel motora koji dobrovoljno zadovolje te strožije granice dobijaju pravo da nose naziv proizvođači “serije plavo nebo”. U tom slučaju su stimulisani poreskom i kreditnom politikom.

69

1 Ekologija i tehnika

1.3.3 Evropski propisi o emisiji iz vozila 1.3.3.1 Za putnička i laka teretna vozila U Evropi su regulative za emisiju iz vozila donete nešto kasnije nego u SAD. Tako je za putnička i laka teretna vozila regulativa ECE 15.00 doneta 1971. godine od strane Evropske komisije za Ujedinjene nacije. Amandman 01 (ECE 15.01) je donet 1975. godine i njegove granice su iznosile: 32 g/km za CO i 11 g/km za HC+NOx. Vremenom su uvođeni novi amandmani (sve do ECE 15.04 i ECE R 83/03) i granice postajale sve oštrije. Danas propise o emisiji donosi Evropska unija. Za putnička i dostavna vozila propisi su definisani Direktivom 70/220/EEC, tabela 1.12. Ovo je bazna Direktiva koja je često menjana. Neke od važnijih izmena su: Euro 1 standard (poznat kao EC 93)- Direktiva 91/441/EEC (samo za putnička vozila) ili 93/59/EEC (putnička i dostavna vozila), Euro 2 standard (poznat kao EC 96)- Direktiva 94/12/EC ili 96/69/EC, Euro 3/4 standard (2000/2005)- Direktiva 98/69/EC, kasniji amandmani su u 2002/80/EC, Euro 5/6 standard (2009/2014)- Euro 5/6 uvodi regulative (Regulation 715/2007) od 20. Juna 2007., tako se propisi pojednostavljuju i prethodne „direktive“ – koje moraju da budu ugrađene u sve nacionalne zakone – na dalje će biti zamenjene sa „regulativama“ koje su neposredno primenjuju odmah nakon donošenja. Tabela 1.12: Granice za emisiju putničkih vozila u Evropi g/km CO HC+NOx HC God. B D B D B D 2000. 2.3 0.64 0.56 0.2 (-) Euro 3 2005. 1.0 0.50 0.30 0.10 (-) Euro 4 2009. c 1.0 0.50 0.23 0.10 Euro 5 2014. c 1.0 0.50 0.17 0.10 Euro 6 B=Benzinski motori, D=Dizel motori, PM=Čestice. c - i NMHC = 0.068 g/km,

NOx B

PM D

B

D

0.15

0.5

0.05

0.08

0.25

0.025

0.06

0.18

0.005

0.005

0.06

0.08

0.005

0.005

Uvođenjem regulative Euro 3 promenjena je i tehnika uzorkovanja gasova. Sada uzorkovanje počinje odmah nakon startovanja motora a ne 40 s posle starta, kako je to do tada bilo propisano. Ovi testovi podrazumevaju: I proba -merenje emisije izduvnih gasova po voznom testu, II proba -merenje emisije CO na praznom hodu i iznad 2000 o/min, III proba -merenje emisije iz kartera, IV proba -merenje isparavanja iz vozila po SCHED test (nova granica 2 g/testu), V proba -trajnost sistema za kontrolu emisije vozila u toku 80.000 km sa faktorom pogoršanja za CO i HC+NOx od 1.2. 70

1.3 Propisi o emisiji iz vozila Od 2002. godine u evropsku regulativu dodaje se i proba VI koja se odnosi o na kontrolu emisije tokom hladnog starta pri –7 C za vozila sa oto motorima. Granica za HC iznosi 1.8 g/km a za CO 15 g/km. Kao vozni test koristi se modifikovani ciklus ECE R 15 sa uzorkovanjem gasova odmah nakon starta. Takođe je uvedena i još jedan test proba VII, ispitivanja funkcionisanja EOBD sistema Ovim izmenama propisa napisani su projektni zadaci inžinjerima. Projektanti se moraju osloboditi klasičnih ograničenja i rešenja tražiti i u ozbiljnim rekonstrukcijama sistema za kontrolu emisije iz vozila. Dinamika uvođenja pojedinih propisa, koji se pored vozila odnose i na goriva, definisanih direktivama 98/69/EC data je u tabeli 1.13. Tabela 1.13: Uvođenje regulativa Euro 3, 4 i 5 Primena 01.januar 98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 Putnička vozila do 2.5 t, laki teretni automobili klase I Euro 3 emisija * Euro 4 emisija * Euro 5 emisija Enh. EVAP. EOBD benzin EOBD dizel Niske temp. benzin Vek 80 000 km 100 000 km 160 000 Veća putnička vozila >2.5 t, laki teretni automobili klase II, III Euro 3 emisija * Euro 4 emisija Euro 5 emisija Enh. Evap. EOBD benzin EOBD dizel Niske temp. benzin Vek 80 000 km Referentna goriva - Sumpor (benzin/dizel) Euro 1, 2 400/300 ppm Euro 3 100/300 ppm Euro 4 * Euro 5 Goriva na tržištu - Sumpor (benzin/dizel) Euro 1, 2 500/500 ** ppm Euro 3 150/350 ppm Euro 4 * Euro 5

*

* 100 000 km

50/50 ppm *

** 50/50 ppm *

160 000

10/10 ppm

10/10 ppm

*Ranija primena se stimuliše poreskom politikom. **Odobrava se odgovarajuće kašnjenje u primeni novih granica članicama EU kod kojih bi ranija primena mogla da dovede do socijalnih i ekonomskih problema.

