ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(97)/2014

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(97)/2014 Jerzy Cisek 1 WPŁYW OBCIĄŻENIA SILNIKA 1.9 TDI VW NA STĘŻENIE ILOŚCIOWE I MASOWE NANOCZĄSTEK W SPALINACH 1. Wstęp Ostatnich kilkanaście lat przyniosło w świecie gwałtowne zainteresowanie problemem emisji tzw. nanocząstek i ultraczastek. Doprowadziło to m.in. do wprowadzenia przez United States Enviromental Protection Agency nowych norm dla drobnych cząstek w atmosferze oraz określenia przez USEPA dopuszczalnych rocznych średnich poziomów koncentracji wynoszących 50 mg/m 3 dla PM10 (cząstki o średnicy aerodynamicznej do 10 mm). Nowelizacja tych norm obejmuje dodatkowo rozszerzenie limitowania o poziom stężenia 15 mg/m 3 dla PM2,5 (cząstki o średnicy aerodynamicznej do 2,5 mm). Nowe normy USEPA są oparte w znacznej mierze na badaniach naukowych, które wskazują na silną korelację między śmiertelnością ludzi i zwierząt a masą drobnych cząstek o wielkości poniżej 2,5 mm. Szereg badań wzbudziło zaniepokojenie jeszcze mniejszymi cząstkami, cząstkami ultradrobnymi i nanocząstkami, które określa się jako cząstki o średnicach odpowiednio poniżej 100 nm i 50 nm. Wykryto m.in. silne reakcje układów oddechowych oraz uszkodzenia łańcuchów DNA spowodowane nanocząstkami. Obawy te wzrosły wskutek obserwacji, że nowoczesne silniki spalinowe emitujące niskomasowe stężenia cząstek (określane zgodnie z obowiązującymi metodami grawimetrycznymi) mogą w rzeczywistości emitować większe stężenia ilościowe cząstek niż silniki starszego typu. Wykazano również, że znaczna część produkowanych seryjnie filtrów cząstek stałych, (których stosowanie jest wymuszone obniżeniem masowej emisji cząstek) powoduje powstanie bardzo wysokich stężeń liczbowych nanocząstek. 2. Cząstki stałe PM Zgodnie z definicją podawaną przez normy ISO i ECE [1,2] przez cząstki stałe, emitowane przez silnik spalinowy, rozumie się całą materię stałą, półpłynną i ciekłą, zarówno organiczną jak i nieorganiczną, która gromadzi się na filtrze absolutnym po przejściu przez niego strumienia spalin rozcieńczonych powietrzem, w temperaturze równej bądź niższej niż 52 o C, w warunkach określonych tymi normami. Cząstki stałe, stanowiące system polidyspersyjny, powstają na skutek skomplikowanych reakcji chemicznych i fizycznych, zachodzących często równocześnie w różnych miejscach i czasie. I tak, część frakcji gazowej węglowodorów może po wykropleniu zwiększyć emisję PM (kosztem stadku emisji HC). Za cząstki stałe PM (Particulate Matter), emitowane przez silnik spalinowy powszechnie uważa się produkty wydostające się z układu wylotowego silnika (o konsystencji stałej lub ciekłej) zawierające między innymi pewną ilość cząsteczek węgla (sadzy), związków siarki i azotu, metali oraz 1 dr inż. Jerzy Cisek, Instytut Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych Politechniki Krakowskiej 81

2 ciężkich węglowodorów. Przykładowy schemat cząstki stałej przedstawia rys.1 [3], natomiast na rys.2. zamieszczono zdjęcie cząstki stałej na filtrze pomiarowym. Rys.1. Schemat budowy cząstki stałej PM emitowanej przez silnik spalinowy [3] Rys.2. Zdjęcie cząstki PM na materiale filtra pomiarowego [5] Dla zobrazowania rozmiarów cząstek stałych, powstających w gazach spalinowych silników tłokowych przedstawiono cząstki stałe PM na tle włosa ludzkiego (rys.3). Rys.3. Rozmiar PM pochodzących ze spalania w silniku tłokowym [3] Jak wspomniano we wstępie, koncentracja masowa cząstek stałych PM nie jest tożsama z koncentracja liczbową cząstek. Przykładowe stężenia masowe i liczbowe cząstek PM w spalinach silnika, w funkcji ich średnicy przedstawia rys.3. Może zdarzyć się, że 82

