Praca doktorska. mgr inż. Piotr MOLIK

Transkrypt

1 P O L I T E C H N I K A P O Z N A Ń S K A WYDZIAŁ MASZYN ROBOCZYCH I TRANSPORTU Praca doktorska mgr inż. Piotr MOLIK Analiza parametrów szybkozmiennych i ekologicznych doładowanego silnika o zapłonie iskrowym w warunkach statycznych i podczas rzeczywistej eksploatacji Promotor: dr hab. inż. Paweł Fuć, prof. PP Poznań 217

2 Spis treści Streszczenie... 4 Wykaz skrótów i oznaczeń Wstęp Wprowadzenie Cel i zakres pracy Analiza możliwości zmniejszenia zanieczyszczeń z pojazdów w świetle nowych limitów emisji spalin Analiza przepisów dotyczących emisji zanieczyszczeń pojazdów osobowych Uwarunkowania emisyjnych badań drogowych Analiza rozwiązań konstrukcyjnych silników ZI DI w aspekcie poprawy parametrów ekologicznych Analiza parametrów szybkozmiennych procesu spalania nowoczesnych silników ZI Podstawy procesów spalania w silniku ZI Badania indykatorowe w warunkach statycznych i dynamicznych silników ZI Wykorzystanie analizy wykresu indykatorowego silnika Metodyka badań Wykorzystane obiekty badawcze Aparatura badawcza Systemy pomiarowe emisji spalin Systemy pomiarowe temperatury i ciśnienia Systemy pomiarowe procesów szybkozmiennych Silnikowe stanowisko hamulcowe Metodyka oceny zakresów pracy silnika Wyniki badań własnych i ich analiza Badania emisji spalin w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego Założenia wstępne do wykonywania badań drogowych Analiza poprawności wykonania badań drogowych Analiza parametrów ekologicznych silnika ZI DI Analiza parametrów termodynamicznych silnika ZI DI Wybór punktów pracy silnika na podstawie badań drogowych Wybór parametrów filtra cząstek stałych silnika ZI DI przeznaczonego do dalszych badań Wiadomości wstępne Wybór konfiguracji filtra cząstek stałych Wybór parametrów filtra cząstek stałych... 87

3 Spis treści Badania weryfikacyjne zmodyfikowanego zespołu silnik spalinowy układ wylotowy Wstępne założenia do badań Analiza termodynamiczna wprowadzonych zmian Analiza ekologiczna wprowadzonych zmian Ocena środowiskowa proponowanej modyfikacji układu oczyszczania spalin Podsumowanie i wnioski Podsumowanie Wnioski Kierunki dalszych prac Literatura Abstract

4 Streszczenie Głównym celem rozprawy doktorskiej jest analiza parametrów szybkozmiennych doładowanego silnika o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtryskiem paliwa i jego parametrów ekologicznych w badaniach statycznych i dynamicznych podczas rzeczywistej eksploatacji. W dysertacji zawarto metodykę rozwiązania zagadnienia zmniejszenia wybranych zanieczyszczeń z pojazdów zasilanych silnikami benzynowymi z bezpośrednim wtryskiem paliwa, dla których przewidywane są znaczne restrykcje w kolejnych wzorcach emisji spalin. W pierwszej fazie analizy uwzględniono badania drogowe w rzeczywistych warunkach ruchu według przyszłych procedur obwiązujących w Unii Europejskiej dla pojazdów osobowych. Wynikiem badań drogowych w rzeczywistych warunkach ruchu była ocena ekologiczna pojazdu z silnikiem benzynowym z bezpośrednim wtryskiem paliwa. Z badań jednoznacznie wynika, że spełnione są dopuszczalne limity emisji gazowych składników spalin, natomiast odnotowano znaczne przekroczenie dopuszczalnej emisji odnośnie liczby cząstek stałych. W związku z tym kolejnym elementem pracy była próba poprawy właściwości ekologicznych obiektu badawczego, poprzez wykonanie badań stanowiskowych na hamowni silnikowej w wybranych punktach pracy silnika, które określono na podstawie przeprowadzonych badań drogowych. Wybór punktów pracy silnika był ściśle powiązany z najczęściej występującymi warunkami pracy silnika spalinowego podczas testów drogowych zidentyfikowano siedem zakresów pracy silnika, które wykorzystano w dalszych pracach. Badania wykonane na stanowisku hamownianym były prowadzone na silniku benzynowym z bezpośrednim wtryskiem paliwa o tożsamych parametrach operacyjnych. Przeprowadzona analiza parametrów szybkozmiennych procesu spalania oraz analiza dodatkowych parametrów termodynamicznych pozwoliła na wybór konfiguracji filtra cząstek stałych i jego parametrów technicznych. Zmodyfikowany system składający się z silnika spalinowego i układu wylotowego z autorskim systemem oczyszczania spalin powinien wystarczyć do spełnienia wymagań ekologicznych w postaci zmniejszenia emisji liczby cząstek stałych. Analizę emisji cząstek stałych dla układu bez filtra i z filtrem zamontowanego w układzie wylotowym silnika przeprowadzono dla masy, liczby i rozkładu wymiarowego cząstek stałych. Wynikiem tego była ocena skuteczności filtracji dla całego spektrum średnic cząstek stałych w zidentyfikowanych zakresach pracy silnika. W efekcie stwierdzono, że filtr cząstek stałych zastosowany w układzie wylotowym silnika znacznie skuteczniej zmniejsza masę cząstek stałych niż ich liczbę, z powodu większej skuteczności filtracji cząstek większych. Podsumowaniem prac związanych z analizą parametrów ekologicznych silnika o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtryskiem paliwa była symulacja badań drogowych pojazdu z zaproponowanym zmodyfikowanym układem wylotowym pojazdu wyposażonym w filtr cząstek stałych. Dla takiej konfiguracji wykonana analiza emisji liczby cząstek stałych w sparametryzowanych obszarach pracy silnika wykazała, że spełnienie limitów odnośnie emisji liczby cząstek stałych jest możliwe, a uzyskane wyniki emisji drogowej są w pełni akceptowalne w aspekcie uzyskanych wartości bezwzględnych.

5 Wykaz skrótów i oznaczeń AC ANR C CARB CAFE CAN CCRT CF CoV CO CO2 CPC cpsi D DC DI DISI DOHC EC ECE EDS EEC EEPS EEV EFM EOBD EOC EPA EUDC Euro FID FR FTP GMP GPF alternating current prąd zmienny all new registrations wszystkie nowe rejestracje węgiel California Air Resources Board Kalifornijska Rada ds. Zasobów Powietrza Clean Air For Europe program czyste powietrze dla Europy control area network sieć informatyczna w pojazdach catalyst continuous regeneration trap system z filtrem cząstek stałych pokrytym katalitycznie z regeneracją ciągłą conformity factor wskaźnik pogorszenie emisji spalin (dotyczy pomiarów emisji spalin w testach w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego) coefficient of variation współczynnik zmienności tlenek węgla dwutlenek węgla condensation particle counter licznik cząstek stałych cells per square inch ilość cel w nośniku katalitycznym na cal kwadratowy średnica cząstki stałej direct current prąd stały direct injection wtrysk bezpośredni direct injection spark ignition silnik benzynowy z wtryskiem bezpośrednim double overhead camshaft podwójny wałek rozrządu w głowicy European Community Wspólnota Europejska Economic Commission for Europe Europejska Komisja Gospodarcza (agenda ONZ) energy-dispersive detector spektroskopia dyfrakcji elektronowej European Economic Community Europejska Wspólnota Gospodarcza exhaust engine particulate sizer analizator do pomiaru rozkładu wymiarowego cząstek stałych enhanced environmentally friendly vehicle pojazd przyjazny środowisku (europejska kategoria pojazdów o bardzo małej emisji związków toksycznych) exhaust flow meter przepływomierz spalin European on board diagnostics pokładowy system diagnozowania, wersja europejska end of combustion koniec spalania Environment Protection Agency Urząd Ochrony Środowiska w USA extra urban drive cycle pozamiejski europejski test jezdny europejskie przepisy toksyczności spalin flame ionization detector analizator płomieniowo-jonizacyjny first registration noworejestrowane pojazdy federal test procedure federalny test jezdny USA górny martwy punkt gasoline particulate filter filtr cząstek stałych do silników o zapłonie iskrowym

6 Wykaz skrótów i oznaczeń 6 HC IOF LDV LEV LPG Mo MBF5 MPI n NIDR NDUV Ne NEDC NG NH3 NMHC NMOG NO NO2 NOx NTA OBD OBDII p PAH PC PEMS PFT PM PM PMR PN ppm R RDE SPI SOC SULEV węglowodory insoluble organic fraction część nierozpuszczalna light duty vehicle lekki pojazd samochodowy low emission vehicle pojazd o małej emisji spalin (USA) liquid petroleum gas ciekły gaz propan-butan moment obrotowy silnika mass burnt fuel wypalenie 5% dawki paliwa multi point injection wielopunktowy wtrysk benzyny prędkość obrotowa wału korbowego silnika non-dispersive infrared niedyspersyjny z wykorzystaniem promieniowania podczerwonego non-dispersive ultraviolet niedyspersyjny z wykorzystaniem promieniowania ultrafioletowego moc silnika new european driving cycle nowy europejski cykl jezdny zmodyfikowany ECE R83 (tzw. Eurotest) z natychmiastowym poborem gazów wylotowych natural gas gaz ziemny amoniak non methane hydrocarbons węglowodory bez udziału metanu non methane organic gases niespalone paliwo bez metanu tlenek azotu dwutlenek azotu tlenki azotu new type approvals zatwierdzenie nowego typu on board diagnostics pokładowy system diagnozowania on board (self) diagnostics standards for PC, LDV and MDV pokładowy system diagnozowania dla pojazdów PC, LDV i MDV ciśnienie polycyclic aromatic hydrocarbons wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne passenger car samochód osobowy portable emission measurement system mobilne systemy pomiaru emisji zanieczyszczeń przeznaczona do badań w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego partial filter technology filtr cząstek stałych z częściowym filtrowaniem particulate matter cząstka stała (określenie ogólne) particle mass masa cząstki stałej power to mass ratio wskaźnik mocy silnika do masy pojazdu particle number liczba cząstek stałych parts per million ilość części na milion stała gazowa real driving emission testy emisji spalin w rzeczywistych warunkach ruchu single point injection jednopunktowy wtrysk benzyny start of combustion początek spalania super ultra low emission vehicle pojazd o bardzo małej emisji spalin (USA)

7 Wykaz skrótów i oznaczeń 7 t TA TFSI THC TWC u UDC UE ULEV V WHO WLTC WLTP Z ZI ZI DI ZS p czas type approval zatwierdzenie typu (homologacyjne) turbo fuel stratified injection turbodoładowany silnik ZI z bezpośrednim wtryskiem benzyny koncernu Volkswagen total hydrocarbons całkowita (sumaryczna) emisja HC three way catalyst reaktor katalityczny potrójnego działania udział urban driving cycle miejski europejski cykl jezdny Unia Europejska ultra low emission vehicle pojazd o bardzo małej emisji objętość World Health Organization Międzynarodowa Organizacja Zdrowia worldwide light duty test cycle nowy europejski test jezdny zgodny z normą Euro 6c (obowiązujący od 217 r.) worldwide harmonized light vehicles test procedures światowe ujednolicone procedury badawcze dla pojazdów lekkich obciążenie procentowe silnika silnik o zapłonie iskrowym silnik o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtryskiem paliwa silnik o zapłonie samoczynnym kąt obrotu wału korbowego różnica ciśnienia (przed za filtrem cząstek stałych GPF) współczynnik nadmiaru powietrza

8 1. Wstęp 1.1. Wprowadzenie Negatywny wpływ pojazdów spalinowych na jakość powietrza pozostaje nadal znaczący, pomimo wprowadzanych przez dziesięciolecia różnych rozwiązań w przemyśle motoryzacyjnym. Priorytetem w polityce pro-środowiskowej jest uporanie się z zagadnieniem dotyczącym nadmiernej emisji gazów cieplarnianych z pojazdów spalinowych przeznaczonych do użytku drogowego. Uszczuplanie zasobów energii nieodnawialnej wpływa na rozwój przemysłu motoryzacyjnego. W ujęciu długoterminowym zapewnienie stałych dostaw ropy naftowej oraz kwestie zużycia energii stały się bardzo ważnym aspektem rozwoju motoryzacji. Nieustanie zwiększająca się liczba eksploatowanych pojazdów spalinowych na drogach publicznych potęguje obawy dotyczące nadmiernej emisji gazowych zanieczyszczeń, cząstek stałych oraz nanocząstek do atmosfery. Według Międzynarodowej Organizacji Zdrowia WHO [99] głównym zagrożeniem zdrowia ludzkiego przez silnikowe źródła transportu są nanocząstki przyczyniające się do chorób nowotworowych. Aby temu zapobiegać, ustanawiane są różne akty prawne wprowadzające coraz bardziej rygorystyczne limity emisji zanieczyszczeń, a także systemy różnych kar lub zachęt i dopłat dotyczących zużycia paliwa i rodzaju zastosowanego paliwa. Obecnie przyjmuje się, że emisja zanieczyszczeń podczas rzeczywistego użytkowania pojazdu jest słabo odwzorowana w laboratoriach, w związku z tym zmieniają się metody badawcze oraz wprowadzane są pomiary w warunkach drogowych [24, 6, 63]. Emisja w rzeczywistych warunkach zyska na znaczeniu w chwili, gdy pomiary takie staną się wymogiem prawnym. Roczna emisja dwutlenku węgla wzrosła od 196 (9 Gt) do 215 roku (36 Gt) około 4-krotnie85% (rys. 1.1) [54]. W roku 216 w Polsce udział emisji dwutlenku węgla wynosił 81% [52], przez co może być postrzegany, jako najważniejszy antropogeniczny gaz cieplarniany. Sektor transportu przyczynia się do wzrostu emisji dwutlenku węgla, przez co ograniczenie emisji i zmniejszenie użycia paliwa jest kluczową kwestią dla przemysłu samochodowego. Rys Roczna emisja dwutlenku węgla ze spalania paliw i wylesiania w latach [54]

9 Udział pojazdów LDV na świecie [%] 1. Wstęp 9 Od roku 199 emisja dwutlenku węgla z transportu wzrosła o około 29%, przy czym pojazdy samochodowe są odpowiedzialne za 12% całkowitej emisji w Unii Europejskiej. W ramach Pakietu 23 UE ustanowiła 3% cel redukcji emisji w stosunku do roku 25, dla sektorów poza systemem handlu emisjami. Ogólne warunki ustanowione przez Unię Europejską dążyć będą do dalszych ograniczeń. Planuje się, że emisja zostanie obniżona do 95 g/km w 22 roku oraz do g/km w 225 roku [21], podobne tendencje będą obowiązywały również w Stanach Zjednoczonych i Japonii. Rys Zmniejszenie emisji dwutlenku węgla w różnych regionach świata [9] Pojazdy benzynowe mają duży potencjał, pozwalający na redukcję zużycia paliwa, a tym samym emisji dwutlenku węgla. Trendy, takie jak hybrydyzacja, bezpośredni wtrysk benzyny (ZI DI), są w centrum uwagi i częściowo zostały wprowadzone do obecnych pojazdów (rys. 1.3) Ogniwa paliwowe & elektryczne Paliwa alternatywne Mild & Full Hybrid Diesel Benzynowe DI Benzynowe MPI Lata 225 Rys Tendencje rozwoju napędów w pojazdach samochodowych w latach [18] Turbodoładowany silnik ZI DI może być skutecznie wykorzystywany zgodnie z ideą downsizingu, zachowując tę samą wydajność pracy jednostki, przy znacznym zmniejszeniu zużycia paliwa. Jednakże, jako wadę silnika GDI można uznać kwestię emisji cząstek stałych w rozmiarze nanometrycznym [1, 12, 19, 4], której właściwy wymiar można stwierdzić

10 1. Wstęp 1 głównie podczas eksploatacji. Wiążę się to głównie z bardzo dużą wartością ciśnienia wtrysku paliwa (osiągane są wartości do około 4 bar) i znacznym rozdrobnieniem paliwa. Firma Delphi już od roku 215 oferowała urządzenia o ciśnieniu wtrysku paliwa rzędu 25 bar (rys. 1.4). Rys Zmiany ciśnienia wtrysku paliwa dla silników ZI DI na przestrzeni lat [83] Konieczność określania rzeczywistej emisji zanieczyszczeń z pojazdów (RDE real driving emissions) została wprowadzona w wyniku starań o zmniejszenie rozbieżności między wynikami badań laboratoryjnych a wynikami badań w ruchu rzeczywistym. Znaczna liczba badań naukowych świadczy o tym, że procedury badań laboratoryjnych, w szczególności tzw. homologacji typu, nie stanowią najlepszego rozwiązania w zakresie badań emisji (w tym zużycia paliwa). Dają one znacznie zaniżone wartości w porównaniu do rezultatów osiąganych podczas rzeczywistej eksploatacji pojazdów (rys. 1.5) [23, 25, 5, 55]. Rys Wprowadzenie nowych przepisów i skutki dla pomiarów zużycia paliwa (emisji dwutlenku węgla) i testów drogowych [89]

11 1. Wstęp 11 Mobilne urządzenia do pomiarów emisji w warunkach rzeczywistych są już powszechnie dostępne i wkrótce będzie to wymóg prawny w UE. Jednakże wciąż pozostaje problem powiązania emisji rzeczywistej, a tą określaną w warunkach laboratoryjnych. Dodatkowo, pomimo ostatnich zmian w ustawodawstwie, wiele elementów prawnych i technicznych dotyczących RDE pozostaje jeszcze nieuregulowanych [29, 34, 96]. Powyższe czynniki ukierunkowują badania i działania rozwojowe na pracę nad nowymi pojazdami o niskiej emisji, stosowanie paliw alternatywnych, wprowadzanie nowych, bardziej ekologicznych typów silników, a także modyfikacja pozasilnikowych układów oczyszczania gazów wylotowych. Z powyższej analizy wynika, że jeszcze nigdy testy emisji, w których wykonywany jest pomiar wagowy i zliczanie cząstek stałych, pomiar ilości wytworzonego dwutlenku węgla, zużycia paliwa, a także badań sprawności podzespołów ograniczających emisję, nie były tak istotne z punktu widzenia przemysłu i nauki. Występujący w ostatnich latach rozwój przepisów dotyczących emisji szkodliwych składników spalin zmusza producentów samochodów do dalszego usprawniania konstrukcji układów obniżania emisji. Z drugiej strony, ponieważ stężenie poszczególnych składników szkodliwych w gazach spalinowych w nowoczesnych silnikach jest coraz mniejsze, niezbędny jest rozwój metod pomiaru tej emisji. W czasie pomiarów emisji z nowoczesnych silników zdarza się, że stężenie poszczególnych mierzonych składników spalin (rozcieńczonych powietrzem) jest podobne do stężenia tych składników w powietrzu z otoczenia, które było użyte do rozcieńczenia spalin (lub takie samo) [32]. Emisja związków szkodliwych z silników samochodowych jest w sposób ciągły zmniejszana przez wprowadzanie coraz lepszych rozwiązań konstrukcyjnych silników oraz układów wylotowych. Głównym powodem tych działań jest rozwój przepisów dotyczących dopuszczalnej emisji z silników i samochodów, szczególnie w USA i Unii Europejskiej. Wprowadzenie od roku 217 w Europie nowych limitów dotyczących emisji związków szkodliwych zawartych w spalinach Euro 6c (oraz nowych metod badawczych) [14 17] spowoduje konieczność opracowania nowej generacji silników i znaczny rozwój konstrukcji układów zmniejszających emisję szkodliwych składników spalin w każdych warunkach pracy silnika. Coraz większą uwagę zwraca się również na dostosowanie proponowanych metod badawczych do wymagań związanych z rzeczywistymi warunkami eksploatacji silników i samochodów [33] Cel i zakres pracy Głównym celem rozprawy doktorskiej jest analiza parametrów ekologicznych doładowanego silnika o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtryskiem paliwa. Przeprowadzone studium literatury oraz doświadczenia własne autora pozwoliły na stwierdzenie, że spełnienie wymagań ekologicznych normy Euro 6c przez pojazdy zasilane silnikami ZI DI nie będzie wymagało zmian odnośnie weryfikacji dopuszczalnych wartości emisji związków gazowych, natomiast konieczna będzie modyfikacja pod kątem spełnienia wymogów emisji liczby cząstek stałych, co będzie skutkowało zastosowania w ich układach wylotowych filtrów cząstek stałych (GPF gasoline particulate filter), podobnych do stosowanych już w silnikach ZS.