71

1 Ekologija i tehnika Laka komercijalna vozila (<3500 kg) u Evropi imaju posebne granice. Prema masi vozila su svrstana u tri klase: klasa I (<1250 kg), klasa II (12511700 kg). Vozila iz klase I imaju iste granice kao putnička vozila dok vozila iz ostalih klasa imaju srazmerno veće granice. 1.3.3.2 Za teretna vozila Regulativa za teretna vozila je uvedena Direktivom 88/77/EEC i nakon nje su doneti brojni amandmani. Propisi su 2005. godine izmenjeni i utvrđeni direktivom 05/55/EC, tabela 1.14. Od Euro IV nivoa propisi se pojednostavljuju i dosadašnje „direktive“ – koje moraju da budu ugrađene u sve nacionalne zakone – biće zamenjene sa „regulativama“ koje su primenljive neposredno. Ispod su nabrojane neke najvažnije regulative kod teretnih vozila: Euro I standard je uveden 1992., a odmah zatim uveden je Euro II standard u 1996. Ovi standardi su se odnosili i na teretna vozila i na autobuse, mada je standard za gradske autobuse bio neobavezan. U 1999, EU je usvojila Direktivu 1999/96/EC, koja uvodi Euro III standard (2000), a takođe i Euro IV/V standarde (2005/2008). Tada su izvršene i promene u testu za merenje emisije, stari motorski test ECE R-49 je zamenjen sa dva ciklusa: stacionarni ciklus ESC i tranzijentni ciklus ESC. Opacitet izduvnih gasova se meri u ELR testu. Od 2000. godine proizvođači dizel motora mogu da biraju na kom testu žele homologaciju. Tada je uvedeno neobavezno pooštravanje granica za emisiju za vozila se izuzetno niskom emisijom (eng. „extra low emission vehicles“) koja se nazivaju još i „napredna vozila prijateljski orijentisana ka okruženju“ (engl. “enhanced environmentally friendly vehicles” or EEVs). U 2001, Evropska Komisija prihvatila je Diretivu 2001/27/EC koja zabranjuje korišćenje posebnih uređaja (engl. „defeat devices”) ili iracionalne regulacije za kontrolu emisije koji dovode do smanjenje efikasnosti sistema za naknadnu obradu izduvnih gasova u normalnim režimima eksploatacije a zadržavaju maksimalnu efikasnost samo u režimima testa za merenje emisije. Direktiva 2005/55/EC prihvaćena od strane EU Parlamenta u 2005.-oj godini uvodi zahteve za vek i za OBD dijagnostikom. Takođe su usvojene i granice emisije za Euro IV i Euro V koje su publikovane u 1999/96/EC. U decembru 2007., Komisija je publikovala propise za Euro VI standard za emisiju [COM(2007) 851]. Nove granice za emisiju, uporedive sa US 2010 standard, stupiće na snagu 2013/2014. Dopunska pravila koje uvodi Euro VI uključuju: Koncentracija amonijaka (NH3) je ograničena na 10 ppm za dizel motore (ESC+ETC) i gasne motore (ETC). Granična vrednost broja čestica se definiše (nakon rezultata programa merenja - UN/ECE Particulate Measurement Programme, PMP) a prema ograničenju njihove mase. Ograničenje broja treba da spreči mogućnost da se granica za masu čestica u Euro VI ne može zadovoljiti

72

1.3 Propisi o emisiji iz vozila

-

-

jednostavnim tehnologijama (kao što je „otvoreni filtar“) koji omogućavaju prolaz velikom broju veoma sitnih čestica. Usaglašeni-svetski ciklus (World-Harmonized test Cycles –WHC and World-Harmonized Transient test Cycles WHTC) se koristi kao test ciklus za Euro VI. Osnovne granice za emisiju u WHC/WHTC testu biće uvedene na bazi faktora korelacije vrednosti kod postojećih ESC/ETC testova. Najveća dozvoljena vrednost za NO2 u ukupnim NOx će biti kasnije utvrđena. -1

-1

Tabela 1.14: Evropski propisi za teretna vozil, g kW h Cilj

Euro III Euro IV Euro V Euro VI

Euro III Euro IV Euro V Euro VI

Datum i kategorija X 2000.

Test

CO

HC

NOx

ESC&ELR

2.1

0.66

5.0

PM

0.1 0.13* X 1999. EEVs 1.5 0.25 2.0 0.02 ESC&ELR X 2005. 1.5 0.46 3.5 0.02 X 2008. 1.5 0.46 2.0 0.02 X 2013. 1.5 0.13 0.4 0.01 Standardi za emisiju za dizel i gasne motore, prema ETC testu g kW -1 h-1 a Test CO NMHC CH4 NOx X 1999. EEVs ETC 3.0 0.40 0.65 2.0 X 2000. ETC 5.45 0.78 1.6 5.0 X 2005. X 2008. X 2013.

