Zaleno stanu technicznego układu TPC okrelonego parametrami diagnostycznymi, a emisj spalin na przykładzie pojazdu Polonez

Transkrypt

1 Wiesław Piekarski, Mirosława Wesołowska Janczarek* Katedra Energetyki i Pojazdów *Katedra Zastosowa Matematyki Akademia Rolnicza w Lublinie Zaleno stanu technicznego układu TPC okrelonego parametrami diagnostycznymi, a emisj spalin na przykładzie pojazdu Polonez Streszczenie W systemie eksploatacji pojazdów bardzo istotnym celem diagnostyki technicznej jest wypracowanie metod, a take skutecznych i pewnych procedur badawczych okrelajcych stan techniczny silnika. Aktualnie silniki spalinowe s diagnozowane z wykorzystaniem czasochłonnych pomiarów diagnostycznych lub testów diagnostycznych. Zasadnicz wad stosowanych testerów w diagnostyce silnika jest stwierdzenie, czy pojazd jest sprawny lub niesprawny, a nie ocena stanu technicznego. Naley podkreli, e bardzo pojemny nonik informacji, jakim jest skład spalin i zadymienie, nie jest wykorzystywany do oceny zuycia silnika. Publikacje spotykane w literaturze, krajowej i zagranicznej nie ujmuj zagadnienia składu spalin w kontekcie oceny stanu technicznego, a skupiaj si głównie na ocenie poziomu emisji spalin jako czynnika skaenia rodowiska. Std celem prezentowanej pracy jest okrelenie wpływu stanu technicznego na emisj spalin. Słowa kluczowe: pojazd, TPC, parametry diagnostyczne, emisja spalin. 1. Wprowadzenie Tendencje rozwojowe tłokowych silników cieplnych, skupiły si obecnie wokół nieustannej poprawy parametrów proekologicznych oraz trwałoci i ekonomicznoci silników. Std istnieje potrzeba podyktowana zarówno wzgldami naukowymi jak i praktycznymi, poszukiwania nowych metod wykorzystania łatwo dostpnych procesów wyjciowych. Przyjto, e skład spalin silnika o zapłonie iskrowym, moe by dobrym nonikiem informacji diagnostycznych moliwych do wykorzystania w ocenie nie tylko przebiegu procesu spalania, ale przede wszystkim jego stanu technicznego. Wykorzystujc wieloletnie dowiadczenia z diagnostyki technicznej pojazdów i uwzgldniajc wspomniane wyej czynniki, uznano za celowe przeprowadzenie bada na wybranych pojazdach samochodowych, aby oceni moliwoci praktycznego wykorzystania korelacji składu spalin ze stanem technicznym silnika, szczególnie układu tłok piercienie cylinder (TPC). 3

2 Analizujc przyczyny powstawania składników toksycznych w cylindrze silnika spalinowego mona stwierdzi, e istnieje korelacja pomidzy wzrostem zuycia oleju, a poziomem emisji zwizków wglowodorowych i ich pochodnych. Znajduje to odzwierciedlenie we wzrocie emisji wglowodorów HC w miar zwikszania si zuycia oleju silnikowego. Natomiast tlenki azotu powstaj w strefie popłomiennej z azotu i tlenu zawartego w powietrzu. Czynnikami determinujcymi powstawanie NO s wysoka temperatura i cinienie oraz nadmiar powietrza. Za tlenek wgla powstaje w procesie spalania mieszanek bogatych oraz w wysokotemperaturowym płomieniu, bez wzgldu na nadmiar powietrza, w wyniku dysocjacji CO Cel i zakres bada Badaniami objto 30 egzemplarzy silników pojazdu samochodowego Polonez /. O takim wyborze zadecydowała dostpno egzemplarzy w rónym stanie technicznym i eksploatowanych w rónych warunkach. Badaniami objto silniki o rónym przypadkowo losowo dobranym okresie pracy. W trakcie bada przyjto załoenia minimalizujce zakłócenia analizy zwizku składu spalin ze zuyciem układu TPC. Przyjto nastpujce warunki dla wszystkich pomiarów: - silnik zasilany benzyn bezołowiow, - szczelny układ wydechowy, - silnik doprowadzony do stanu równowagi cieplnej, temperatura cieczy i oleju ok C, - układ zapłonowy i zasilania oraz luzy zaworowe wg zalece producenta, - sprawny akumulator lub zasilanie z prostownika rozruchowego. Badania silników obejmowały pomiary parametrów sygnałów diagnostycznych i emitowanych spalin; cinienia sprania, wzgldnego spadku cinienia spranego powietrza w cylindrach. Badania sygnałów diagnostycznych wzgldnego spadku cinienia spronego powietrza w cylindrach i cinienia sprania, wykonywano w dwóch próbach: bez oleju i z olejem wtryskiwanym do cylindra. Jednake w przypadku silników wyposaonych w katalizator TWC, nie wtryskiwano oleju do cylindra ze wzgldu na realne niebezpieczestwo uszkodzenia katalizatora. Analiz spalin wykonywano dla trzech stanów pracy silnika: - prdkoci obrotowej biegu wolnego; - redniej prdkoci obrotowej obr/min.; - stanu nieustalonego, czyli zwikszeniu na krótko do maksymalnej prdkoci obrotowej dla danego silnika i gwałtownym zamkniciu przepustnicy. 4