12 1. Wstęp 12 W związku z tym cel naukowy pracy określono następująco: Określenie metodologii analizy parametrów ekologicznych i termodynamicznych zarejestrowanych w warunkach rzeczywistej eksploatacji pojazdu pod kątem modyfikacji układu oczyszczania spalin silnika ZI DI do wymagań kolejnych norm ekologicznych. Realizacja tak sformułowanego celu naukowego będzie wymagała określenia stanu ekologicznego silników ZI DI, dla którego zakres pracy będzie następujący: 1. Wyznaczenie parametrów ekologicznych doładowanego silnika o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtryskiem paliwa w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego (zgodnie z przepisami, które zaczną obowiązywać od września 217 roku). 2. Wyznaczenie wskaźników pogorszenia emisji (CF conformity factor), określających krotność spełnienia (lub przekroczenia) norm ekologicznych dla pojazdów kategorii ekologicznej Euro 6c. 3. Określenie możliwości poprawy stanu ekologicznego silnika do poziomu kolejnych norm ekologicznych głównie zwrócenie uwagi na emisję cząstek stałych. 4. Możliwości zastosowania układów oczyszczania spalin (filtrów cząstek stałych) z wykorzystaniem termodynamicznej analizy parametrów szybkozmiennych w celu określenia temperatury spalin w układzie wylotowym silnika. 5. Wyznaczenie parametrów pracy silnika z rzeczywistych warunków ruchu (punktów pracy silnika Mo = f(n)) do badań silnika ZI DI na hamowni silnikowej z zastosowaniem filtra cząstek stałych. 6. Analiza możliwości doboru parametrów funkcjonalnych filtra cząstek stałych do silnika o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtryskiem benzyny. 7. Określenie korzyści ekologicznych zastosowanego rozwiązania, polegającego na doposażeniu standardowego układu oczyszczania silnika w filtr cząstek stałych, poprzez porównanie wyników badań drogowych przed oraz po wprowadzonych modyfikacjach. Badania będą przeprowadzone w warunkach dynamicznych podczas rzeczywistej eksploatacji pojazdu. Analiza zawierać będzie zestawienie badań parametrów ekologicznych i termodynamicznych podczas rzeczywistej eksploatacji. W badaniach będzie uwzględniona emisja związków gazowych, a w szczególności emisja masowa, liczbowa oraz rozkład wymiarowy cząstek stałych w aspekcie konieczności zastosowania filtra cząstek stałych w celu spełnienia nowych regulacji prawnych Unii Europejskiej. Dla tak postawionego celu i zakresu badań opracowano schemat postępowania (rozwiązania zagadnienia naukowego), z którego wynika zakres pracy (rys. 1.6). Opracowanie sprecyzowanego systemu układu oczyszczania spalin, zawierającego filtr cząstek stałych, przeznaczonego do pojazdów z doładowanym silnikiem o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtryskiem paliwa oraz wykonanie badań ekologicznych, stwierdzających poprawność przyjętego rozwiązania będzie jednocześnie potwierdzeniem osiągnięcia celu naukowego niniejszej rozprawy.

13 1. Wstęp 13 Struktura pracy Geneza Postawienie problemu, zdefiniowanie celu i zakresu pracy Rozdziały 1 Analiza teoretyczna i literaturowa Analiza możliwości zmniejszenia zanieczyszczeń z pojazdów w świetle nowych limitów emisji spalin Analiza parametrów ekologicznych samochodów z doładowanymi silnikami ZI DI Analiza parametrów szybkozmiennych doładowanych silników ZI DI 2 3 Metodyka badań Obiekty badawcze Aparatura pomiarowa Opracowanie metodyki wyznaczania zakresów pracy silnika spalinowego Stanowisko badawcze 4 Badania eksperymentalne Badania drogowe w rzeczywistych warunkach ruchu Badania procesów szybkozmiennych i parametrów ekologicznych w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego Wybór zakresów pracy silnika do badań na hamowni silnikowej Określenie wymagań konstrukcyjnych i parametrów filtra cząstek stałych Badania stanowiskowe hamownia silnikowa Badania procesów szybkozmiennych i parametrów ekologicznych w określonych zakresach pracy silnika ZI DI Badanie skuteczności filtracji autorskiego układu wylotowego, wyposażonego w filtr cząstek stałych Ocena środowiskowa rozwiązania Weryfikacja zaproponowanego rozwiązania do poprawy stanu ekologicznego pojazdów z silnikami ZI DI 5.4 Podsumowanie Podsumowanie, określenie osiągnięcia celu naukowego rozprawy, kierunki dalszych prac 6 Rys Schemat rozwiązania postawionego celu naukowego pracy

14 2. Analiza możliwości zmniejszenia zanieczyszczeń z pojazdów w świetle nowych limitów emisji spalin 2.1. Analiza przepisów dotyczących emisji zanieczyszczeń pojazdów osobowych Badania pojazdów prowadzi się na hamowni podwoziowej (na rolkowym stanowisku dynamometrycznym przykład, rys. 2.1). Przeważnie stosuje się hamownie z silnikiem prądu stałego (DC direct current), a ponadto wprowadza się hamownie z asynchronicznym silnikiem prądu zmiennego (AC alternating current). W badaniach zawartości związków szkodliwych w spalinach stosuje się powszechnie hamownie podwoziowe z podwójnymi rolkami o średnicy 2 (58 mm). Od kilku lat są w użyciu również hamownie z pojedynczą rolką o średnicy 48 (12 mm). W Europie jednak w większości laboratoriów stosuje się hamownie z podwójnymi rolkami ze względu na spełnienie wymagań i wystarczającą dla tego typu badań dokładność odwzorowania krzywej oporów ruchu pojazdu. Hamownie podwoziowe stosowane w badaniach pojazdów są przeznaczone do dokładnej symulacji ściśle określonych rzeczywistych warunków jazdy w testach kontrolnych, np. NEDC (new European driving cycle nowy europejski test jezdny zmodyfikowany ECE R83 z natychmiastowym poborem spalin). Rys Schemat laboratorium emisji z komorą klimatyczną, hamownią podwoziową, tunelem rozcieńczającym spaliny powietrzem, workami na próbki spalin, analizatorami spalin wraz z zestawem analizatorów do analizy modalnej spalin nierozcieńczonych [72]

15 2. Analiza możliwości zmniejszenia zanieczyszczeń z pojazdów w świetle nowych limitów emisji spalin 15 W krajach Unii Europejskiej obowiązują obecnie dyrektywy 7/156/EC i 27/46/EC oraz regulamin ECE R83.5. Określono w nich sposób prowadzenia badań emisji związków toksycznych przez pojazdy kategorii M1; badania te składają się z siedmiu typów prób (tabl. 2.1). Tablica 2.1. Typy badań emisji wykonywanych dla pojazdów o masie całkowitej do 35 kg [91] Typ testu Silnik ZI Silnik ZS I: test wykonywany na hamowni podwoziowej: NEDC dla Euro 5, Euro 6b (rys. 2.1), WLTC dla Euro 6c (rys. 2.2) II: emisja podczas pracy na biegu luzem III: wartość emisji ze skrzyni korbowej silnika w czasie próby I typu IV: emisja parowania według standardów Euro Euro 5, Euro 6b (rys. tabl. 2.2) Euro 6c (brak ustalonych wartości),5% CO (objętościowo) na minimalnej prędkości obrotowej zero test parowania 2 g HC V: emisja (jak w I typie) po przebiegu 16 km / 5 lat zaczernienie spalin podczas przyspieszania: 2,5 m 1 silniki niedoładowane, 3, m 1 silniki doładowane VI: test UDC w 7 o C CO = 15, HC = 1,8 g/km VII: kontrola działania systemu EOBD od 21 r. od 23 r. (UDC) (EUDC) 12 I część II część V [km/h] Elementarny test ECE R t [s] Rys Obowiązujący test NEDC dla samochodów osobowych według normy Euro 4 Euro 6b [91]

16 Prędkość pojazdu [km/h] 2. Analiza możliwości zmniejszenia zanieczyszczeń z pojazdów w świetle nowych limitów emisji spalin 16 Tablica 2.2. Limity emisji drogowej składników toksycznych dla pojazdów samochodowych normy Euro 5, oraz Euro 6 (dane dotyczą testu NEDC) [14, 15] Norma Silniki ZI Data wprowadzenia CO HC HC + NO x NMHC NO x PM PN [mg/km] Euro 5 1) [1/km] Euro 6 1), 2) Silniki ZS Euro 5a 1) Euro 5b 1) Euro 6 1), 3) Uwaga: 1) Wartość emisji drogowej masy cząstek stałych wynosi 4,5 mg/km z wykorzystaniem procedury PMP. 2) Wartość emisji drogowej liczby cząstek stałych dotyczy tylko silników z bezpośrednim wtryskiem paliwa. 3) Do limit liczby cząstek stałych wynosi /km. Wraz z wprowadzeniem normy Euro 6c (od r.) zmianie ulega test homologacyjny: test NEDC zostaje zastąpiony testem WLTC (worldwide light duty test cycle) [92] (rys. 2.3). Test WLTC podzielono na 4 części: część 1 z prędkością do 6 km/h (low phase), część 2 z prędkością z przedziału 6 8 km/h (medium phase), część 3 z prędkością z przedziału 8 11 km/h (high phase), część 4 z prędkością ponad 11 km/h (extra high phase) mała prędkość średnia prędkość duża prędkość bardzo duża prędkość Czas [s] Rys Propozycja nowego testu homologacyjnego WLTC dla pojazdów kategorii PC wykonywanego na hamowni podwoziowej według normy Euro 6c [92]

17 2. Analiza możliwości zmniejszenia zanieczyszczeń z pojazdów w świetle nowych limitów emisji spalin 17 W nowej procedurze WLTP (worldwide light vehicles test procedure) na podstawie ilorazu mocy silnika Ne [W] do masy pojazdu m [kg] zdefiniowano wskaźnik PMR (power to mass ratio) według którego podzielono pojazdy na 3 klasy: klasa I PMR < 22 głównie samochody na terenie Indii i Chin, klasa II PMR z zakresu (22; 34 głównie samochody na terenie Japonii, klasa III PMR > 34 głównie samochody europejskie. Dla każdej z klas, zdefiniowano różne testy, np. dla pojazdów klasy III (odpowiadające pojazdom europejskim) największa osiągana prędkość to 131,3 km/h. Różnice parametrów charakterystycznych testu NEDC oraz testu WLTP pokazano w tabl Tablica 2.3. Różnice parametrów testów NEDC i WLTC Parametr Test NEDC Test WLTC Zmiana Czas trwania testu 118 s 18 s +53% Dystans 11,3 km 23,27 km +111% Średnia prędkość jazdy 33,6 km/h 46,5 km/h +39% Prędkość maksymalna 12 km/h 131,3 km/h +1% Liczba zatrzymań % Czas: zatrzymania 28 s 226 s 2% stałej prędkości 475 s 66 s 86% przyspieszania 247 s 789 s +22% hamowania 178 s 719 s +34% Udział: zatrzymania 23,7% 12,6% 47% stałej prędkości 4,3% 3,7% 91% przyspieszania 2,9% 43,8% +11% hamowania 15,1% 39,9% +164% Wyniki emisji drogowej zanieczyszczeń osiągane w nowym teście (WLTC) mogą być o około 1 2% większe niż w przypadku aktualnie obowiązującej procedury (NEDC); przebieg testu WLTC jest bardziej dynamiczny, a pomiary rejestrowane są w niemal dwa razy dłuższym dystansie jazdy. Jednocześnie średnia prędkość w nowym teście jest większa o około 4%, a udział postoju zmalał o połowę. Przewiduje się, że pojazdy wyposażone w systemy start/stop będą jedynie o 1% korzystniejsze niż w teście NEDC, a pojazdy hybrydowe po wprowadzeniu testu WLTC będą emitowały o 1% więcej dwutlenku węgla niż w teście NEDC. W nowym teście badaniu będą podlegały dwa egzemplarze jednego modelu wersja o najmniejszej masie (najmniejszych oporach ruchu) oraz największej masie (o największych oporach ruchu).

18 2. Analiza możliwości zmniejszenia zanieczyszczeń z pojazdów w świetle nowych limitów emisji spalin Uwarunkowania emisyjnych badań drogowych W styczniu 211 r. Komisja powołała grupę roboczą z udziałem wszystkich zainteresowanych stron w celu opracowania procedury badania emisji w rzeczywistych warunkach jazdy, która lepiej odzwierciedlałaby wielkość emisji zanieczyszczeń mierzonych na drodze. W tym celu, po szczegółowych dyskusjach technicznych, przyjęto wariant przedstawiony w rozporządzeniu (WE) nr 715/27 [15], tj. zastosowanie przenośnych systemów pomiaru emisji (PEMS portable emission measurement system) i nieprzekraczalnych limitów. Jak uzgodniono z zainteresowanymi stronami w ramach procesu CARS 22 procedury badań RDE należy wprowadzić w dwóch etapach: w pierwszym okresie przejściowym procedury badań powinny być stosowane tylko do celów monitorowania, a następnie należy je stosować wraz z wiążącymi ilościowymi wymogami RDE do wszystkich nowych homologacji typu i nowych pojazdów. Procedury badań RDE wprowadzono rozporządzeniem Komisji (UE) 216/427 [16]. Obecnie ustanowiono ilościowe wymogi RDE w celu ograniczenia emisji z układów wylotowych we wszystkich warunkach użytkowania zgodnie z wartościami granicznymi emisji określonymi w rozporządzeniu (WE) nr 715/27. Aby umożliwić producentom stopniowe dostosowanie się do zasad RDE, ostateczne ilościowe wymogi RDE powinny być wprowadzane w dwóch kolejnych etapach [39, 93]. W pierwszym etapie, który powinien zacząć obowiązywać po upływie 4 lat od terminów obowiązkowego stosowania normy Euro 6, należy stosować współczynnik zgodności 2,1. Drugi etap powinien nastąpić 1 rok i 4 miesiące po pierwszym etapie i powinien wymagać pełnego przestrzegania wartości granicznej emisji NOx wynoszącej 8 mg/km określonej w rozporządzeniu (WE) nr 715/27 [15] powiększonej o pewien margines, biorąc pod uwagę dodatkowe niepewności pomiaru związane ze stosowania przenośnych systemów pomiaru emisji (PEMS) (tabl. 2.4). Tablica 2.4. Wymagania odnośnie badań RDE w Europie [16, 17] Euro 6b Euro 6c Euro 6d NEDC Faza badań i koncepcji WLTC Wskaźnik emisji conformity factor (CF) CF NOx, PN = 2,1 CF NOx, PN = 1,5 Badania RDE powinny obejmować wszystkie możliwe sytuacje drogowe, należy unikać sytuacji, w których badane pojazdy prowadzone są w sposób tendencyjny, tj. z zamiarem uzyskania pozytywnego lub negatywnego wyniku badania niewynikającego z parametrów technicznych pojazdu, ale z bardzo nietypowego stylu jazdy. Aby zapobiec takim sytuacjom, wprowadza się zatem uzupełniające warunki brzegowe dla badań RDE. Ze względu na swój charakter warunki jazdy występujące podczas poszczególnych przejazdów PEMS nie mogą w pełni odpowiadać normalnym warunkom użytkowania pojazdu. Natężenie kontroli emisji podczas takich przejazdów może się zatem różnić. W związku z tym i w celu uwzględnienia

19 2. Analiza możliwości zmniejszenia zanieczyszczeń z pojazdów w świetle nowych limitów emisji spalin 19 niepewności statystycznych i technicznych procedur pomiarowych, w przyszłości można rozważyć odzwierciedlenie w limitach emisji mających zastosowanie do indywidualnych przejazdów PEMS właściwości tych przejazdów, określonych przez wymierne parametry, np. związane z dynamiką jazdy lub obciążeniem. W przypadku zastosowania tej zasady nie może ona prowadzić do osłabienia wpływu na środowisko i skuteczności procedur badań RDE, co należy wykazać badaniem naukowym poddanym wzajemnej ocenie. Ponadto przy ocenie natężenia kontroli emisji podczas przejazdu PEMS należy uwzględniać jedynie parametry, które mogą być uzasadnione obiektywnymi względami naukowymi, a nie tylko kalibracją silnika, urządzeń kontroli zanieczyszczeń lub układów kontroli emisji. Oceny głównych czynników technologicznych rozwoju silników spalinowych można dokonać w trzech aspektach: badania emisji spalin w rzeczywistych warunkach ruchu RDE (real driving emissions), co skutkuje rozszerzeniem powtarzalnych testów hamownianych na testy wykonywane w różnych warunkach drogowych [2, 26], zmniejszanie dopuszczalnych limitów emisji dwutlenku węgla będzie powodować elektryfikację napędów pojazdów, co wymusi na konwencjonalnych silnikach spalinowych zmniejszenie zużycia paliwa i zwiększenie ich sprawności, coraz mniejsze wartości limitów emisji związków szkodliwych skutkują dla silników ZS dalszą redukcją emisji tlenków azotu, natomiast dla silników ZI z bezpośrednim wtryskiem paliwa istotną kwestią jest zmniejszenie liczby cząstek stałych Analiza rozwiązań konstrukcyjnych silników ZI DI w aspekcie poprawy parametrów ekologicznych Silniki DISI zostały wprowadzone jako zapotrzebowanie na nowoczesne rozwiązania ekologicznych silników spalinowych. Obecnie najnowsze silniki MPI, choć bardzo zaawansowane technologicznie, prawie osiągnęły szczyt ich potencjału jako systemu opartego na przepustnicy i wtrysku paliwa do kolektora dolotowego (MPI) [13]. Główne zalety silników ZI DI, takie jak mniejsze zużycie paliwa i większa wydajność cieplna, są możliwe przy zastosowaniu bardziej złożonego układu wtryskowego oraz kilku strategii sterowania. Silniki te mogą pracować w dwóch trybach, zgodnie z dystrybucją paliwa: tryb jednorodny jednorodną mieszaninę formuje się w cylindrze, i tryb warstwowy uwarstwioną mieszaninę formuje się w cylindrze; w tym trybie pracy ogólny współczynnik λ ma wartość większą od 1,3 (λ 1,3). Skomplikowane algorytmy sterowania i złożone układy zasilania wymuszają na inżynierach wyzwania w zakresie emisji, stabilności i kontroli spalania, zużycia paliwa, wydajności i trwałości silnika oraz złożoności systemu. Nowe algorytmy sterowania wymuszają znacznie większą liczbę zmiennych kalibracyjnych do prawidłowej optymalizacji systemu [45]. W Europie silniki o zapłonie samoczynnym przestały być konkurencyjne wobec silników benzynowych (przyczyniła się do tego również opinia społeczeństw po publikacji danych na temat zaniżonych pomiarów emisji spalin w silnikach ZS produkowanych przez firmę Volkswagen) i zaczęły tracić rynek zbytu, nawet tam, gdzie ich pozycja nie była wcześniej zagrożona (samochody osobowe). Skłoniło to producentów silników do intensywnych prac rozwojowych, które zaowocowały wprowadzeniem w silnikach ZI wielu innowacji, o czym

