Traktorid: rohkem võimsust, vähem heitgaase
Traktorimootorite puhul on suuri muutusi
toonud mootoritele rakendatud heitgaasinormid, mis muutuvad järjest rangemaks.
Traktorite tootlikkuse tõstmise peamine tee on nende võimsuse järjekindel suurendamine. Tänapäeva traktorite mootorite võimsus küünib 500 kWni ja enam. Võimsuse tõstmine üle 450 kW (üle 600 hj) ei suurenda oluliselt traktori kui veomasina efektiivsust. Ökonoomsusest lähtudes on otstarbekas suurendada mootorite erivõimsust ehk võimsust massiühiku kohta.
Mootorite võimsuse ja efektiivsuse suurendamise peamine vahend on nelja klapiga (silindri kohta) gaasijaotusmehhanismi, ülelaadimise ja kütuse täppisdoseerimise rakendamine. Turboülelaadimist kasutatakse mitte ainult suure võimsusklassi traktoritel, vaid järjest enam ka keskmise ja väiksema võimsusklassi traktoritel. Peale suurema võimsuse mõjub ülelaadimine soodsalt ka heitgaaside puhtusele.
Kõigil uutel traktoritel kasutatakse elektrooniliselt juhitavat ühisanumaga (common rail) toitesüsteemi. See võimaldab kütuse täppisdoseerimisega suunata kütusesegu põlemisprotsessi silindris ning suurendada mootori võimsust, vähendada kütusekulu ja saada puhtamad heitgaasid. Elektrooniliselt juhitav ühisanumaga toitesüsteem võimaldab ka sujuvalt juhtida mootori ja jõuülekande koostööd.
Traktorimootorite suuri muutusi on põhjustanud ka traktorite ja töömasinate mootoritele rakendatud heitgaasinormid, mis muutuvad järjest rangemaks. Traktorite diiselmootoritel on fookuses tahmaosakesed ja lämmastikoksiidid (NOx). Praegu kehtib Euroopas traktoritele ja töömasinatele (off-road vehicle) heitgaasinorm
EU Stage IIIB, USAs kehtib ajutine norm Tier 4 Interim. 2014. aastast asendatakse need vastavalt normidega EU Stage IV ja Tier 4 Final. Mõlemad normid näevad ette NOx koguse järsku vähendamist heitgaasides.
Varem kasutatud meetmed heitgaasinormidega toimetulekuks viivad edaspidi võimsuse vähenemisele ja kütusekulu suurenemisele. 2014. aastal kehtima hakkavad normid nõuavad heitgaaside enamasti täiendavat järeltöötlemist. Heitgaaside järeltöötlemiseks standardlahendust ei ole. Traktorifirmad otsivad selleks intensiivselt neile sobivaid efektiivseid ja töökindlaid meetodeid ning vahendeid.
Eri lahendused
Diisli oksüdatsiooni katalüüsmuundur (DOC – diesel oxidation catalytic converters). Selle tehnoloogia käigus lisatakse kübemefiltri ette heitgaase oksüdeeriv katalüüsmuundur, mille tööseadiseks on keraamilisest materjalist valmistatud ja väärismetallidega kaetud arvukate kanalitega südamik. Selles olevate kanalite arvu hinnatakse cpsi (cells per square inch) ühikutes, s.o kanalite arv ruuttolli kohta.
DOCis muutuvad süsinikoksiid ja süsivesikud vastavalt CO2 ja H2O. Seega vähendab DOCis toimuv HCde oksüdatsioon heitgaasides olevate kahjulike osakeste massi. DOCis toimub vaba hapniku olemasolu korral ka lämmastikoksiidi (NO) oksüdatsioon lämmastikdioksiidiks (NO2). NOx-ide taseme vähendamiseks heitgaasides kasutatakse nende ladestamise katalüüsmuundurit, SRC katalüüsmuundurit ja kübemeosakeste filtrit. DOC-süsteemi kasutavad John Deere’i diiselmootorid PowerTech PWX ja PSX; SetraBlueTec®OM-seeria 470, 471 ja 936 diiselmootorid.