4.0 4.0 4.0

0.55 0.55 0.16e

1.1 1.1 0.5

3.5 2.0 0.4

Dim -1 m 0.8 0.15 0.5 0.5 b

PM 0.02 0.16 0.21* 0.03 0.03 0.01

*Motori sa zapreminom po cilindru ispod 0.7 dm3 a brojevima obrtaja iznad 3000 min-1; a-samo za motore na prirodni gas, b-ne primenjuje se za gasne motore u 2000. i 2005.-toj godini c-THC(ukupni ugljovodonici – Total Hydro-Carbon) za dizel motore EEVs - Enhanced Environmentaly Friendly Vehicles (vozila veoma niske emisije) ESC=European Steady-state Cycle (novi evropski ciklus sa ustaljenim režimima, na predlog OICA/ACEA), ELR=European Load Response (novi evropski test prihvatanja opterećenja, na predlog OICA/ACEA), ETC= European Transient Cycle (novi evropski ciklus sa prelaznim režimima, na predlog FIGE), OICA=Organisation Internationale des Constructeurs d’Automobiles, ACEA=Assotiation des Constructeurs Europeens d’Automobiles, FIGE=Forschunginstitut für Geräusche und Erschutterungen.

Od oktobra 2005. godine za sve nove modele proizvođači moraju dokazati i garantovati da njihova vozila zadovoljavaju granice za emisiju u toku životnog veka koji zavisi od kategorije vozila, kako je to prikazano u tabeli 1.15. Tabela 1.15: Kategorije vozila i period garantovane emisije Kategorija vozila N1 i M2 N2 N3 ≤ 16 t M3 Class I, Class II, Class A, i Class B ≤ 7.5 ton N3 > 16 t M3 Class III, i Class B > 7.5 t

Kilometraža km ili godine (šta se pre ispuni) 100,000 ili 5 godina 160,000 ili 5 godina 200 000 ili 6 godina

300 000 ili 6 godina

500 000 ili 7 godina

700 000 ili 7 godina

73

1 Ekologija i tehnika 1.3.3.3 Za vanputnu mehanizaciju U Evropi je regulativa za emisiju iz dizel motora vanputne mehanizacije i poljoprivrednih traktora, ECE No. 96, utvrđena 15. decembra 1995. godine. Ciklus ispitivanja je 8-mo stepeni, definisan sa ECE R96 i ISO 8178. Pored ovih propisa usvajane su i odgovarajuće direktive od strane Komisije EU. Prva direktiva 97/68/EC usvojena je 16. decembra 1997. godine. Propisi su uvođeni kroz dve faze: prva faza (Stage I) je uvedena 1999. godine a druga faza (Stage II) je uvedena u periodu od 2001. do 2004. godine zavisno od snage motora, tabela 1.16. Tabela 1.16: Granice za emisiju iz dizel motora kod traktora i van putne mehanizacije Snaga kW

CO

HC

NOx PM -1 -1 g kW h I* II** I II I II I P>130 5.0 3.5 1.3 1.0 9.2 7.0 0.54 75
II 0.2 0.3 0.4 0.8

Danas postoji želja da se usaglase postojeći ECE pravilnici sa direktivama Komisija EU. To i nije neki poseban problem zato što je I faza Komisije EU ista kao ECE pravilnik. Međutim, faza II Komisije EU ima oštrije granice. EU takođe uvodi i novu kategoriju za motore snage između 18 i 37 kW. Za Republiku Srbiju je od posebnog interesa novo uvedena kategorija motora snage između 18 i 37 kW jer je, prema statističkim podacima, u 1997. godini 77% registrovanih traktora spadalo u tu grupu a do sada nisu podlegali propisu ECE R 96. Evropski parlament je 9. decembra 2002. godine prihvatio direktivu 2002/88/EC koja je zamenila direktivu 97/68/EC. Nova direktiva je sadržala i granice za male benzinske motore snage ispod 19 kW. Ova direktiva je takođe proširena i na standarde iz drugog stepena (Stage II) na motore sa konstantnim brojem obrtaja. Ovi standardi su po granicama slični sa SAD standardima. Faze III/IV (Stage III/IV) u standardima za emisiju vanputne mehanizacije prihvatio je Evropski parlament 21. aprila 2004. godine (Direktiva 2004/26/EC), a za poljoprivredu i drvnu industriju 21. februara 2005. (Direktiva 2005/13/EC). Faza III se sukcesivno uvodi od 2006. do 2013. godine. Faza IV stupa na snagu 2014. godine. Faze III/IV se primenjuju samo na nova vozila i opremu. Tabela 1.17: Granične vrednosti za emisiju vanputne mehanizacije Faza (Stage) III A Kat. Neto snaga kW H 130 ≤ P ≤ 560 I 75 ≤ P < 130 J 37 ≤ P < 75 K 19 ≤ P < 37

74

Godina

CO

2006. 2007. 2008. 2007.

3.5 5.0 5.0 5.5

NOx+HC -1 -1 g kW h 4.0 4.0 4.7 7.5

Čestice 0.2 0.3 0.4 0.6

1.3 Propisi o emisiji iz vozila Faza (Stage) III B Kat. Neto snaga kW L 130 ≤ P ≤ 560 M 75 ≤ P < 130 N 56 ≤ P < 75 P 37≤ P < 56 Faza (Stage) IV Kat. Neto snaga kW Q 130 ≤ P ≤ 560 R 56≤ P < 130

Godina

CO

2011. 2012. 2012. 2013.