20 2. Analiza możliwości zmniejszenia zanieczyszczeń z pojazdów w świetle nowych limitów emisji spalin 2 świadczy na przykład fakt, że w rankingu Engine of the year 216 organizowanym przez magazyn Engine Technology International [42] wszystkie najwyżej punktowane miejsca zajęły właśnie silniki ZI (tabl. 2.5). Silnikiem roku wytypowano silnik Ferrari 3.9 V8 biturbo, który również zajął pierwsze miejsce w kategorii najlepszy nowy silnik. W roku 215 w plebiscycie Engine of the year zwyciężył 1,5-litrowy, trzycylindrowy silnik niemieckiego producenta (BMW). Tablica 2.5. Silniki roku 216 według magazynu Engine Technology International [42] Silnik Roku 216 w klasyfikacji ogólnej Ferrari 3.9 V8 Biturbo *) ZI, V ss = 3,9 dm 3 N e = 492 kw przy 8 obr/min M o = 76 Nm przy 3 obr/min = 12, 8 cylindrów, widlasty przyspieszenie 1 km/h: 3, s zużycie paliwa: 11,4 dm 3 /1 km Silnik o objętości do 1 dm 3 Ford1, EcoBoost ZI, V ss = 1, dm 3 N e = 74 kw przy 6 obr/min M o = 17 Nm przy 15 obr/min 3 cylindry, rzędowy przyspieszenie 1 km/h: 7,9 s zużycie paliwa: 7,1 dm 3 /1 km Silnik o objętości 1,8 2, dm 3 Mercedes AMG ZI, V ss = 1,99 dm 3 N e = 28 kw przy 6 obr/min M o = 475 Nm od 225 obr/min 4 cylindry, rzędowy przyspieszenie 1 km/h: 4,2 s V max = 25 km/h zużycie paliwa: 7,1 dm 3 /1 km Podane rozwiązania są efektem m.in. ograniczenia objętości skokowej silników przy jednoczesnym zwiększeniu stopnia ich wysilenia downsizingu, określanego jako statyczny (dotyczący zmniejszenia pojemności skokowej silnika) lub dynamiczny (polegający na deak-

21 ] [ ] 2. Analiza możliwości zmniejszenia zanieczyszczeń z pojazdów w świetle nowych limitów emisji spalin 21 tywacji części cylindrów podczas pracy silnika). Przewiduje się, że tendencje do zmniejszenia liczby cylindrów będą coraz większe, gdyż prognozy zwiększenia produkcji silników 2- i 3- -cylindrowych wskazują na ich największą intensywność przyrostu (rys. 2.4) [79]. Ma to odzwierciedlenie w liczbie pojawiających się na rynku dostępnych silników o zapłonie samoczynnym (typowe już rozwiązania) i iskrowym z układami turbodoładowania. Zakłada się, że w ciągu najbliższych kilku lat roczny przyrost tych ostatnich rozwiązań wyniesie około 2% (rys. 2.5) średnioroczny - procentowy przyrost 2,4-4% 7.9 liczba silników [mln szt.] ,9 1% 7,8 5% 79,7 63,3 19% 6,4 12, , 1-cyl. 6-cyl. 4-cyl. 2-, 3-cyl. inne + Rys Trendy w rozwoju silników spalinowych [78] liczba układów doładowania [mln szt.] średnioroczny procentowy pr,yrost,8 1,9 2,1,5 11,8 8% 12% 1% 4% 4% 1.2 3,4 2,2,6 14, rok silniki ZS Chiny Indie/Tajlandia Japonia/Korea USA Europa przyrost o 25% liczba układów doładowania [mln szt.] średnioroczny procentowy przyrost 1,2,8,8 5, 19% 8% 24% 11% 2,9 1,2 2,3 8, rok silniki ZI Chiny Japonia/Korea USA Europa przyrost o 9% Rys Liczba produkowanych silników ZS i ZI wyposażonych w układy turbodoładowania [62] Stosowane we współczesnych pojazdach samochodowych silniki o zapłonie iskrowym nie stanowią tak jednolitej grupy pod względem rozwiązań systemu wtrysku i spalania, jak silniki o zapłonie samoczynnym. Konstrukcje systemów spalania silników ZI dzielą się na układy wtrysku pośredniego do kanału dolotowego niskociśnieniowe i bezpośredniego do cylindra

22 2. Analiza możliwości zmniejszenia zanieczyszczeń z pojazdów w świetle nowych limitów emisji spalin 22 średniociśnieniowe [8]. Nieliczne konstrukcje będące połączeniem obu tych systemów nie znalazły szerokiego zastosowania (m.in. w silniku firmy Lexus 2GR-FSE oraz silniku Audi EA generacji, wykorzystuje się pośredni i bezpośredni wtrysk paliwa do cylindra). Liczne konstrukcje systemu bezpośredniego wtrysku benzyny wskazują na brak zadowalających rozwiązań tego typu układu zarówno pod względem uzyskiwanych parametrów pracy, jak i emisji szkodliwych składników spalin. Wtrysk paliwa do cylindra powinien umożliwiać spalanie ładunku homogenicznego (wykorzystywane w układach wtrysku pośredniego, który powoduje jednak znaczne straty ładunku przed dostarczeniem go do zamkniętej objętości cylindra), a także co obecnie jest głównym kierunkiem prac badawczych i rozwojowych uzyskiwanie ładunku niejednorodnego (uwarstwionego), pozwalającego na spalanie mieszanek ubogich. Pod tym względem systemy spalania silników o zapłonie iskrowym upodobniają się do systemów spalania stosowanych w silnikach o zapłonie samoczynnym (zastosowanie np. kontrolowanego samozapłonu w silniku ZI). Układy średniociśnieniowego, bezpośredniego, wieloczęściowego wtrysku benzyny są obecnie głównym przedmiotem badań w tych silnikach, gdyż wtrysk taki pozwala na dowolne ilościowe i jakościowe kształtowanie charakteru ładunku i wpływa na sposób jego późniejszego spalania. Bezpośredni wtrysk benzyny realizuje się wykorzystując boczne lub centralne usytuowanie wtryskiwacza (niezbyt często stosowane rozwiązanie ze względu na techniczne trudności realizacji). Pierwsze rozwiązanie pozwala na uzyskanie odpowiedniego czasu na przygotowanie ładunku do spalania, gdyż wtrysk jest możliwy zanim tłok osiągnie górne martwe położenie (GMP). Czas ten jest wykorzystany na odpowiednie odparowanie paliwa i jego przygotowanie do spalania. Równocześnie jednak następuje rozrzedzanie tej strefy i utrata uwarstwienia, rozkład paliwa w cylindrze jest nierównomierny, co zmniejsza sprawność spalania. Znacznie korzystniejsze pod tym względem jest centralne umieszczenie wtryskiwacza w komorze spalania. Problemem wtedy jest jednak skrócenie czasu przygotowania ładunku (wymieszanie i odparowanie kropel paliwa) oraz sposób umieszczenia świecy zapłonowej. Trudno jest również uzyskać ładunek homogeniczny szczególnie przy dużym obciążeniu wtrysk dużej dawki paliwa bez jej podziału. Nieprawidłowe umieszczenie świecy zapłonowej jest przyczyną powstawania nagaru na jej elektrodach, co uniemożliwia uzyskanie prawidłowego wyładowania. Sposób ten jest jednak znacznie korzystniejszy przy stosowaniu ładunku uwarstwionego i pracy silnika ze znacznym nadmiarem powietrza (można osiągnąć wartości = 3 5 w zależności od sposobu podziału dawki paliwa i przygotowania ładunku). Na podstawie badań przeprowadzonych przez Petersena i in. [77] wykazano, że w silniku o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtryskiem paliwa brak spalania lub jego nieprawidłowy przebieg nie są uzależnione od braku wyładowania na świecy zapłonowej, lecz od nieprawidłowo przygotowanego ładunku do spalania. Systemy oczyszczania spalin są integralną częścią silnika i muszą być projektowane wspólnie oraz razem poddawane badaniom. Dalszy rozwój konstrukcji silników spalinowych i systemów oczyszczania spalin (tabl. 2.6) wymaga intensywnych prac badawczych nad takimi problemami, jak emisja po rozruchu zimnego silnika, zmniejszanie wartości emisji innych składników spalin, obecnie nielimitowanych, zwiększenie zainteresowania paliwami alternatywnymi i gazowymi oraz badania ich wpływu na emisję związków szkodliwych w spalinach. Trwają intensywne prace badawcze nad dostosowaniem filtrów cząstek stałych do pojazdów z silnikami ZI DI. Pierwsze takie produkty charakteryzują się skutecznością 8% (w teście

23 2. Analiza możliwości zmniejszenia zanieczyszczeń z pojazdów w świetle nowych limitów emisji spalin 23 FTP75), a jednocześnie zwiększeniem zużycia paliwa o około 5 1% w zależności od warunków ruchu. Tablica 2.6. Analiza możliwości zmniejszenia emisji spalin z zastosowaniem różnych technologii Wewnątrzsilnikowe NOx PM HC CO CO 2 zwiększenie stopnia chłodzenia EGR zmniejszenie stopnia sprężania do 16,5 spalanie ze wstępnym mieszaniem ulepszony system wtrysku 4 zawory na cylinder zmienne sterowanie zaworów Pozasilnikowe NOx PM HC CO CO 2 filtr cząstek stałych filtr NO x selektywna redukcja katalityczna reaktor utleniający wstępny Struktura chemiczna cząstek stałych emitowanych z silnika ZI DI jest porównywalna do PM emitowanych z silników ZS. W trybie warstwowym PM są tworzone z organicznego węgla, sadzy i niespalonych oraz częściowo utlenionych węglowodorów. W trybie jednorodnym budowa cząstek jest prostsza zawierają one głównie sadzę i związki lotne [88]. Różnicą między emisją z silników ZS i z silników ZI DI jest większy udział składników lotnych i zmienny udział składników węglowych. Struktura cząstek bardzo zależy od parametrów pracy silnika, takich jak obciążenie silnika, tryb pracy silnika oraz, wynikających ze stanu cieplnego silnika, temperatury i ciśnienia w cylindrze [82]. Ponadto morfologia cząstek jest silnie związana z rodzajem paliwa stosowanego do zasilania silnika. Także różne paliwa mogą prowadzić do różnych poziomów emisji [44]. Najważniejszymi przyczynami powstawania cząstek stałych w silnikach ZI DI są [47, 82, 13]: w trybie jednorodnym (λ = 1,) skraplanie paliwa, gdzie krople paliwa osadzają się na powierzchni cylindra, w trybie warstwowym (λ 1,3) niepełne spalanie w wyniku powstawania lokalnych obszarów bogatej mieszanki paliwa, obecność cienkiej warstwy ciekłego paliwa na powierzchni tłoka w tych obszarach prędkość spalania spada, co powoduje niecałkowite spalanie; problem ten jest charakterystyczny dla wtrysku paliwa typu wall-guided stosowanego do uzyskania uwarstwienia mieszanki [22], niewystarczające odparowanie paliwa krople paliwa osadzają się na powierzchni cylindra, prowadząc w efekcie do zakłóceń procesu spalania, głównie podczas zimnego rozruchu silnika; problem ten jest charakterystyczny dla wtrysku paliwa typu sprayguided,

24 2. Analiza możliwości zmniejszenia zanieczyszczeń z pojazdów w świetle nowych limitów emisji spalin 24 zaburzenie wtrysku paliwa kształt strumienia wtryskiwanego paliwa, słabe rozpylenie oraz niewłaściwy moment wtrysku dawki, stan cieplny silnika problemy z zimnym rozruchem, osiągnięcie temperatury pracy reaktora katalitycznego itd., właściwości paliwa struktura chemiczna, zawartość WWA, naftalenu i alkenów. Istnieje wiele strategii, aby zminimalizować proces powstawania cząstek w komorze spalania [82]. Pierwsza strategia zakłada kontrolę całego procesu spalania oraz warunków eksploatacji silnika. Przede wszystkim strategia ta zapewnia, że temperatura w komorze spalania jest wystarczająca, aby umożliwić najbardziej kompletny proces spalania mieszanki powietrznopaliwowej. Innym sposobem zapobiegania emisji cząstek jest zminimalizowanie warstwy oleju w komorze spalania. Jednak najbardziej efektywnym sposobem sterowania procesem spalania jest kontrola procesu nagrzewania silnika, po zimnym rozruchu, za pomocą inteligentnego systemu chłodzenia. Rozwiązanie to zastosowano w wielu pojazdach. Druga strategia skupia się na kontroli całego procesu spalania, w celu zapewnienia optymalnej wydajności. Uzyskuje się to dzięki zapewnieniu optymalnego zawirowania mieszanki paliwowej, optymalizacji prędkości ruchu mieszanki paliwowej i zapobieganiu tworzenia się obszarów o lokalnie bogatym składzie mieszanki. Ponadto zastosowanie i sterowanie opóźnieniem zapłonu może spowodować wzrost temperatury gazów spalinowych, który ma znaczący wpływ na sprawność systemu oczyszczania spalin. Trzecia strategia ma na celu sterowanie warunkami dolotu powietrza. Może to być realizowane przez dostarczenie wystarczającej objętości powietrza, optymalizację przekrycia zaworów, wdrożenie systemu zmiennych faz rozrządu zaworów i optymalizacji systemu EGR. Ostatecznie proces powstawania cząstek stałych jest silnie powiązany z procesem dostarczania paliwa. Dlatego istnieje duże potrzeba wdrożenia optymalnych modeli wtrysku paliwa, zminimalizowania nadmiernego zwilżenia ścianek i poprawy całego układu wtrysku przez podniesienie ciśnienia wtryskiwanego paliwa, zapewnienie wysokiej temperatury paliwa i zastosowanie wielostopniowego wtrysku paliwa. W związku z tym niektóre innowacje konstrukcyjne to hybrydowe układy wtryskowe, obejmujące jednoczesną pracę bezpośredniego (DI) i pośredniego (MPI) systemu wtrysku paliwa. Jednoczesne wykorzystanie tych strategii może prowadzić do efektu synergicznego, powodując dalsze zmniejszenie natężenia wytwarzania cząstek. Jednak procesu formowania cząstek nie można całkowicie uniknąć. W tym kontekście kluczową rolę odgrywa system oczyszczania spalin, który zmniejsza masę i liczbę cząstek stałych. Poprawę skuteczności systemu oczyszczania spalin można osiągnąć przez sprzyjanie procesom utleniania cząstek stałych w kolektorze wylotowym. Osiągnięcie tego jest możliwe dzięki regulacji parametrów pracy silnika, co zapewnia wysoką temperaturę spalin i dostarczenie odpowiedniej ilości tlenu. Znaczenie ma również osiągnięcie temperatury pracy (T5) w stosunkowo krótkim czasie, który określa wydajność katalizatora. Najgorszy scenariusz zakłada rozszerzenie ogólnego kształtu i złożoności systemu oczyszczania spalin przez dodanie filtrów cząstek stałych. Obecnie silniki ZS wyposażone są zazwyczaj w tego typu rozwiązania. Jednakże w odniesieniu do silników o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtryskiem wciąż toczy się debata w kontekście politycznym i gospodarczym o zasadności i konieczności wprowadzenia technologii filtrów GPF. Z jednej strony to rozwią-

25 2. Analiza możliwości zmniejszenia zanieczyszczeń z pojazdów w świetle nowych limitów emisji spalin 25 zanie pozwoliłoby na zmniejszenie ogólnej emisji cząstek stałych do znikomych wartości, ale z drugiej strony jest obciążone wysokimi kosztami opracowywania i wprowadzenia na rynek. Na razie producenci samochodów nie zdecydowali ostatecznie, czy używać systemów GPF, czy pozostawać przy innych rozwiązaniach. Podsumowując, istnieje wiele sposobów, o różnej skuteczności, zmniejszania emisji cząstek stałych. Jednak w kontekście przyszłości ważne jest, aby dokonać rozsądnego wyboru przy użyciu najbardziej skutecznej i możliwie najtańszej strategii oczywiście z punktu widzenia konsumenta. Zgodnie z wynikami przedstawionymi w [48] (rys. 2.6), wykorzystanie GPF znacznie zmniejsza emisję PN, do poziomu porównywalnego z poziomem dla silników PFI. Niestety, rozwiązanie to jest wciąż w fazie rozwoju, ze względu na problemy ekonomiczne i techniczne jego zastosowania. Szacowany koszt GPF wynosi 5 23 [2]. Producenci biorą pod uwagę również aspekty techniczne, którymi są: rozmiar filtra, lokalizacja filtrów w systemu oczyszczania spalin i struktura filtra. Rys Mapa wyników emisji PM i PN dla przedstawionych wyników badań (opracowano na podstawie [7, 45, 48, 59, 72, 88]) Rozwój nowych silników DISI stwarza nowy problem w silnikach o zapłonie iskrowym emisję cząstek stałych. Ze względu na ciągły rozwój silników spalinowych, zarówno ZS, jak i ZI, wiele państw wprowadziło bardziej rygorystyczne i skomplikowane normy emisji. W Europie jest ograniczona nie tylko masa cząstek stałych, ale także liczba cząstek, które są emitowane z silników ZS i ZI DI. Problemem dla producentów jest przyszły standard PN Euro 6c, mający obowiązywać dla silników ZI DI. Silniki ZI z bezpośrednim wtryskiem paliwa, które są dostępne na rynku już obecnie, nie spełniają przyszłych wymogów ilościowej emisji cząstek stałych (PN). Producenci silników i pojazdów opracowali wiele strategii zmniejszania emisji. Dwie z tych strategii dają obiecujące wyniki w redukcji emisji PM i PN: Zastosowanie mieszanki etanolu jako paliwa może to stać się najbardziej interesującym kierunkiem rozwoju silników spalinowych [8, 9]. Mieszanki typu E5 skutecznie zmniejszają emisję PM i PN, i są również znane jako paliwa alternatywne dla przyszłych silników ZI. Możliwość wykorzystania etanolu jest testowana na całym świecie, z obiecującymi wynikami.

26 2. Analiza możliwości zmniejszenia zanieczyszczeń z pojazdów w świetle nowych limitów emisji spalin 26 Wykorzystanie GPF; to rozwiązanie zmusza producentów do wyposażania samochodów z silnikiem ZI DI w filtry cząstek stałych. Niestety, to rozwiązanie stwarza kilka problemów natury ekonomicznej i technicznej, które pozostają nierozwiązane. Należy zauważyć, że obecna metoda pomiaru emisji PN ustalona przez normy europejskie ma bardzo wąski zakres pomiaru. Metodologia polegająca na użyciu licznika cząstek umożliwia tylko pomiar cząstek o średnicy większej niż 23 nm. Główna grupa cząstek, mająca bardzo negatywny wpływ na zdrowie ludzkie, to cząstki o średnicy poniżej 23 nm. W związku z tym istnieje potrzeba przygotowania nowej metodologii pomiaru dla przyszłych norm emisji, która może zawierać bardziej dokładne rozwiązania pomiaru liczby cząstek stałych, a także zawierać pomiar rozkładu wielkości cząstek jako obowiązkowego badania.