NOx-i ladestamise katalüüsmuundur (NSC − NOx Storage Catalyst). NSC on võimeline ladustama ainult NO2, aga mitte NOd. Viimased oksüdeeruvad gaaside väljalaskel, või nagu ülaltoodust selgus, integreeritakse DOCis lämmastikdioksiidiks (NO2). Nimetatud katalüüsmuunduris toimuvad järgmised protsessid: a) NOx-i akumuleerimine, b) NOx-i muundamine ja eemaldamine, c) desulfureerimine.
Lämmastikoksiidide koguse vähendamiseks heitgaasides on kasutatud peamiselt heitgaaside retsirkulatsiooni. Heitgaaside järeltöötlemiseks on hakatud NOx-ide vähendamiseks järjest enam kasutama selektiivse katalüüsmuunduriga tehnoloogiat (SCR − Selective Catalytic Reduction). Selle süsteemi eesmärk on eemaldada NOx-idest lisahapnik. Selleks lisatakse katalüüsmuundurisse lämmastikoksiide redutseerivat ainet – karbamiidi (NH2)2CO vesilahust (kusiaine). Vee ja karbamiidi segu nimetatakse ka AdBlue’ks. Praktikas toimub NH3 redutseerimine 90%. Normaalse tööprotsessi juures kulub AdBlue’d ca 5% diislikütusest (100 liitrit diislikütust ja
5 liitrit AdBlue’d).
SCR AdBlue-tehnoloogiat kasutatakse AGCO Sisu Power S-seeria mootoritel; Case IH; Fendt 800 Vario ja 900 Vario seeria mootoritel; New Hollandi kombainide CX5000 ja CX600 diiselmootoritel CX5080, CX5090, CX6080 ja CX6090 ning traktorite T7 seeria mootoritel, tagades sellega Tier 4A emissiooninormi. Analoogset süsteemi kasutavad täiendavana ka SetraBlueTec® OM-seeria 470, 471 ja 936 diiselmootorid, tagades sellega Euro IV normi täitmise.
Eri firmad on kasutanud heitgaaside lämmastikoksiidide vähendamiseks üht või teist meetodit või on kombineerinud neid kaht tehnoloogiat.
John Deere on seni vältinud SCR-tehnoloogiat ja kasutanud heitgaaside järeltöötlemiseks jahutatud heitgaaside retsirkulatsiooni, heitgaaside oksüdatsioonikatalüsaatorit ja tahkete osakest filtrit. Et rahuldada heitgaasinormi Tier 4 Final (EU Stage IV) nõudeid, on firma John Deere arendanud integreeritud heitgaaside järeltöötlemise süsteemi, mis koosneb oksüdatsiooni katalüsaatorist (DOC), tahmaosakeste filtrist (DPF) ja selektiivsest katalüüsmuundurist (SCR). Kavandatud integreeritud süsteemi rakendamise ajastus sõltub traktorimudelist ja kasutusgeograafiast, kuid üldiselt hakkavad integreeritud süsteemi tarned kava kohaselt toimuma suuremate kui 130kW traktorite puhul aastal 2014 ning väiksema võimsusklassi traktorite korral 2016. aastast.
CASE IH kasutab vaid SCR-tehnoloogiat heitgaasinormi Tier 4 Final tarvis ega kasuta heitgaaside retsirkulatsiooni (EGR). Firma põhjendab valikut süsteemi lihtsuse, parima emissiooni vähenemise, mootoriõli vahetamise vajaduse vähenemise (pikem hooldusvälp) ja kütusekulu vähenemisega (võrreldes varasema heitgaaside järeltöötlemise süsteemiga). Väidetavalt on kliendid väga rahul. Case IH mudelitest on SCR-süsteemiga mootorid Maxxumi, Puma, Magnumi ja Steigeri seeria traktoritel.
Fendt kasutab SCR-tehnoloogiat 700 Vario traktoritel. Võrdluskatsetel traktoriga 820 Vario vähenes kütusekulu kuni 10%. Teiseks SCR-tehnoloogia eeliseks peab firma Fendt seda, et SCR-tehnoloogia ei mõjuta põlemisprotsessi. Mootorit saab seetõttu optimaalselt häälestada ja saavutada mootori suure kasuteguri.
