WPŁYW STEROWANIA POŁOŻENIEM PRZEPUSTNICY NA EMISJĘ SUBSTANCJI SZKODLIWYCH

Transkrypt

1 MODELOWANIE INŻYNIERSKIE 28 nr 68, ISSN X WPŁYW STEROWANIA POŁOŻENIEM PRZEPUSTNICY NA EMISJĘ SUBSTANCJI SZKODLIWYCH Szymon Kołodziej a, Krystian Hennek b, Jarosław Mamala c Katedra Pojazdów, Wydział Mechaniczny, Politechnika Opolska a s.kolodziej@po.opole.pl, b k.hennek@po.opole.pl, c j.mamala@po.opole.pl Streszczenie Podstawowe parametry silnika pracującego w fazach przyspieszania i zwalniania różnią się od tych wyznaczanych podczas jazdy ze stałą prędkością. Nieregularna wartość podciśnienia generowanego przez wolnossący silnik o zapłonie iskrowym wymaga stałego korygowania kąta uchylenia przepustnicy w celu zapewnienia żądanej masy powietrza dostarczanego do silnika. Zbyt gwałtowne zmiany podczas regulacji wskutek zmiennych stanów pracy niekorzystnie wpływają na emisje szkodliwych substancji. Nieodpowiednia reakcja układu elektronicznie sterowanej przepustnicy może znacząco pogorszyć parametry emisji spalin silnika. Realizując badania, przeprowadzono symulację numeryczną realizacji różnych profili prędkości różnymi sposobami sterowania przepustnicą. Podczas badań skupiono się na analizie emisji substancji szkodliwych. Słowa kluczowe: elektronicznie sterowana przepustnica, emisja szkodliwych substancji, prędkość uchylenia przepustnicy, stany nieustalone THE EFFECT OF THROTTLE POSITION CONTROL ON SI ENGINE EMISSION EXHAUST POLLUTION Summary Basic engine operating parameters are significantly different at steady and non-steady states. Irregular value of vacuum generated by the engine necessitates constant corrections of throttle position to ensure delivery of correct mass of air delivered to the engine. Overtly rapid changes during regulation in non-steady states negatively affect harmful substance emissions. Incorrect response of electronic throttle control system can significantly degrade engine emission parameters. Research regarding realization of different velocity profiles and drivetrain types was conducted in this work by means of numerical simulations. Research was conducted for different throttle control strategies. During the research, the authors have focused on harmful substance emissions. Keywords: electronic throttle control, harmful substance emission, throttle velocity, non-steady states. WSTĘP Popularnym wśród producentów sposobem określania parametrów silnika spalinowego jest osiągana przez niego moc maksymalna. Chwilowa moc silnika zależna jest od masy powietrza dostarczanego do cylindrów tak zwanego stopnia napełnienia. Budowa układu dolotowego ogranicza jednak swobodę przepływu, a elementy takie jak filtr powietrza, kanały o określonym przekroju i kierunku, a także kształt zaworów dolotowych w znacznym stopniu zmniejszają maksymalny możliwy przepływ. Czynniki te bezpośrednio wpływają na osiągnięty współczynnik napełnienia cylindrów, który możemy wyrazić stosunkiem masy ładunku dostarczonego do cylindra silnika do masy teoretycznej, która mogłaby przy zachowaniu takiego samego ciśnienia wypełnić całą objętość komory spalania. Przedział maksymalnej wartości mocy nie jest jednak obszarem często wykorzystywanym podczas realizacji złożonych profili prędkości, a używa się go jedynie podczas intensywnego przyspieszania lub jazdy z dużą prędkością. W czasie normalnej eksploatacji lub podczas badań 54