27 3. Analiza parametrów szybkozmiennych procesu spalania nowoczesnych silników ZI 3.1. Podstawy procesów spalania w silniku ZI Proces spalania w silniku ZI jest bardzo trudny do jednoznacznego opisu teoretycznego ze względu na bardzo dużą ilość wzajemnie powiązanych czynników, które go determinują. Także wyniki badań eksperymentalnych nie zawsze można przenosić na rzeczywistą pracę silników. W klasycznej literaturze opisującej procesy spalania w silnikach z ZI [51] wyróżnia się trzy okresy: powstawanie płomienia (wstępny), rozprzestrzeniania się płomienia (właściwego spalania), dopalania. Za początek spalania przyjmuje się chwilę pojawienia się iskry między elektrodami świecy zapłonowej. Natomiast wg autorów [94, 95] utlenianie paliwa zaczyna się już wcześniej, gdy paliwo jest zmieszane w układzie dolotowym i w cylindrze silnika, zanim zostanie zapalone od iskry elektrycznej. Po wejściu do cylindra mieszanka ogrzewa się od jego ścianek i od denka tłoka oraz w wyniku sprężania. W tym czasie, aż do chwili zapalenia w mieszance przebiegają reakcje utleniania niskotemperaturowego, których wynikiem są pośrednie produkty utleniania aldehydy, alkohole, ketony, kwasy, nadtlenki itp. Produkty utleniania mają większą prędkość spalania niż wyjściowe węglowodory, dlatego ich obecność w cylindrze powoduje przyspieszenie spalania. Szczególnie dużą zdolnością przyspieszenia spalania odznaczają się nadtlenki. Wynika z tego, że istotny wpływ na przebieg procesu spalania po zainicjowaniu go iskrą elektryczną ma to, co wytworzyło się w mieszance przed zapłonem. W związku z tym proces spalania w silniku o ZI obejmuje cztery umowne okresy (rys. 3.1): 1. Okres wstępny rozpoczyna się w kolektorze dolotowym silnika i przebiega z małą, ale rosnącą intensywnością przez cały czas sprężania mieszanki. W okresie tym niektóre składniki węglowodorowe paliwa ulegają rozkładowi, reagują z tlenem tworząc w niewielkiej ilości nadtlenki, aldehydy, alkohole i kwasy organiczne. Intensywność tych reakcji zależy m.in. od właściwości paliwa i czasu stykania się jego par z powietrzem. Im czas ten jest krótszy, np. przy zasilaniu wtryskowym tym ilość produktów reakcji okresu wstępnego jest mniejsza. 2. Okres powstawania płomienia (spalania utajonego) rozpoczyna się w chwili pojawienia się iskry pomiędzy elektrodami świecy zapłonowej, a kończy się (umownie) w chwili wystąpienia gwałtownego wzrostu ciśnienia spowodowanego spalaniem. W okresie tym charakterystyka wzrostu ciśnienia dla mieszanki zapalonej i niezapalonej jest taka sama. Obejmuje on czas opóźnienia zapłonu i wytworzenia się krytycznego obszaru objętego płomieniem. Od tego czasu płomień może się rozprzestrzeniać bez żadnego dopływu energii z zewnątrz. Pod koniec tego okresu szybkość wywiązywania się ciepła jest zbliżona do maksymalnej. Czas trwania okresu powstawania płomienia jest zdeterminowany właściwościami paliwa (mieszanki), energią iskry i stopniem sprężania.

28 3. Analiza parametrów szybkozmiennych procesu spalania nowoczesnych silników ZI Okres rozprzestrzeniania się płomienia (spalania właściwego) trwa od chwili przyrostu ciśnienia spowodowanego spalaniem do chwili wystąpienia maksymalnej wartości ciśnienia. W okresie tym czoło płomienia rozprzestrzenia się od obszaru początkowego przez całą objętość mieszanki i następuje bardzo szybkie wywiązywanie się ciepła, któremu towarzyszy gwałtowny przyrost ciśnienia. Okres ten kończy się wtedy, gdy czoło płomienia dochodzi do najodleglejszej ścianki komory spalania, czemu towarzyszy maksymalna wartość ciśnienia. Czas trwania tego okresu zależy m.in. od ukształtowania i wymiarów komory spalania, umiejscowienia świecy zapłonowej, stopnia zawirowania mieszanki, kąta wyprzedzenia zapłonu oraz prędkości obrotowej i właściwości paliwa. Rys Przebieg zmian ciśnienia p i temperatury T w cylindrze silnika o ZI z zaznaczonymi okresami spalania: I okres wstępny, II okres powstawania płomienia, III okres spalania właściwego, IV okres dopalania, 1 wystąpienie iskry elektrycznej, 2 początek spalania, 3 koniec spalania właściwego 4. Okres dopalania trwa od chwili wystąpienia maksymalnej wartości ciśnienia do zakończenia wydzielania się ciepła. W okresie tym dopalają się resztki mieszanki w objętości komory spalania, a temperatura osiąga największą wartość. Ciśnienie zmniejsza się w wyniku wzrostu objętości zajmowanej przez ładunek i zmniejszenia doprowadzenia ciepła. Okres dopalania kończy proces spalania.

29 3. Analiza parametrów szybkozmiennych procesu spalania nowoczesnych silników ZI 29 Według [58] podział na poszczególne okresy jest umowny, a ich granice nie są ściśle określone. Przedstawiony wyżej proces nosi nazwę spalania normalnego, którego ważnym parametrem jest prędkość spalania. Związany jest z nią czas spalania i prędkość rozchodzenia się czoła płomienia, która wynosi 15 3 m/s. Na przebieg procesu spalania mają wpływ następujące czynniki: stopień sprężania silnika, skład mieszanki, prędkość obrotowa silnika, obciążenie silnika, kąt wyprzedzenia zapłonu, dławienie silnika na wylocie, stan przygotowania mieszanki. Stopień sprężania silnika decyduje m.in. o temperaturze i ciśnieniu w komorze spalania w chwili wystąpienia iskry. Zwiększenie stopnia sprężania powoduje przyspieszenie reakcji chemicznych, okres wstępny jest wtedy krótszy, a podczas właściwego spalania zwiększa się intensywność wydzielania ciepła. Ze wzrostem stopnia sprężania czas spalania się skraca. Skład mieszanki wpływa na czas spalania. Najkrótszy czas spalania, a tym samym największą prędkość spalania mają mieszanki o składzie nieco bogatszym niż stechiometryczny (λ =,9 1,), natomiast największa temperatura występuje dla λ =,9 1,5. Zarówno mieszanki bogatsze w paliwo, jak i uboższe spalają się wolniej. W pierwszym przypadku wynika to z braku tlenu koniecznego do całkowitego spalania mieszanki, a w drugim z konieczności ograniczenia dodatkowej ilości powietrza. Prędkość obrotowa ze wzrostem prędkości obrotowej silnika zwiększa się bezwzględna prędkość spalania. Ale przy dużych prędkościach obrotowych czas spalania odniesiony do kąta obrotu wału korbowego wydłuża się, a to wymaga zwiększenia kąta wyprzedzenia zapłonu. Obciążenie silnika zwiększenie obciążenia silnika powoduje wzrost temperatury i ciśnienia w cylindrze. Powoduje to zwiększenie prędkości spalania i skrócenie czasu spalania. Kąt wyprzedzenia zapłonu powinien być optymalny, zależnie od wymiarów cylindra, stopnia sprężania, intensywności zawirowania mieszanki, prędkości obrotowej i obciążenia silnika, a także od właściwości paliwa. Im prędkość obrotowa silnika jest większa a obciążenie silnika mniejsze, tym zapłon musi występować wcześniej (kąt wyprzedzenia zapłonu musi być większy) i odwrotnie. W związku z powyższym kąt wyprzedzenia zapłonu jest zmieniany automatycznie, zależnie od warunków pracy silnika. Dławienie silnika na wylocie powoduje zwiększenie pozostałości spalin z poprzedniego cyklu pracy w cylindrze, a to zmniejsza prędkość spalania (występuje niedobór tlenu). Stan przygotowania mieszanki mieszanka niejednorodna, która zawiera nieodparowane krople paliwa spala się wolniej. Występują lokalne niedobory tlenu, a część małolotnych składników paliwa może nie zdążyć wcale odparować. Osiadają one na ściankach cylindra i spływają do miski olejowej, spłukując i rozcieńczając olej silnikowy.

30 3. Analiza parametrów szybkozmiennych procesu spalania nowoczesnych silników ZI 3 Proces powstawania mieszanki paliwowo-powietrznej Fundamentalnym etapem utworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej jest doprowadzenie porcji paliwa ciekłego do stanu gazowego i wymieszanie go z powietrzem w takich proporcjach, aby nastąpił zapłon i spalanie utworzonej mieszanki. W silnikach o zapłonie iskrowym na spalanie tej mieszanki przewidziany jest bardzo krótki czas, tak więc szybkie i skuteczne odparowanie paliwa jest głównym aspektem wpływającym na prawidłowy przebieg procesu spalania. Proces powstawania mieszanki paliwowopowietrznej składa się z wielu faz, a najważniejsze z nich to: rozdrabnianie ciekłego paliwa, odparowanie ciekłego paliwa, dyfuzja par paliwa do powietrza. Stopień rozdrobnienia paliwa zależy od jego właściwości, a szczególnie od napięcia powierzchniowego. Największe napięcie wykazują węglowodory aromatyczne, najmniejsze zaś węglowodory parafinowe. Im lepsze jest rozdrobnienie paliwa tym większa jest szybkość odparowania paliwa i jej stopień. Szybkość parowania benzyny w procesie powstawania mieszanki paliwowo-powietrznej zależy od składu frakcyjnego i prężności par nasyconych benzyny. Określone punkty krzywej składu frakcyjnego (rys. 3.2) mają zasadnicze znaczenie przy ocenie eksploatacyjnych właściwości benzyny. Rys Krzywe składu frakcyjnego: 1 frakcja rozruchowa ( 1%), 2 frakcja robocza (1 9%), 3 frakcja pozostałościowa (od 9% do końca destylacji), t pd temperatura początku destylacji, t kd temperatura końca destylacji, t 1 temperatura oddestylowania 1% paliwa, t 5 temperatura oddestylowania 5% paliwa, t 9 temperatura oddestylowania 9% paliwa [12] W celu pełniejszej charakterystyki tych właściwości benzyny krzywą składu frakcyjnego dzieli się na trzy części: frakcję rozruchową, określoną temperaturą początku destylacji tpd i temperaturą oddestylowania 1% paliwa t1, frakcję roboczą, określoną temperaturami t1 i t9, frakcję pozostałościową, określoną temperaturami t9 i tkd.

31 3. Analiza parametrów szybkozmiennych procesu spalania nowoczesnych silników ZI 31 Znaczenie eksploatacyjne ma również temperatura oddestylowania 5% paliwa t5. Właściwości rozruchowe paliwa są tym lepsze, im więcej znajduje się w nich lekkich, niskowrzących węglowodorów. W praktyce temperatura t1 nie może przekraczać 7 8 o C. Z uwagi na warunki atmosferyczne temperatura tpd paliw letnich nie jest niższa niż 35 o C, a paliw zimowych niż 3 o C. Temperatura t5 określa średnią odparowalność paliwa, mającą zasadnicze znaczenie przy szybkości nagrzewania się i regularności pracy silnika. Dla benzyn silnikowych samochodowych t5 wynosi nie więcej niż 1 o C, choć i tu są wyjątki. Temperatura końca destylacji oraz temperatura oddestylowania 9% paliwa t9 określają zawartość najcięższych, trudno odparowalnych składników benzyn. Ich obecność w benzynach ma ujemny wpływ na pracę silnika. Zbyt wysoka temperatura t9 powoduje zwiększone zużycie paliwa, a przez rozcieńczenie oleju silnikowego nie spalonym paliwem przyspieszone zużycie silnika. Na ogół benzyny handlowe w Polsce mają temperatury: t9 wynoszącą o C, oraz tkd równą o C. Spalanie benzyn w silniku ZI W wyniku spalania benzyny w silniku o ZI energia chemiczna zawarta w paliwie zostaje przekształcona na energię cieplną. Podczas spalania powstaje ciepło i gazy spalinowe, które wykonują pracę mechaniczną, a więc czynnika roboczego. Spalanie jest to proces fizykochemiczny, którego podstawą jest przebiegająca z dużą szybkością reakcja chemiczna utleniania, polegająca na gwałtownym łączeniu się substancji spalanej z utleniaczem. W silniku spalinowym reakcje spalania przebiegają w fazie gazowej, dlatego paliwo ciekłe musi być wprowadzone w stan parowy. Przebieg procesu spalania zależy od właściwości paliwa i od warunków, w jakich przebiega. Najczęściej do zasilania silników stosowane są paliwa węglowodorowe. Przebieg spalania takich paliw jest bardzo złożony i dotychczas nie jest ostatecznie wyjaśniony. Spośród wielu teorii spalania węglowodorów najczęściej przyjmowana jest teoria, która zakłada, że jest to rozgałęziona reakcja łańcuchowa. Zgodnie z tą teorią pierwszym ogniwem łańcucha są aktywne nadtlenki, czyli substancje zawierające w cząsteczce grupę O O, która powstaje w wyniku rozerwania jednego wiązania w cząsteczce tlenu O=O. W procesie spalania powstają różne aktywne rodniki oraz cząsteczki typu: R, OH, O, CO i inne. Są one nietrwałe i rozkładają się na dwie lub więcej cząsteczek aktywnych. Jeżeli w wyniku rozkładu powstaje tylko jedna cząsteczka lub rodnik to reakcja taka jest reakcją łańcuchową prostą, jeśli więcej niż jedną rozgałęzioną. W rzeczywistości występują oba rodzaje reakcji równolegle. Aby reakcja się rozwijała, szybkość powstawania nowych rodników węglowodorowych oraz innych cząsteczek aktywnych powinna być większa niż szybkość zrywania łańcuchów. W przeciwnym przypadku spalanie zanika. Jeśli liczba wydzielanych cząsteczek aktywnych w każdej reakcji podwaja się prowadzi to do rozgałęzienia łańcucha i do reakcji przebiegającej lawinowo. Niektórzy autorzy publikacji [95, 38] stwierdzają, że nadtlenki są główną przyczyną gwałtownego przyspieszania spalania w silniku. Spalanie benzyny, a dokładnie mieszanki paliwowo-powietrznej jest procesem krótkotrwałym i dlatego utlenianiu ulega tylko ta część paliwa, która znajduje się w stanie odparowanym. W rzeczywistych warunkach pracy silnika ładunek cylindra składa się z mieszanki palnej oraz pozostałości spalin z poprzedniego suwu pracy i nazywa się mieszanką roboczą.

32 3. Analiza parametrów szybkozmiennych procesu spalania nowoczesnych silników ZI 32 Warunkiem powstawania zapłonu jest: odpowiednie stężenie par paliwa w powietrzu; odpowiednia energia iskry elektrycznej. Ze względu na rozkład i postać mieszanki paliwowo-powietrznej w cylindrze i w komorze spalania wyróżnia się: mieszankę jednorodną (homogeniczną), w której paliwo występuje wyłącznie w fazie gazowej i która w komorze spalania ma jednorodny skład (ma w przybliżeniu stałą wartość λ). Występuje przy zasilaniu gaźnikowym i wtryskowym pośrednim, z wyjątkiem rozruchu, zwłaszcza w niskiej temperaturze otoczenia, kiedy paliwo ciekłe jest częściowo w postaci kropel o różnej średnicy; mieszankę dwufazową (heterogeniczną), w której paliwo występuje głównie w fazie ciekłej w postaci kropel oraz częściowo w postaci pary. Sytuacja ma miejsce przy zasilaniu gaźnikowym i wtryskowym pośrednim podczas rozruchu silnika w niskiej temperaturze otoczenia; mieszankę uwarstwioną, w której w chwili zapłonu w pobliżu świecy zapłonowej znajduje się obłok mieszanki palnej par paliwa i powietrza o wartości współczynnika λ 1. Pozostała przestrzeń komory spalania jest wypełniona czystym powietrzem lub mieszanką bardzo ubogą. Ten palny obłok mieszanki, znajdujący się tylko w części komory spalania, jest nazywany mieszanką uwarstwioną, w odniesieniu do całej objętości komory spalania mieszanka jest bardzo uboga (nawet do λ = 1). Należy podkreślić, że mieszankę uwarstwioną można praktycznie uzyskać tylko w silnikach ZI z bezpośrednim wtryskiem paliwa Badania indykatorowe w warunkach statycznych i dynamicznych silników ZI Współczesny rozwój silników spalinowych jest wymuszony przez spełnienie wymagań dotyczących z jednej strony ochrony środowiska przez minimalizację emisji związków toksycznych zawartych w spalinach oraz zmniejszenia zużycia paliwa, a z drugiej uzyskiwania coraz większych, maksymalnych wskaźników pracy silnika spalinowego. Aby sprostać tak trudnym wymaganiom silnik poddawany jest nieustannej optymalizacji procesów spalania. Strategia podziału dawki paliwa oraz określenie optymalnej zmiennej geometrii układu dolotowego w określonych warunkach pracy silnika pozwala na poprawę osiągów oraz zwiększa sprawność jednostki napędowej. Dotychczasowa diagnostyka procesów spalania w silnikach tłokowych bazuje przede wszystkim na analizie wartości ciśnień szybkozmiennych w komorze spalania oraz ocenie szybkości wywiązywania się ciepła w warunkach ustalonych pracy silnika. Jednakże charakterystycznymi warunkami pracy silników spalinowych przeznaczonych do napędu pojazdów samochodowych jest ich losowa zmienność prędkości obrotowej oraz obciążenia. Rozkład zmian tych wielkości jest uzależniony od warunków użytkowania pojazdu i jego przeznaczenia. Analiza zapisu warunków pracy silników trakcyjnych wykazała, że podstawowymi stanami w eksploatacji jest rozbieg (około 54% czasu pracy) i hamowanie (około 3%) [57, 98]. Również podczas ruchu pojazdu w warunkach pracy silnika zbliżonych do statycznych występują fluktuacje zmian tych wielkości. Efektem dotych-

33 3. Analiza parametrów szybkozmiennych procesu spalania nowoczesnych silników ZI 33 czasowej diagnostyki jest brak pełnej analizy termodynamicznej przez niedostateczne rozpoznanie procesów spalania podczas nieustalonych warunków pracy jednostek napędowych. Pomiar szybkozmiennego ciśnienia dokonywany jest w sposób ciągły za pośrednictwem czujnika piezoelektrycznego (piezokwarcowego) wraz z odpowiednim osprzętem. Analogowy sygnał ciśnienia pochodzący z czujnika, jest próbkowany z wysoką częstotliwością przez kartę pomiarową. Znacznym utrudnieniem podczas badań maszyn tłokowych jest szybkość zmian ciśnienia w cylindrze. Dla przykładu, silniki spalinowe stosowane w komunikacji mogą pracować z prędkościami maksymalnymi rzędu 8 13 obr/min. Dokonanie pomiaru przy wspomnianych prędkościach z rozdzielczością np. Δα =,5 OWK ο wymaga stosowania aparatury pomiarowej z czasem próbkowania rzędu 6 1 μs (na jednym kanale pomiarowym). Współczesne karty pomiarowe dysponują bardzo dobrymi parametrami pracy przetwornika analogowo-cyfrowego, które umożliwiają przeprowadzenie dokładnych badań maszyn tłokowych w szerokim zakresie prędkości obrotowych wału korbowego. Jako najważniejsze należy wymienić: wysoką rozdzielczość pomiaru oraz częstotliwość próbkowania sygnału mierzonego np. 16-bitowy przetwornik A/C, o zdolności próbkowania 6 khz [97]. Współpraca karty pomiarowej z szybkimi komputerami umożliwia precyzyjne oraz dokładne indykowanie maszyn. Ponadto możliwa staje się archiwizacja uzyskanych wyników pomiarowych oraz wyświetlanie zmierzonego sygnału na ekranie komputera bezpośrednio podczas pracy maszyny cieplnej. Stosowany w układzie do indykacji, piezokwarcowy czujnik ciśnienia charakteryzuje się zdolnością pomiaru tylko zmian (przyrostów) ciśnienia. Oznacza to, że aby wyznaczyć aktualne bezwzględne ciśnienie panujące wewnątrz badanej maszyny, należy dysponować dodatkowym pomiarem tej wielkości dla znanego położenia tłoka w cylindrze (tzw. detekcja linii zerowej). Dodatkowy pomiar (najczęściej podciśnienia) realizowany jest w kanale dolotowym badanego cylindra. Prawidłowa orientacja wykresu indykatorowego wymaga ponadto określenia położenia tłoka w cylindrze, zazwyczaj jest to górny martwy punkt (GMP). Rodzaje pomiarów ciśnienia szybkozmiennego W zależności od sposobu próbkowania sygnału z czujnika ciśnienia, rozróżnia się dwie podstawowe metody pomiaru ciśnienia szybkozmiennego. Rejestracja wyników pomiarowych może odbywać się względem następujących wielkości [36]: czasu, uzyskuje się funkcję p(t), kąta obrotu wału korbowego, uzyskuje się funkcję p(α). Pierwsza z metod umożliwia zastosowanie uproszczonej wersji układu pomiarowego oraz łatwiejsze posługiwanie się narzędziem badawczym. Prowadzi to w zasadzie do krótszych czasów przygotowania samego pomiaru, jednak wykorzystanie uzyskanych wyników pomiarowych do rozważania roboczego cyklu pracy maszyny tłokowej jest znaczenie ograniczone. W metodzie tej występuje brak orientacji mierzonego ciśnienia względem pewnej wielkości geometrycznej (np. kąta obrotu wału korbowego, chwilowej objętości cylindra). Praktycznie uniemożliwia to uśrednianie wyników pomiarów wykonanych dla kilku czy kilkudziesięciu cykli pracy maszyny. Druga metoda, dzięki zastosowaniu znacznika położenia, umożliwia pomiar ciśnienia względem kąta obrotu wału korbowego. Pomiary odbywają się zawsze przy tych samych położeniach wału korbowego i kolejne punkty pomiarowe są zawsze przesunięte względem sie-

