Wpływ recyrkulacji spalin na stężenia spalin w silniku FIAT MultiJet 1.3

Transkrypt

1 AMBROZIK Tomasz 1 Wpływ recyrkulacji spalin na stężenia spalin w silniku FIAT MultiJet 1.3 WSTĘP Jednym z ważniejszych problemów motoryzacji w dzisiejszych czasach jest minimalizacja emisji szkodliwych składników spalin do naturalnego środowiska. Największe zanieczyszczenie powietrza występuje w dużych miastach. Głównym źródłem tych zanieczyszczeń są pojazdy napędzane tłokowymi silnikami spalinowymi. Jednym z rozwiązań technicznych stosowanym w pojazdach w celu zmniejszenia emisji szkodliwych składników spalin jest stosowanie układu recyrkulacji spalin [2, 10, 13]. Badania ukierunkowane na minimalizację szkodliwego oddziaływania tłokowego silnika spalinowego na środowisko determinowane jest przede wszystkim coraz bardziej rygorystycznymi przepisami normatywnymi. Jednym z istotnych problemów w tym zakresie jest zmniejszenie emisji tlenków azotu. Można to osiągnąć na wiele sposobów m.in. przez doskonalenie procesu tworzenia mieszanki palnej wykorzystując w tym celu wydajne układy wtrysku paliwa czy też systemy wysokiego doładowania [1, 3]. Obecnie w wielu ośrodkach badawczo-rozwojowych prowadzone są badania nad doskonaleniem układów recyrkulacji spalin poprzez ulepszenie ich systemu sterowania oraz zapewnienie ich większej trwałości [8, 9]. Samochody eksploatowane w miastach najczęściej pracują w warunkach średnich prędkości obrotowych i obciążeń. Dlatego jednym z ważniejszych układów umożliwiających zmniejszenie zawartości tlenków azotu w spalinach jest ich recyrkulacja [5, 7, 12]. Spaliny stanowią gaz obojętny, który nie uczestniczy w procesie spalania i w porównaniu z powietrzem posiada większe ciepło właściwe, a zatem ich obecność w cylindrze powoduje niższe temperatury procesu spalania. Recyrkulowane spaliny znajdujące się w komorze spalania powodują, że w cylindrze jest mniej powietrza. Mniejsza ilość tlenu i niższe temperatury ładunku w cylindrze powodują mniejszą szybkość i ilość tworzących się tlenków azotu. Silniki z układem EGR w porównaniu z silnikami bez niego emitują mniej szkodliwych składników spalin, a przede wszystkim tlenków azotu [11]. Stopień recyrkulacji spalin X EGR określany jest jako stosunek masy recyrkulowanych spalin m EGR do masy czynnika roboczego znajdującego się w cylindrze po zakończeniu procesu jego napełnienia. A zatem: (1) gdzie: X EGR stopień recyrkulacji spalin m EGR masa recyrkulowanych spalin doprowadzona do cylindra podczas jednego cyklu pracy m powietrza masa powietrza doprowadzonego do cylindra podczas jednego cyklu pracy m paliwa masa paliwa wtryśnięta do cylindra podczas jednego cyklu pracy Stopień recyrkulacji spalin można również określić wykorzystując do tego objętości, tj. jako stosunek objętości recrykulowanych spalin V EGR do całej objętości czynnika roboczego w cylindrze przy takim samym ciśnieniu i temperaturze. A zatem: 1 Kielce University of Technology, Faculty of Mechatronics and Machine Design, Department of Automotive Vehicles and Transportation; Kielce, Al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7. Phone ; tambrozik@tu.kielce.pl 7