3 niektóre zmiany konstrukcyjne i/lub regulacyjne i/lub paliwowe i/lub post-procesowe silnika spalinowego spowodują zmniejszenie emisji masowej PM przy jednoczesnym wzroście stężenia liczbowego (ilości) cząstek stałych. Z tego powodu w przedstawionych badaniach określano zarówno stężenie masowe jak i liczbowe nanocząstek w spalinach stosowanego w pomiarach silnika. Rys.4. Koncentracja liczbowa i masowa PM w funkcji ich średnicy zastępczej [3] 3. Zakres badań i stanowisko pomiarowe W artykule zamieszczono pomiary i analizę rozkładu stężenia ilościowego i masowego cząstek stałych w spalinach, w funkcji ich rozmiaru (średnicy zastępczej), dla różnych obciążeń silnika VW 1.9 TDI. Do pomiarów użyto Electrical Low Pressure Impactor ELPI firmy Dekati. ELPI pozwala na pomiar koncentracji cząstek stałych w zakresie 6 nm do 10 mm, z rozdziałem masy i ilości cząstek na 14 frakcji, w zależności od ich średnicy. ELPI może służyć również do kolekcjonowania materii cząstek na poszczególnych dekadach, w celu ich dalszej analizy (np. chemicznej). Schemat pomiaru z zastosowaniem ELPI przedstawia rys.5[2]. Rys.5. Schemat funkcjonalny ELPI [4] 83

4 Ze względu na różne metodyki pomiaru stężenia, związane ze stosowaniem różnych przyrządów pomiarowych (np. Electrical Low Pressure Impactor ELPI lub Scanning Mobility Particle Sizer SMPS) należy pamiętać, że uzyskiwana średnica zastępcza cząstek stałych jest różnie definiowana, co przedstawia rys.6 [4]. Rys.6. Różne średnice zastępcze cząstek stałych (optical, mobility, stokes, aerodynamic diameter) [4] Do pomiarów stężeń PM (masowych i liczbowych) wykorzystano turbodoładowany silnik 1,9 TDI VW wyposażony w pompowtryskiwacze (285 Nm, 85 kw, typ AJM). Silnik ten połączono z elektrowirowym hamulcem silnikowym Schenck W150 oraz podłączono do niezbędnej aparatury pomiarowej, m.in.: masowa, dynamiczną miernicą zużycia paliwa AVL, AVL Indimeter 617D, AVL VideoScope 513D, system pomiarowy do stężenia gazowych składników spalin AVL CEB II, dymomierz AVL Smoke Meter 401, stanowisko pomiarowe z tunelem rozcieńczającym do grawimetrycznego pomiaru emisji PM oraz Electrical Low Pressure Impactor ELPI firmy DECATI, do pomiaru stężenia masowego i liczbowego cząstek stałych w spalinach silnika. Pomiary przeprowadzono z zastosowaniem silnika w fabrycznej kompletacji, zasilanego konwencjonalnym, handlowym olejem napędowym. Schemat stanowiska pomiarowego przedstawiono na rys Wyniki i analiza badań Wszystkie pomiary wykonano dla powietrza otoczenia oraz dla spalin silnika pracującego na biegu jałowym i przy prędkości obrotowej 2000 obr/min i obciążeniach 75 Nm i 200 Nm ( małe i duże obciążenie tego typu silnika). Wyniki badań (uwzględniające oczywiście stopień rozcieńczenia spalin) przedstawiono na rys.8. W prezentowanych badaniach stwierdzono, m.in., że obciążenia silnika ma oczywiście silny wpływ na stężenie ilościowe i masowe cząstek, jednak nie zmienia się znacząco rozkład tych stężeń w funkcji średnicy zastępczej cząstek. Największe stężenie masowe cząstek obserwowano dla cząstek z zakresu rozmiarów 0,1-10 mm, a więc dla cząstek stosunkowo dużych. Wraz ze wzrostem obciążenia silnika maksimum stężenia 84