34 3. Analiza parametrów szybkozmiennych procesu spalania nowoczesnych silników ZI 34 bie o określoną wartość Δα zależną od rozdzielczości przetwornika. Tak otrzymane wyniki z występujących po sobie cykli pracy maszyny tłokowej można wiarygodnie uśredniać. Poszczególne elementy składowe układu pomiarowego muszą być dobrane do konkretnego obiektu badawczego oraz do planowanego przebiegu eksperymentu (rodzaje czujników, zakresy pomiarowe itp.). Detale kompletnego systemu badawczego determinują sposób prowadzenia pomiarów, ich zakres oraz dokładność. W skład pełnej aparatury badawczej powinny wchodzić następujące podzespoły: czujnik piezoelektryczny do pomiaru szybkozmiennego ciśnienia, wzmacniacz ładunku generujący sygnał o wartości napięcia proporcjonalnej do wartości mierzonego ciśnienia, przewody pomiarowe do transmisji ładunku oraz sygnałów napięciowych o odpowiednio wysokim poziomie izolacji, znacznik kąta obrotu wału korbowego (enkoder), karta pomiarowa wraz z komputerem PC, program do komunikacji karty pomiarowej z układem czujnika oraz archiwizacji danych, wakuometr do pomiaru średniego podciśnienia w kanale dolotowym lub piezorezystywny czujnik ciśnienia bezwzględnego. Piezokwarcowy czujnik ciśnienia W budowie przetworników do pomiaru szybkozmiennych ciśnień najbardziej rozpowszechnił się kwarc (SiO2) głównie z względu na dużą wytrzymałość mechaniczną, dobre własności izolacyjne oraz liniową charakterystykę w stosunkowo szerokim zakresie temperatur. Główną zaletą tego typu czujnika jest to, że umożliwia on dokonywanie dokładnych pomiarów dynamicznych, czyli takich, jakie występują w cylindrze silnika spalinowego (lub innej maszyny tłokowej). Powstające w nim zjawisko piezoelektryczne polega na pojawieniu się ładunków elektrycznych na powierzchniach ograniczających niektóre rodzaje kryształów. Konstrukcja przetworników ciśnienia bazuje zazwyczaj na wykorzystaniu tzw. podłużnego zjawiska piezokwarcowego (rys. 3.3) powstającego podczas działania siły skierowanej wzdłuż osi elektrycznej kryształu. Rys Schemat powstawania podłużnego zjawiska piezoelektrycznego

35 3. Analiza parametrów szybkozmiennych procesu spalania nowoczesnych silników ZI 35 Płytki kwarcowe stanowiące element pomiarowy mają kształt walca, których wysokość jest mniejsza od średnicy. W celu zwiększenia czułości przetwornika buduje się je ze stosu płytek nakładanych jedna na drugą i połączonych równolegle. Przetwornik ciśnienia dobiera się ze względu na przewidywany zakres pomiarowy, sposób oraz miejsce montażu, częstotliwość sygnału mierzonego. Ostatnie kryterium determinuje dokładność uzyskiwanych wyników pomiarowych. Częstotliwość własna przetwornika musi być odpowiednio większa od częstotliwości sygnału mierzonego, co wynika z teorii drgań [97]. W praktyce częstotliwość własna produkowanych czujników wynosi powyżej 8 khz. Przy tej wartości osiąga się zadowalająco dokładny pomiar ciśnienia z błędem poniżej 1%, także w okresie spalania stukowego, którego częstotliwość ocenia się na około 4 8 khz. Znacznik położenia wału korbowego Precyzyjne przyporządkowanie sygnałów pomiarowych konkretnym położeniom tłoka w cylindrze, umożliwia zastosowanie znacznika kąta obrotu wału korbowego (enkodera). Zadaniem tego elementu jest generowanie pojedynczych sygnałów elektrycznych, co pewien kąt Δα, które następnie wyzwalają układ karty pomiarowej powodując pomiar ciśnienia. Najczęściej w układzie badawczym stosuje się enkoder fotoelektryczny o wymaganej rozdzielczości np. 124 punkty (impulsy elektryczne) na jeden obrót. Oznacza to, że kolejny pomiar odbywa się, co określoną wartość kątową wynoszący Δα =,352 o OWK. Dodatkowo urządzenie to wyposażone jest w sygnał pojawiający się raz na jeden obrót wału korbowego. Sygnał ten wykorzystuje się do określania pojedynczych obrotów i lokalizacji tłoka w górnym martwym położeniu (GMP). Schemat działania oraz uproszczoną budowę fotoelektrycznego znacznika kąta przedstawia (rys. 3.4). Rys Zasada działania znacznika położenia wału korbowego: 1 układ nadajnika, 2 układ odbiornika, 3 okno przesłony nadajnika sygnału położenia tłoka (GMP), 4 okno przesłony nadajnika sygnału położenia wału, 5 tarcza znacznikowa z tworzywa sztucznego Zasada pomiaru w przedstawionym układzie oparta jest o blokowanie strumienia światła. W zależności od konfiguracji wykorzystuje się metody refleksyjne lub z dodatkowym źródłem światła. Możliwości technologiczne dokładnego wykonania specjalnych tarcz znacznikowych (5) powodują, że optyczne dekodery położenia kątowego są urządzeniami o wysokiej dokładności pomiaru przy małych gabarytach. Ważną ich zaletą jest wysoka odporność na

36 3. Analiza parametrów szybkozmiennych procesu spalania nowoczesnych silników ZI 36 zakłócenia elektromagnetyczne, co jest szczególnie istotne w badaniach silników spalinowych o zapłonie iskrowym. Karta pomiarowa Wzmocniony sygnał pomiarowy pochodzący z przetwornika ciśnienia jest zazwyczaj sygnałem napięciowym o wartości ±1 V, który można bezpośrednio podłączyć do karty pomiarowej. Aby dokonać pomiaru ciśnienia w jednym cylindrze silnika spalinowego karta musi posiadać, co najmniej dwa kanały pomiarowe, służące do rejestracji: zmian ciśnienia oraz pojedynczego obrotu wału (umownego występowania GMP) Wykorzystanie analizy wykresu indykatorowego silnika Wyznaczanie ciśnienia bezwzględnego wykresu indykatorowego Pomiaru ciśnienia w cylindrze silnika spalinowego dokonuje się za pomocy czujników piezokwarcowych. Ze względu na skończoną wartość rezystancji izolatorów drogi pomiarowej, wyznaczenie ciśnienia bezwzględnego przez dodanie ciśnienia otoczenia do nadciśnienia mierzonego przez tego typu czujnik jest obarczone błędem (rys. 3.5). Podczas gdy dla pierwszego skoku ciśnienia obliczona wartość bezwzględna jest prawidłowa, to z upływem czasu zaczyna ona coraz bardziej odbiegać od ciśnienia wzorcowego. Przyczyną takiego zachowania czujnika jest stopniowa zmiana ładunku drogi pomiarowej, wywołująca przesunięcie linii zerowej. Należy przy tym zauważyć, że mierzona różnica ciśnień jest prawidłowa dla każdego cyklu obciążania. Aby wyznaczyć ciśnienie bezwzględne dla każdego cyklu, należy skorygować mierzone przez czujnik nadciśnienie o odpowiednią wartość odchyłki od linii zerowej na początku każdego z cykli obciążania. Nadciśnienie wzorcowe [bar] Nadciśnienie mierzone [bar] P abs = p n + p o P abs = p n + p o p abs = p n + p o P abs p n + p o Dryft sygnału pomiarowego Nr cyklu pomiaru Rys Błąd wyznaczania ciśnienia bezwzględnego dodanie ciśnienia otoczenia do nadciśnienia mierzonego przez czujnik piezokwarcowy [73]

37 p [bar]i 3. Analiza parametrów szybkozmiennych procesu spalania nowoczesnych silników ZI 37 Wyznaczenie ciśnienia bezwzględnego w przypadku pomiarów na silniku spalinowym ulega znacznemu skomplikowaniu. Dzieje się tak, ponieważ nawet w fazie wymiany ładunku na czujnik działa ciśnienie, które po pierwsze nie jest stałe, a po drugie jest różne od ciśnienia otoczenia. Najczęściej stosowaną metodą wyznaczania ciśnienia bezwzględnego jest metoda termodynamiczna [41]. Wykorzystuje ona właściwości równania politropy, zakładając, że wykładnik politropy jest znany. Możliwe jest wtedy wyznaczenie ciśnienia bezwzględnego z różnicy ciśnień podczas sprężania (rys. 3.6): (3.1) p p 2 p 1 p 2 n V 1 p1 (3.2) V2 n V 1 1 p1 V 2 p p (3.3) p 1 p n (3.4) V 1 1 V p2,v2 2 p1,v [ OWK] Rys Termodynamiczne wyznaczanie ciśnienia bezwzględnego Głównym problemem w tej metodzie jest przyjęcie właściwego wykładnika politropy, który nie jest stały w okresie sprężania, a poza tym jest silnie zależny od aktualnego punktu pracy silnika.

38 3. Analiza parametrów szybkozmiennych procesu spalania nowoczesnych silników ZI 38 Wyznaczanie średniej temperatury obiegu Średnia temperatura jest najczęściej wyznaczana z równania stanu dla gazu idealnego: gdzie: pi ciśnienie, V objętość, T g pi V (3.5) m R mg masa całkowita, R indywidualna stała gazowa dla powietrza. Błąd związany ze zmianą indywidualnej stałej gazowej w czasie spalania jest pomijalnie mały. Dlatego wystarczająco dokładne jest stosowanie indywidualnej stałej gazowej dla powietrza. Jeżeli jednak w przypadku starszych silników odchyłki gazu rzeczywistego od stanu idealnego były niewielkie, to dla nowoczesnych silników należy się spodziewać większego błędu, z powodu znacznie większej wartości ciśnienia. Uzyskane wartości w pracy [73] wskazują na odchyłki rzędu 3% w stosunku do obliczeń zakładających gaz idealny (rys. 3.7). g 18 1, T g pi V z m R g pi 1,4 1,35 1,3 1 1,25 p [bar] 8 z 1,2 z [-] 6 1,15 4 1,1 2 1, [ OWK] Rys Wartość współczynnika poprawkowego (przykład) Analiza wskaźników procesu spalania Analizę nierównomierności wskaźników procesu spalania określa się na podstawie: współczynnika zmienności danej wielkości X, zdefiniowanego jako: CoV (X) (3.6) gdzie: jest odchyleniem standardowym wielkości X, wartością średnią X z pomiarów procesów szybkozmiennych:

39 3. Analiza parametrów szybkozmiennych procesu spalania nowoczesnych silników ZI 39 1) ciśnienia w cylindrze, 2) szybkości wywiązywania ciepła na podstawie znajomości geometrii układu: dq p d 1 p 2 V V p p 1 V 1 V 2 (3.7) gdzie: p ciśnienie w cylindrze, V objętość nad tłokiem, indeksy oraz + oznaczają bieżącą i następną wartość ciśnienia P w cylindrze lub odpowiadającą jej objętość cylindra; obliczenia te prowadzono podczas w zakresie od rozpoczęcia sprężania do rozpoczęcia rozprężania, 3) wartości ciśnienia indykowanego wyznaczono na podstawie równania: 72 dv( ) p e p( ) (3.8) V d s 1 gdzie: Vs, p( ), dv( )/d oraz oznaczają objętość cylindra, ciśnienie w cylindrze przy kącie, pochodną objętości cylindra oraz kąt położenia wału korbowego, powtarzalność procesu spalania oceniana na podstawie powtarzalności wartości: 1) maksymalnego ciśnienia w cylindrze pmax, kąta tego ciśnienia Pmax, 2) ciśnienia indykowanego, 3) kąty (czasy) wywiązywania ciepła 5% oraz 9%, 4) szybkości wywiązywania ciepła dqmax i kąta tej wielkości dqmax, 5) pola powierzchni płomienia Amax, 6) czasu wystąpienia maksymalnego pola powierzchni płomienia t(amax) oraz czas ten skorygowany o czas zapłonu, 7) maksymalnej szybkości przyrostu pola powierzchni płomienia da/dt. Parametrem, wykorzystywanym w analizie procesu spalania jest wypalenie 5% dawki paliwa MBF5 (mass burnt fuel) [13]. Wskaźnik ten pozwala na porównawcze określenie fazy procesu spalania, gdyż wskazuje kątowe położenie 5% wydzielonego ciepła i jest określany jako kąt centrum spalania (center of combustion). Wielkość ta jest często wykorzystywana do sterowania procesem spalania ze względu na możliwość ograniczania emisji składników toksycznych oraz zużycia paliwa. Wartość MBF5 (lub AI9) jest obliczana na postawie wzoru: gdzie: SOC początek spalania (start of combustion), EOC koniec spalania (end of combustion). EOC 1 dq MRF 5( ) d (3.9) 2 d SOC

40 4. Metodyka badań 4.1. Wykorzystane obiekty badawcze W pracy przyjęto, że badania parametrów ekologicznych oraz szybkozmiennych prowadzone będą podczas rzeczywistej eksploatacji oraz na stacjonarnym stanowisku hamownianym z wykorzystaniem mobilnego układu do pomiaru ciśnienia i emisji zanieczyszczeń. System taki umożliwia rejestrację dostępnych parametrów pracy silnika i pojazdu za pośrednictwem magistrali CAN. Do określenia obciążenia, prędkości obrotowej silnika, prędkości jazdy pojazdu, natężenia przepływu paliwa i temperatury czynnika chłodzącego, wykorzystywane są dane ze sterownika pojazdu. Należy zasygnalizować, że wyniki badań emisji zanieczyszczeń pozyskiwane podczas badań drogowych są wartościami rzeczywistymi dla danego typu pojazdów i dotyczą konkretnych warunków drogowych. Warunki takie pozwalają oszacować stopień ekologiczności badanych pojazdów i ich silników podczas typowej eksploatacji. Badania przeprowadzone na stacjonarnym stanowisku hamownianym podyktowane będą koniecznością modyfikacji układu wylotowego silnika. Badania drogowe przeprowadzono na samochodzie wyposażonym w doładowany silnik o zapłonie iskrowym z wtryskiem bezpośrednim (rys. 4.1), spełniający normę toksyczności spalin Euro 5 (charakterystykę silnika przedstawiono na rys. 4.2). Celem badań było wyznaczenie emisji drogowej związków zawartych w gazach wylotowych pojazdów według wymagań normy oraz zdefiniowanie pola pracy silnika umożliwiającego dalsze badania na stacjonarnym stanowisku hamownianym. Rys Obiekty badań Dane techniczne obiektu badawczego były następujące [3, 86]: produkowany od 215 r. typ silnika benzynowy kod silnika CBZA objętość skokowa 1197 cm 3 skok tłoka 75,6 mm

41 M o [Nm] N e [kw] 4. Metodyka badań 41 średnica cylindra 71 mm kolejność zapłonu stopień sprężania 1 maksymalna moc silnika 63 kw przy 5 obr/min maksymalny moment obrotowy 16 Nm przy obr/min masa silnika 89,5 kg doładowanie turbosprężarkowe umiejscowienie wałka rozrządu DOHC liczba cylindrów 4 układ cylindrów rzędowy liczba zaworów 2 zawory na cylinder typ wtrysku bezpośredni N e M o Rys Charakterystyka zewnętrzna silnika wykorzystanego do badań [3] 4.2. Aparatura badawcza Systemy pomiarowe emisji spalin Do pomiarów stężenia związków szkodliwych w spalinach wykorzystano mobilny analizator Semtech DS firmy Sensors, którego charakterystykę podano w tabl Umożliwiał on pomiar stężenia związków szkodliwych CO, HC, NOx oraz CO2. Do jednostki centralnej analizatora doprowadzone są dane bezpośrednio z systemu diagnostycznego pojazdu oraz sygnał lokalizacji GPS. Informacje zawarte w publikacjach z zakresu wykorzystania mobilnych analizatorów spalin [1, 46, 47] w powiązaniu z danymi rejestrowanymi z pokładowych systemów diagnostycznych [74] potwierdzają celowość podjęcia oceny emisji zanieczyszczeń w rzeczywistych warunkach ruchu z wykorzystaniem wymienionej konfiguracji aparatury pomiarowej.

42 4. Metodyka badań 42 Tablica 4.1. Charakterystyka mobilnego analizatora Semtech DS z odczytem systemu transmisji danych w pojeździe [85] Parametr Metoda pomiaru Dokładność Stężenie związków w spalinach CO HC NO x = (NO + NO 2) CO 2 O 2 NDIR, zakres pomiarowy 1% FID, zakres 1 ppm NDUV, zakres 3 ppm NDIR, zakres 2% elektrochemiczna, zakres 2% ±3% zakresu pomiaru ±2,5% zakresu pomiaru ±3% zakresu pomiaru ±3% zakresu pomiaru ±1% zakresu pomiaru Przepływ spalin masowe natężenie przepływu ±2,5% zakresu pomiaru Czas nagrzewania Czas odpowiedzi Obsługiwane systemy diagnostyczne CAN 9 s T 9 < 1 s OBD: ISO, CAN, VPW, PWM Analizator Semtech DS jest przeznaczony głównie do pomiaru stężenia związków szkodliwych w spalinach pojazdów osobowych, ciężarowych rolniczych i budowlanych. W wersji DS umożliwia pomiar emisji zarówno z silników zasilanych benzyną, jak i gazem ziemnym. Wszystkie podzespoły analizatora Semtech DS zaprojektowano tak, aby jak najbardziej odpowiadały klasie laboratoryjnej urządzeń pomiarowych, a jednocześnie mogły sprostać specjalnym wymaganiom stawianym urządzeniom monitorującym emisję w pojazdach. Spełnienie tych założeń wymagało maksymalnego zmniejszenia masy, wielkości i zużycia energii przez urządzenie przy jednoczesnym zredukowaniu podatności na drgania, wibracje zmiany temperatury i inne czynniki zewnętrze mogące zniekształcić wyniki. Może być on używany do monitorowania emisji z różnych pojazdów będących w ruchu [6, 68], jak również podczas testów silników na hamowni. Analizator spełnia wymagania normy 165 [11] w zakresie pomiarów emisji spalin systemami PEMS. W skład mobilnego analizatora Semtech DS wchodzą następujące moduły pomiarowe: analizatora płomieniowo-jonizacyjnego FID (flame ionization detector) stosowanego do oznaczania w spalinach sumarycznego stężenia węglowodorów określanych jako HC, analizatora typu NDUV (non-dispersive ultraviolet) niedyspersyjnego na promieniowanie ultrafioletowe, przeznaczonego do stężenia pomiaru tlenku azotu oraz dwutlenku azotu, analizatora typu NIDR (non-dispersive infrared) niedyspersyjnego na promieniowanie podczerwone, przeznaczonego do pomiaru stężenia tlenku węgla oraz dwutlenku węgla, analizatora elektrochemicznego do określania stężenia tlenu w spalinach. Oprócz pomiaru stężenia szkodliwych składników spalin analizator ten umożliwia również pomiar masowego natężenia przepływu spalin. Gazy spalinowe wprowadzane są do analizatora za pomocą sondy pomiarowej utrzymującej temperaturę 191 C, potem filtrowane są z czą-