2 (2) gdzie: V EGR objętość recyrkulowanych spalin doprowadzona do cylindra podczas jednego cyklu pracy V powietrza objętość powietrza doprowadzonego do cylindra podczas jednego cyklu pracy V paliwa objętość paliwa wtryśnięta do cylindra podczas jednego cyklu pracy Metoda pomiaru stopnia recyrkulacji spalin zaproponowana przez Desantes i innych [6] opiera się na pomiarze stężenia dwutlenku węgla w układzie dolotowym CO 2_dolot i wylotowym CO 2_wylot oraz w powietrzu doprowadzanym do silnika CO 2_powietrza. Wówczas stopień recyrkulacji spalin wyraża zależność: (3) 1. OBIEKT BADAŃ I APARATURA KONTROLNO POMIAROWA Badania eksperymentalne przeprowadzono na silnikowym stanowisku dynanometrycznym w skład którego wchodził silnik o zapłonie samoczynnym FIAT MultiJet 1.3 SDE 90 KM, hamulec elektrowirowy i szafa kontrolno-pomiarowa służąca do sterowania pracą silnika i hamulca oraz umożliwiająca odczyt ich podstawowych parametrów pracy [4]. Ponadto stanowisko badawcze wyposażone było w analizator MEXA-1600 DEGR firmy Horiba. Schemat dynanometrycznego stanowiska badawczego przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Schemat blokowy stanowiska badawczego Obiektem badań był silnik FIAT MultiJet 1.3 SDE 90 KM wyposażony w zasobnikowy układ common rail i układ recyrkulacji spalin. Podstawowe dane techniczne badanego silnika przedstawiono w tabeli 1. 8

3 Tab. 1. Podstawowe dane techniczne silnika Fiat MultiJet1.3 SDE 90 KM [4] Parametr Jednostka Wartość Układ cylindrów - pionowy - rzędowy Liczba cylindrów, c - 4 Rodzaj wtrysku - Bezpośredni, wieloetapowy wtrysk paliwa Kolejność pracy cylindrów Stopień sprężania - 17,6 Średnica cylindra m 69, Skok tłoka m Pojemność skokowa silnika m 3 1, Maksymalna moc efektywna silnika 66 Prędkość obrotowa maksymalnej mocy efektywnej silnika obr/min 4000 Maksymalny moment obrotowy silnika Nm 200 Prędkość obrotowa maksymalnego momentu obrotowego obr/min 1750 Prędkość obrotowa biegu jałowego obr/min 850±20 Regulacja recyrkulacji spalin realizowana była przy wykorzystaniu zaworu EGR, który sterowany był za pomocą sterownika silnika. W zależności od prędkości obrotowej wału korbowego i obciążenia silnika zawór ten jest otwierany lub zamykany. W położeniu spoczynkowym zawór EGR zamyka kanał łączący przestrzeń turbosprężarki przed turbiną spalin z przestrzenią za nią. Konstrukcja zaworu EGR musi być odporna na odkładanie się nagaru ze spalin. System recyrkulacji spalin EGR zapewniał wykorzystanie elektrycznego zaworu solenoidowego oraz masowego przepływomierza powietrza. Masowy przepływomierz powietrza działał w pętli sprzężenia zwrotnego, co zapewniało precyzyjny pomiar przepływającego powietrza w układzie EGR. Chłodnica spalin była zintegrowana z systemem recyrkulacji spalin. Na rysunku 2 przedstawiono układ recyrkulacji spalin stosowany w silniku FIAT MultiJet 1.3 SDE 90 KM. Rys. 2. Układ recyrkulacji spalin EGR silnika Fiat MultiJet1.3 SDE 90KM Na rysunku 3 przedstawiono schemat działania układu recyrkulacji spalin. Spaliny przepływające przez chłodnicę EGR są chłodzone. W momencie, gdy zawór EGR jest otwarty część spalin z układu wylotowego dostarczana jest do układu dolotowego. Temperatura recyrkulowanych spalin jest wyższa w porównaniu z temperaturą powietrza. W układzie dolotowym następuje mieszanie świeżego powietrza ze spalinami. Proces ten w konsekwencji powoduje zmniejszenie temperatury w komorze spalania, co przyczynia się do mniejszej intensywności procesu spalania, a przede wszystkim mniejszej szybkości tworzenia się tlenków azotu. 9