2 Szymon Kołodziej, Krystian Hennek, Jarosław Mamala stanowiskowych w tzw. syntetycznych cyklach jezdnych, wykorzystywana jest jedynie część mocy silnika. Dlatego w obszarach charakterystyki pracy silnika, gdzie nie zachodzi potrzeba wykorzystania mocy w pełnym zakresie, ogranicza się jej wartość za pomocą zmniejszenia stopnia napełnienia cylindrów. Elementem klasycznego układu dolotowego powodującym największe dławienie przepływu jest przepustnica w kolektorze dolotowym, która poprzez kątowe ustawianie przegrody względem kierunku ruchu powietrza zwiększa opór jego przepływu, co widać na rys.. Na rys. 2 przedstawiono zakresy procentowych zmian uchylenia przepustnicy w kolektorze dolotowym podczas realizacji dwóch odmiennych stylów jazdy samochodem. W stylu jazdy ekonomicznej wyraźnie zaobserwować można, że przebiegają one w zakresie małych wartości uchylenia przepustnicy. Jednocześnie przepustnica jest najmniej używana w zakresie uchylenia od 5% %. W przypadku realizacji stylu jazdy dynamicznej pełne uchylenie przepustnicy (%) jest zrealizowane w ponad 5% czasu jazdy samochodem analizowanego odcinka drogi. Pozostałe zakresy uchylenia przepustnicy w analizowanych stylach jazdy są zmienne, a ich wartości prezentowane na wykresach są uwarunkowane zmiennymi sytuacjami w ruchu drogowym, takimi jak infrastruktura drogowa czy inni użytkownicy ruchu, do których należy dostosować prędkość poruszającego się samochodu. Najstarszymi konstrukcjami sterującymi ilością powietrza są gaźniki, posiadające suwakową przepustnicę. Rys.. Współczynnik napełnienia cylindra w zależności od kąta uchylenia przepustnicy i prędkości obrotowej [] Na rys. przedstawiono zależność współczynnika napełnienia w zależności od kąta uchylenia przepustnicy i prędkości obrotowej. Zauważa się wyraźną zależność współczynnika napełnienia od prędkości obrotowej przy stałym uchyleniu przepustnicy. Szczególnie dla wyższego zakresu prędkości obrotowej wału korbowego zaobserwować można znaczne zmniejszenie współczynnika napełnienia cylindra, a także dla uchyleń przepustnicy w zakresie od % 5% różnice współczynnika napełnienia zmieniają się bardzo znacząco. Duże rozbieżności współczynnika napełnienia cylindra w dolnym zakresie uchylenia przepustnicy mają szczególne znaczenie w sterowaniu mocą silnika z uwagi na fakt, że ten zakres jest najczęściej wykorzystywany podczas realizacji jazdy swobodnej samochodem. Rys. 3. Gaźnik z suwakową przepustnicą Gaźniki obok regulacji ilości zasysanego powietrza dawkują także paliwo potrzebne do stworzenia mieszanki palnej. Zwężka w części przelotowej gaźnika powoduje zmniejszenie ciśnienia zasysanego powietrza, co skutkuje zassaniem paliwa przez dyszę o średnicy dopasowanej do ilości paliwa potrzebnego do zasilenia silnika. W konstrukcjach układów zasilania, w których paliwo jest dozowane przez układ wtryskowy (jednopunktowy lub wielopunktowy), urządzeniem dozującym powietrze jest przepustnica z tzw. klapą motylkową. Duża wrażliwość zmian współczynnika napełnienia dla małej wartości uchylenia przepustnicy skłoniła konstruktorów do zastosowania rozwiązania dwuprzepustnicowego, w którym początkowo uchyla się jedna przepustnica (często o mniejszej średnicy), a druga dopiero przy częściowym odsłonięciu kanału dolotowego pierwszej przepustnicy. Rys. 2. Czasowy przebieg uchylenia przepustnicy podczas jazdy: a) ekonomicznej, b) dynamicznej 55