43 4. Metodyka badań 43 stek stałych, a w kolejnym kroku następuje pomiar stężenia węglowodorów w analizatorze płomieniowo-jonizacyjnym. W kolejnym kroku spaliny schładzane są do temperatury 4 C i następuje pomiar stężenia tlenków azotu (metodą niedyspersyjną z wykorzystaniem promieniowania ultrafioletowego, umożliwiając jednoczesny pomiar stężenia: tlenku azotu i dwutlenku azotu), tlenku węgla, dwutlenku węgla (metodą niedyspersyjną z wykorzystaniem promieniowania podczerwonego) oraz tlenu (analizatorem elektrochemicznym). Pomiar natężenia przepływu spalin jest realizowany z wykorzystaniem sond pomiarowych 2, 2,5, 3, 4 i 5 [49]. Bardzo ważne jest prawidłowe zamocowanie sondy pomiarowej (tzw. rurki Pitot) ze względu na konieczność trwałego jej zamocowania w warunkach ruchu drogowego i zapewnienie szczelności połączeń z układem wylotowym pojazdu. Ważnym jest też stan cieplny przyrządu, czas rozgrzewania wynosi 6 min dla zapewnienia stabilnych wskazań (m.in. dla nagrzania sondy poboru próbki spalin do wymaganej temperatury 191ºC). W tablicy 4.2 przedstawiono wartości niepewności wskazań poszczególnych analizatorów przyrządu Semtech DS oraz przepływomierzy Semtech EFM (exhaust flow meter). Tablica 4.2. Niepewności wskazań poszczególnych analizatorów przyrządu Semtech DS oraz przepływomierzy Semtech EFM [37, 11] Niepewność wskazań analizatora FID Składnik THC Zakres pomiarowy 1 ppmc 1 ppmc 1 ppmc 4 ppmc Rozszerzona niepewność pomiarowa ±2% odczytu lub ±5 ppmc ±2% odczytu lub ±5 ppmc ±2% odczytu lub ±25 ppmc zależnie od tego, która wartość jest większa Niepewność wskazań analizatora NDIR ±2% odczytu lub ±1 ppmc Składnik CO CO 2 Zakres pomiarowy 8% 2% Rozszerzona niepewność pomiarowa ±3% odczytu lub 5 ppm ±3% odczytu lub ±,1% zależnie od tego, która wartość jest większa Niepewność wskazań analizatora NDUV Składnik NO NO 2 Zakres pomiarowy od do 25 ppm od do 5 ppm Rozszerzona niepewność pomiarowa ±3% odczytu lub 15 ppm ±3% odczytu lub 1 ppm zależnie od tego, która wartość jest większa

44 4. Metodyka badań 44 Analizator TSI 39 EEPS (Engine Exhaust Particle Sizer Spectometer) służy do określenia wymiarowego rozkładu cząstek stałych (tabl. 4.3). Umożliwia on pomiar dyskretnego zakresu średnic cząstek (w zakresie od 5,6 do 56 nm) emitowanych w gazach wylotowych na podstawie ich zróżnicowanej prędkości (rys. 4.3). Dzięki możliwości rejestracji pomiaru z częstotliwością 1 Hz analizator można wykorzystać podczas pomiarów emisji cząstek stałych przy nieustalonych stanów silnika [31]. Tablica 4.3. Dane techniczne analizatora TSI 39 EPSS [75] Parametr Wartość Rozmiar mierzonych cząstek 5,6 56 nm Liczba kanałów pomiarowych 16 kanałów na dekadę (całkowicie 32) Liczba kanałów elektrod 22 Rozdzielczość 1 rozmiarów kanałów/sekundę Przepływ próbki spalin 1 dm 3 /min Przypływ sprężonego powietrza 4 dm 3 /min Temperatura próbki wejściowej 1 52 C Temperatura pracy urządzenia 4 C Masa całego urządzenia 32 kg Gazy wylotowe Powietrze Gazy wylotowe Elektrody L 1 L 2 L 3 L 4 L n Neutralizator Elektroda wysokonapięciowa L 1 L 2 L 3 L 4 L n Elektrody L n y V x x V y Rys Metoda pomiaru rozkładu wymiarowego cząstek stałych przez spektrometr masowy firmy TSI EEPS; V x, V y składowe prędkości PM poruszającej się między elektrodami, L 1 L n elektrody segregujące [75]

45 4. Metodyka badań 45 Analizator AVL MSS służy do pomiaru stężenia cząstek stałych w gazach wylotowych w sposób ciągły. Analizator charakteryzuje się bardzo dużą dokładnością pomiarową, dzięki czemu istnieje możliwość wykonywania pomiarów stężenia cząstek stałych również dla silników o zapłonie iskrowym (tabl. 4.4). Tablica 4.4. Dane techniczne analizatora AVL MSS [37] Parametr Wartość Zakres pomiaru 5 mg/m 3 Rozdzielczość,1 mg/m 3 Stopień rozcieńczenia 5 Pobór próbki spalin,12 m 3 /h Warunki pracy 45 C, 95% wilgotności Zasada działania analizatora opiera się na fotoakustycznej zasadzie pomiaru (rys. 4.4). Cząstki stałe znajdujące się w gazach wylotowych poddaje się promieniowaniu światłem modulowanym, w skutek czego podlegają naprzemiennie chłodzeniu i ogrzewaniu co powoduje okresową zmienność objętości badanej próbki. W wyniku tego procesu generowane są drgania ośrodka. Zainstalowane w analizatorze bardzo czułe mikrofony o ściśle określonej amplitudzie i częstotliwości pracy rejestrują fale dźwiękowe badanej próbki. Jeżeli próbka zawiera niezanieczyszczone powietrze, analizator nie rejestruje żadnego sygnału. Sygnał jest wykrywalny dopiero po pojawieniu się cząstek stałych w mieszaninie gazowej. Impuls generowany przez analizator jest wprost proporcjonalny do stężenia cząstek stałych w badanej próbce. Spaliny poddawane badaniu muszą być uprzednio rozcieńczone w celu zapobiegnięcia kondensowaniu się sadzy oraz uzyskania odpowiedniej temperatury. Temperatura spalin wchodzących do komory pomiarowej nie może przekraczać 6 C oraz wartość ich ciśnienia powinna oscylować w granicach ciśnienia atmosferycznego. Wyniki analizy stężenia cząstek stałych w badanej próbce przekazywane są w sposób ciągły z urządzenia pomiarowego do komputera sterującego z szybkością sięgającą 1 Hz. Rys Zasada działania analizatora AVL MSS [84]

46 przepływomierz 4. Metodyka badań 46 Schemat połączeń przedstawionych wcześniej urządzeń pokazano na rys. 4.5, a zdjęcia przykładowego obiektu badawczego przygotowanego do badań na rys spaliny T, H GPS OBD Semtech DS Pomiar CO, CO 2, HC, NO x AVL 483 MSS Pomiar PM = f(t) rozcieńczanie spalin TSI 39 EEPS Pomiar PN = f(t, D) Rys Schemat połączeniowy urządzeń pomiarowych wykorzystanych do badań Rys Zamontowany przenośny analizator spalin do pomiaru związków gazowych (Semtech DS), analizator do pomiaru stężenia masowego (AVL MSS) i liczbowego cząstek stałych (TSI EEPS) w pojeździe przygotowanym do badań drogowych

47 4. Metodyka badań Systemy pomiarowe temperatury i ciśnienia Do pomiaru temperatury i ciśnienia gazów wylotowych wykorzystano układ pomiarowy zbudowany z elementów (rys. 4.7, tab. 4.5): do pomiaru temperatury czujniki termoelektryczne (termopary) firmy Czaki o oznaczeniach TP-24 (K), do pomiaru ciśnienia czujniki firmy Keller serii PR-21Y, przetwornika sygnałów Iotech Personal DAQ 3. Przetwornik sygnału Iotech Personal DAQ 3 zawiera interfejs USB oraz przetwornik A/C (1 MHz/16 bit). Znajduje się w nim 16 wejść analogowych typu single-ended (8 wejść różnicowych), 4 wyjścia analogowe, 24 cyfrowe linie wejścia/wyjścia, a także istnieje możliwość programowania urządzenia w 7 zakresach od ±1 mv do ±1 V. Informacje z czujnika przekazywane są do komputera, który rejestruje dane według zadanej częstotliwości. a) b) c) Rys Elementy układu pomiarowego: a) czujnik temperatury firmy Czaki, b) czujnik ciśnienia firmy Keller, c) przetwornik sygnału Iotech Personal DAQ 3 [76, 81, 1] Tablica 4.5. Charakterystyka aparatury do pomiary temperatury i ciśnienia gazów wylotowych [81, 1] Parametr Pomiar temperatury Pomiar ciśnienia Napięcie Iotech Personal DAQ 3 Termopara Zakres 4 o C 11 o C,4 MPa 1 V 1 V 2 o C 12 o C (typ K) Dokładność ±,5% ±,25% zakresu ±,31% ±1,8 o C Systemy pomiarowe procesów szybkozmiennych Do rejestracji procesów szybkozmiennych badanych silników wykorzystano specjalny system rejestrujący, który w czasie rzeczywistym może wykonywać obliczenia i analizy z rejestracji w postaci graficznej [27, 28, 56]. Procesy szybkozmienne takie jak: ciśnienie wewnątrz cylindra oraz sygnał z czujnika położenia wału korbowego rejestrowano z częstotliwością 1 MHz. Do badań procesów szybkozmiennych wykorzystano aparaturę rejestrującą procesy zachodzące wewnątrz komory spalania AVL IndiMicro 62 [5] (tabl. 4.6, rys. 4.8). Niezbędną informacją do prawidłowego działania systemu zapisu ciśnień wewnątrz cylindra jest położenie wału korbowego. Sygnał informujący o położeniu wału korbowego pozyskano z czujnika indukcyjnego współpracującego z zębatym kołem pasowym za pośrednictwem przetwor-

48 4. Metodyka badań 48 nika analogowo-cyfrowego AVL Uniwersal Pulse Conditioner 389Z1 [4]. Sygnał otrzymany z przetwornika analogowo-cyfrowego umożliwił zapis zmiany ciśnienia w cylindrze w funkcji położenia wału korbowego badanego silnika ZI. Tablica 4.6. Dane techniczne analizatora AVL IndiMicro 62 [5] Parametr Analogowe kanały wejściowe Częstotliwość próbkowania Rozdzielczość ADC Analogowy sygnał wejściowy Wejście kąta obrotu wału korbowego Cyfrowy kanał wejściowy Interfejs CAN Zakres wejściowy (piezoelektryczny) Liniowość Filtry System Wartość 4 kanały dla czujników piezoelektrycznych 1 MHz na kanał 16 bit ±1 V 2 TTL dla CDM, TRG i 2 LVDS dla CDM, TRG 2 kanały tak do 14 4 pc ±,1% zakresu 2, 5, 1, 2, 5, 1 khz IndiCom Mobile Rys Moduł pomiarowy AVL IndiMicro 62 [5] Sygnał ciśnienia doprowadzany jest do komputera rejestrującego z czujnika ciśnienia (rys. 4.9) współpracującego z odpowiednim torem pomiarowym. Do rejestracji ciśnień szybkozmiennych w cylindrze silnika stosuje się zazwyczaj piezoelektryczne czujniki ciśnienia (rys. 4.1), w których wykorzystywany jest efekt piezoelektryczny, polegający na generowaniu ładunku elektrycznego przez kryształ kwarcu pod wpływem przyłożonej do niego siły. Przetwornik tego typu musi współpracować z wzmacniaczem ładunku, który przetwarza wytworzony przez kryształ ładunek na napięcie elektryczne. Napięcie to rejestrowane jest przez kartę pomiarową zainstalowaną w komputerze. Uzyskane w ten sposób dane są zapisywane na dysku i mogą być w dalszej kolejności poddane analizie. Widok zintegrowanego czujnika zamontowanego w głowicy badanego silnika przedstawiono na rys

49 4. Metodyka badań 49 Rys Schemat podłączenia AVL Pulse Universal Conditioner 389Z1 a) b) Rys Piezoelektryczny czujnik ciśnienia zintegrowany ze świecą zapłonową: a) przekrój, b) widok Rys Wkręcony zintegrowany czujnik ciśnienia ze świecą zapłonową w głowię badanego silnika

50 4. Metodyka badań Silnikowe stanowisko hamulcowe Do badań wykorzystano silnikowe stanowisko hamulcowe firmy Automex (tabl. 4.7). Na stanowisku tym zainstalowano doładowany silnik (1.2 TSI) o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtryskiem benzyny o objętości skokowej 1,2 dm 3 (rys. 4.12). Generuje on maksymalny moment obrotowy 175 Nm przy obr/min i moc maksymalną 77 kw przy 5 obr/min. Silnik spełnia normę Euro 5 i w układzie wylotowym ma trójfunkcyjny reaktor katalityczny TWC (three way catalyst). Był to taki sam obiekt badawczy jaki wykorzystano w badaniach drogowych. Tablica 4.7. Charakterystyka statycznego silnikowego stanowiska hamulcowego Automex Parametr Jednostka Wartość Typ hamulca AMX-21/1 Max. moc pochłaniana kw 1 Max. prędkość obrotowa obr/min 1 Max. moment obrotowy Nm 24 Masa hamulca kg 2 Kierunek obrotów dowolny Rys Statyczne silnikowe stanowisko hamulcowe z silnikiem 1.2 TSI

51 4. Metodyka badań Metodyka oceny zakresów pracy silnika W celu ustalenia zakresów pracy silnika spalinowego o największym udziale czasu pracy i natężeniu emisji związków szkodliwych dokonano również rejestracji parametrów pracy pojazdu i silnika. Podczas przejazdu rejestrowano parametry związane z pojazdem (m.in. prędkość pojazdu, przyspieszenie), a także parametry związane z pracą silnika (m.in. prędkość obrotową, obciążenie, temperaturę cieczy chłodzącej) z częstotliwością 1 Hz. Do rejestracji parametrów wykorzystano rejestrator OBD LOG firmy TEXA (rys. 4.13, tabl. 4.8). Pozyskane dane zapisywane są w wewnętrznej pamięci urządzenia umożliwiające dalszą analizę i wyznaczenie pola pracy silnika spalinowego badanego pojazdu. Rys Rejestrator OBD Log TEXA [71] Tablica 4.8. Parametry techniczne rejestratora OBD Log TEXA [71] Parametr Elementy konstrukcyjne Interfejs pojazdu Złącze połączeniowe z komputerem PC Maksymalna częstotliwość próbkowania Czas zapisu Obsługiwane protokoły transmisji danych Zgodność EOBD Temperatura pracy Napięcie zasilania podczas rejestracji Wymiary urządzenia Masa urządzenia Wartość mikrokontroler CORTEX M3, pamięć danych 2 MB standardowe złącze OBD mini USB 2. 1 Hz 9 h z zapisem 8 parametrów i próbkowaniem 1 Hz K, L (z zabezpieczeniem prądowym 6 ma), ISO9141-2, ISO1423, CAN ISO11898, ISO , SAE J185 PWM, SAE J185 VPW, EOBD (wszystkie protokoły): SAE1979, ISO i ISO Całkowita zgodność elektryczna i mechaniczna ze standardem EOBD 4 85 C 12V 23 45,5 28,2 mm (wys. szer. gł.) 21,5 g

52 4. Metodyka badań 52 Zarejestrowane czasowe zmiany prędkości obrotowej n = f(t) i obciążenia silnika Z = f(t) pozwalają na tworzenie dwuwymiarowych charakterystyk pracy silnika podczas testów. Charakterystyki takie wykonuje się dla pojazdów, a następnie przeprowadza się analizę możliwości uogólnienia zagadnienia dla wszystkich rozpatrywanych jednostek napędowych. W celu uzyskania możliwie ogólnych charakterystyk dla pojazdów, przyjmuje się, są one przedstawione jako zależności udziału obciążenia silnika dla danej prędkości obrotowej (zapisywanej jako Z przy danej prędkości obrotowej) oraz prędkości obrotowej silnika n. Pole pracy silnika w układzie n Z dzieli się na prostokątne elementy o wymiarach (rys. 4.14): n = nmax/n (4.1) = Zmax/K (4.2) Z 1% i N K. L. 3 j 2 n max n 1 n Rys Podział pola pracy silnika na elementy Dla elementu o numerach (i, j) udział czasu pracy zdefiniowano następująco: u(i, j) = t(i, j)/t gdzie t(i, j) oznacza czas pracy silnika, w którym rozpatrywane parametry (prędkość obrotowa i obciążenie) należą do pola ΔL oznaczonego numerami i, j. Spełnione muszą być przy tym związki: N t( i, j) i 1 K j 1 t u 1 N i 1 K j 1 ( i, j)

53 4. Metodyka badań 53 Charakterystyczną wielkością danego elementu pola pracy silnika jest jego środek, który na potrzeby rozpatrywanego zagadnienia wyznaczano jako średnią arytmetyczną początku i końca przedziału danego zakresu względnej prędkości lub względnego obciążenia silnika. Przedstawiony sposób wyznaczenia dwuwymiarowej charakterystyki udziału czasu pracy, zgodnie z równaniem (4.5), wymaga przede wszystkim ustalenia liczby przedziałów prędkości obrotowej (N) oraz liczby przedziałów względnego obciążenia (K). Właściwe ich ustalenie wiąże się z możliwością późniejszego uogólnienia otrzymanych wyników [64]. Autor proponuje, zgodnie z założeniami przedstawionymi w publikacjach [61, 66], aby ustalić liczbę przedziałów na podstawie: minimalnej wartości średniej przylegających elementów w poszczególnych przedziałach (i, j), będącego miarą zmienności danych w tych przedziałach mniejsze wartości będą podstawą przyjęcia reprezentatywności środka danego przedziału jako zbliżonych warunków pracy silnika, równości liczby przedziałów N i K, ograniczenia całkowitej liczby przedziałów do 1. Ustalenie podziału pola pracy wspólnego dla wszystkich silników wymaga przyjęcia standardowego czasu badania. W założeniach jest to okres nie krótszy niż długość testu określona w wymaganiach RDE (36 54 punktów pomiarowych). Ustalenie rozpoczyna się od wartości N i K wynoszących 5 5. Tak przyjęte wartości podziału pola pracy pozwalają na wypełnienie niemalże wszystkich elementów (i, j), co nie jest w pełni zgodne z rzeczywistością. Dla przykładowych danych, maksymalny udział czasu pracy w elemencie wynosi 37,7% (rys. 4.15a), przy maksymalnej wartości zmienności wynoszącej 19,7% (rys. 4.15b); natomiast średnia wartość odchylenia standardowego (tylko dla wypełnionych pól) wynosiła 4,6 [65]. Taką samą procedurę powtórzono dla kolejnych wartości N i K, zwiększając je co jedną jednostkę do wartości równej 1. Wyniki tych operacji przedstawiono na rys i Zestawiając natomiast uzyskane średnie wartości zmienności dla całego pola pracy uzyskano zależność (rys. 4.18), z którego wynika, że najbardziej zgodny z wymaganiami jest podział pola pracy silnika na K L elementów o wartościach 1 1. a) b) Mo/Mo max [%] % 1.48%.56%.23% % 4.25%.26%.8%.2%.73% 8.91%.15%.2% 37.74% 12.64%.14%.6%.2% 13.47% 14.81%.45%.8% n/n max [%] Mo/Mo max [%] % 1.65% 1.75%.44%.22% 2.97% 2.19% 2.18%.31%.15% 1.72% 7.21% 2.95%.8%.3% 14.72% 9.89% 4.14%.1%.3% 19.66% 13.21% 4.7%.12%.4% n/n max [%] Rys Wyniki analizy podziału dla liczby podziału 5 5: a) udział czasu pracy, b) średnia wartość komórek przylegających

54 Wartość średnia przylegających elementów [%] 4. Metodyka badań 54 a) b) % 2.19%.77%.57%.22%.14% 86.64% 1.% 1.14%.81%.28%.17%.1% Mo/Mo max [%] % 1.24%.8%.3%.3%.2% % 1.67%.6%.5%.2% 43.5% 4.85% 2.1%.6%.2% 29 5.% 9.25% 1.65%.8%.2%.3% % 11.29%.94%.3%.5%.2% Mo/Mo max [%] 71.77% 1.8% 1.18%.74%.2%.12%.7% % 1.48% 1.49%.59%.4%.2%.1% % 2.96% 2.42%.63%.4%.1%.1% % 7.43% 3.36%.55%.3%.1%.1% % 8.96% 4.72%.53%.7%.2%.1% 1.9% 17.28% 1.59%.36%.5% 15.55% 1.79% 5.25%.5%.8%.2%.% n/n max [%] n/n max [%] Rys Wyniki analizy podziału dla liczby podziału 7 7: a) udział czasu pracy, b) średnia wartość komórek przylegających a) b) Mo/Mo max [%] % 1.27%.85%.46%.29%.19%.15%.8% 8 1.3%.6%.17%.5%.3% 7.2% 1.25%.53%.9%.5%.3%.2% 6.3% 1.54%.93%.11%.2%.3%.2% 5.12% 2.76%.88%.9%.3% 4.6% 4.39%.88%.2%.2%.2% 3.99% 2.7% 5.53%.53%.5%.3%.2%.2%.2% Mo/Mo max [%] 1 9.%.33%.65%.82%.56%.3%.17%.12%.7%.6% 8.%.36%.63%.75%.45%.22%.12%.8%.5%.4% 7.1%.43%.66%.7%.28%.6%.2%.2%.1%.% 6.3%.64%.9%.91%.3%.5%.2%.1%.%.% 5.13% 1.5% 1.35% 1.29%.33%.3%.1%.1%.%.% 4.74% 1.9% 2.4% 1.68%.28%.3%.1%.1%.1%.% % 6.5% 3.37% 2.%.21%.2%.2%.1%.1%.% % 9.13% 6.22%.36%.5%.2%.3% 1.57% 5.44% 4.45%.49%.23%.9%.2%.3% % 6.66% 3.87% 1.99%.2%.6%.3%.1%.1%.% % 7.46% 4.82% 2.42%.26%.7%.3%.1%.%.% 7.46% 8.93%.94%.8%.5%.3% n/n max [%] 3.37% 4.47% 4.62% 2.52%.31%.8%.4%.1%.1%.% n/n max [%] Rys Wyniki analizy podziału dla liczby podziału 1 1: a) udział czasu pracy, b) średnia wartość komórek przylegających x 5 7 x 7 1 x 1 Liczba elementów Rys Wyniki analizy podziału dla liczby podziału 1 1: a) udział czasu pracy, b) średnia wartość komórek przylegających

55 4. Metodyka badań 55 Wyznaczone sparametryzowane zakresy pracy silników spalinowych w rzeczywistych warunkach ruchu mogą być wyznacznikiem do prowadzenia testów toksyczności spalin [67] z wykorzystaniem mobilnych analizatorów spalin. Przedstawione zagadnienie nie ma odpowiednika w regulacjach prawnych, ale może być wskazaniem na możliwości oceny ekologicznej pojazdów w trakcie ich eksploatacji. Może być innym sposobem oceny stanu technicznego pojazdów, charakteryzujący się szczegółową oceną emisyjności pojazdu. Procedura taka może być wykonywana w ruchu drogowym równolegle do procedur emisyjnych na stacjach kontroli pojazdu.