3 Analiz spalin przeprowadzano z wykorzystaniem nastpujcych analizatorów: AWAT AG-4, OLIVER K 0, Radiotechnika AI Wyniki bada 3.1 Analiza wyników bada pojazdu samochodowego Polonez Opis zastosowanych tu metod statystycznych mona znale w [1]. Ze wzgldu na wysok korelacj midzy badanymi cechami, ustalono zachodzce midzy nimi zalenoci regresyjne. Zaleno cinienia sprania od zawartoci wglowodorów w spalinach w zakresie pomiarowym emisji HC do 200 ppm przy współczynniku R 2 =0,3 przedstawiono na rys.1. Prdko obrotowa biegu jałowego sprania [x 0.1 MPa] 1 y = -0,01x +,3 R 2 = 0,423 y = -0,031x +, R 2 = 0,2 Liniowy ( ) Rys. 1. Przebieg zmian cinienia sprania od zawartoci wglowodorów w spalinach Fig. 1. The course of compression pressure changes depending on hydrocarbons contents in Parametr diagnostyczny cinienia sprania w próbie olejowej w silniku Poloneza w przedziale pomiarowym zawartoci wglowodorów ppm, opisany równaniem regresji liniowej przy współczynniku R 2 = 0,42 take został zamieszczony na rys.1. Wyniki przy pomiarach parametru diagnostycznego szczelnoci cylindrów, opisane liniowym równaniem regresji ze współczynnikiem R 2 =0,1, dla zawartoci HC w przedziale ppm zaprezentowano na rys.2. Przedział poziomu emisji wglowodorów jest przyjty zgodnie z norm Euro III (200 ppm dopuszczalna warto).

4 Prdko obrotowa biegu jałowego Szczelno [%] Szczelno Liniowy (Szczelno ) y = -0,x + 3,0 R 2 = 0, Rys. 2. Przebieg zmian szczelnoci cylindrów od zawartoci wglowodorów w spalinach Fig. 2. The course of cylinder leakproofness changes depending on hydrocarbons contents in Naley zaznaczy, e dla zalenoci cinienia sprania od zawartoci tlenku wgla w spalinach w zakresie pomiarowym CO do O,%, (dopuszczalny poziom emisji CO wg Euro III) współczynnik R 2 =0, (rys.3). Warto współczynnika R 2 dla cinienia sprania w próbie olejowej, w zawonym zakresie pomiarowym CO wynosi R 2 = 0, (rys.3). Prdko obrotowa biegu jałowego sprania [x 0.1 MPa] 1 y = -3,1x +,1 R 2 = 0, Liniowy ( ) y = -,x +,304 R 2 = 0,2 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0, CO [%] Rys. 3. Przebieg zmian cinienia sprania od zawartoci tlenku wgla w spalinach Fig. 3. The course of compression pressure changes depending on carbon oxide contents in Przebieg zmian zalenoci wzgldnego cinienia (próba szczelnoci cylindrów) w odniesieniu do emisji CO opisana równaniem regresji ze współczynnikiem R 2 = 0,43 (rys.4).

