Galmus Dániel

IMEX Filtertechnika Kft.

Horváth András

műszaki szakértő

MÁV-TRAKCIÓ Zrt.HH0-240

Szűréstechnikai alkalmazások a vasútüzemben

2. rész

Részecskeszűrő rendszerek alkalmazása vasúti dízelmotorokon

1. Dízelmotoros vontatójármű állomány jellemzői Európában

Európai viszonylatban a közlekedési eszközök által kibocsátott káros anyagok egy százalékáért a vasúti vontatás a felelős. Ez az arány általánosságban elhanyagolhatónak tűnik, ugyanakkor a vasútüzem által okozott lokális légszennyezés (dízel vontatásra berendezett pályaudvarok, vontatási telepek környezetében) aránya ennél jóval magasabb is lehet.
dumpsure

Európában az UIC tagvasutak dízelmozdonyaiban közelítőleg 17000 darab és a motorkocsikban közel 14000 darab dízelmotor üzemel, illetve a különböző, nem UIC tag európai vasúttársaságok körülbelül 2700 mozdonyba és 2600 motorkocsiba szerelt dízelmotort üzemeltetnek. Az üzemben tartott európai vasúti vontatójárművek dízelmotorjainak életkora a járműállomány nem elhanyagolható részénél meghaladja a 35 évet (mozdonyok esetén 30, motorkocsik esetén 7%). A 2005-ben közzétett adatok szerint a dízelmozdonyokba épített motorok átlagéletkora 27 év, a motorkocsikba épített motorok átlagéletkora 16 év volt.. A beépített motorok életkorával összefügg, hogy az új beszerzésű, vagy új motorral – jellemzően 1990 utáni időszakban – korszerűsített vontatójárművek károsanyag-kibocsátása jóval kedvezőbb értékeket mutat az évtizedekkel korábban üzembe állított típusokénál. A károsanyag-kibocsátást a motor kialakításán és életkorán kívül közvetlenül befolyásolja az alkalmazott üzemanyag minősége is. Az UIC tagvasutak közel negyede már alacsony kéntartalmú (max 10 ppm) dízel üzemanyagot használ, így a kéndioxid (SO₂) kibocsátása motortípustól függetlenül eredményesen csökkenthető. Az európai kontinensen az UIC tagvasutak vontatójárművei évente körülbelül másfél-kétmillió tonna dízel üzemanyagot fogyasztanak. A legnagyobb felhasználó a német (320 ezer tonna) és a francia vasút (230 ezer tonna), míg a MÁV a több mint hatvanezer tonnás gázolaj felhasználásával a tizedik helyen áll.

1. ábra – Az európai dízelvontatásra jellemző emissziós adatok az UIC felmérése alapján

Picture 1: The tipical emission datas of the european diesel rail traction by UIC.

Bild 1: Die typischen Emissionswerte im europaeischen Dieselbahnbereich laut der Vermessung der UIC.

2. Dízelmotorok füstje és légszennyező anyagai

A dízelmotorok kipufogó gázainak több összetevője van, ami közvetlenül veszélyezteti az emberi egészséget és maradandóan károsítja a környezetet, az állat és növényvilágot. A légszennyező anyagok káros hatásainak ismeretében érthető, hogy a dízelmotorokra vonatkozó legújabb emissziós előírások szigorú követelményeket fogalmaznak meg.

Általánosságban elmondható, hogy az olyan dízelmotor, amely üzem közben szabad szemmel jól látható füstöt bocsát ki, nem felel meg a napjainkban elvárható környezetvédelmi követelményeknek.

A dízelmotorból távozó kipufogógáz a motor névleges terhelésénél egyenletesen tiszta, régebbi motortípusoknál egyenletes ezüstszürke színű. A motor átmeneti üzemállapotaiban vagy a motor hibájából adódóan a kipufogógáz általában elszíneződik. A dízelmotorok károsanyag-kibocsátása a legnagyobb üzemi töltés esetén éri el a maximális szintet.

A kékes színű kipufogógáz megnövekedett kenőolaj fogyasztásra utal, ugyanis a kékes színt a kipufogógázban előforduló elégetlen vagy részben elégett apró kenőolaj cseppek okozzák.