56 5. Wyniki badań własnych i ich analiza 5.1. Badania emisji spalin w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego Założenia wstępne do wykonywania badań drogowych Każdy nowy samochód osobowy musi przed wprowadzeniem na rynek spełnić normy toksyczności spalin. Warunki testów zależą przy tym od klasy pojazdu oraz kraju przeznaczenia. W większości przypadków wykonywany jest test na hamowni podwoziowej. Obowiązującym testem w Europie jest NEDC, ale od obowiązywał będzie test WLTC oraz badania w rzeczywistych warunkach ruchu i dlatego w pracy wzorowano się na przepisach przyszłych. Profil prędkości w teście WLTP został tak dobrany, aby możliwie dobrze odzwierciedlić przeciętne warunki użytkowania samochodu osobowego w Europie. Na rysunku 5.1 przedstawiono profil prędkości w teście WLTC oraz wynikające z niego parametry silnika, dla danego pojazdu i skrzyni przekładniowej. Silnik pracuje głównie w warunkach niestacjonarnych, co oznacza, że prędkość obrotowa i obciążenie się ciągle zmienia. Liczba punktów pracy w całym teście wynika z czasu trwania testu i wynosi 18 s. Z punktu widzenia ekonomiczności badań (czas i koszty) należy dążyć do minimalizacji liczby punktów pomiarowych. Poza tym działania we wczesnej fazie badań rozwojowych prowadzone są wyłącznie w punktach stacjonarnych, ponieważ dane zapisane w sterowniku silnika mają jedynie prowizoryczny charakter. W związku z tym, że wybór punktów pomiarowych nie był możliwy na podstawie wykonanych badań na hamowni podwoziowej, punkty pracy silnika wybrano na podstawie badań drogowych, które są przewidziane również do stosowania w kolejnej normie Euro 6c. Badania takie wykonuje się na trasie pomiarowej, której udział długości w części miejskiej, pozamiejskiej i autostradowej. Według rozporządzenia 216/427 [16] użytkowanie w terenie pozamiejskim mogą przerywać krótkie okresy użytkowania w terenach miejskich, jeżeli znajdują się one na trasie przejazdu. Czas trwania badania wynosi od 9 do 12 minut Każdy cykl charakteryzuje się określoną prędkością jazdy. W cyklu miejskim obowiązuje prędkość nieprzekraczająca 6 km/h, w podmiejskim znajduje się ona w zakresie od 6 km/h do 9 km/h, a na autostradzie powyżej 9 km/h. Dystans każdego cyklu musi wynosić minimum 16 km, a udziały w poszczególnych częściach (miejskiej, pozamiejskiej i autostradowej) muszą wynosić, odpowiednio, 34%, 33% i 33%. Można rozszerzyć udziału zakresu miejskiego, pozamiejskiego i autostradowego o ±1 punktów procentowych w stosunku do podanych wartości procentowych. Jednak etap miejski nie może być krótszy niż 29% całkowitego dystansu przejazdu. Maksymalna prędkość pojazdu, tj. 145 km/h może zostać przekroczona o 15 km/h przez nie więcej niż 3% czasu trwania jazdy po autostradzie. Ponadto przez minimum 5 minut należy poruszać się po autostradzie z prędkością powyżej 1 km/h. Średnia prędkość jazdy w mieście powinna zawierać się w przedziale 15 4% włącznie z zatrzymaniami, za które uważane są prędkości poniżej 1 km/h. Całkowity czas postoju w mieście wynosi od 6 do 3% (przeprowadzane badania wskazują, że jest to element przejazdu, na który użytkownik ma najmniejszy wpływ). Punkt początkowy i punkt końcowy przejazdu nie może

57 Z [%] v [km/h] 5. Wyniki badań własnych i ich analiza 57 różnić się pod względem wysokości nad poziomem morza o więcej niż 1 m. Badania drogowe przeprowadza się w dni robocze, na utwardzonych drogach i ulicach (jazda terenowa nie jest dozwolona). Należy unikać przedłużonej pracy na biegu jałowym po pierwszym zapłonie silnika spalinowego na początku badania emisji (szczegółowe uwarunkowania podano w tabl. 5.1) t [s] Rys Przykładowe parametry silnika w teście WLTC (Z procentowe obciążenie silnika)

58 5. Wyniki badań własnych i ich analiza 58 Tablica 5.1. Wymagania szczegółowe odnośnie testów RDE [4, 5] Parametr Temperatura zewnętrzna (T z) Wysokość prowadzenia badań (h) Ocena wpływu zewnętrznych parametrów pogodowych i drogowych, a także stylu jazdy Stan termiczny pojazdu przed testem Jednorazowy postój pojazdu Działanie systemów oczyszczania spalin Działanie systemów komfortu jazdy Obciążenie pojazdu Wymagania testu Wymagania dla części miejskiej testu Wymagania dla części pozamiejskiej testu Wymagania dla części autostradowej testu Wymagania zakres normalny: o C T z < 3 o C zakres rozszerzony dolny: 7 o C T z < o C zakres rozszerzony górny: 3 o C < T z 35 o C zakres normalny: h 7 m n.p.m. zakres rozszerzony: 7 < h 13 m n.p.m. sumaryczne zwiększenie wysokości: mniejsze niż 12 m / 1 km względne przyspieszenie dodatnie (RPA): większe niż RPA min (dla każdych warunków jazdy) iloczyn dodatniego przyspieszenia i prędkości (v a +): mniejsze niż v a + min (dla każdych warunków jazdy) zimny rozruch pojazdu: ciecz chłodząca poniżej 7 o C, czas co najmniej 3 s brak wliczania emisji z zimnego rozruchu do testu RDE nie dłuższy niż 18 s pojedyncza regeneracja filtra cząstek stałych może powodować powtórzenie testu RDE; wystąpienie dwóch regeneracji jest uwzględniane w wynikach testu RDE używane normalnie zgodnie z przeznaczeniem (np. działanie układu klimatyzacji) masa pojazdu: kierowca (i pasażer) oraz urządzenia badawcze; maksymalne obciążenie < 9% sumy masy pasażerów oraz masy użytecznej pojazdu czas trwania 9 12 min udział 29 44% długości całego testu dystans: większy niż 16 km prędkość pojazdu: do 6 km/h średnia prędkość: 15 4 km/h udział postoju: 6 3% czasu części miejskiej udział 23 43% długości całego testu dystans: większy niż 16 km prędkość pojazdu (v): 6 km/h < v 9 km/h udział 23 43% długości całego testu dystans: większy niż 16 km prędkość pojazdu: większa niż 9 km/h prędkość jazdy ponad 1 km/h przez co najmniej 5 min prędkość jazdy ponad 145 km/h nie więcej niż 3% czasu

59 5. Wyniki badań własnych i ich analiza Analiza poprawności wykonania badań drogowych Pomiary wykonano 4-krotnie przy spełnieniu warunków rzeczywistej jazdy na terenie miejskim, pozamiejskim i autostradowym w Poznaniu i jego okolicach. Średni dystans przejazdu wynosił 8,21 km. Na rysunku 5.2 zaprezentowano przykład trasy. Rys Trasa przejazdu podczas testu badawczego Trasę badawczą opracowano w taki sposób, aby spełniała wymogi opisane w rozporządzeniu [2], ze szczególnym uwzględnieniem jej topografii. W tablicy 5.2 przedstawiono charakterystykę trasy pod względem ukształtowania terenu. Tablica 5.2. Charakterystyka trasy badawczej pod względem topografii Parametr Wysokość: minimalna [m] średnia [m] maksymalna [m] Pochylenie maksymalne: wzrost [%] spadek [%] Pochylenie średnie: wzrost [%] spadek [%] Trasa badawcza ,1 3,7,6,7 W pierwszym etapie dokonano weryfikacji poprawności wykonanych testów badawczych, gdyż od poprawności zależy wybór punktów pomiarowych do dalszych analiz wykonywanych w pracy Pomimo wykonywania przejazdów na zbliżonej trasie badawczej otrzymane rezultaty są zróżnicowane. Na rysunkach , z użyciem zależności v = f(s), przedstawiono wyniki ze wszystkich przejazdów. Widoczny jest na nich podział trasy badawczej na 3 cykle: miejski ( 6 km/h), podmiejski (6 9 km/h) i autostradowy (> 9 km/h). Mimo zbliżonej trasy badawczej zarówno wyniki uzyskiwanego przebiegu prędkości, jak i jej wartość średnia

60 V [km/h] V [km/h] V [km/h] 5. Wyniki badań własnych i ich analiza 6 w poszczególnych częściach testu nie są jednakowe. Zbliżone są natomiast parametry przejazdu zdefiniowane udziałem przyspieszania, stałej prędkości jazdy, hamowania i postoju. Parametry podane na wykresach usystematyzowano na rys. 5.7a d. Wartości średnie wynosiły: dla przyspieszania 28,5%, stałej prędkości jazdy 26,5%, hamowania 27,5%, a dla postoju 17,2%. 5,5 5, 4,5 4, 3,5 3, V >, a 2, > 2,5 Udział w teście Rys Profil prędkości i parametry charakterystyczne przejazdu nr 1 23% -25 V = const 1,5 34% -5 V >, a 1, < 23% -75 V =, stop,5 19% S [m] 5,5 5, 4,5 4, 3,5 3, V >, a 2, > 2,5 Udział w teście Rys Profil prędkości i parametry charakterystyczne przejazdu nr 2 26% -25 V = const 1,5 34% -5 V >, a 1, < 26% -75 V =, stop,5 14% S [m] 5,5 5, 4,5 4, 3,5 3, V >, a 2, > 2,5 Udział w teście Rys Profil prędkości i parametry charakterystyczne przejazdu nr 3 33% -25 V = const 1,5 21% -5 V >, a 1, < 3% -75 V =, stop,5 16% S [m]

61 Udział hamowania [%] Udział postoju [%] Udział przyspieszania [%] Udział stałej prędkości [%] V [km/h] 5. Wyniki badań własnych i ich analiza 61 5,5 5, 4,5 4, 3,5 3, 2,5 V >, a 2, > Rys Profil prędkości i parametry charakterystyczne przejazdu nr Udział w teście 32% -25 V = const 1,5 17% -5 V >, a 1, < 31% -75 V =, stop,5 2% S [m] a) b) Wartość średnia = 28,5% Wartość średnia = 26,5% Numer przejazdu Numer przejazdu c) d) Wartość średnia = 27,5% Wartość średnia = 17,2% Numer przejazdu Rys Parametry przejazdów na tle wartości średniej: a) przyspieszanie, b) stała prędkość pojazdu, c) hamowanie, d) postój Szczegółowe wymagania zgodnie z normą badań drogowych RDE podano na rys , gdzie wykazano spełnienie poszczególnych parametrów przejazdów (zdefiniowanych wcześniej), a także porównano ich wartości z zaznaczeniem przedziałów dopuszczalnych (o ile są takie wymagane) oraz wyznaczono wartości średnie Numer przejazdu

62 Długość części autostradowej [km] Udział części miejskiej [%] Długość części miejskiej [km] Długość części pozamiejskiej [km] 5. Wyniki badań własnych i ich analiza 62 Analiza danych dotyczących długości drogi w części miejskiej wykazała, że najdłuższym pokonanym dystansem charakteryzował się przejazd nr 2, a najkrótszym przejazd nr 4, jednakże wartości długości wszystkich przejazdów mieściły się w zakresie dopuszczalnym, tzn. były większe od 16 km (rys. 5.8). Analiza danych dotyczących długości drogi w części pozamiejskiej wykazała, że najdłuższym pokonanym dystansem charakteryzował się przejazd nr 3, a najkrótszym przejazd nr 4. Wartości długości wszystkich przejazdów mieściły się w zakresie dopuszczalnym, tzn. były większe od 16 km (rys. 5.9) Obszar dopuszczalny (S min = 16 km) 25,64 25,28 26,26 24,76 24, Obszar dopuszczalny (S min = 16 km) 27,37 27,49 26,62 26,13 25, Numer przejazdu Rys Porównanie długości części miejskiej testu z zaznaczeniem wartości minimalnej (wymaganej) dla wszystkich przejazdów oraz średniej Numer przejazdu Rys Porównanie długości części pozamiejskiej testu z zaznaczeniem wartości minimalnej (wymaganej) dla wszystkich przejazdów oraz średniej Długość drogi w części autostradowej najdłuższa była dla przejazdu nr 4, a najkrótsza dla przejazdu nr 1. Pozostałe przejazdy mieściły się w zakresie dopuszczalnym, tzn. ich dystans był dłuższy niż 16 km, a średnia wynosiła 24,66 km (rys. 5.1). Udział procentowy części miejskiej podczas przejazdu największy był dla przejazdu nr 2, a najmniejszy dla przejazdu nr 4. Udziały procentowe części miejskiej wszystkich przejazdów zawierały się w zakresie dopuszczalnym 29 44% (rys. 5.11) Obszar dopuszczalny (S min = 16 km) 24,66 23,55 24,23 24,4 26, Numer przejazdu Rys Porównanie długości części autostradowej testu z zaznaczeniem wartości minimalnej (wymaganej) dla wszystkich przejazdów oraz średniej Zakres dopuszczalny: od 29% do 44% ,49 33,2 34,27 32,31 32, Numer przejazdu Rys Porównanie udziału części miejskiej testu z zaznaczeniem wartości granicznych (wymaganych) dla wszystkich przejazdów oraz wartości średniej

63 Średnia prędkość części miejskiej [%] Średnia prędkość części pozamiejskiej [%] Udział części pozamiejskiej [%] Udział części autostradowej [%] 5. Wyniki badań własnych i ich analiza 63 Udział procentowy części pozamiejskiej podczas przejazdu był największy dla przejazdu nr 3, a najmniejszy dla przejazdu nr 4. Wartości udziału przejazdów mieściły się w zakresie dopuszczalnym od 23 43% (rys. 5.12). Analiza danych dotyczących udziału procentowego części autostradowej podczas przejazdu wykazała, że największą wartością charakteryzował się przejazd nr 4, a najmniejszą przejazd nr 1. Udziały części pozamiejskiej mieściły się w zakresie dopuszczalnym 23 43% (rys. 5.13) Zakres dopuszczalny: od 23% do 43% 35,75 34,77 34,1 35,86 33, Numer przejazdu Rys Porównanie udziału części pozamiejskiej testu z zaznaczeniem wartości granicznych (wymaganych) dla wszystkich przejazdów oraz wartości średniej 5 Zakres dopuszczalny: od 23% do 43% ,21 3,76 31,63 31,83 34, Numer przejazdu Rys Porównanie udziału części autostradowej testu z zaznaczeniem wartości granicznych (wymaganych) dla wszystkich przejazdów oraz wartości średniej Analiza danych dotyczących średniej prędkości w części miejskiej wykazała, że największą wartością charakteryzował się przejazd nr 2, a najmniejszą przejazd nr 4. Wartości średniej prędkości wszystkich przejazdów zawierają się w zakresie dopuszczalnym, tzn. od 15 km/h do 4 km/h (rys. 5.14) Analiza danych dotyczących średniej prędkości w części pozamiejskiej wykazała, że największą wartością charakteryzował się przejazd nr 1, a najmniejszą przejazd nr 3. Wartości średniej prędkości wszystkich przejazdów są do siebie zbliżone i nie posiadają zakresu dopuszczalnego (rys. 5.15) Zakres dopuszczalny: od 15 km/h do 4 km/h 23,42 23,71 25,79 24,73 2, Numer przejazdu Rys Porównanie średniej prędkości części miejskiej testu z zaznaczeniem wartości granicznych (wymaganych) dla wszystkich przejazdów oraz wartości średniej Brak zakresu dopuszczalnego 81,22 78,79 8,82 76,17 76, Numer przejazdu Rys Porównanie średniej prędkości części pozamiejskiej testu dla wszystkich przejazdów oraz wartości średniej

64 Czas dla V > 1 km/h [s] Udział postoju w części miejskiej [%] Średnia prędkość części autostradowej [%] Czas trwania testu [min] 5. Wyniki badań własnych i ich analiza 64 Analiza danych dotyczących średniej prędkości w części autostradowej wykazała, że największą wartością charakteryzował się przejazd nr 1, a najmniejszą przejazd nr 2. Wartości średniej prędkości nie posiadają zakresu dopuszczalnego (rys. 5.16). Czas trwania testu badawczego był najdłuższy dla przejazdu nr 4, a najkrótszy podczas przejazdu nr 2. Wszystkie przejazdy zostały przeprowadzone w dopuszczalnym zakresie czasu, tzn. od 9 do 12 minut (rys. 5.17) Brak zakresu dopuszczalnego 113,94 115,55 19,85 15,33 14, Zakres dopuszczalny: od 9 min do 12 min 15,27 98,3 98,7 93,8 95, Numer przejazdu Rys Porównanie średniej prędkości części autostradowej testu dla wszystkich przejazdów oraz wartości średniej Numer przejazdu Rys Porównanie czasu trwania testu z zaznaczeniem wartości granicznych (wymaganych) dla wszystkich przejazdów oraz wartości średniej Analiza danych dotyczących czasu jazdy z prędkością powyżej 1 km/h w części autostradowej wykazała, że największą wartością charakteryzował się przejazd nr 3, a najmniejszą przejazd nr 1. We wszystkich przejazdach wartość jest większa, niż wymaga tego zakres dopuszczalny, tzn. więcej niż 5 minut (rys. 5.18). Analiza danych dotyczących udziału postoju w części miejskiej wykazała, że największą wartością charakteryzował się przejazd nr 1, a najmniejszą przejazd nr 2. Wszystkie przejazdy osiągnęły wartość procentowego udziału postoju mieszczącą się w zakresie dopuszczalnym, tzn. 6-3%. Wyjątkiem był przejazd nr 1, który tego wymogu nie spełnił (rys. 5.19) Zakres dopuszczalny: ponad 5 min 11,42 11,57 11, 1,47 1, Zakres dopuszczalny: od 6% do 3% 28,85 26,3 25,96 2,4 29, Numer przejazdu Rys Porównanie czasu przekroczenia 1 km/h podczas części autostradowej w teście z zaznaczeniem wartości granicznej (wymaganej) dla wszystkich przejazdów oraz wartości średniej Numer przejazdu Rys Porównanie udziału postoju podczas części miejskiej średniej testu z zaznaczeniem wartości granicznych (wymaganych) dla wszystkich przejazdów oraz wartości średniej