4 Rys. 3. Schemat działania systemu recyrkulowanych spalin w silniku FIAT MultiJet 1.3 SDE 90 KM 2. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA W czasie badań silnik pracował przy jego ustawieniach fabrycznych i zasilany był handlowym olejem napędowym. Podczas badan silnik pracował według charakterystyk obciążeniowych przy: 1200 obr/min, 1400 obr/min, 1750 obr/min i 2400 obr/min. Badania ukierunkowano na porównanie wpływu recyrkulacji spalin na wskaźniki ekonomiczno-energetyczne i ekologiczne silnika. Podczas badań silnik pracował w dwóch wariantach: w pierwszym przy prawidłowym działaniu zaworu EGR, w drugim przypadku zawór EGR był zamknięty w każdym punkcie pomiarowym. W tabeli 2 przedstawiono wyniki pomiarów otrzymane dla silnika pracującego według charakterystyki obciążeniowej z działającym układem recyrkulacji spalin. Mierzono następujące wielkości: moc efektywną moment obrotowy M o i stopień recyrkulacji spalin X EGR. Tab. 2. Wartości mocy efektywnej, momentu obrotowego i stopnia recyrkulacji spalin dla silnika z układem recyrkulacji spalin pracującego według charakterystyk obciążeniowych przy: n=1200 obr/min, 1400 obr/min, 1750 obr/min i 2400 obr/min 1. 1, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , brak 10, , , , brak 12, , , , brak 14, , ,50 93 brak 17, brak 16, , , brak 18, , , , , , , brak 31, , brak 34, , brak 37, , brak 40, brak , brak 42, brak , brak 45, brak , brak 47, brak , brak 49, brak W tabeli 3 przedstawiono wyniki pomiarów: mocy efektywnej momentu obrotowego M o i stopnia recyrkulacji spalin X EGR dla silnika bez układu recyrkulacji spalin i pracującego według charakterystyki obciążeniowej przy: 1200 obr/min, 1400 obr/min, 1750 obr/min i 2400 obr/min. 10

5 Tab. 3. Wartości mocy efektywnej, momentu obrotowego i stopnia recyrkulacji spalin silnika bez układu recyrkulacji spalin pracującego według charakterystyk obciążeniowych przy: n=1200 obr/min, 1400 obr/min, 1750 obr/min i 2400 obr/min 1. 1,12 9 brak 7,30 51 brak 1,99 11 brak 2,23 9 brak 2. 2,48 20 brak 8,55 59 brak 3,62 20 brak 4,71 20 brak 3. 3,72 30 brak 9,10 69 brak 5,43 30 brak 7,45 29 brak 4. 5,09 41 brak 11,70 81 brak 7,43 41 brak 9,93 40 brak 5. 6,21 50 brak 13,05 90 brak 8,88 49 brak 12,66 51 brak 6. 7,35 60 brak 14, brak 10,68 59 brak 14,90 60 brak 7. 8,59 70 brak 15, brak 12,50 69 brak 17,39 70 brak 8. 9,94 80 brak 17,5 120 brak 14,49 80 brak 19,64 79 brak 9. 11,63 94 brak 19, brak 16,30 90 brak 22,60 91 brak , brak 24, brak , brak 27, brak , brak 29, brak , brak 32, brak , brak 34, brak , brak 37, brak , brak 39, brak , brak 42, brak , brak 44, brak , brak 47, brak , brak 51, brak W tabeli 4 i 5 przedstawiono wyniki pomiarów godzinowego zużycia paliwa współczynnika nadmiaru powietrza λ i masowego przepływu powietrza G hpow dla silnika z i bez recyrkulacji spalin pracującego według charakterystyk obciążeniowych: 1200 obr/min, 1400 obr/min, 1750 obr/min i 2400 obr/min. Tab. 4. Wartości godzinowego zużycia paliwa, współczynnika nadmiaru powietrza i masowego przepływu powietrza silnika z układem recyrkulacji spalin pracującego według charakterystyk obciążeniowych przy: n=1200 obr/min, 1400 obr/min, 1750 obr/min i 2400 obr/min 1. 0,40 3, ,75 1, ,16 2, ,65 3, ,78 2, ,05 1, ,56 1, ,92 2, ,89 2, ,40 1, ,63 1, ,18 2, ,31 1, ,82 1, ,86 1, ,75 1, ,67 1, ,05 1, ,32 1, ,99 1, ,97 1, ,51 1, ,72 1, ,86 1, ,15 1, ,87 1, ,99 1, ,09 1, ,45 1, ,93 1, ,34 1, ,62 1, ,83 1, ,04 1, ,90 1, ,35 1, ,59 1, ,17 1, ,39 1, ,59 1, ,22 1, ,13 1, ,26 1, ,58 1, ,76 1, ,30 1, ,27 1, ,57 1, ,87 1, ,77 1, ,52 1, ,92 1, ,55 1, ,18 1, ,33 1, ,65 1, ,79 1, ,06 1, ,83 1,