HC

Čestice

3.5 5.0 5.0 5.0

NOx -1 -1 g kW h 0.19 2.0 0.19 3.3 0.19 3.3 4.7

Godina

CO

HC

Čestice

2014. 2014.

3.5 5.0

NOx -1 -1 g kW h 0.19 0.4 0.19 0.4

0.025 0.025 0.025 0.025

0.025 0.025

Standardi za treću fazu su podeljeni u dve pod-faze: faza III A i faza III B. -1 -1 Faza III B uvodi granicu za čestice od 0.025 g kW h , što predstavlja skoro 90% smanjenja u odnosu na drugu fazu. Da bi se zadovoljila ta granica neophodno je da se motori opreme filterima čestica. Faza IV, takođe uvodi veoma stroge granice za -1 -1 NOx od 0.4 g kW h , što takođe zahteva uređaje za naknadni tretman NOx (DeNOx katalizatori). Granične vrednosti su prikazane u tabeli 1.17.

1.3.4 Propisi za emisiju ugljen dioksida

-37%

-26%

Osim gasova koji imaju direktnih posledica na zdravlje ljudi vozila emituju i druge gasove koji nisu otrovni ali utiču na promenu okoline, pre svega ugljen-dioksid. Prema merenjima Saveznog hidrometeorološkog zavoda u zadnjih sto godina prosečna temperatura u Beogradu se povećala za 2 oC. Ugljen-dioksid je jedan od gasova koji su uzročnici povećanog globalnog %, CO2 160 zagrevanja naše planete. Radi smanjenja emisije CO2 u SAD za 15% potrebno je smanjiti angažovanu energiju za 37% Zbog toga je 140 neophodno smanjiti količine emitovanog CO2 iz vozila, asta mada je učinak vozila u r a 120 cen Pro globalnom zagrevanju veoma različit u pojedinim zemljama: u Polazna emisija 100 SAD svega 1.7% emisije CO2 15% S manjen uzrokuje transport, dok u ja CO2 Japanu taj udeo iznosi 19%. 80 1990 1995 2000 2005 2010 2015 Smanjenje CO2 je moguće Godine primenom goriva sa smanjenim Slika 1.29: Smanjenje angažovane energije i sadržajem ugljenika i, pre adekvatno smanjenje emisije CO2 svega, smanjenjem potrošnje goriva. Na slici 1.29 prikazana je prognoza promene emisije CO2 u SAD-u u slučaju zadržavanja istog kvaliteta transformacije i porasta angažovanja energije vezanog sa povećanjem standarda i broja stanovnika. Ukoliko želimo da emisija 2010.-te godine ostane na nivou 1990.-te potrebno je smanjiti angažovanu energiju za 26%. Za 75

1 Ekologija i tehnika smanjenje emisije CO2 od 15% do 2010.-te, što je projektovani cilj u SAD, neophodno je smanjiti angažovanu energiju za 37%. Smanjenje angažovanje energije je moguće samo “racionalnim i razumnim angažovanjem”, odnosno energiju treba angažovati samo u slučaju stvarne potrebe u naprednim uređajima sa maksimalnim stepenima korisnosti. Emisija CO2 je, kod fosilnih goriva, direktno proporcionalna potrošnji goriva. Za oto motore sa benzinom kao gorivom važi ova relacija: CO2 = 23.55 x B g/km, Za dizel motore sa dizel gorivom: CO2 = 26.6 x B g/km B je potrošnja naftnih goriva u L/(100 km). Takođe, prve propise o ekonomičnosti su donele SAD 1973. godine kada je, kod putničkih vozila, potrošnja ograničena na 13 mpg. 1978. godine granica se pomera na 18 mpg a 1985 na 27.5 mpg, 1995.-te godine granica je 35 mpg uz navođenje granice za CO2=242 g/mi. Proizvođači motornih vozila su ipak uspeli da granicu standarda za ekonomičnost zadrže na 27.5 mpg do danas i u planu do 2010. godine. Na inicijativu predsednika Klintona 1993. godine osnovano je udruženje za projektovanje vozila nove generacije (PNGV Partnership for a New Generation of Vehicles). To udruženje čine tri najveća proizvođača vozila u SAD, vlada i samostalni instituti. Jedan od osnovnih zadataka udruženja je da se ekonomičnost po američkom standardu poveća tri puta u odnosu na 1993. godinu, odnosno svede na 80 milja po galonu (2.94 L/(100 km) ili 106 g/mi CO2, uz nepromenjenu cenu, komfor i bezbednost. U maju mesecu 2007. godine američki predsednik Buš je izložio plan svoje administracije za smanjenje emisije „gasova staklene bašte“. Program je nazvan „twenty in ten“ i podrazumeva smanjenje potrošnje goriva poreklom iz nafte za 20% u narednih 10 godina. To će biti realizovano: većim korišćenjem alternativnih goriva (nenaftnog porekla) i novim tehnološkim rešenjima koja povećavaju efikasnost samih motornih vozila. Japan je sledeća država koja je 1979. godine uvela zakonske propise o najvećoj dozvoljenoj potrošnji goriva. U Evropi za sada nema zakonskog ograničenja potrošnje goriva, do sada je postojala obaveza proizvođača da samo navede vrednosti potrošnje goriva u deklaracionom listu vozila (regulativa evropske komisije UN). Evropski Parlament je aprila 1997. godine usvojio preporuke za vrednosti srednje potrošnje goriva 2005.-te godine od 5 litara na 100 km za vozila sa benzinskim motorima i 4.5 L/(100 km) sa dizel motorima i 3 L/(100 km) za sva vozila 2010.-te godine. Evropa je projekat 3 L/(100 km) planirala kroz tri faze: optimiranje postojećih konstrukcija, radikalne rekonstrukcije i nove konstrukcije visoko ekonomičnih ekoloških vozila. Direktor razvoja VW prof. Urlih Zajfert je na konferenciji 10. novembra 1994. godine u Bonu dao izjavu o realnosti projekta "auto 3 L/(100 km)". Udruženje evropskih konstruktora automobila ACEA je predložilo je da se prosečna emisija CO2 ograniči na 140 g/km do 2008. godine. Međutim, prosečna emisija CO2 iz vozila koja se nalaze na EU tržištu u 2008. prelazi vrednost od