Firma Bosch eksponeeris messil Agritechnica 2011 heitgaaside järeltöötlemise moodulsüsteemi, mis on kohandatud spetsiaalselt põllumajandusvaldkonna jaoks. Süsteem on fokuseeritud lämmastikoksiidide ja tahkete osakeste koguse vähendamisele heitgaasides ja on eriti kompaktne.
Bosch arendab suure efektiivsusega süsteemi, mis koosneb standardsetest komponentidest. Süsteemil on omad andurid ja täiturmehhanismid, süsteem on diagnoositav. Süsteem on paindlik ja kohaldatav 19−560kW mootoritele. AdBlue-vahendi täppisdoseerimine tagab alati AdBlue sobiva koguse mootori töörežiimile ja SCR-katalüsaatorile. Oluline uuendus on spiraalne segamisosa (sektsioon), mis tagab vahendi optimaalse segu heitgaasidega. See võimaldab vähendada lämmastikoksiidide hulka heitgaasides kuni 95%.
Ühtlasi väheneb CO2 sisaldus ja kütusekulu kuni 5%. Heitgaaside järeltöötlemise süsteem võimaldab optimeerida kütusesegu põlemisprotsessi kütuse säästliku kasutamise eesmärgil. Vahendi toite- ja doseerimisseadme nutikal kombineerimisel saab täpselt doseerida suuremaid AdBlue koguseid. Süsteemi tervikuna juhib heitgaaside järeltöötlemise juhtplokk.
Astmevabad jõuülekanded
Näiteks Valtra traktorite jõuülekande valikus on nüüd neli võimalust: HiTech3, HiTech5, Versu ja Direct 2.0. Esimene neist on tuntud juba eelmistelt mudelitelt, sellel on kolm powershift-vahekäiku ja kaks käigukangi, millest saab vahetada nelja põhikäiku ja kolme gruppi.
HiTech5 on täiesti uus käigukast, millel on viis powershift-käiku ja neli kiiruste vahemikku, mida vahetatakse elektrohüdrauliliselt, käigukangi ei ole. Versu ja Direct on samuti juba eelmiste mudelite pealt tuntud. HiTech5 erinevus Versu jõuülekandest seisneb põhiliselt hüdraulikasüsteemis. Versu jõuülekandes on käigukasti ja hüdraulika õli eraldatud, HiTech5-l mitte. Versul on hüdrosüsteemis muutuva tootlikkusega kolbpump, HiTech5 kasutab hammasrataspumpa. HiTech5 käigukasti arendamise eesmärk oli lihtsama ja väiksema tootlikkusega hüdrosüsteemi abil hõlbustada Versu käigukasti kasutamist.
Directi jõuülekannet on uuendatud. Uus põlvkond kannab nimetust Direct 2.0. Jõuülekande sees on põhilist rõhku pandud vastupidavuse suurendamisele. Tarkvaralise osa arendustöö eesmärk oli mootori ja jõuülekande omavahelise töö parandamine.
Fendt arendas astmevaba kahe võimsusvooga hüdrostaatilis-mehaanilise jõuülekande Vario välja juba 1970. aastatel. Praktikasse jõudis see Fendt 926 Vario traktoril 1996. aastal, olles esimene kahe võimsusvooga astmevaba jõuülekanne traktoril.
Lisaks kasutamise lihtsusele ja mugavusele on Vario jõuülekanne suure efektiivsusega. Liikumiskiiruse suurenemisel kasvab mehaanilise planetaarülekannet ja kaheastmelist
reduktorit sisaldava haru kaudu ülekantav võimsusvoog, mis tagab jõuülekande tavatu kasuteguri. Geniaalsus peitub jõuülekande lihtsuses.
Fendt kasutab Vario jõuülekannet kõikidel oma mudelitel (100−260 hj ning edaspidi kuni 440 hj). Kahe võimsusvooga hüdrostaatilis-mehaaniliste astmevabade jõuülekannete ilmne eelis mehaaniliste ja hüdrostaatiliste jõuülekannete ees on tinginud nende üha laialdasema kasutuselevõtu traktoritel. Tänapäeval kasutavad eri konstruktsiooniga hüdrostaatilis-mehaanilisi astmevabu jõuülekandeid kõik suuremad traktoritootjad.
