Silnikowe metody ograniczające emisję toksycznych składników spalin i zużycia paliwa współczesnych samochodów

Transkrypt

1 MERKISZ Jerzy 1 MERKISZ-GURANOWSKA Agnieszka 2 DASZKIEWICZ Paweł 3 Silnikowe metody ograniczające emisję toksycznych składników spalin i zużycia paliwa współczesnych samochodów WSTĘP Ochrona środowiska naturalnego w transporcie jest dzisiaj bardzo rozległym, multidyscyplinarnym zagadnieniem. W jej badaniach potrzebna jest wiedza m.in. z chemii, termodynamiki, mechaniki płynów, mechaniki ogólnej ale również ekonomii, zarządzania i logistyki (rys. 1). Wzrastająca ilość samochodów poruszających się po drogach ma ogromny wpływ na stan środowiska naturalnego. Aby tę tendencję spowolnić lub być może nawet odwrócić potrzebne są kompleksowe i skoordynowane działania w różnych dziedzinach obejmujące swoim zasięgiem terytoria więcej niż jednego państwa. Rys. 1. Elementy kompleksowej strategii kontroli zanieczyszczeń samochodowych [17] Od momentu wynalezienia i opatentowania pierwszego silnika spalinowego wewnętrznego spalania mija już 150 lat. Silnik spalinowy szybko przyjął się jako napęd środków transportu głównie samochodowego, wypierając silniki parowe oraz silniki elektryczne, dla których jak dotąd nie wynaleziono skutecznego sposobu magazynowania energii. Obecnie prace nad rozwojem silników spalinowych koncentrują się na zmniejszeniu zużycia paliwa (a tym samym emisji CO 2 ) i emisji substancji szkodliwych. Sprostanie tym wymaganiom (rys. 2) wymaga zmian konstrukcji samego silnika, pozasilnikowych urządzeń oczyszczania spalin oraz układów kontroli (OBD) [3, 4, 6, 7]. Rys. 2. Aktualne i przyszłe uregulowania zmniejszające emisję CO2 1 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Instytut Silników spalinowych i Transportu, Poznań; ul. Piotrowo 3. Tel: , Fax: , jerzy.merkisz@put.poznan.pl 2 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Instytut Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych, Poznań; ul. Piotrowo 3.Tel: , Fax: , agnieszka.merkisz-guranowska@put.poznan.pl 3 IPS TABOR, ul. Warszawska 181, Poznań. Tel: , Fax: , pawel.daszkiewicz@wp.pl 7323

2 Rys. 3. Wpływ wprowadzania poszczególnych rozwiązań technicznych na zużycie paliwa [5] 1 DOWNSIZING I DOŁADOWANIE SILNIKÓW SPALINOWYCH Jednym ze znanych i stosowanych już od pewnego czasu sposobów zmniejszania zużycia paliwa jest technologia Displacement on Demand (pojemność na życzenie). Zmniejszenie pojemności skokowej o 20% i zwiększenie przełożenia przekładni głównej o 30% powoduje największe oszczędności. W tę stronę zmierzają dzisiaj producenci stosując w swoich silnikach zmniejszanie objętości skokowej (downsizing) oraz zmniejszanie prędkości obrotowej w czasie pracy downspeeding [5, 9]. W celu zrekompensowania utraty mocy silnika wynikającej ze zmniejszenia pojemności producenci stosują doładowanie sprężarkowe poprawiające stopień napełnienia cylindrów. Zmiana ta powoduje zwiększenie sprawności cieplnej ηc i zwiększenie ciśnienia użytecznego pe. Zmiana wydajności turbosprężarki w dzisiejszych silnikach ZS uzyskiwana jest przez stosowanie zmiennej geometrii turbiny. Technologia ta jest jednym z lepszych rozwiązań sterowania prędkością obrotową turbiny, poprawy jej nadążności (podawania odpowiedniej ilości powietrza podczas pracy w warunkach nieustalonych) oraz odpowiednie ukierunkowanie spalin na jej łopatki turbina o zmiennej geometrii [8]. 7324