6 Tab. 5. Wartości godzinowego zużycia paliwa, współczynnika nadmiaru powietrza i masowego przepływu powietrza silnika bez układu recyrkulacji spalin pracującego według charakterystyk obciążeniowych przy: n=1200 obr/min, 1400 obr/min, 1750 obr/min i 2400 obr/min 1. 0,63 5, ,75 2, ,07 5, ,39 5, ,77 3, ,02 2, ,26 4, ,85 4, ,94 3, ,30 1, ,62 3, ,18 3, ,08 2, ,72 1, ,42 3, ,54 3, ,32 2, ,91 1, ,63 2, ,00 2, ,74 1, ,28 1, ,72 2, ,60 2, ,85 1, ,64 1, ,92 2, ,17 2, ,81 1, ,80 1, ,58 2, ,76 2, ,01 1, ,48 1, ,82 1, ,17 2, ,37 1, ,52 2, ,44 1, ,84 1, ,71 1, ,27 1, ,44 1, ,70 1, ,57 1, ,09 1, ,00 1, ,55 1, ,11 1, ,10 1, ,68 1, ,66 1, ,14 1, ,18 1, ,70 1, ,62 1, ,32 1, ,80 1, W tabeli 6 i 7 przedstawiono wyniki pomiarów stężeń węglowodorów dwutlenku węgla CO 2 i tlenu O 2 dla silnika z i bez recyrkulacji spalin pracującego według charakterystyk obciążeniowych 1200obr/min, 1400 obr/min, 1750 obr/min i 2400 obr/min. Tab. 6. Wartości stężeń węglowodorów, dwutlenku węgla i tlenu w spalinach silnika z układem recyrkulacji spalin pracującego według charakterystyk obciążeniowych przy: n=1200 obr/min, 1400 obr/min, 1750 obr/min i 2400 obr/min ,9 15,3 32 9,2 7,6 30 5,3 13,0 26 3,9 15, ,0 12,4 33 9,4 7,3 33 7,2 10,2 26 5,2 13, ,6 11,4 34 9,8 6,6 31 7,8 9,3 21 6,6 11, ,8 9, ,0 6,5 34 8,5 8,1 28 7,8 9, ,8 8, ,5 5,8 40 9,1 7,7 29 8,4 8, ,0 6, ,6 4,3 40 9,6 6,9 31 9,1 7, ,6 5, ,1 3,4 39 9,6 6,9 32 9,5 7, ,7 5, ,2 3, ,0 6,1 33 9,9 6, ,6 4, ,2 3, ,2 6, ,0 6, ,1 3, ,2 6,0 36 9,8 6, ,2 6,2 37 9,9 6, ,2 6,0 32 9,8 6, ,0 6,7 38 9,7 6, ,2 6,2 40 9,8 6, ,3 6,1 43 9,6 7, ,8 5,3 50 9,3 7, ,9 5,0 52 9,6 6, ,1 4,8 53 9,8 6, ,4 4, ,5 5, ,2 3, ,4 5,2 12