5 Prdko obrotowa biegu jałowego Szczelno [%] Szczelno Liniowy (Szczelno ) y = -24,x + 4, R 2 = 0, ,0 0,1 0,1 0,2 0,2 0,3 0,3 0,4 0,4 0, CO [%] Rys. 4. Przebieg zmian szczelnoci cylindrów od zawartoci tlenku wgla w spalinach Fig. 4. The course of cylinder leakproofness changes depending on carbon oxide contents in Dla zalenoci cinienia sprania od zawartoci wglowodorów w spalinach w zakresie pomiarowym HC do ppm (dopuszczalny poziom emisji HC wg normy Euro opisanej równaniem liniowej regresji, współczynnik R 2 = 0,4; (rys.). Współczynnik R 2 dla zalenoci cinienia w próbie olejowej, w analizowanym poziomie emisji HC wynosi take 0,4 (rys.). Prdko obrotowa 3000 obr/min sprania [x 0.1 MPa] 1 y = -0,01x +,4 R 2 = 0,4 y = -0,04x +,0 R 2 = 0,41 Liniowy ( ) Rys.. Przebieg zmian cinienia sprania od zawartoci wglowodorów w spalinach Fig.. The course of compression pressure changes depending on hydrocarbons contents in Analizujc zaleno cinienia sprania od zawartoci tlenku wgla w spalinach w zakresie pomiarowym CO do O,3% (zgodnie z wymaganiami diagnostycznymi dla redniej prdkoci obrotowej) wida, e przebieg zmian cinienia opisany jest równaniem regresji o współczynniku R 2 = 0, (rys.).

6 Współczynnik R 2 dla regresji opisujcej cinienie w próbie olejowej, w zakresie zawonym CO wynosi R 2 = 0,2 (rys.). Prdko obrotowa 3000 obr/min sprania [x 0.1 MPa] 1 y = -4,33x +,34 R 2 = 0,24 y = -1,x +,20 R 2 = 0, Liniowy ( ) 0 0,0 0,1 0,1 0,2 CO [%] Rys.. Przebieg zmian cinienia sprania od zawartoci tlenku wgla w spalinach Fig.. The course of compression pressure changes depending on carbon oxide contents in Współczynnik determinacji R 2 dla próby szczelnoci, w zakresie bardzo zawonym do przedziału 0 0,2 % CO, wynosi R 2 = 0, (rys.). Szczelno [%] Prdko obrotowa 3000 obr/min Szczelno Liniowy (Szczelno ) y = -,x + 4,31 R 2 = 0,3 0 0,02 0,04 0,0 0,0 0,1 0, 0, 0,1 0,1 0,2 CO [%] Rys.. Przebieg zmian szczelnoci cylindrów od zawartoci tlenku wgla w spalinach Fig.. The course of cylinder leakproofness changes depending on carbon oxide contents in Przy pomiarach zalenoci cinienia sprania od zawartoci wglowodorów w spalinach w zakresie pomiarowym HC do 200 ppm, przy prdkoci obrotowej 3000 obr/min. stwierdzono, e współczynnik R 2 = 0, (rys.).

7 Stany nieustalone sprania [x 0.1 MPa] 1 y = -0,003x +, R 2 = 0,33 y = -0,01x +,2 R 2 = 0,2 Liniowy ( ) Rys.. Przebieg zmian cinienia sprania od zawartoci wglowodorów w spalinach Fig.. The course of compression pressure changes depending on hydrocarbons contents in Dla próby szczelnoci w zakresie pomiarowym HC równym ppm HC współczynnik R 2 = 0,4 (rys.). Szczelno [%] Stany nieustalone y = -0,00x +, R 2 = 0,41 Szczelno Liniowy (Szczelno ) Rys.. Przebieg zmian szczelnoci cylindrów od zawartoci wglowodorów w spalinach Fig.. The course of cylinder leakproofness changes depending on hydrocarbons contents in 4. Podsumowanie i wnioski Podsumowujc, niniejsza praca jest przyczynkiem do dalszych prac badawczych. Jednoczenie został wykazany zwizek stanu technicznego układu TPC ze składem spalin oraz opracowana metodyka pomiarów. Okrelone zostały take obszary wykorzystania proponowanej metody diagnostycznej. Naley nadmieni, e skład spalin jest jednym z dobrych sygnałów diagnostycznych moliwych do wykorzystania w ocenie stanu