3 WPŁYW STEROWANIA POŁOŻENIEM PRZEPUSTNICY NA EMISJĘ SUBSTANCJI (...) system doprowadzenia par paliwa do filtra z węglem aktywnym, system odprowadzenia gazów i par z układu odpowietrzenia skrzyni korbowej. Rys. 4. Dwukanałowa przepustnica sterowana mechanicznie Rozwiązanie przedstawione na rys. 4. ułatwiało sterowanie mocą silnika w układach mających mechaniczne połączenie przepustnicy z pedałem przyspieszenia. Stosowanie dwóch różnych przepustnic przestało być konieczne, gdy zastosowano elektryczny napęd przepustnicy, początkowo w zakresie niewielkich uchyleń, regulując jedynie bieg jałowy, a następnie w całym zakresie uchylenia przepustnicy w kolektorze dolotowym silnika. Zastosowanie napędu elektrycznego umożliwiło powtarzalne i prezyzyjne sterowanie uchyleniem nawet w małym zakresie pracy przepustnicy. W budowie starszych układów zasilania silników przepustnica w kolektorze dolotowym jest mechanicznie połączona z pedałem przyspieszenia, dzięki czemu to kierowca pojazdu w pełni decyduje o stopniu jej uchylenia. Podczas jazdy ze stałą prędkością, gdy warunki pracy zbliżone są do stanu ustalonego, nie wpływa to w znaczącym stopniu na parametry pracy silnika. Praca w stanach nieustalonych (np. rozpędzanie pojazdu) w znaczący sposób zależy od sposobu sterowania pedałem przyspieszenia przez kierowcę, szczególnie w zakresie częściowych obciążeń. W nowoczesnych układach zasilania, w których zastosowano elektryczny napęd przepustnicy, sygnał z pedału przyspieszenia przekazywany jest przez ECU silnika na układ wykonawczy elektronicznej przepustnicy. Jednak ECU silnika, po uwzględnieniu informacji z innych czujników, może wysterować inne wychylenie przepustnicy niż wynika ono z położenia pedału przyspieszenia. 2. ELEKTRONICZNIE STEROWANA PRZEPUSTNICA Rys. 5. Elektronicznie sterowana przepustnica Obecne możliwości technologiczne pozwalają na całkowite wyeliminowanie przepustnicy nawet w silnikach o zapłonie iskrowym. Silniki wyposażone w układ rozrządu, mający niezależne sterowanie zaworów np. EMV [2,7], mają możliwość sterowania masą powietrza bez tworzenia niekorzystnych oporów przepływu w układzie dolotowym. Jednakże pomimo takich rozwiązań przepustnica jest nadal dominującym rozwiązaniem i ciągle jest wykorzystywana do regulacji mocy silnika [4]. Na stopień napełnienia świeżym ładunkiem powietrza do cylindra silnika, obok wspomnianych powyżej czynników takich jak np. prędkość obrotowa i otwarcie przepustnicy, mają wpływ jeszcze inne czynniki, a mianowicie: systemy doładowania, dopływ dodatkowego powietrza doprowadzonego poprzez systemy stabilizacji biegu jałowego, faza otwarcia zaworów, długość rezonansowa kolektora dolotowego, stopień recyrkulacji spalin, Praca silnika w stanach nieustalonych sprawia znacznie większe problemy w sterowaniu ilością doprowadzonego powietrza niż podczas pracy przy ustalonych parametrach. Powszechny jest fakt, że kierowca pojazdu w celu uzyskania możliwie największego przyspieszenia ustawia pedał przyspieszenia w maksymalnym położeniu, jednak rozwiązanie takie nie wpływa korzystnie na ilość ładunku doprowadzonego do cylindrów [6]. Korzystniejszym rozwiązaniem, szczególnie dla mniejszych wartości prędkości obrotowej, jest ograniczenie w pewnym stopniu uchylenia przepustnicy, powodując tym