7 Tab. 7. Wartości stężeń węglowodorów, dwutlenku węgla i tlenu w spalinach silnika bez układu recyrkulacji spalin pracującego według charakterystyk obciążeniowych przy: n=1200 obr/min, 1400 obr/min, 1750 obr/min i 2400 obr/min ,4 17,1 39 5,8 12,5 14 2,4 17,1 46 2,4 17, ,6 15,5 41 6,5 11,5 14 3,1 16,1 47 3,0 16, ,7 14,0 42 7,4 10,2 14 3,9 15,1 47 3,6 15, ,9 12,4 45 8,4 8,8 15 4,7 14,1 47 4,2 14, ,2 11,5 45 9,1 7,8 18 5,2 13,3 48 4,9 13, ,9 9,6 47 9,8 6,7 19 5,8 12,5 48 5,4 12, ,9 8, ,2 6,2 21 6,3 11,6 48 5,7 12, ,0 6, ,2 4,8 24 6,9 10,9 48 6,1 11, ,5 4, ,1 3,4 27 7,3 10,2 50 7,0 10, ,8 9,6 49 7,1 10, ,2 9,1 48 7,7 9, ,5 8,4 51 7,8 9, ,9 8,1 52 8,3 8, ,7 6,9 53 8,7 8, ,1 6,3 53 8,8 8, ,1 6,3 55 9,1 7, ,7 5,5 57 9,7 6, ,1 4, ,0 6, ,2 4, ,6 5, ,0 3, ,2 4,4 Na rysunku 4 przedstawiono przebiegi zmiany tężeń tlenków azotu w spalinach silnika z i bez układu recyrkulacji spalin pracującego według charakterystyk obciążeniowych przy: 1200 obr/min i 1400 obr/min. NOX, n=1200 obr/min z EGR n=1200 obr/min bez EGR n=1400 obr/min z EGR n=1400 obr/min bez EGR Mo, Nm Rys. 4. Stężenia tlenków azotu w spalinach silnika z i bez układu recyrkulacji spalin pracującego według charakterystyk obciążeniowych przy: 1200 obr/min i 1400 obr/min 13

8 Na rysunku 5 przedstawiono przebiegi zmiany stężeń tlenków azotu w spalinach silnika z i bez układu recyrkulacji spalin pracującego według charakterystyk obciążeniowych przy: 1750 obr/min i 2400 obr/min. NOX, n=1750 obr/min z EGR n=1750 obr/min bez EGR n=2400 obr/min z EGR n=2400 obr/min bez EGR Mo, Nm Rys. 5. Stężenia tlenków azotu w spalinach silnika z i bez układu recyrkulacji spalin pracującego według charakterystyk obciążeniowych przy: 1750 obr/min i 2400 obr/min WNIOSKI Dokonując analizy otrzymanych wyników badań eksperymentalnych można sformułować następujące wnioski: dla silnika pracującego z i bez układu recyrkulacji spalin uzyskano porównywalne wartości maksymalnego momentu obrotowego M o i mocy efektywnej mniejszą wartość godzinowego zużycia paliwa G hpal otrzymano dla silnika pracującego bez układu recyrkulacji spalin, współczynnik nadmiaru powietrza λ był większy dla silnika pracującego bez recyrkulacji spalin, masowe godzinowe zużycie powietrza otrzymano większe dla silnika pracującego bez układu recyrkulacji spalin, dla silnika pracującego bez recyrkulacji spalin otrzymano większe stężenia tlenu, dla silnika bez recyrkulacji spalin pracującego według charakterystyk obciążeniowych 1200 obr/min, 1400 obr/min i 2400 obr/min otrzymano większe stężenia węglowodorów, większe stężenia dwutlenku węgla otrzymano dla silnika pracującego z układem recyrkulacji spalin, mniejsze stężenia tlenków azotu otrzymano dla silnika pracującego z układem recyrkulacji spalin. Reasumując należy stwierdzić, że zastosowanie układu recyrkulacji spalin w silniku FIAT 1.3 SDE 90 KM znacząco zmniejsza stężenia tlenków azotu w spalinach. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych ukierunkowanych na ocenę wpływu układu recyrkulacji spalin w silniku FIAT MultiJet 1.3 SDE 90 KM na jego wskaźniki energetyczno-ekonomiczne i ekologiczne. Podczas badań silnik pracował według wybranych charakterystyk obciążeniowych i zasilany był handlowym olejem napędowym. Silniku wyposażono w elektryczny zawór EGR. Stężenia szkodliwych 14