5 masowego cząstek stałych występowało dla cząstek o coraz większych rozmiarach. Natomiast największa ilość (liczba) cząstek w spalinach silnika występowała dla cząstek o rozmiarach 0,01-0,1 mm. Rys.7. Schemat stanowiska pomiarowego Z danych przedstawionych graficznie na rys.8 wynikają następujące wnioski: 1. Obciążenie silnika ma oczywiście silny wpływ na stężenie ilościowe i masowe cząstek, jednak nie zmienia się znacząco rozkład (jakościowy) tych stężeń w funkcji średnicy zastępczej cząstek PM. 2. Dla powietrza otoczenia maksymalne stężenie masowe występowało dla cząstek o średnicy zastępczej ok. 0,3 mm i wynosiło 0,25 mg/m 3. Przy tym stężeniu masowym zmierzona ilość cząstek przekraczała sztuk /cm 3 (!). 3. Praca silnika na biegu jałowym zwiększyła liczbę cząstek w spalinach (w stosunku do powietrza) do ok #/cm 3. Wzrost obciążenia silnika powodował sukcesywnie wzrost liczby cząstek w spalinach. I tak dla Mo=75 Nm (25% pe max ) stężenie liczbowe wynosiło już #/cm 3, natomiast dla 85% obciążenia maksymalnego zmierzono przeszło cząstek w 1 cm Wzrost obciążenia silnika powoduje początkowo wzrost stężenia masowego cząstek w spalinach silnika (2.5 mg/cm 3 bieg jałowy, 320 mg/cm 3 częściowe obciążenie silnika) aby przy obciążeniach dużych zmniejszyć się (54 mg/cm 3 85% pe max ). Wynika to z faktu, iż przy dużych obciążeniach silnika rośnie temperatura spalania w fazie spalania dyfuzyjnego. Powoduje to spalenie części wytworzonych wcześniej cząstek stałych w cylindrze silnika. Poza tym, dla dużych obciążeń (250 Nm) sterownik silnika wyłącza 85

6 praktycznie całkowicie EGR, co zwiększa ilość tlenu w cylindrze silnika i sprzyja mniejszej emisji PM (do 150 Nm EGR=70%, pow. 175 Nm EGR=4,2 %) Rys.8. Wpływ obciążenia silnika 1.9 TDI VW na rozkład stężenia masowego i liczbowego cząstek stałych PM (w funkcji średnicy zastępczej cząstek) w spalinach silnika 86