Vähem tahmaosakesi
Tahmaosakeste eemaldamiseks diiselmootori heitgaasidest kasutatakse põhiliselt suletud kübemefiltrit (DPF – diesel particulate filter). Keraamiline osakeste filter on olulises osas tehtud meekärjekujulise võrestikuna silikoonkarbiidist või kordieriidist, milles on suur kogus paralleelkanaleid. Tüüpiline kanalite tihedus on 100−300 cpsi.
Selle keraamilise südamiku kanalid on vaheldumisi avatud ja suletud, mistõttu heitgaasid peavad läbima kanalite poorseid seinu. Külgnevad kanalid on mõlemast otsast suletud korkidega, et võimendatult sundida heitgaase läbima keraamilist poorset seina. Kuna tahmaosakesed läbivad kanalite keraamilise seina, siis nad kleepuvad sellele ja toimub nende difusioon. Seega küllastuvad filtri kanalid töö käigus tahmaosakestega.
Suurem kanalite sisend võimaldab efektiivsemalt salvestada tuhka, mittepõlenud õlijääke ja muid lisandeid. Sellised keraamilised kübemefiltrid on võimelised kinni pidama üle 95% osakesi, mille läbimõõt on 10 nm−1 μm.
Kasvav tahma ladustamine filtris suurendab järkjärguliselt mootori heitgaaside vasturõhku. Seetõttu tuleb osakeste filtrit regulaarselt puhastada. Filtri regenereerimist teostatakse sinna kogunenud tahma põletamisega. Süsinikukomponendi osakesi põletatakse pideval hapniku olemasolul heitgaasides temperatuuril 600° ja enam. Sellisel juhul muutub see mittetoksiliseks CO2-ks. Nii kõrge heitgaaside temperatuur tekib ainult juhtumitel, mil mootor töötab täiskoormusel. Seda juhtub normaalsel töötamisel harva.
Seepärast peab puhastamine toimuma kas spetsiaalselt mootori töörežiimi juhtimisega tõstetud heitgaaside temperatuuril või manuste lisamise abil madalamal tahma põlemistemperatuuril. DPF-süsteemi kasutatakse John Deere PowerTech PWXi ja SetraBlueTec® OM-seeria 470, 471 ja 936 diiselmootorites.
Diiselmootori katalüütiline kübemefilter (CDPF – Catalysed diesel particular filter).
Tahmaosakeste põlemist saab parendada kübemefiltri tööpindade katmisega väärismetallidega (põhiliselt plaatinaga). Sellele vaatamata on efekt väiksem, kui kasutada spetsiaalseid lisandeid. CDPF nõuab edasise regeneratsiooniprotsessi kontrollimiseks samasugust heitgaaside temperatuuri kui lisandisüsteemi korral. Võrreldes lisandisüsteemiga on siin eeliseks katalüütiline pinnakate ja lisanditahma filtris ei teki. Katalüütiline pinnakatmine täidab eri ülesandeid: a) CO oksüdatsiooni; b) NO oksüdatsiooni NOx muutumiseks; c) CO oksüdatsiooni CO2 muutumiseks.
Pidevregenereerimise sifoonefekt (CRT – Continously Regeneating Trap).
Veoauto ja traktori mootor töötab maksimaalsel pöördemomendil sagedamini kui sõiduauto mootor. Seega on veoautol ja traktoril ka võrdlemisi kõrge NOx-i emissioonitase. Seetõttu saab veoautodel kasutada kübemefiltri pidevregeneratsiooni, mis põhineb CRT-printsiibil. Vastavalt sellele printsiibile põleb tahm koos NO2-ga temperatuuril 300−450°. Protsess on teostatav sellistel temperatuuridel, kui NO2 ja tahma massiaste on 8:1. Sellise protsessi kasutamiseks peab oksüdatsiooni katalüüsmuundur, mis oksüdeerib lämmastikoksiidi (NO) NOx-iks, asuma eespool kübemefiltrit.