A fehér színű kipufogógáz az égéstérbe jutott vízre utal, amely így vízgőz formájában távozik a motorból. A fekete színű kipufogógáz tökéletlenül elégett gázolajra, elégtelen levegőmennyiségre illetve a szükségesnél alacsonyabb égéstér-hőmérsékletre utal. A fekete színt a kipufogógázban levő koromrészecskék magas koncentrációja okozza, amelyek nanométer nagyságúak és még az égéstérben 0,5-1 μm nagyságú korompelyhekké állnak össze. A dízelmotorok által kibocsátott egészségkárosító hatású szennyezőanyagok közel fele a koromrészecskékhez kötődik, így a környezetbe jutó korommennyiség csökkentése a legfontosabb feladat. A dízelmotorok kipufogógázai az égéstermékek, szennyezőanyagok mellett nitrogént (77 v/v%) és vízgőzt (5 v/v%) is tartalmaznak. A kipufogógáz fontosabb összetevőit a 2. táblázat mutatja be.

2. ábra – A kipufogógáz főbb összetevői dízelmotorokban

Picture 2: The main components of diesel exhaust fumes.

Bild 2: Die wichtigsten Komponenten der Auspuffgase bei Dieselmotoren.

Korom, szálló por: A dízelmotorok kipufogógázait a lebegő szilárd részecskék, a por és a korom teszik láthatóvá. A dízelmotor által kibocsátott, az egészséget közvetlenül károsító szennyezőanyagok közül a korom a legveszélyesebb, amely összetapadt karbon részecskékből és ezekhez tapadt szénhidrogénekből áll. A koromra vonatkozó egészségügyi határérték megállapítása bonyolult feladat, mert a korom már egészen kis mennyiségben is nagyon káros lehet. Az Egészségügyi Világszervezet (WHO) szerint a koromkibocsátás esetében nem határozható meg egyértelműen az a koncentráció, amely bizonyíthatóan nem károsítja az egészséget.

Nitrogén oxidok (NOx): A dízelmotorban – a magas hőmérsékleten lejátszódó égési folyamat során jellemzően a levegő nitrogéntartalma miatt – nitrogén oxidok keletkeznek. Az égési folyamat során 90%-os valószínűséggel nitrogén-oxid (NO) keletkezik, ami a légfelesleg miatt már a füstgázban, később a környezeti levegő oxigénjének hatására nitrogén dioxiddá (NO₂) alakul. A nitrogén-dioxid erős oxidálószer, vízzel salétromsavat és nitrogén-oxidot képez. Az atmoszférába kerülő nitrogén-oxidok befolyásolják a légkör ózontartalmát és hozzájárulnak a savas esők kialakulásához.

Szén-monoxid (CO): Színtelen, szagtalan gáz, amely az üzemanyagban levő karbon tökéletlen égése során keletkezik. Mérgező hatású, erősebben kötődik a vér hemoglobinjához, mint az oxigén, így akadályozza a vér oxigénszállító képességét.

3. A vasútüzemi dízelmotorok emissziójának törvényi szabályozása

Amikor 2001-ben az EU kiadta az egyes légszennyező anyagok összkibocsátási határértékeiről szóló 2001/81/EC rendeletét, a korábbi szabályozások (1997/68/EC) alól mentességet élvező vasúti vontatójárműveket is az új rendelet hatálya alá vonta. A 2001.év végén életbe lépett 2001/81/EC direktíva a kén-dioxidra (SO₂), a nitrogén-oxidokra (NO_x), az illékony szerves vegyületekre (VOC) és az ammóniára (NH₃) vonatkoztatva határozta meg azt az összkibocsátási határértéket, amelyet a 2010. évtől nem szabad túllépni. Ezen felül a felmerült igények miatt az Egyesült Államokban alkalmazott US EPA előírásokkal való harmonizációt tűzte ki célul. A rendelet alkalmazását a hatályba lépést követő időszakban szigorúan ellenőrizték, sőt vizsgálatokat kezdeményeztek annak érdekében, hogy az eredményességet vagy az esetleges eredménytelenséget mérhetővé tudják tenni. A felülvizsgálatok és az új hatástanulmányok alapján hozták létre az előző rendeleten alapuló, ám jóval szigorúbb és hosszabb távra szóló, jelenleg is érvényben lévő 2004/26/EC direktívát, mely előrevetíti a 2010 után várható tendenciákat. A fenti szabályozás természetesen Magyarországra – mint az EU teljes jogú tagjára -is vonatkozik, amely a 75/2005 GKM-KvVM Együttes Rendelet megalkotásával és hatályba lépésével vált kötelezővé. E rendelet – és EU-s megfelelője – hű maradt a kilencvenes évek végén alkotott eredeti szabályozás többlépcsős elvéhez, azt folytatja, ugyanakkor részben szigorításokkal,  részben a harmadik lépcső két szakaszra tagolásával (azaz a fokozatosság elvét szem előtt tartva) 2014-re a US EPA – EU teljes harmonizációjára törekszik. Röviden tekintsük át a hatályos rendelet vasúti vontatásra vonatkozó részeit.