samym polepszenie osiągów silnika. O ile większość kierowców nie przykłada do tego większej uwagi, o tyle układy sterowane elektronicznie dobierają precyzyjnie stopień napełnienia cylindrów w zależności od zapotrzebowania dla danego stanu pracy silnika. Ruch elektronicznie sterowanej przepustnicy realizowany jest za pomocą elektrycznego silnika krokowego bądź silnika prądu stałego wraz z przekładnią mechaniczną. Do prawidłowego działania przepustnicy niezbędny jest nadmiar siły napędowej, który obok pokonania oporów sprężyny zwrotnej, czy też oporów aerodynamicznych związanych z przepływem powietrza przez częściowo uchyloną przepustnicę, musi zapewnić wystarczające przyspieszenie i opóźnienie ruchu przepustnicy. Zastosowanie takiego układu pozwala na kształtowanie dowolnej zależności pomiędzy kątem uchylenia przepustnicy a położeniem pedału przyspieszenia. Aby możliwe było dobranie 56

4 Szymon Kołodziej, Krystian Hennek, Jarosław Mamala poprawnych parametrów pracy przepustnicy przez sterownik, obok informacji o położeniu pedału przyspieszenia, który stanowi informację o tym, z jaką intensywnością chce przyspieszać kierowca, niezbędne są informacje o pracy wszystkich podzespołów silnika. Wartości takie jak temperatura, ciśnienie lub strumień powietrza w układzie dolotowym, wartość współczynnika lambda w spalinach czy prędkość obrotowa silnika determinują dobierany przez sterownik kąt uchylenia przepustnicy [5]. Podczas eksploatacji samochodu w cyklach miejskich silnik bardzo często pracuje z częściowym obciążeniem lub na biegu jałowym przy przymkniętej przepustnicy [8]. Zastosowanie elektronicznego sterowania pozwala na wyeliminowanie dodatkowego układu utrzymywania biegu jałowego silnika. Elektroniczne sterowanie pozwala bowiem regulować prędkość obrotową biegu jałowego za pomocą zmian uchylenia przepustnicy bez potrzeby uciekania się do zaworu obejściowego. Zbyt mała prędkość obrotowa biegu jałowego obok nierównomierności pracy silnika powoduje także trudne warunki spalania, co negatywnie wpływa na emisję szkodliwych substancji w spalinach do środowiska. Ilość mieszanki paliwowo-powietrznej potrzebna do zasilenia silnika podczas pracy na biegu jałowym uzależniona jest od wielu czynników. Temperatura silnika i doprowadzonego powietrza, stan silnika oraz jego obciążenie generowane przez urządzenia pomocnicze (alternator, wspomaganie kierownicy, klimatyzacja itp.) mogą mieć wyraźny wpływ na pracę na biegu jałowym. Sterujący przepustnicą ECU silnika uwzględnia wszystkie wyżej wymienione parametry i wprowadza odpowiednie korekty, będące kompromisem pomiędzy małą wartością zużycia paliwa a poprawną pracą silnika. Elektronicznie sterowana przepustnica realizuje polecenia z układu ECU silnika, wykonując ruch roboczy przepustnicy, zwiększając jej uchylenie. Jednocześnie dzięki ścieżkom rezystancyjnym, w które jest ona wyposażona, wysyła sygnał zwrotny z informacją o swoim aktualnym położeniu. W celu zapewnienia większej dokładności pomiaru oraz zapobiegania negatywnym skutkom awarii stosuje się dwie ścieżki rezystancyjne, a przez sterownik analizowany jest sygnał różnicowy []. Długotrwała praca czujnika położenia przepustnicy powoduje zużywanie się jego ścieżek, z czego wynika zmiana ich rezystancji. Aby zapobiec związanymi z tym faktem niedokładnościami w działaniu układu, stosowane są tzw. zderzaki, o które opiera się mechanizm przepustnicy przy każdym unieruchomieniu silnika, ustalając tym skrajne położenia. 