Selline katalüüsmuundurite asetus tagab mootorsõiduki normaalsel töötamisel regeneratsiooniks head tingimused. Meetodit nimetatakse ka passiivseks regeneratsiooniks, sest tahm põleb pidevalt ilma protsessi juhtimise vajaduseta. Traktorimootoritesse pole see tehnoloogia veel jõudnud.
Süsivesinike pihustamise süsteem (HCI – Hydro Carbon Injection system). Aktiivselt tegutsevat kübemefiltrit on vaja hoida vähemalt 600º juures. Seda on võimalik saavutada SPM-häälestusega. Ebasobivate rakenduste korral, juhul kui distants kübemefiltri ja mootori vahel on liiga suur, on häälestamine raskendatud. Siis kasutatakse diislikütuse pihustamist heitgaasidesse enne oksüdatsiooni katalüüsmuundurit, mis hiljem katalüütiliselt põleb.
Küllastumise määratlemine
Kübemefiltri küllastumise tuvastamisel kasutatakse paralleelselt kaht protsessi. Heitgaaside voolu takistust arvutatakse rõhulangusega ja mahukuluga filtri väljavoolu suunal. Sellega mõõdetakse filtri läbilaskvust ja tahma massi.
Lisaks on kasutusel mudel, millega saab arvutada tahma massi kübemefiltris. Mudel arvestab juba algselt mootorist väljuva tahma massi hulka. Süsteemi dünaamika korrigeerimisel arvestatakse jääkhapniku osa heitgaasides ja NO2 osakeste oksüdeerumist. Tahma mass arvutatakse koordineeritult, kasutades tahma massi määramise mõlemat meetodit. Eeltoodust saab võtmefaktor kogu regeneratsiooni strateegia juhtimisel.
Heitgaaside emissiooni vähendamise arengutes on märgata huvitavat tendentsi. Kuni Tier 3A normatiivini olid heitgaaside piirnormid saavutatavad sõltuvalt võimsuseklassist, kuid alates Tier 4 arenguastmest on heitgaaside piirnormid peaaegu võrdsed, sõltumata diiselmootori võimsusklassist. Tier 3 emissiooni normidele vastavad näiteks John Deere PowerTechi diiselmootorid PVX, M ja E; PSX.
Euro VI normide täitmise näitena on artiklisse lisatud autobusse tootva firma Setra tulemused. Seda võib pidada läbimurdetehnoloogiaks. Firma Setra on suutnud oma BlueTec® OM-seeria 470, 471 ja 936 diiselmootoritel ühildada mõlemad ülalnimetatud heitgaaside vähendamise arenguteed: kasutades mootorite downsizing-protsessi koos EGR-süsteemiga ja lisades heitgaaside järeltöötluse ülalkirjeldatud tehnoloogiates. Kuid iga n-ö mood nõuab ohvreid. On jõutud olukorrani, kus seistakse valikute ees: a) vähendades Nox-e, hakkab kasvama kübemeosakeste hulk ja kütusekulu;
b) vähendades kübemeosakeste hulka, väheneb kütuse hulk, aga kasvab NOx-ide hulk.
JÜRI OLT
VILLU MIKITA
TÕNU SÕÕRO
Eesti Maaülikooli tehnikainstituut
Diiselmootoriga sõidukite heitgaaside piirmäärad, g/(kWh)
| Direktiiv | Kehtiv alates | CO | HC | NOx | HC+NOx | PM |
| Euro I | 01/1992 | 3,16 | – | – | 1,13 | 0,140 |
| Euro II | 01/1996 | 1,00 | 0,15 | 0,55 | 0,70 | 0,080 |
| Euro III | 01/2000 | 0,64 | 0,06 | 0,50 | 0,56 | 0,050 |
| EuroIV | 01/2005 | 0,50 | 0,05 | 0,25 | 0,30 | 0,025 |
| Euro V | 09/2009 | 0,50 | 0,05 | 0,18 | 0,23 | 0,005 |
| Euro VI | 09/2014 | 0,50 | 0,09 | 0,08 | 0,17 | 0,005 |