3 Turbina ze zmienną geometrią jest skuteczna w całym zakresie prędkości obrotowej silnika. Umożliwione jest to poprzez łopatki sterownicze, które doprowadzają spaliny do koła turbiny. Przy małej prędkości obrotowej poprzez odpowiednie ustawienie łopatek zwęża się przekrój poprzeczny przepływu spalin przed kołem turbiny. Koło turbiny obraca się szybciej, ponieważ spaliny przepływają poprzez zwężony przekrój poprzeczny. Wskutek tego uzyskuje się potrzebne ciśnienie doładowania także przy niskiej prędkości obrotowej silnika. Z kolei przy wysokiej prędkości obrotowej silnika przekrój poprzeczny turbosprężarki jest dopasowany do przepływu spalin [6, 8]. Łopatki sterujące umożliwiają zwiększenie przekroju poprzecznego wlotu, aby nie przekroczyć potrzebnego ciśnienia doładowania. Jedynym seryjnie produkowanym samochodem w którym montowana turbosprężarka VTS jest Porsche 911 Turbo. Rys. 4. Wpływ wprowadzania poszczególnych rozwiązań technicznych na zużycie paliwa [5] 2 BEZPOŚREDNI WTRYSK BENZYNY GDI (GASOLINE DIRECT INJECTION) Pierwszym impulsem do rozwoju wtrysku bezpośredniego była możliwość zwiększenia sprawności napełniania oraz zmniejszenie skłonności do spalania stukowego, w porównaniu z wtryskiem pośrednim. W połączeniu z wysokociśnieniowym układem wtrysku paliwa pozwala on na zmniejszenie emisji węglowodorów w fazie nagrzewania silnika. Przez odpowiednią strategię sterowania wtryskiem bezpośrednim umożliwia też szybkie nagrzewanie reaktora katalitycznego i związane z tym znaczne zmniejszenie emitowanych w spalinach zanieczyszczeń. Obecnie mamy do czynienia z wtryskiem w dwóch odmianach (rys. 4): a) I generacja wtryskiwacze ustawione pod znacznym kątem do osi cylindra. Układ ten był bezpośrednią kontynuacją i czerpał z rozwiązań systemów wtrysku pośredniego. Tego rodzaju rozwiązanie było korzystne ze względu na chłodzenie komory spalania odparowanym paliwem i możliwe w ten sposób do uzyskania większe wartości stopnia sprężania. Jednak w tym rozwiązaniu trudno było uzyskać stabilne zróżnicowanie mieszanki w rejonie iskry zapłonowej zatem zubożenie mieszanki było możliwe tylko przy niewielkich obciążeniach takiego silnika. b) II generacja wtryskiwacz znajduje się w osi tłoka w niewielkiej w niewielkiej odległości od świecy zapłonowej. Wtryskiwacze piezoelektryczne mogą wtryskiwać paliwo tworząc mieszankę uwarstwioną (do 3 faz). W pierwszej fazie wtryskiwana jest niewielka ilość paliwa do całej objętości 7325

4 komory spalania faza ostatnia natomiast następuje w momencie, gdy tłok znajduje się w górnym położeniu i jest ona zapalana od iskry. Spalanie w tej generacji GDI nazywany spalaniem kierowanym strumieniem wtrysku (spray guided). Ten sposób pozwala na szerszy zakres pacy w obszarze mieszanki ubogiej (LDGI Lean Gasoline Direct Injection). Tego rodzaju samochody wyposażone w silniki LDGI oferują potencjalnie mniejsze zużycie paliwa (i przez to emisję CO 2 ). Silniki takie pracują na zubożonej mieszance w dolnym zakresie obciążeń i obrotów, przy wyższym obciążeniu natomiast praca odbywa się przy zasilaniu mieszanką stechiometryczną. Trudnym problemem jednakowoż, jeżeli chodzi o szersze wprowadzenie tego rodzaju silników na rynek jest kontrola emisji tlenków azotu (NO x ). Powodem jest znaczny spadek stopnia konwersji tlenków azotu reaktora trójfunkcyjnego przy zasilaniu silnika mieszanką ubogą[3, 4]. Rys. 5. Zależność zużycia paliwa od zastosowanego systemu wtrysku paliwa [5] Odpowiednie sterowanie układem zmiennych faz rozrządu