76

1.3 Propisi o emisiji iz vozila 150 g/km. Što znači da je predlog ACEA bez zakonskih obaveza doživeo neuspeh, te da obavezujuću regulativu treba da donosi EU. Evropski parlament je naručio izradu odgovarajuće studije o emisiji CO2 iz vozila i prihvatio je izveštaj u kome se tvrdi da oko 19% CO2 emisije u EU potiče od putničkih i dostavnih vozila. Na bazi izveštaja Evropski parlament usvojio je predlog da se srednja emisija CO2 iz svih novih vozila ograniči na najviše 125 g/km do 2015. godine. Ta granica treba da se ostvari samo preko primene novih tehnologija kod motora i vozila bez uzimanja u obzir doprinosa drugih mera, kao što je primena biogoriva, specijalnih guma ili poboljšanja u sistemima za klimatizaciju vozila. U poređenju sa ranijom granicom za CO2 koju je propisala Evropska Komisija, ciljna godina je pomerena sa 2012. na 2015., ali je granica stroža (Komisija je ranije propisala granicu od 130 g/km). Na bazi pomenutog izveštaja razmatra se mogućnost usvajanja predloga da se srednja emisija CO2 ograniči na najviše 95 g/km do 2020. godine. Granica treba da bude utvrđena najkasnije do 2016. godine uz najavu da se smanjenje do 70 g/km ili još manje uvede kao obaveza od 2025. godine. Predlaže se donošenje odgovarajućih mera i regulativa kako bi se obezbedilo dopunsko smanjenje emisije CO2 od najmanje 10 g/km na račun drugih mera na primer primenom bio-goriva. Međutim postoji rizik da povećana primena bio-goriva dovede do porasta cene hrane, što je zabrinjavajuće za građane sa nižim primanjima, i/ili do ubrzanog upropašćivanja plodnog zemljišta u EU. Pomenuti izveštaj predlaže Komisiji da propiše striktna pravila za uvoz bio-goriva, kako bi se izbegli mogući negativni ekološki i socijalni problemi.

1.3.5 Tehnološka rešenja za zadovoljenje zakonskih propisa 1.3.5.1 Tehnološka rešenja kod oto motora Sve strožiji zakonski propisi mogu su se zadovoljiti samo: 1. konstrukcionim merama, 2. novim katalitičkim tehnologijama i 3. reformulacijom goriva i maziva. Ove mere zahtevaju nova konstrukciona i tehnološka rešenja, čija je dinamika uvođenja prikazana na slici 1.30. Konstruktori motora su prve intervencije uradili na sistemu za pripremu smeše i na sistemu paljenja sa ciljem da se na samom izvoru smanji nastajanje otrovnih produkata. Kako je kvalitet smeše (udeo parnih faza goriva u smeši goriva i vazduha) od bitnog značaja za potpunost sagorevanja goriva u cilindru i samim tim za stvaranje otrovnih produkata sagorevanja, tom sistemu se i danas posvećuje posebna pažnja. U sistemu za napajanje gorivom oto motora danas su vozila sa karburatorom prava retkost, praktično je pojedinačno ubrizgavanje u usisni vod postalo standardna varijanta za savremene motore a onda je uvedeno direktno ubrizgavanje benzina (DUB) u cilindar, slika 1.30. Ubrizgavanje benzina direktno u cilindar prvi put je primenjeno 1938. godine u Španskom građanskom ratu na motorima aviona Messerschmit 109. Taj sistem za ubrizgavanje benzina razvio je Bosch i nosio je oznaku Me 109. Današnji sistemi Bosch-a imaju oznaku Motronic MED7. 77

1 Ekologija i tehnika

9

Mere za smanjenje emisije

Propisi

8 7

00

ECE R 15 01 02 03

04

Evro norme

EU 93

EU 96 Euro 3 Euro 2

Euro 4

Optimiranje kvaliteta i sastava smeše Optimiranje sistema za paljenje

6

Recirkulacija izduvnih gasova Neregulisani katalizatori

5

Regulisani katalizatori 4 3 2 1

Elektronska regul. recirkul. izd.gasova, Termo izolacija izduvnih kanala. Sekundarni vazduh. El.grejanje katalizat.