3. WYNIKI BADAŃ Badania opisane w niniejszej publikacji zostały wykonane metodą symulacji stanowiskowej z zastosowaniem metod numerycznych. Jednak dane opisujące silnik spalinowy o zapłonie iskrowym, w postaci jego charakterystyk prędkościowych, pochodzą z pomiarów stanowiskowych silnika o objętości skokowej 6cm3 z pośrednim wtryskiem paliwa, wyznaczonych za pomocą hamowni silnikowej w ustalonych warunkach pracy. Zebrane wyniki pomiarów na hamowni silnikowej umożliwiły stworzenie pełnej i częściowej charakterystyki mocy silnika, która po przekształceniu i zapisaniu jej w formie macierzy posłużyła do stworzenia wirtualnego silnika w pamięci symulatora [5]. Pomimo, że jest to charakterystyka statyczna mocy, składająca się z 2 punktów węzłowych w zakresie prędkości obrotowej od 8 do 6 obr/min z mechanizmem zagęszczenia pomiędzy punktami węzłowymi, to nie odzwierciedla ona warunków zmiennego obciążenia silnika i chwilowych zmian jego stanu. W ten sposób wygenerowano charakterystyki ogólne oraz emisyjne silnika obejmujące emisję substancji szkodliwych badanego silnika. Zaletą tak określonego zestawu charakterystyk silnika jest posiadanie jego wzorca, który umożliwia jego wielokrotne i powtarzalne wykorzystanie do badań symulacyjnych przy użyciu technik numerycznych. W ten sposób możliwe jest badanie wirtualnego pojazdu w określonych profilach prędkości liniowej pojazdu. Takiej możliwości nie ma w badaniach eksperymentalnych, ponieważ dużą trudność sprawia utrzymanie przez badacza identycznego sposobu sterowania pedałem przyspieszenia oraz przełożeniami układu napędowego w każdej próbie drogowej. Błąd ten eliminuje się częściowo przez zastosowanie badań stanowiskowych na hamowni podwoziowej. Wówczas badacz ma możliwość skupienia się na śledzeniu powtarzalnego profilu prędkości linowej pojazdu i stosowania powtarzalnych manewrów sterujących układem napędowym pojazdu. Jednak podczas wcześniejszego etapu prób badawczych jest możliwość wykorzystania metody symulacji stanowiskowej, w której zarówno wirtualny kierowca, wirtualny silnik, jak i układ przeniesienia napędu umożliwiają za każdym razem śledzenie założonego profilu prędkości i uzyskanie zwiększonej powtarzalności prób. Zastosowanie takiej metody badawczej pozwala na wprowadzanie modyfikacji w układzie sterowania silnikiem jeszcze w fazie koncepcji bez potrzeby budowania kosztownych prototypów. W przedstawionych badaniach symulacyjnych skupiono się na programowaniu prędkości uchylenia przepustnicy w kolektorze dolotowym niezależnie od wciśniętego pedału przyspieszenia. W celu utrzymania zadanego profilu prędkości liniowej samochodu dla różnych wariantów sterowania przepustnicą, wirtualny kierowca wymusza wychylenie pedału przyspieszenia, które po przeliczeniu w układzie sterowania układu napędowego przekłada się na różne wartości uchylenia przepustnicy w kolektorze dolotowym. Skutkuje to między innymi zmianą wartości zużytego paliwa, a także emisji szkodliwych substancji. Aby lepiej zaobserwować przyczynę różnic w wartości emisji szkodliwych substancji, należy szczególną uwagę zwrócić na to, jak kształtuje się ona w procesie przyspieszania wymuszonego przez gwałtowne wychylenie pedału 57