oraz wtrysku bezpośredniego umożliwia wprowadzenie rozwiązania nazywanego przepłukaniem lub przedmuchem cylindra (scavenging). Polega ono na regulacji czasu współotwarcia zaworów wlotowych i wylotowych w ten sposób, by owo współotwarcie było dość znaczne. Rezultatem jest przepłukanie cylindra i komory spalania, jednak dawka paliwa podawana jest dopiero po zamknięciu zaworów, a wiec nie dociera ono do układu wylotowego. Zyskuje na tym ekonomia jazdy, czystość spalin, ale tez moment obrotowy silnika przy niskich obrotach wału. Technologia ta szczególnie nadaje się do silników doładowanych o niedużych pojemnościach. Obniżenie temperatury komory spalania przez zastosowanie rozwiązania przepłukania cylindra czy też chociażby samego wtrysku bezpośredniego wprowadza możliwość zwiększenia stopnia sprężania o 1 do 1,5 jednostek w porównaniu do odpowiednich silników MPI. 3 KONTROLOWANY SAMOZAPŁON MIESZANKI JEDNORODNEJ - SILNIKI HCCI (HOMOGENEOUS CHARGE COPRESSION IGNITION) Jednym z bardzo obiecujących procesów spalania mieszanki obok wyżej wymienionych jest HCCI (HomogeneousChargeCopressionIgnition) lub CAI (Controlled Auto Igniotion). Silnik tego rodzaju łączą w sobie cechy silników z zapłonem iskrowym oraz samoczynnym. W skrócie ich zasadę działania można opisać następująco: mieszanina palna jest przygotowywana przed zapłonem a sam zapłon następuje pod wpływem jej sprężania (paliwem może być benzyna, olej napędowy lub inne paliwa alternatywne). Zapłon powstaje w wielu miejscach ładunku, przez co następuje równoległe uwalnianie energii w całej objętości komory spalania. Gwarantuje to jednorodne i jednoczesne spalanie mieszanki bez propagacji płomienia [1, 12]. Spalanie HCCI/CAI gwarantuje wysoką sprawność przy bardzo niskiej emisji NO x (rys 6). Zastosowanie HCCI w rzeczywistym silniku jest uwarunkowane wprowadzeniem niezawodnej metody kontroli rozpoczęcia spalania. Procesy zapłonu i utleniania w silnikach HCCI zachodzą głównie dzięki chemicznej kinetyce utleniania węglowodorów. Zawirowanie mieszanki ma niewielki wpływ na przebieg procesu spalania zbyt mała turbulencja może jednak prowadzić do koncentracji 7326

5 ładunku w strefie przyściennej co może być z kolei przyczyną powstawania różnic temperatur w objętości cylindra, które mogą wpływać na proces spalania (kinetyka reakcji chemicznych zależy od temperatury ładunku). Rys. 6. Porównanie różnych systemów wtrysku paliwa [5] Rys. 7. Emisja tlenków azotu i cząstek stałych przez silnik HCCI w porównaniu z konwencjonalnymi silnikami ZS Proces HCCI zależy od rozkładu obecnego w cylindrze nadtlenku wodoru (H 2 O 2 ), który następuje w temperaturze C. Temperatura rozpoczęcia reakcji zależy od liczby oktanowej paliwa. Mała liczba oktanowa intensyfikuje niskotemperaturowe reakcje cieplne, które rozpoczynają się już przy temperaturze 800 K co prowadzi do wzrostu temperatury potrzebnego do rozpadu H 2 O 2 i inicjacji samozapłonu. Rys. 8. Modelowanie kinetyki reakcji HCCI dla silnika z zapłonem iskrowym 7327