Direktno ubrizgavanje benzina, Katalizatori za NOx pri siromašnoj smeši

0 1970 10/75 10/77 10/79 10/84 10/91

7/92

1996

2000

2005

Slika 1.30: Razvoj opreme oto motora Šezdeset godina kasnije direktno ubrizgavanje benzina-DUB (engl. GDI Gasoline Direct Injection) je ponovo aktuelno jer je postalo tehnološki dostupno, a njegova primena omogućava smanjenje potrošnje, saglasno emisije CO2 i toksične emisije. Naime motor sa DUB emituje istu količinu CO2 kao i danas usavršeni dizel motor sa DU. Evropski (Audi Disi) i Japanski (Toyota D-4, Honda VVTC, Mitsubishi GDI) proizvođači se utrkuju da konstruišu nove motore sa direktnim ubrizgavanjem benzina. Prednosti direktnog ubrizgavanja benzina su evidentni samo ako motor radi sa siromašnom smešom. Tada standardni “tro-komponentni” katalizator ne može efikasno da redukuje emisiju NOx. Zbog toga se danas intenzivno radi i na razvoju katalizatora za NOx pri radu sa siromašnim smešama. Paralelno sa intervencijama na sistemu za pripremu smeše vršeno je usavršavanje i optimiranje sistema za paljenje u smislu pojačanja energije varnice zbog sigurnog upaljenja i siromašne smeše, jer nekoliko izostajanja upaljenja smeše u cilindru može uništiti katalizator, kao i optimalne promene ugla pretpaljenja u čitavom opsegu rada motora. 1.3.5.2 Tehnološka rešenja kod dizel motora Dizel motori su znatno ekonomičniji od oto motora, zbog toga su oni nezamenljivi pogonski agregati na: brodovima, industrijskim i radnim mašinama, traktorima, teškim kamionima, autobusima itd. Pošto je za zadovoljenje propisa o emisiji dizel motora, pre svega čestica i NOx, u opremi dizel motora potrebno primeniti nove tehnologije koje su još nerazvijene i znatno skuplje nego tehnologije kod oto 78

1.3 Propisi o emisiji iz vozila motora, na putničkim vozilima dominiraju oto motori. Međutim za realizaciju propisa o dozvoljenoj potrošnji goriva i emisiji CO2 neophodno je raditi i na vozilskim varijantama dizel motora. Bolja ekonomičnost dizel motora sa direktnim ubrizgavanjem (DU) uslovljena boljim sagorevanjem, manjim gubicima toplote, i manjim gubicima na prestrujavanje punjenja u komori je potpuno istisnula komorne dizel motore. Da bi dizel motori za vozila zadovoljili sadašnje Euro IV i buduće Euro V i VI standarde, u razvoju njihove opreme moraju se primeniti sledeće tehnologije: elektronski kontrolisano ubrizgavanje goriva (moguće pilot ubrizgavanje manje količine goriva pre i posle osnovne, ostvaruje mirniji rad, manju emisiju i buku sagorevanja - slika 1.32), elektronska kontrola recirkulacije izduvnih gasova i primena oksidacioni katalizator danas su tekuće tehnologije; visoki pritisak ubrizgavanja korišćenjem: sistema “Comon rail” i pumpe brizgače; više (tj. više od dva po cilindru) ventila, sa centralno postavljanim brizgačem i boljom kontrolom procesa sagorevanja; varijabilnu geometriju turbo grupa, koja koriguje nedostatke performansi dizel motora pa ih približava benzinskim motorima; aktivni DeNOx (Decomposition Nitrogen Oxides) katalizator, bezuslovno je neophodan razvoj odgovarajućih tehnologija za zadovoljenje predložene granice Euro V; upravljanje opterećenjem (obrtnim momentom) motora – adekvatnim smanjenjem omogućuje se smanjenje emisije NOx (koja je srazmerna opterećenju) u slučaju kvara na DeNOx katalizatorima, filter za čestice sa adekvatnim trajanjem punjenja (čija efikasnost mora biti oko 85%). Sistem sagorevanja visok pritisak ubrizgavanja pilot ubrizgavanje Upravljanje rec.izd.gasova i njihovo hlađenje DeNOx (10% efikasnosti)

Druga generacija common rail DeNOx (>40% efikasnosti) Poboljšan kvalitet goriva

0.1

Euro II (DU)

Čestice (g/km)

0.08

Euro II (Komorni) 2 Ventila

0.06

pubr =800 bar

Euro III

0.04

4 Ventila

0.02 0

Standardni sistem sagorevanja Standardna rec.izd.gasova Standardni oksidacioni katalizatori

p ubr =1350 bar

Euro IV Euro V 0

pubr =2000 bar 0.2

0.4

Turbopunjenje sa međuhlađenjem Napajanje: Common Rail Ekvivalentna masa vozila 1600kg MVEG II ciklus