7 5. Największe s t ę ż e n i e m a s o w e cząstek w spalinach silnika obserwowano dla cząstek z zakresu rozmiarów 0,1-10 m, a więc dla cząstek stosunkowo dużych. 6. Wraz ze wzrostem obciążenia silnika maksimum stężenia masowego cząstek stałych występowało dla cząstek o coraz większych rozmiarach. 7. Największe s t ę ż e n i e l i c z b o w e (ilość) cząstek w spalinach silnika występowało dla cząstek stałych PM o rozmiarach 0,01-0,1 m, a więc dla cząstek stałych o rozmiarach przynajmniej o rząd wielkości mniejszych niż dla stężenia masowego. Pomiary takie są istotne nie tylko w sensie utylitarnym (np. doboru odpowiedniego filtra cząstek stałych), ale również w sensie poznawczym, przy określania wpływu parametrów konstrukcyjnych i/lub regulacyjnych silnika (bądź składu paliwa) na liczbę i masę emitowanych cząstek stałych w spalinach silnika z zapłonem samoczynnym. W badaniach własnych (nie objętych niniejszą publikacją) stwierdzono znaczne różnice w rozkładzie masowym i ilościowym PM dla spalin silnika zasilanego konwencjonalnym olejem napędowym i estrami metylowymi oleju rzepakowego (RME, FAME). Literatura: [1] RIC Engines - Exhaust emission measurement, Part 1. Test bed measurement of gaseous and particulate exhaust emissions from RIC Engines. ISO, CD , [2] Emission of diesel engines, U.N. Economic Commission for Europe ECE), Regulation 49 [3] US Environmental Protection Agency: Mobile Source Air Toxic. Materiały [4] ELPI+. Materiały firmy Dekati [5] Andrews, G.E., Clarke, A.G., Rojas, N.Y., Sale, T. and Gregory, D.: The Conversion of Particle Number Size Distribution to Mass Distribution. SAE [6] Cisek J.: Metodyka pomiaru koncentracji ilościowej nanocząstek emitowanych przez silniki spalinowe. Kones Streszczenie Transport jest podstawowym źródłem emisji cząstek stałych PM. Emisja cząstek stałych silników spalinowych stanowi potencjalnie niekorzystne skutki dla zdrowia. Efekty te obejmują raka i inne choroby płuc oraz układu krążenia. Znaczna część cząstek jest bardzo drobna. Dla przykładu milion cząstek 100 nanometrowych (o gęstości 1 g/cm3) ma masę około 0,0005g. Zatem ważą tyle co jedna cząstka o rozmiarze 10 mikrometrów. Artykuł zawiera wyniki badań masowej i liczbowej koncentracji nanocząstek PM w spalinach silnika 1,9 TDI VW, zasilanego standardowym olejem napędowym. Pomiary przeprowadzono dla powietrza otoczenia i 3 różnych punktów pracy silnika (bieg jałowy oraz małe i duże obciążenie przy 2000 obr/min). Do pomiarów nanocząstek używano Electrical Low Pressure Impactor ELPI firmy DECATI. Stwierdzono m.in., że największe stężenie masowe PM było dla cząstek o rozmiarach 0,1-10 m natomiast największe stężenie liczbowe dla 0,01-0,1 m, a więc o rząd wielkości mniejszych niż dla stężenia masowego. Pomiary tego typu są istotne nie tylko w sensie utylitarnym, ale również poznawczym do określenia wpływu parametrów konstrukcyjnych i regulacji silnika (bądź składu paliwa) na masę i liczbę nanocząstek emitowanych w gazach spalinowych. 87

8 Słowa kluczowe: nanocząstki, spaliny THE INFLUENCE OF 1.9 TDI VW ENGINE LOAD ON MASS AND NUMBER CONCENTRATION IN EXHAUST GASES Abstract Transport is a major source of the particle pollution (PM). Combustion engine particulate emissions have the potential cause adverse health effects. These effects include cancer and other pulmonary and cardiovascular diseases. A substantial proportion of the number of particles, but not the mass, is ultrafine. For example one million particles of 100 nanometers size with a unit density of 1 g/cm3 have a mass of approximately g. The paper includes research results of mass and number concentration of nanopm for 1.9 TDI VW exhaust gases fuelled standard diesel fuel. The measurements were performed for ambient air and 3 different point of engine work (idle speed, low and high load at 2000 rpm). For nanopm measurements was used Electrical Low Pressure Impactor ELPI from DECATI. Was found, among other things, that the biggest mass concentration was at 0,1-10 m of PM diameter but the biggest number concentration was at 0,01-0,1 m and thus for the size of solid particles of at least an order of magnitude smaller than the mass concentration. Such measurements are important not only in terms of utilitarian but also in cognitive sense - for determining the effect of the engine construction parameters and/or regulating the engine (or the fuel composition) on the mass and the number of nanoparticles emitted in the exhaust gases Keywords: exhaust gases, PM 88