8 układu TPC, gdy cechuje si du dostpnoci oraz łatwoci pomiaru i w sposób prawidłowy opisuje stany diagnostyczne układu tłokowego. Wyniki pomiarów weryfikowano z prób drogow i deklarowanym przebiegiem badanego pojazdu. Z analizy uzyskanych wyników bada, sformułowano nastpujce wnioski: 1. Składnikiem spalin najlepiej opisujcym zuycie układu TPC s wglowodory HC, bdce konsekwencj termicznego procesu zuycia oleju w komorze spalania. Znajduje to odzwierciedlenie w wartociach współczynników determinacji okrelanych przy opisie danych dowiadczalnych równaniami regresji liniowej. Przykładowo dla cinienia sprania w zalenoci od zawartoci HC w spalinach przy pracy z prdkoci obrotow biegu jałowego współczynnik R 2 = 0,3, natomiast dla zalenoci cinienia sprania od zawartoci CO dla analogicznych warunków pracy, współczynnik ten wynosił R 2 = 0,. 2. Zawarto tlenku wgla CO w spalinach stanowi wtórny sygnał diagnostyczny opisujcy stan układu TPC, gdy zwikszony poziom CO w spalinach jest nastpstwem nieprawidłowoci procesu spalania, których przyczyn jest zuycie układu tłokowego. 3. Wartoci współczynnika R 2 oscyluj w granicach dla pomiarów przeprowadzanych przy prdkoci obrotowej biegu jałowego, redniej prdkoci obrotowej oraz w stanach nieustalonych. Przyczyn zakłóce towarzyszcych pomiarom, naley upatrywa chociaby w rónych gatunkach oleju smarujcego stosowanych w badanych silnikach. 4. W zakresie pomiarowym do 00 ppm HC oraz do 1 % CO nastpuje wyrana zmiana współczynnika R 2. Współczynnik ten wzrósł w wikszoci przypadków z około 0,4 do 0,...0,. Jest to o tyle korzystne, e 0 % pojazdów bdcych w eksploatacji emituje spaliny o takim włanie składzie.. Przeprowadzenie bada trwałociowych silników w warunkach hamowni silnikowej przyczyniłoby si do znacznej poprawy współczynnika R 2 oraz umoliwiłoby uzyskanie formuł i algorytmów do precyzyjnego prognozowania zuycia układu TPC, na podstawie emisji składników spalin. Analizujc powysze wnioski potwierdzajce celowo podjcia niniejszego tematu, mona sformułowa nastpujce ogólne spostrzeenia: 1. Skład spalin jest jednym z najlepszych sygnałów diagnostycznych moliwych do wykorzystania w ocenie stanu układu TPC, gdy cechuje si du dostpnoci oraz łatwoci pomiaru i w sposób prawidłowy opisuje stany diagnostyczne układu tłokowego. 2. Proponowana metoda moe mie zastosowanie w diagnostyce i autodiagnostyce w odniesieniu do silników trakcyjnych i stacjonarnych.

9 3. Proponowana metodyka oceny stanu układu TPC umoliwia precyzyjne łczenie parametrów ekologicznych ze stanem technicznym silnika. Bibliografia 1. Koronacki J., Mielniczuk J.: Statystyka dla studentów kierunków technicznych i przyrodniczych Wyd. Naukowo Techniczne Warszawa Merkisz J.: Studium wpływu zuycia oleju na emisj toksycznych zwizków w szybkoobrotowych silnikach spalinowych. Wyd. Politechniki Poznaskiej. Seria rozprawy nr 21, Pozna Piekarski W.: Analiza oddziaływania agregatów cignikowych na rodowisko przyrodnicze, rozprawa habilitacyjna, Wyd. Akademii Rolniczej w Lublinie, Lublin ółtowski B., Jankowski M.: Diagnostyka. Materiały konferencyjne. Cz. 1 i 2 Bydgoszcz Borówno 1. Dependence of the technical conditions of the tpc system defined by diagnostic parameters and exhaust gas emimssion exampled by Polonez vehicle Summary A very important goal of technical diagnostics is working out method and procedures for the verification of the technical state an engine. Some diagnostic tests or measurements, which require a very long time are now used to diagnose combustion engines. Such study gives the information about the vehicle efficiency but not about its technical condition. Till now the composition of fumes and smoke are not used for estimation of the wear of the engine, in spite of being very voluminous and interesting carrier of information. In many publications the composition of fumes is treated as one of the environment pollution factors, for this reason the level of fumes emission is studied. The aim of this paper was to define the influence of the technical state of engine on exhaust fumes emission. Key words: vehicle, TPC, diagnostic parameters, fumes emission 1