0.6

0.8

NOx (g/km) Slika 1.31: Razvoj opreme dizel motora za putnička vozila 79

1 Ekologija i tehnika Na slici 1.31 je prikazan razvoj novih tehnologija sa ciljem zadovoljenja zakonskih propisa kod III generacije dizel motora sa DU. Prema istraživanjima Ricardo instituta moguće je realizovati malo vozilo sa dizel motorom koje će emitovati manje od 90 g/km CO2 što odgovara potrošnji od 3 L/(100km). Na slici 1.32 imamo prikazan uticaj broja i položaja pilot ubrizgavanja, u odnosu na osnovno ubrizgavanje, na buku sagorevanja, emisiju čestica i specifičnu efektivnu potrošnju goriva. Očigledno je da najnižu buku ostvaruje varijanta sa dva pilot ubrizgavanja pre osnovnog. Dok manju emisiju čestica i potrošnju goriva postiže samo jedno ili nijedno predubrizgavanje. U razvoju dizel motora zapaža se bezuslovan zahtev za visokim pritiskom ubrizgavanja, koji je neophodan za kvalitetno raspršivanje ubrizganog goriva. Tada se u gorivu nalazi više energije, pa novi motori imaju blaže zahteve za Slika 1.32: Uticaj broja i položaja pilot stvaranje vrtloga u toku usisavanja u cilju ubrizgavanja na buku sagorevanja, bolje pripreme smeše za sagorevanje. emisiju čestica i specifičnu potrošnju 1.3.5.3 Tehnološko rešenje multi-procesnog oto-dizel motora Naredni strateški zadatak za inženjere je fleksibilno opremljena nova konstrukcija motora u kojoj se prema potrebi obavlja oto, dizel ili bilo koji drugi efikasan i ekološki optimiran ciklus.

Slika 1.33: Varijabilni mehanizmi kod vozila i motora SUS 80

1.3 Propisi o emisiji iz vozila Mi smatramo da je za radikalno smanjenje potrošnje i emisije, neophodno primeniti i varijabilne sisteme na motoru svuda gde je to moguće (varijabilni usisni sistemi, varijabilni pogoni pomoćnih uređaja, pumpi, ventilatora itd.) sa obaveznom primenom varijabilnog stepena kompresije koji ima najveći uticaj na ekonomičnost motora, slika 1.33. Stepen kompresije predstavlja najvažniji konstruktivni parametar klipnih motora, bilo da su oto ili dizel, dvotaktni ili četvorotaktni. Kod današnjih oto i dizel motora stepen kompresije je, pre svega, uslovljen karakteristikama primenjenog goriva. Kod oto motora je ograničena maksimalna vrednost stepena kompresije konstruktivnim karakteristikama komore i oktanskim kvalitetom benzina. Klasični oto motori rade sa homogenom smešom što rezultira niskom emisijom čestica. Visoke maksimalne temperature imaju za posledicu relativno visoku sirovu emisiju NOx ali pri radu sa stehiometrijskom smešom trokomponentni katalizator ima maksimalan učinak. Kvantitativni način promene opterećenja, prigušnim leptirom, pored niskog stepena kompresije ima za posledicu malu efikasnost, naročito na parcijalnim režimima rada. Ozbiljno povećanje ekonomičnosti na niskim opterećenjima oto motora moguće je primenom automatski promenljivog stepena kompresije. Tim postupkom se oto motoru smanjuje toksičnost i ujedno povećava ekonomičnost. Kod dizel motora ograničena je minimalna vrednost stepena kompresije konstrukcijom komore za sagorevanje i cetanskim karakteristika goriva. Uslov je da temperature, na kraju kompresije i pri niskim temperaturama okoline, budu više od temperatura samoupaljenja dizel goriva. Radni proces dizel motora sa zasniva na principu samoupaljenja i sagorevanja nehomogene smeše. Za to im je potreban visok stepen kompresije i odgovarajući cetanski kvalitet goriva. Promena opterećenja je kvalitativna i nemaju gušenje u usisnom vodu. To im omogućava visoku ekonomičnost koja se posebno zapaža na niskim opterećenjima, ali i relativno malu specifičnu snagu. Na visokim opterećenjima dizel motori imaju probleme sa dimom i emisijom čestica. Želja da se samo dobre osobine i oto i dizel motora sjedine u jedan motor stara je koliko i sami motori. Uvođenje turbo natpunjenja je prva smernica ka simbiozi oto i dizel motora. Turbo punjenje kod oto motora podiže mehanička opterećenja, a kod dizel motora termička opterećenja. Tome dodajemo i druge tehnološke sličnosti u koje spadaju komore sa direktnim ubrizgavanjem kod dizel motora i direktno ubrizgavanje benzina u cilindre kod oto motora. Dakle, idealni motor bi trebao da ima: promenljiv stepen kompresije, visoku ekspanziju i alternativni rad sa homogenom i nehomogenom smešom. Tako bi dobra ekonomičnost bila ostvarena visokim stepenom kompresije i ekspanzije bez gušenja u usisnom vodu. Na visokim opterećenjima motor bi radio sa homogenom smešom, u slučaju rada sa stehiometrijskom smešom efikasnost katalizatora bila bi maksimalna, pa bi emisija takvog motora bila niska. Realnost ovakvih ideja ima svoju predistoriju. To su kod dizel motora verzije «M» i «D» sistema sagorevanja. Oto motori su u ranoj fazi avijacije imali ubrizgavanje benzina, potom slojevito sagorevanje u početku ekološke ere vozila. U većini tih istorijskih faza težilo se višegorivim karakteristikama radnog procesa. Tome u prilog govori i činjenica da se, na svom razvojnom putu, oto i dizel motori, prolazeći faze usavršavanja, sve više približavaju jedan drugome sa krajnjim ciljem stvaranjem multiprocesnog oto-dizel motora, slika 1.34. 81