9 składników spalin mierzono przy użyciu analizatora MEXA-1600 DEGR firmy Horiba. Zużycie paliwa mierzono za pomocą dawkomierza paliwa 730 firmy AVL, natomiast współczynnik nadmiaru powietrza za pomocą analizatora AFR Mexa-730λ. Na podstawie analizy otrzymanych wyników badań stwierdzono, że silnik z układem recyrkulacji spalin jest bardziej przyjazny środowisku w porównaniu z silnikiem bez układu recyrkulacji spalin. Chłodzone recyrkulowane spaliny w znacznym stopniu powodują zmniejszenie emisji tlenków azotu zawartych w spalinach. The influence of the exhaust gas recirculation on the exhaust gas emissions in the engine FIAT MultiJet 1.3 Abstract The article presents the results of experimental research aimed at determining the influence of exhaust gas recirculation in the engine FIAT MultiJet 1.3 SDE 90 KM on his energetic, economic and ecological parameters. During the research the engine operated under selected load conditions and was fuelled by diesel oil. The engine was equipped with electric valve EGR. The concentration of harmful components was measured using the Analyzer MEXA-1600 DEGR. by Horiba. Fuel consumption was measured by fuel mass flow meter 730 made by AVL, while the excess air number was measured by Analyzer AFR Mexa - 730λ. On the basis of an analysis of the received research results, it was concluded that the engine with exhaust gas recirculation system is more environmentally friendly in comparison to the engine without an exhaust gas recirculation system. The recirculated cooled exhaust gas greatly reduce emissions of nitrogen oxides in exhaust gas. BIBLIOGRAFIA 1. Ambrozik A., Ambrozik T., Jakóbiec J., Łagowski P.: Relationship between fuel spray parameters and heat release characteristics in self-ignition engine. Seria monograficzna Zespołu Systemów Eksploatacji PAN,,Problems of maintenance of sustainable Technological Systems. Wyd. Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne, s. 7-17, Warszawa, Ambrozik A., Ambrozik T., Kurczyński D., Łagowski P.: Impact of exhaust gas recirculation on basic parameters of the engine operation. 10-th European Conference of young research and science workers TRANSCOM 2013, Żilina, Słowacja, s , Ambrozik A.: Analiza cykli pracy czterosuwowych silników spalinowych, Politechnika Świętokrzyska, Kielce Ambrozik T.: Parametry strugi paliwa w silniku FIAT 1.3 SDE 90 KM zasilanego ON i B20. Czasopismo Logistyka 3/ Deepak Agarwal, Shrawan Kumar Singh, Avinash Kumar Agarwal: Effect of Exhaust Gas Recirculation (EGR) on performance, emissions, deposits and durability of a constant speed compression ignition engine, Applied Energy 88 (2011) , Desantes JM, Galindo J, Guardiola C, Dolz V.: Air mass flow estimation in turbocharged diesel engine from in-cylinder pressure measurement. Exp Therm Fluid Sci 2010;34:37 4, Federico Millo, Paolo Ferrero Giacominetto, Marco Gianoglio Bernardi: Analysis of different exhaust gas recirculation architectures for passenger car Diesel engines, Applied Energy 98 (2012) 79 91, Graba M., Bieniek A., Mamala J., Lecho A.: Sterowanie adaptacyjne systemem recyrkulacji spalin w aspekcie obniżenia emisji substancji szkodliwych dla klasycznego silnika ZS, Inżynieria Rolnicza 5(130)/ Jakóbiec J., Budzik G.: Czynniki mające wpływ na stopień degradacji oleju silnikowego w okresie eksploatacji, Archiwum Motoryzacji 3, pp , Jaskólski J., Mikoda P., Łasocha J.: System EGR a zmniejszenie emisji substancji szkodliwych, Czasopismo Techniczne 7-M/2008, wyd. Politechniki Krakowskiej, 87-93, Lejda K.: An influence of exhaust gas recirculation on NO X and other toxic components emission in diesel engines, TEKA Komisji Mot. Energ. Roln., ,

10 12. Merkisz J., Piaseczny L.: Możliwości ograniczenia negatywnego wpływu recyrkulacji spalin na sprawność ogólną okrętowego silnika spalinowego napędu głównego, Archwium Motoryzacji 3, pp.1-10, Usman Asad, Ming Zheng: Exhaust gas recirculation for advanced diesel combustion cycles, Applied Energy 123 (2014) , Artykuł powstał podczas indywidualnego stażu w trakcie realizacji projektu Inwencja II - Transfer wiedzy, technologii i innowacji wsparciem dla kluczowych specjalizacji świętokrzyskiej gospodarki i konkurencyjności przedsiębiorstw", który współfinansowany jest przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego. Wyniki badań mogą być udostępniane przedsiębiorstwom. 16