5 WPŁYW STEROWANIA POŁOŻENIEM PRZEPUSTNICY NA EMISJĘ SUBSTANCJI (...) przyspieszenia, kiedy to obserwuje się największą emisję substancji szkodliwych. Na poniższych rysunkach zaprezentowano profil przedstawiający kąt uchylenia przepustnicy podczas początkowego ruszania pojazdu z miejsca. Wariant pierwszy (W) obrazuje najwolniejszy sposób sterowania, natomiast wariant czwarty (W4) jest sposobem najszybszym. Kąt Kąt uchylenia otwarcia przepustnicy, o W Czas, czas, s Rys. 6. Kąt uchylenia przepustnicy w zależności od sposobu sterowania jej prędkością Wykresy przedstawione na rys. 6 obrazują różnice w prędkości uchylania przepustnicy w zależności od badanego wariantu. Zauważono, że przy większej prędkości pracy przepustnicy następuje szybszy wzrost kąta uchylenia i nie występuje tak duże przesterowanie sygnału, jakie obserwuje się przy mniejszych wartościach prędkości. Wtedy algorytm sterujący, aby nadążyć za zadanym profilem, nie mając możliwości przyspieszenia przepustnicy, kontynuuje sygnał najdłużej po przekroczeniu zadanej wartości. Na kolejnych wykresach przedstawiono wartości emisji toksycznych składników spalin określonych na podstawie zapisanej w pamięci komputera charakterystyki silnika. Analizowano stężenie tlenku węgla, węglowodorów oraz tlenków azotu, dotyczących pracy silnika przy różnych wartościach prędkości uchylenia przepustnicy, opisanych na rys. 6, podczas realizacji takiego samego wymuszenia. Emisja CO, g/h Rys. 7. Emisja tlenku węgla w czasie w zależności od prędkości uchylenia przepustnicy W W kolejnej fazie natomiast większa prędkość uchylania przepustnicy powoduje szybsze zmniejszenie emisji tlenku węgla. W ostatniej części analizowanego fragmentu przyspieszania pojazdu następuje ustabilizowanie się wszystkich krzywych na zbliżonym poziomie. Emisja HC, g/h Rys. 8. Emisja węglowodorów w zależności od prędkości uchylenia przepustnicy Węglowodory zawarte w spalinach silnikowych to niespalone lub częściowo spalone cząsteczki paliwa oraz cząstki oleju smarującego. Wartość emisji węglowodorów, (rys. 8) pokazuje, że większa prędkość uchylania przepustnicy w pierwszej fazie przyspieszania powoduje szybkie zmniejszenie emisji węglowodorów w spalinach oraz szybsze ustabilizowanie wartości w kolejnym etapie. Emisja NOx, g/h Rys. 9. Emisja tlenków azotu w zależności od prędkości uchylenia przepustnicy Tlenki azotu są szczególnie toksyczną substancją, która powstaje w reakcji azotu z tlenem zależnie od ciśnienia i temperatury procesu spalania [9]. Najmniejsza wartość prędkości uchylania powoduje największe chwilowe zwiększenie emisji tlenków azotu oraz najdłuższe utrzymywanie się emisji o wartości większej niż przy pozostałych badanych wariantach. W celu numerycznego porównania badanych modyfikacji obliczono całkę z wyżej przedstawionych krzywych. Wyniki obliczeń przedstawiono graficznie na rys.. W W Zauważono, że na rys. 7, na którym przedstawiono przebieg wartości emisji tlenku węgla, początkowo jej wartość zmienia się w sposób porównywalny z przebiegiem kąta uchylenia przepustnicy dla każdego wariantu modyfikacji. Tlenek węgla jest produktem niezupełnego procesu spalania węgla w cylindrze silnika przy ograniczonej ilości powietrza. 58