1 Ekologija i tehnika Mi smo ispitali rad eksperimentalnog motora u dvogorivoj varijanti. Ispitivanja su rađena na eksperimentalnom motoru u Laboratoriji za motore SUS Mašinskog fakulteta u KraguKombinovani Combined jevcu. Dizel gorivo je VARIJABILNI STEPEN sistemi Combustion: HCCI KOMPRESIJE dozirano direktno u cilindar sagorevanja System Delimično uz pomoć standardnog je homogena van a g sistema, dok je gasno gorivo g iz smeša r o l b t vr ou + (u ovom slučaju prirodni gas) ilni nsk ijab ktro r e Ekstremno l a E V uvođeno u usisni sistem visoki pritisci DIZEL MOTORI: Komorni; direktno ubrizgavanje preko šikljača. Neki od ubrizgavanja rezultata su prikazani na slici Slika 1.34: Razvojni putevi do simbioze oto i dizel 1.35. Zapažamo da na nižim motora (HCCI Homogenous Charge Compression opterećenjima (ispod 0.5 3 Ignition) kJ/dm ) najveće stepene korisnosti eksperimentalni motor ostvaruje pri radu sa čistim dizelom. Odnosno u slučaju rada po dizel procesu sa nehomogenim sagorevanjem. Na većim opterećenjima najveći stepeni korisnosti se ostvaruju u slučaju rada sa čistim prirodnim gasom odnosno pri sagorevanju homogene smeše što odgovara oto procesu, slika 1.35a. Klasični dizel motori imaju visok stepen kompresije, nemaju gušenje u usisnom vodu pa je njihova efikasnost veća nego kod oto motora. Nehomogeno sagorevanje rezultira visokom emisijom čestica i azotnih oksida. Novi multi-procesni oto/ dizel motori rešavaju problem emisije dima i azotnih oksida tako što će na režimima velikih opterećenja raditi po oto ciklusu koji nema probleme sa dimom kao dizel motor, slika 1.35b (BZ- Bosch Zahl / Boš broj), a trokomponentni katalizator (TWC) redukuje NOx.

Dimnost, BZ

OTO MOTORI: Ubrizgavanje u usisnu cev; direktno ubrizgavanje i izm od a zv han r e i Slojevito im biln biln rija punjenje rija Va Va + Samopaljenje

ε=16

ε=15

ε=14

ε=13

ε=12

7 6 5 4 Polje rada sa dizel 3 sagorevanjem 2 1 0 0,25 0,45

0% gasa 20% gasa 35% gasa 50% gasa

0,65

Spec. ef. rad, kJ/dm3

Slika 1.35a: Efektivni stepeni korisnosti pri sagorevanju dizel goriva i prirodnog gasa

82

Slika 1.35b: Dimnost pri dizel sagorevanju mešavine dizel goriva i prirodnog gasa

1.3 Propisi o emisiji iz vozila Osnovna pretpostavka multi procesnog oto/dizel motora jeste da ima automatski promenljivim stepen kompresije, u skladu sa radnim režimima, i elektronsku komandu gasa. Na njega se nadgrađuje odgovarajući sistem za paljenje, sistem za napajanje gorivom (ili gorivima) i aditivima uz odgovarajući sistem inteligentnog upravljanja. Jedna takva konstrukcija motora razvija se na Mašinskom fakultetu u Kragujevcu ("A motor") i prikazana je na slici 1.36.

Slika 1.36: Multiprocesni oto/dizel motor sa automatski promenljivim stepenom kompresije Kolenasta vratila 3, 4 su međusobno povezana sa parom cilindričnih zupčanika 1 i 2. Zupčanik 1 je jednostavne konstrukcije i čvrsto je spojen sa kolenastim vratilom 3 dok se zupčanik 2 nalazi na odgovarajućem mehanizmu-regulatoru asinhronog kretanja klipova R koji je čvrsto spojen sa kolenastim vratilom 4. Cilindri 7, 8 su na vrhu, iznad čela klipova 5, 6 spojeni zajedničkom komorom za sagorevanje KS u kojoj se mogu nalaziti jedna ili više svećica 11, jedan ili više usisnih ventila 9 i jedan ili više izduvnih ventila 10. Kada motor radi na niskom opterećenju ili praznom hodu kolenasta vratila 3 i 4 kreću se sinhrono bez faznog pomaka, tada je kompresiona zapremina, iznad čela klipova 5 i 6, minimalna što daje najveći stepen kompresije motora. Kada motor radi na punom opterećenju kolenasto vratilo 3 treba da je u faznom pomaku za najveću vrednost ugla BET (ugao između ose cilindara i linije koja iz ose obrtanja prolazi kroz osu letećeg rukavca) u odnosu na kolenasto vratilo 4, to dovodi do kašnjenja (ili prednjačenja, zavisno od smera okretanja motora) klipa 5 u odnosu na klip 6 za vrednost DS. Tako da tada imamo najveću zapreminu iznad klipova 5 i 6 što daje najmanji stepen kompresije motora. U tom slučaju nastaje intenzivno strujanje-prestrujavanje punjenja iz cilindra 7 u cilindar 8, što pogoduje stabilnom i potpunom sagorevanju siromašne smeše. 83