6 Właściwości paliwa o wysokiej liczbie oktanowej powodują, że wydziela się stosunkowo niewiele ciepła przed samozapłonem (niewielki obszar NTC na rys. 8). Na rysunku 8 przedstawiono przykładowy obraz modelowania zapłonu dla silników HCCI opracowany przez Volkswagena. Ten model szacuje opóźnienie zapłonu wprowadzając do obliczeń 233 związki oraz 2039 reakcji chemicznych. Niemniej w dalszym ciągu zastosowanie silników HCCI jest możliwie tylko w ograniczonym zakresie obciążeń i prędkości obrotowych (rys. 9). Jedne z pierwszych badań silnika HCCI były przeprowadzone przy użyciu zewnętrznej recyrkulacji spalin, ogrzewanego dolotu powietrza silnik badawczy był zasilany wymieszanym wcześniej ładunkiem przy całkowitym niemal otwarciu przepustnicy. Już te badania pokazały, że silnik jest w stanie pod względem zużycia paliwa i sprawności konkurować z silnikami ZS [2, 11]. Rys. 9. Modelowanie kinetyki reakcji HCCI dla silnika z zapłonem iskrowym Obecnie sterowanie procesem HCCI odbywa się przy zastosowaniu następujących technologii: regulacja cieplna, EGR regulacja polega na optymalizacji ciśnienia, temperatury i składu ładunku w cylindrze na początku suwu sprężania, przez zastosowanie recyrkulacji spalin (wewnętrznej lub zewnętrznej) lub powietrza z doładowania. Sterowanie odbywa się przy kontroli rozmaitych wartości mierzonych takich jak: ciśnienie doprowadzanego ładunku, temperatura zasysanego powietrza jak również ciśnienie w układzie wylotowym; zmienny stopień sprężania (VCR) regulacja polega na zmianie stopnia sprężania w celu uzyskania temperatury ładunku potrzebnej do jego samozapłonu; zmienne fazy rozrządu (VVT) przy zastosowaniu systemu VVT możliwe jest uzyskanie podobnego efektu jak przy VCR, tj. zmiany temperatury ładunku i wpływanie na stopień opóźnienia samozapłonu; inne metody np.: wtrysk pary wodnej do cylindra, stosowanie systemów dwupaliwowych, czy wykorzystanie procesu reformingu paliwa wewnątrz cylindra [11]. Rys. 10. Proporcje składu ładunku dla silnika ZI oraz HCCI (GCI Volkswagen) [2] 7328

7 4 ZMIENNE STEROWANIE RUCHEM ZAWORÓW (VVT) Opisany powyżej kierunek rozwoju silników z zapłonem HCCI z systemem regulacji faz rozrządu jest obecnie dynamicznie rozwijaną dziedziną w badaniach i konstrukcji nowoczesnych silników spalinowych. Jego realizacja możliwa jest różnymi metodami, główne sposoby sterowania możemy podzielić na: mechaniczne (elektryczne), hydrauliczne, pneumatyczne, elektromagnetyczne. Podstawowe cele stosowania regulacji rozrządu, to zmniejszenie strat powodowanych dławieniem przepustnicy, poprawa sprawności, szczególnie w dolnym zakresie momentu i prędkości obrotowej, wyłączanie pracy poszczególnych cylindrów, czego rezultatem jest możliwe do osiągnięcia znaczne obniżenie emisji substancji szkodliwych emitowanych przez silnik (rys.11). Rys. 11. Korzyści ekologiczne wynikające z zastosowania zmiennych faz rozrządu Aktualnie w różnych ośrodkach badawczych trwają prace nad rozwojem systemów sterowania pracą rozrządu, ich główne cele to: zmiana faz rozrządu umożliwiająca przesuwanie początku otwarcia zaworów dolotowych i wylotowych, przy niezmienionym profilu krzywki zaworowej; umożliwienie wyłączania poszczególnych cylindrów silnika przez zatrzymanie pracy zaworów; zmiana skoku zaworów: dwustopniowa przy zastosowaniu krzywek o różnych profilach, płynna, która umożliwia pracę silnika bez przepustnicy; wprowadzenie elektromagnetycznego sterowania pracą poszczególnych zaworów, oderwanego od położenia wału korbowego w danym momencie (rys. 12). Rys. 12. Prace badawcze nad VVT Duży potencjał regulacji pracą rozrządu dają elektromagnetyczne układy sterowania. Takie układy rozrządu pracują niezależnie od obracającego się wału korbowego (w przeciwieństwie do tradycyjnych, których obrót jest zawsze funkcją obrotu wału) [4, 9]. Układy te są jak na razie dalekie 7329