3.1 A jelenleg hatályos törvényi szabályozás

A 75/2005 GKM-KvVM Együttes Rendelet kiegészítő alcíme gyakorlatilag tisztán meghatározza, mely gépekre, tevékenységi körökre vonatkozik a szabályozás: „a nem közúti mozgó gépekbe építendő belső égésű motorok gáznemű és szilárd részecskékből álló szennyezőanyag-kibocsátásának korlátozásáról” van szó. Ez azt jelenti, hogy néhány kivételtől eltekintve (légi járművek, nemzetközi útvonalon közlekedő hajók, fegyveres és rendészeti erők, stb.) az összes, nem közúti jármű meghajtására szolgáló belső égésű motornak, melynek teljesítménye meghaladja a 19 kW-ot, meg kell felelnie a rendeletben meghatározott emissziós normának. A szabályozás a normák betartását a teljesítménytől és a felhasználástól függően eltérő dátumokhoz köti, illetve minden esetben meghatároz egy úgynevezett felkészülési időt. Ugyanakkor előírja, hogy Magyarországon csak azok a motorok építhető be, melyek az NKH Közép-magyarországi Regionális Igazgatósága által kibocsátott típus-jóváhagyási bizonyítvánnyal rendelkeznek. A kompresszió-gyújtású motorokra vonatkozóan a többlépcsős tervezet első két fokozatának (Stage I és Stage II)  eredményein alapulva jelenleg a III/A lépcső (Stage IIIA) van érvényben, amely megfelel az amerikai Tier3 szabványnak. Ez – a szabályozási lépcső többi eleméhez hasonlóan – meghatározza a kipufogógázokban található egyes szennyezőanyagok mennyiségét. Legfontosabb eleme az első két lépcsőhöz képest, hogy drasztikusan csökkenteni kell a kibocsátott nitrogén-oxidok mennyiségét, a csökkenés mértékének el kell érnie a 30%-ot. A szennyezőanyagok határértékei g/kWh-ban vannak megadva.

A vasútüzemi dízelmotorokra vonatkozóan ez a szabályozás sokkal szigorúbb formában jelentkezik, mint egyéb (pl. munkagép, stabil motor) dízelmotorok esetében. Korábban a vasúti motorkocsik és dízelmozdonyok mentesültek a Stage II szabványnak való megfelelés alól, ugyanakkor ezekre az UIC2 emissziós szabályozás vonatkozott, amelynek határértékei némileg magasabbak (megengedőbbek) voltak a Stage II-höz viszonyítva. A nitrogén-oxidok mennyiségét 40%-ot elérő mértékben kellett tehát csökkenteni (9,9 g/kWh-ról 6 g/kWh-ra), miközben a szén-monoxid és a koromrészecskék mennyiségét nagyjából szinten kellett tartani, hogy a Stage IIIA szabvány tartható legyen.

A rendelet készítői természetesen tisztában voltak azzal, hogy a fentiekben említett drasztikus emisszió csökkentés komoly fejlesztéseket követel meg a motorgyártóktól. Nem elegendő az egyszerű kipufogógáz-utókezelés, hanem a befecskendező rendszerek, vezérlő elektronikák, stb. áttervezését, bizonyos tekintetben az egyes motorszériák teljes újragondolását, vagyis jelentős motortechnikai fejlesztést követel meg. A fentiekre tekintettel időben eltolva határozták meg a szabályozási lépcső bevezetési dátumát: a vasúti motorkocsikba építendő motorok esetén 2006. január 1.-jét követően, mozdonyok esetében 2009. január 1.-jét követően nem helyezhető forgalomba olyan járműegység, amely nem teljesíti a Stage IIIA normát. Természetesen ennek bevezetése nem egyik napról a másikra történt meg, hiszen az előző néhány év a felkészülési időszak részét képezte. Az UIC2/Tier2 motorokra vonatkozóan konkrétan megadták azokat a dátumokat, ameddig ezeket meg lehetett rendelni és be is lehetett építeni.

Egy példa: egy, az EU területén működő vasúttársaság úgy döntött, hogy az UIC2 emissziós norm%C