6 Szymon Kołodziej, Krystian Hennek, Jarosław Mamala Emisja CO, g x Emisja HC, g W W2 W3 W4 W W2 W3 W4 6 Emisja NOx, g 4 2 W W2 W3 W4 Rys.. Emisja szkodliwych substancji w zależności od prędkości uchylenia przepustnicy Analizując wartości przedstawione na rys., zauważono, że zarówno emisja tlenku węgla jak i węglowodorów podczas realizacji tego samego profilu prędkości charakteryzuje się większą emisją w razie najkrótszego czasu uchylania przepustnicy. Wykresy emisji tlenku węgla i węglowodorów, z pominięciem wariantu 3. wykazują tendencję zwiększenia wartości emisji wraz ze zwiększeniem prędkości ruchu przepustnicy. Zauważyć należy, iż badany fragment profilu prędkości związany był z wymuszeniem dotyczącym ruszania pojazdu z miejsca. W celu określenia wpływu prędkości uchylenia przepustnicy na analizowane wskaźniki pracy silnika przeprowadzono symulacje przejazdu pełnego cyklu miejskiego realizowanego w stylu jazdy dynamicznej. Na poniższych wykresach (rys., 3, 5) przedstawiono wzrost ilości produkowanych substancji szkodliwych podczas realizacji pełnego cyklu. Końcowe wartości każdego z badanych wariantów świadczą o sumarycznej emisji, a ich dokładne wartości zestawiono na wykresach 2,4 i 6. Rys. 2. Sumaryczna emisja tlenków węgla w zależności od prędkości uchylenia przepustnicy, podczas realizacji cyklu jezdnego Wyniki zaprezentowane na rys. przedstawiają przebieg przyrostu masy emitowanego tlenku węgla. Zauważa się wyraźnie, że najmniejsza emisja powstaje przy sterowaniu zrealizowanym według trzeciego wariantu. W pozostałych wariantach uzyskano wartości zbliżone do siebie. Podobne porównanie przeprowadzono dla emisji węglowodorów, a jego wyniki przedstawiono na wykresach 3 i 4. Emisja HC, g W Rys. 3. Przebieg emisji węglowodorów w zależności od prędkości uchylenia przepustnicy podczas realizacji pełnego cyklu jezdnego 2 W 8 Emisja CO, g Rys. 4. Sumaryczna emisja węglowodorów w zależności od prędkości uchylenia przepustnicy, podczas realizacji cyklu jezdnego Rys.. Przebieg emisji tlenku węgla w zależności od prędkości uchylenia przepustnicy podczas realizacji pełnego cyklu jezdnego Dokonując analizy wyników pomiaru węglowodorów, zauważono wzrost emisji wraz ze wzrostem prędkości pracy przepustnicy. Wyjątkiem jest wariant trzeci, który na tle domniemanej wartości wynikającej z rosnącej tendencji uzyskuje wartość znacząco niższą. Sumaryczna wartość emisji węglowodorów wydalanych do środowiska podczas całego cyklu jezdnego (podobnie jak podczas emisji tlenku węgla) przedstawia się w podobny sposób, jak to miało miejsce w analizowanym fragmencie rozpędzania pojazdu (rys. 7 i 8). 59

7 WPŁYW STEROWANIA POŁOŻENIEM PRZEPUSTNICY NA EMISJĘ SUBSTANCJI (...) Sumaryczną emisję rejestrowano także dla tlenków azotu, a wyniki przedstawiono na rysunkach 5 i 6. Emisja NOx, g W Rys. 5. Przebieg emisji tlenków azotu w zależności od prędkości uchylenia przepustnicy podczas realizacji pełnego cyklu jezdnego Emisja tlenków azotu, jak wynika z rys. 6, jest wyraźnie największa przy najmniejszej prędkości uchylenia przepustnicy. Pozostałe warianty zachowują tendencję do zmniejszania emisji wraz ze wzrostem prędkości uchylenia przepustnicy. Rys. 6. Sumaryczna emisja tlenków azotu w zależności od prędkości uchylenia przepustnicy, podczas realizacji cyklu jezdnego 4. PODSUMOWANIE Przepływ mieszanki paliwowo-powietrznej jest głównym czynnikiem determinującym moc silnika spalinowego. Precyzyjne sterowanie strumieniem mieszanki nie tylko pozytywnie wpływa