8 od wprowadzenia do seryjnej produkcji ze względu na wysokie moce potrzebne do ich napędu (szczególnie przy wyższych wartościach prędkości obrotowej). Rys. 13. Obraz zmniejszenia strat wymiany ładunku (wykres p/v) oraz zwiększenie zawirowania ładunku przy pomocy sterowania czasem pracy i wzniosem zaworów Układy elektrohydrauliczne bezkrzywkowe są bardziej elastyczne, dlatego w systemach tych istnieje możliwość zmiany prędkości oraz wzniosu. Napęd hydrauliczny wymaga jednak stosowania stosunkowo drogich, precyzyjnie wykonanych podzespołów, co utrudnia wprowadzenie ich do seryjnej produkcji. WNIOSKI Silniki spalinowe a wraz z nimi i całe pojazdy umożliwiają obecnie osiąganie coraz mniejszych wartości emisji w warunkach ruchu rzeczywistego. Podstawowym wnioskiem, jest fakt, że przedsięwzięcia podejmowane w dziedzinie zmniejszenia emisji przez sektor transportu muszą mieć charakter systemowy. W oparciu o znajomość chemicznych i termodynamicznych podstaw tworzenia związków szkodliwych i znajomości możliwych do wprowadzenia technologii możemy podejmować decyzje prawno-administracyjne. Te decyzje z kolei stanowią podstawę do wprowadzania konkretnych rozwiązań technicznych (obecnie bardzo duża część zadań spoczywa na konstruktorach pojazdów i jest związana z koniecznością sprostania limitom.zadania wprowadzania technologii przez konkretnych producentów samochodów muszą być odpowiednio zaplanowane i koordynowane aby wprowadzane rozwiązania w sposób możliwie najbardziej efektywny uzupełniały się. Producenci silników spalinowych muszą sprostać nie tylko coraz bardziej restrykcyjnym normom emisji ale również zaspokajać oczekiwania swoich klientów co do lepszych osiągów, zmniejszenia zużycia paliwa oraz zwiększonego komfortu. W przypadku silników z zapłonem iskrowym niewątpliwie kontynuowana będzie tendencja downsizingu wraz z wprowadzaniem nowych rozwiązań w dziedzinie doładowania (jak np. doładowanie wspomagane silnikiem elektrycznym). Jakkolwiek systemy bezpośredniego wtrysku mieszanki uwarstwionej benzyny ze względu na koszty aparatury wtryskowej oraz konieczności stosowania dodatkowych systemów oczyszczania spalin z tlenków azotu nie będą zyskiwały dużej popularności, to bezpośredni wtrysk i spalanie jednorodnej mieszaniny będą zapewne częściej stosowane. W połączeniu ze zmniejszeniem pojemności skokowej silnika, doładowaniem oraz sterowaniem ruchem zaworów będzie to kolejny krok w kierunku obniżenia emisji CO 2 oraz związków toksycznych w spalinach. W silnikach z zapłonem samoczynnym oprócz zmniejszania pojemności oraz unowocześniania systemów doładowania, zapewne w dalszym ciągu rozwijane będą systemy wtrysku bezpośredniego. Niewątpliwie bardzo interesujący będzie dalszy rozwój systemów samozapłonu mieszaniny jednorodnej (HCCI) ograniczonej w tym momencie do niewielkich obciążeń. Być może systemy te w związku ze znaczną redukcją zużycia paliwa oraz emisji związków toksycznych (w szczególności NO x ) okażą się w przyszłości najlepszym rozwiązaniem dla silników wewnętrznego spalania napędzających pojazdy. 7330

9 Streszczenie W artykule podjęto temat ochrony środowiska naturalnego, który we współczesnym ujęciu wydaje się pojęciem bardzo rozległym i multidyscyplinarnym. Wzrastająca liczba pojazdów poruszających się po ulicach emituje globalnie więcej związków toksycznych do atmosfery. Biorąc pod uwagę budowę pojazdów, jednostka napędowa oraz poszczególne współpracujące ze sobą podzespoły mają największy wpływ na emisję zanieczyszczeń. Zebrana oraz usystematyzowana wiedza z zakresu chemii, termodynamiki, mechaniki płynów, ekonomii, zarządzania i logistyki jest niezbędna do redukcji poszczególnych zawiązków szkodliwych z pojazdów, aby mogły one spełniać najnowsze unormowania Unii Europejskiej. Ze względu na bardzo wiele prowadzonych obecnie prac badawczych przedstawiono technologie i rozwiązania stosowane w silnikach spalinowych, które mającej wpływ na redukcję emisji substancji szkodliwych. Analizę przeprowadzono w powiązaniu z obowiązującymi lub planowanymi przepisami w dziedzinie dopuszczalnej emisji składników szkodliwych spalin. Engines method of reducing the toxic exhauste missions and fuel consumption of contemporary cars) Abstract The article deals with the protection of the environment, which in modern terms, the concept seems to be very large and multidisciplinary. The increasing number of vehicles on the streets globally emits more toxic compounds into the atmosphere. Taking into account the construction of the vehicle, the drive unit and the individual components working together have the greatest impact on emissions. Collected and systematized knowledge of chemistry, thermodynamics, fluid mechanics, economics, management and logistics is essential to the reduction of harmful germs each of the vehicles, so that they can meet the latest normalize the European Union. Due to a lot of current research work presented technologies and solutions used in internal combustion engines, which are having an impact on reducing emissions. The analysis was conducted in conjunction with existing or planned regulations in the field of permissible emissions of harmful exhaust components. BIBLIOGRAFIA 1. Gottschalk W., Magnor O., Schultalbers M., Jakobs J., Willand J., Gasoline HCCI/CAI on a Four- Cylinder Test Bench and Vehicle Engine - Results and Conclusions for the Next Investigation Steps, SAE Technical Paper Series, Kulzer A., Nier T., Karrelmeyer R., A Thermodynamic Study on Boosted HCCI: Experimental Results, SAE Technical Paper Series, Merkisz J., Pielecha J., Radzimirski S., Emisja zanieczyszczeń motoryzacyjnych w świetle nowych przepisów Unii Europejskiej, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa Merkisz J., Pielecha J., Radzimirski S., Pragmatyczne podstawy ochrony powietrza atmosferycznego w transporcie drogowym, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań Mysłowski J., Doładowanie silników, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa Stansfield P.A., Bisordi A.,OudeNijeweme D., The Performance of a Modern Vehicle on a Variety of Alcohol-Gasoline Fuel Blends, SAE Technical Paper Series, Stokes J., Lake T.H., Osborne R.J., A Gasoline Engine Concept for Improved Fuel Economy The Lean Boost System, SAE Technical Paper Series, TinsdaleM.,Price P., Chen R., The Impact of Biodiesel on Particle Number, Size and Mass Emissions from a Euro4 Diesel Vehicle, SAE Technical Paper Series, Walsh M., Global Trends in motor vehicle pollution control. Part I, W: Silniki Spalinowe, 2013, nr 2, s Walsh M., Global Trends in motor vehicle pollution control. Part II, W: Silniki Spalinowe, 2013, nr 3, s Yun H., Wermuth N., Najt P., Extending the High Load Operating Limit of a Naturally-Aspirated Gasoline HCCI Combustion Engine, SAE Technical Paper Series, Yun H., Wermuth N., Najt P., High Load HCCI Operation Using Different Valving Strategies in a Naturally-Aspirated Gasoline HCCI Engine, SAE Technical Paper Series,