na sposób sterowania prędkością pojazdu, ale także może zmniejszyć ilość szkodliwych substancji emitowanych do środowiska. Jak wykazano w pracy, istotny, a zarazem wymagający największej dokładności sterowania, jest zakres niewielkich kątów uchylenia przepustnicy. Na przestrzeni lat zmieniały się sposoby sterowania ilością powietrza, jednak najdokładniejszym z nich i obecnie powszechnie stosowanym sposobem jest przepustnica sterowana elektronicznie. Praca przepustnicy może się odbywać na wiele sposobów, nawet przy zachowaniu niezmiennego profilu prędkości. Różnice w sterowaniu mogą się jednak odbijać na poprawności procesu spalania. Badania przedstawione w pracy pozwoliły zauważyć, że ilość wytwarzanych przez silnik substancji szkodliwych uzależniona jest od prędkości pracy przepustnicy, ta zaś uwarunkowana jest współczynnikiem wpisanym w sterownik wirtualnego bądź rzeczywistego silnika. W badaniach symulacyjnych wykazano, że wraz ze zmianą tego współczynnika znacząco zmienia się sposób pracy przepustnicy, a zarazem ilość emitowanych substancji toksycznych. Analizując wszystkie badane modyfikacje, można stwierdzić, że najkorzystniejszym z nich jest trzeci wariant współczynnika sterującego prędkością uchylania przepustnicy. Cechuje się on najniższą względem pozostałych wariantów emisją tlenku węgla oraz ograniczoną, lecz nie najniższą, emisją węglowodorów oraz tlenków azotu. Największą ilością wytwarzanych węglowodorów charakteryzował się najszybszy wariant sterowania, natomiast wykazywał on najniższą emisję tlenków azotu. Odwrotna sytuacja ma miejsce dla najwolniejszego wariantu, który największą wartość osiągnął w przypadku tlenków azotu, a najmniejszą dla węglowodorów. Najmniejsze różnice pomiędzy wariantami obserwowano dla emisji tlenku węgla. Zauważono także dużą zbieżność wyników rejestrowanych podczas krótkiego przyspieszania pojazdu z tymi uzyskanymi dla pełnego cyklu jezdnego. Literatura. Dziubiński M.: Elektroniczne układy pojazdów samochodowych. Lublin: Wyd. Nauk. Gabriel Borowski, 23. ISBN X 2. Hoyer U., Rahnavardi P.: Untersuchung mit Ventilen aus Leichtbau-Werkstoffen. Motortechnische Zeitschrift 999, Nr 9, 3. Jantos J., Mamala J.: Stanowisko dynamiczne do badań układu pojazd silnik techniką symulacji stanowiskowej. W: Konf. nauk. 6 Międzynarodowa Konferencja Naukowo Techniczna Autoprogres: Pojazdy samochodowe. Jachranka 5, 998, s Kneba Z., Makowski S.: Zasilanie i sterowanie silników. Warszawa: WKŁ, 24. ISBN: Mamala J., Siłka W.: Programowanie zakresu i prędkości ruchu przepustnicy w silniku ZI. Journal of KONES Internal Combustion Engines 22 No. -2, s Mamala J.: Sztuczna inteligencja w technice samochodowej. Zeszyty Naukowe Politechniki Opolskiej, Mechanika, 25, 87, 39, s

8 Szymon Kołodziej, Krystian Hennek, Jarosław Mamala 7. Mitianiec W. Bac G.: Bezkrzywkowy hydrauliczny system sterowania zaworów w silnikach spalinowych. Combustion Engines 2, No. 3 (46), s Paszkowski J.: Diagnostyka silnika spalinowego gaźnikowego. Warszawa: Pol. Warsz., Instytut Maszyn Elektrycznych, Rymaszewski E.: Analiza spalin w silniku z zapłonem iskrowym. Auto Moto Serwis 28, nr 2.. Zając P.: Silniki pojazdów samochodowych: podstawy budowy, diagnozowania i naprawy. Warszawa: WKŁ, 25. ISBN: Artykuł dostępny na podstawie licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3. Polska. 6