65 Dynamika przejazdu RPA w części autostradowej [m/s 2 ] 95-procentowy centyl V a dla części autostradowej [m 2 /s 3 ] Dynamika przejazdu RPA w części pozamiejskiej [m/s 2 ] 95-procentowy centyl V a dla części pozamiejskiej [m 2 /s 3 ] Dynamika przejazdu RPA w części miejskiej [m/s 2 ] 95-procentowy centyl V a dla części miejskiej [m 2 /s 3 ] 5. Wyniki badań własnych i ich analiza 65 Analiza danych dotyczących dynamiki przejazdu RPA (rys. 5.2) oraz 95-procentowego centyla iloczynu prędkości i dodatniego przyspieszenia w części miejskiej, pozamiejskiej i autostradowej wykazała, że wszystkie parametry zostały spełnione (na rys. 5.2 wskazano wartości minimalne, a na rys wartości maksymalne).,3,25,2,15,1 Zakres dopuszczalny: większe od minimum zależnego od V śrm,26,23,17,15,138,134,136, Zakres dopuszczalny: mniejsze od maksimum zależnego od V śrm 17,58 17,9 17,76 17,24 9,45 1,22 11,62 12,27,5 5, Numer przejazdu Numer przejazdu,1,8 Zakres dopuszczalny: większe od minimum zależnego od V śrp,7, Zakres dopuszczalny: mniejsze od maksimum zależnego od V śrp 25,5 25,2 24,67 24,73,6,4,2,5,5,45,46,54, ,36 16,36 11,96 12,82, Numer przejazdu Numer przejazdu,1,8,6,4,2 Zakres dopuszczalny: większe od minimum zależnego od V śra,6,35,61,62,25,25,25, Zakres dopuszczalny: mniejsze od maksimum zależnego od V śra 27,46 27,58 26,83 26,77 25,24 18,69 12,4 13,5, Numer przejazdu Rys Porównanie dynamiki przejazdu (względnego dodatniego przyspieszenia) podczas części miejskiej, pozamiejskiej i autostradowej testu z zaznaczeniem wartości minimalnej (wymaganej) dla wszystkich przejazdów Numer przejazdu Rys Porównanie 95-procentowego centyla iloczynu prędkości i przyspieszenia podczas części miejskiej, pozamiejskiej i autostradowej testu z zaznaczeniem wartości maksymalnej (wymaganej) dla wszystkich przejazdów Na podstawie analizy parametrów przejazdów stwierdzono prawidłowość wykonania badań drogowych, czego efektem będzie w kolejnych podrozdziałach pracy analiza parametrów ekologicznych i termodynamicznych uzyskanych w teście oraz analiza wyboru punktów pracy silnika wykorzystanych w dalszej realizacji badań na hamowni silnikowej.

66 5. Wyniki badań własnych i ich analiza Analiza parametrów ekologicznych silnika ZI DI Podczas badań pojazdu z silnikiem ZI DI dokonano pomiarów stężenia związków gazowych (CO, HC, NOx, CO2) oraz cząstek stałych (stężenia masowego i liczbowego) w spalinach oraz zmiany prędkości obrotowej silnika i obciążenia parametrów odczytanych z systemu diagnostycznego pojazdów. Zarejestrowane przebiegi stężenia poszczególnych zanieczyszczeń pozwoliły na opracowanie zależności charakteryzujących wpływ dynamicznych właściwości silnika na emisję związków szkodliwych z uwzględnieniem wyników całej trasy pomiarowej. Dynamiczne właściwości silnika uwzględniono w sposób pośredni, wykorzystując podział całego zakresu prędkości obrotowej i obciążenia w rzeczywistych warunkach ruchu do wykonania wykresów natężenia emisji poszczególnych składników spalin. Dane te zaprezentowano na charakterystyce silnika we współrzędnych prędkości obrotowej i obciążenia. Odnosząc podane wartości natężenia emisji związków szkodliwych do prędkości obrotowej i obciążenia silnika otrzymano zależności charakterystyczne dla badanego silnika, które charakteryzują się następującymi wielkościami: maksymalne natężenie emisji tlenku węgla (rys. 5.22) wynosi około 7 mg/s i przypada dla prędkości obrotowej z zakresu 25 3 obr/min i obciążenia z zakresu 2 7%, maksymalne natężenie emisji węglowodorów (rys. 5.23) wynosi około 12 mg/s i przypada dla prędkości obrotowej 1 obr/min i obciążenia z zakresu 3 4% maksymalne natężenie emisji tlenków azotu (rys. 5.24) wynosi około 2 3 mg/s i przypada dla prędkości obrotowej 15 2 obr/min i obciążenia z zakresu 1 3%, maksymalne natężenie masowe emisji cząstek stałych (rys. 5.25) wynosi około 7 mg/s i przypada dla prędkości obrotowej 3obr/min i obciążenia 7%, maksymalne natężenie liczbowe cząstek stałych (rys. 5.26) wynosi około szt/s i przypada dla prędkości obrotowej z zakresu 1 2 obr/min i obciążenia z zakresu 2 3%. Rys Natężenie emisji liczby cząstek stałych rejestrowane podczas badań dla pojazdu ZI DI na trasie badawczej (przykład)

67 5. Wyniki badań własnych i ich analiza 67 Rys Natężenie emisji liczby cząstek stałych rejestrowane podczas badań dla pojazdu ZI DI na trasie badawczej (przykład) Rys Natężenie emisji liczby cząstek stałych rejestrowane podczas badań dla pojazdu ZI DI na trasie badawczej (przykład) Rys Natężenie emisji liczby cząstek stałych rejestrowane podczas badań dla pojazdu ZI DI na trasie badawczej (przykład)

68 CO [g/km] 5. Wyniki badań własnych i ich analiza 68 Rys Natężenie emisji liczby cząstek stałych rejestrowane podczas badań dla pojazdu ZI DI na trasie badawczej (przykład) Wyniki emisji drogowej zanieczyszczeń wyznaczono zgodnie z procedurą przedstawioną w dyrektywach [16, 17], co ogranicza podawanie wyników tylko do wartości emisji drogowej tlenku węgla, tlenków azotu oraz liczby cząstek stałych. Uzyskano następujące wartości: emisji drogowej tlenku węgla: w części miejskiej,13 g/km, w części pozamiejskiej,18 g/km, w części autostradowej,4 g/km; w całym teście uzyskano wartość,24 g/km (rys. 5.27); emisji drogowej tlenków azotu: w części miejskiej,38 g/km, w części pozamiejskiej,15 g/km, w części autostradowej,9 g/km; w całym teście uzyskano wartość,21 g/km (rys. 5.28); emisji drogowej liczby cząstek stałych: w części miejskiej 2, /km, w części pozamiejskiej 2, /km, w części autostradowej 1, /km; w całym teście uzyskano wartość 2, /km (rys. 5.29).,8,7,6,5,4,3,2,1,,4,24,18,13 Miejski Pozamiejski Autostradowy RDE Rys Emisja drogowa tlenku węgla uzyskana w poszczególnych częściach testu oraz średnia wartość z całego testu

69 PN [1/km] NOx [g/km] 5. Wyniki badań własnych i ich analiza 69,5,4,38,3,2,15,21,1,9, Miejski Pozamiejski Autostradowy RDE Rys Emisja drogowa tlenków azotu uzyskana w poszczególnych częściach testu oraz średnia wartość z całego testu 3,E+13 2,5E+13 2,E+13 1,5E+13 2,5E+13 2,1E+13 1,6E+13 2,3E+13 1,E+13 5,E+12,E+ Miejski Pozamiejski Autostradowy RDE Rys Emisja drogowa liczby cząstek stałych uzyskana w poszczególnych częściach testu oraz średnia wartość z całego testu Uzyskane wartości emisji drogowej zanieczyszczeń (tlenku węgla, tlenków azotu oraz liczby cząstek stałych) posłużyły do wyznaczenia wskaźników emisji, których maksymalna wartość do roku 22 wynosi 2,1 (wartość wskaźnika uzyskano dzieląc wartość emisji drogowej przez limit emisji drogowej tlenku węgla wynoszący 1 mg/km, limit emisji drogowej tlenków azotu wynoszący 6 mg/km i cząstek stałych wynoszący /km); uzyskano następujące wartości: wskaźnik emisji drogowej tlenku węgla: w części miejskiej,13, w części pozamiejskiej,18, w części autostradowej,4; w całym teście uzyskano wartość,24 (rys. 5.3); wskaźnik emisji drogowej tlenków azotu: w części miejskiej,48, w części pozamiejskiej,19, w części autostradowej,11; w całym teście uzyskano wartość,26 (rys. 5.31); wskaźnik emisji drogowej liczby cząstek stałych: w części miejskiej 4,1, w części pozamiejskiej 3,6, w części autostradowej 2,7; w całym teście uzyskano wartość 3,8 (rys. 5.32).

70 CF - PN CF - NOx CF - CO 5. Wyniki badań własnych i ich analiza 7 5, 4, 3, 2, CF = 2,1 (wg Euro 6c) 1,,,13,18,4,24 Miejski Pozamiejski Autostradowy RDE Rys Wskaźniki emisji tlenku węgla uzyskane w poszczególnych częściach testu 5, 4, 3, 2, CF = 2,1 (wg Euro 6c) 1,,,48,19,11,26 Miejski Pozamiejski Autostradowy RDE Rys Wskaźniki emisji tlenków azotu uzyskane w poszczególnych częściach testu 5, 4, 4,1 3,6 3,8 3, 2, 2,7 CF = 2,1 (wg Euro 6c) 1,, Miejski Pozamiejski Autostradowy RDE Rys Wskaźniki emisji liczby cząstek stałych uzyskane w poszczególnych częściach testu Z przedstawionego zestawienia wynika, że tylko wskaźnik liczby cząstek stałych nie spełnia wymagań dopuszczalnej wartości wskaźnika emisji. W związku z tym rozwiązaniem tego zagadnienia będzie doposażenie badanego silnika w filtr cząstek stałych, jednakże wymaga to przeanalizowania parametrów termodynamicznych procesu spalania w silniku ZI DI, a także oszacowania temperatury spalin w całym układzie wylotowym silnika. Taką analizę przeprowadzono w kolejnym rozdziale pracy.

71 5. Wyniki badań własnych i ich analiza Analiza parametrów termodynamicznych silnika ZI DI Podczas badań, oprócz parametrów ekologicznych, rejestrowano również parametry procesów szybkozmiennych, takie jak: ciśnienie wewnątrz cylindra oraz sygnał z czujnika położenia wału korbowego z częstotliwością = 1 o OWK (rys. 5.33). Na podstawie zarejestrowanych wartości ciśnienia wewnątrz komory spalania dla pierwszego cylindra sporządzono zestawienie otwartych wykresów indykatorowych dla kolejnych cykli pracy podczas testu drogowego. Przy prędkości obrotowej wynoszącej 28 obr/min oraz przy względnym obciążeniu wynoszącym 75% zarejestrowano maksymalne ciśnienie w cylindrze, które wyniosło 8,48 MPa (rys. 5.34). Dla prędkości obrotowej wynoszącej 11 obr/min i względnego obciążenia wynoszącego 2%, zarejestrowano minimalne ciśnienie w cylindrze wynoszące 4,4 MPa. Natężenie emisji PN [#/s] Natezenie emisji CO [g/s] Natezenie emisji NOx [g/s] Czas [s] Cisnienie w cylindrze [MPa] Natezenie emisji HC [g/s] Natezenie emisji CO2 [g/s] Natezenie emisji PM [mg/s] Rys Zestawienie natężenia emisji zanieczyszczeń z pojazdu podczas badań (fragment) Rys Zestawienie otwartych wykresów indykatorowych dla kolejnych cykli pracy silnika podczas przejazdu

72 5. Wyniki badań własnych i ich analiza 72 Na kolejnych rysunkach przedstawiono kontynuację zależności przedstawionych na wykresach (rys ). Wynikają z nich obszary pracy silnika z uwzględnieniem maksymalnego ciśnienia występującego w pierwszym cylindrze oraz prędkości obrotowej silnika. Wykresy takie powstały z zarejestrowanych danych podczas testu badawczego, a wartości prezentowane są uśrednione w danych obszarach pracy silnika. Natężenie emisji tlenku węgla jest największe dla obszaru pracy silnika, w którym o dużej prędkości obrotowej silnika oraz największej wartości ciśnienia w cylindrze (rys. 5.35). Może to wynikać z niedostosowania reaktora katalitycznego (jego objętości, a w konsekwencji sprawności oczyszczania spalin przy dużym natężeniu przepływu spalin) do całkowitego zakresu pracy silnika. Należy jednak zauważyć, że obecne rozwiązania silników ZI DI koncentrują się głównie na zmniejszaniu maksymalnej prędkości obrotowej takich silników, co jest również zgodne z wymogami ograniczania zużycia paliwa (rys. 5.36)..3 Natężenie emisji CO [g/s] Ciśnienie w cylindrze nr. 1 [MPa] Prędkość obrotowa [obr/min] Rys Natężenie emisji tlenku węgla uzależnione od prędkości obrotowej wału korbowego silnika oraz maksymalnych wartości ciśnienia dla pierwszego cylindra podczas testu badawczego 12 Natężenie emisji CO2 [g/s] Ciśnienie w cylindrze nr. 1 [MPa] Prędkość obrotowa [obr/min] Rys Natężenie emisji dwutlenku węgla uzależnione od prędkości obrotowej wału korbowego silnika oraz maksymalnych wartości ciśnienia dla pierwszego cylindra podczas testu badawczego

73 5. Wyniki badań własnych i ich analiza 73 Analiza natężenia tlenków azotu wykazała, że jest ona największa dla obszaru pracy silnika o dużym ciśnieniu w cylindrze (5 7 MPa) oraz małej i dużej prędkości obrotowej silnika (rys. 5.37). Są to charakterystyczne obszary dla pracy ze znacznym obciążeniem i zwiększeniem dawki paliwa (np. w fazie gwałtownego przyspieszania silnika). Podobne zależności do natężenia tlenku węgla odnotowano dla wyników natężenia emisji węglowodorów. Wynika to głównie z tych samych przyczyn co poprzednio oraz zwiększonego dawkowania paliwa, które niespalone przechodzi do układu wylotowego i nie jest utleniane w reaktorze katalitycznym. Charakterystyczny jest w tym przypadku obszar znacznego ciśnienia w cylindrze (w przedziale 5 8 MPa) i znacznej prędkości obrotowej z zakresu obr/min (rys. 5.38)..36 Natezenie emisji NOx [g/s] Cisnienie w cylindrze [MPa] Predkosc obrotowa [obr/min] Rys Natężenie emisji tlenków azotu uzależnione od prędkości obrotowej wału korbowego silnika oraz maksymalnych wartości ciśnienia dla pierwszego cylindra podczas testu badawczego.6 Natężenie emisji HC [g/s] Ciśnienie w cylindrze nr. 1 [MPa] Prędkość obrotowa [obr/min] Rys Natężenie emisji węglowodorów uzależnione od prędkości obrotowej wału korbowego silnika oraz maksymalnych wartości ciśnienia dla pierwszego cylindra podczas testu badawczego

74 5. Wyniki badań własnych i ich analiza 74 Odmienne od poprzednich zanotowano wyniki natężenia masy i liczby cząstek stałych. Natężenie masy cząstek stałych jest największe dla prędkości obrotowej ponad obr/min oraz dla zwiększonych wartości ciśnienia w cylindrze (w granicach 5 7 MPa). W tym obszarze rozpatrywane natężenie emisji jest około 4 5 razy większe niż w obszarze małych wartości ciśnienia w cylindrze (do 4 4,5 MPa) oraz dowolnej prędkości obrotowej (rys. 5.39). Podobne wyniki zarejestrowano dla natężenia emisji liczby cząstek stałych widoczny rozkład na rys. 5.4 nie jest zlokalizowany w pewnym jednorodnym obszarze, ale koncentruje się w obszarze wartości średnich prędkości obrotowych (15 27 obr/min) oraz całego zakresu ciśnienia w cylindrze. Jednakże widoczne jest zwiększenie natężenia emisji w przedziale największego ciśnienia w cylindrze..12 Natężenie emisji PM [mg/s] Ciśnienie w cylindrze nr. 1 [MPa] Prędkość obrotowa [obr/min] Rys Natężenie emisji masy cząstek stałych uzależnione od prędkości obrotowej wału korbowego silnika oraz maksymalnych wartości ciśnienia dla pierwszego cylindra podczas testu badawczego Natężenie emisji PN [#/s] Ciśnienie w cylindrze nr.1 [MPa] Predkość obrotowa [obr/min] 3 33 Rys Natężenie emisji liczby cząstek stałych uzależnione od prędkości obrotowej wału korbowego silnika oraz maksymalnych wartości ciśnienia dla pierwszego cylindra podczas testu badawczego

75 5. Wyniki badań własnych i ich analiza 75 Dla powyższych charakterystyk wyznaczono wartości minimalną, średnią, maksymalną oraz odchylenie standardowe wskaźnik CoV (rys. 5.41). Do analizy zmienności parametrów związanych z pojazdem oraz współpracującym silnikiem wykorzystano współczynnik zmienności CoV: gdzie: x średnia z zestawu danych, σ odchylenie standardowe zestawu danych definiowane jako: CoV [%] (5.1) x 1 n 1 x 2 n x 2 (5.2) a) b) c) e) e) f) Rys Parametry opisowe próby dla: a) tlenku węgla, b) węglowodorów, c) dwutlenku węgla, d) tlenków azotu, e) masy cząstek stałych, f) liczby cząstek stałych

76 Z [%] 5. Wyniki badań własnych i ich analiza 76 Współczynnik zmienności jest miarą zróżnicowania rozkładu cechy. W odróżnieniu od odchylenia standardowego, które określa bezwzględne zróżnicowanie cechy, współczynnik zmienności jest miarą względną, czyli zależną od wielkości średniej arytmetycznej. Interpretacja otrzymanych wartości współczynnika zmienności odbywa się według tablicy 5.3. Tablica 5.3. Interpretacja otrzymanych wartości współczynnika zmienności [1] Wartość współczynnika zmienności Zróżnicowanie 2% małe 2 4% średnie 4 6% duże ponad 6% bardzo duże Wartości tych parametrów wskazują na bardzo duży zakres zmienności badanych parametrów (natężenia emisji zanieczyszczeń), a jednocześnie ich wartości przez wartość współczynnika zmienności obrazują znaczne ich zróżnicowanie. Rozpatrując charakterystyki przedstawione na rys stwierdzono, że miarodajną informacją pomocną w kolejnych działaniach, będzie ilościowa ocena obciążenia (przynajmniej względnego) oraz rozkładu temperatury spalin (najkorzystniej byłoby otrzymać jej przebieg zmian od silnika do końca układu wylotowego) w zależności od warunków pracy silnika. Dla takiego postępowania przyjęto dwa rozwiązanie: pierwsze polegające na przyjęciu równania regresji w postaci równania y = ax + b, tzn. takiego w którym prosta regresji nie przechodzi przez początek układu współrzędnych (rys. 5.42), drugie, polegające na przyjęciu równania regresji w postaci równania y = ax, tzn. takiego w którym prosta regresji przechodzi przez początek układu współrzędnych (rys. 5.43) Z = 7,42 P max + 4,16 R² =, P max [MPa] Rys Zależność obciążenia od ciśnienia maksymalnego w komorze spalania przy przyjęciu równania typu y = ax + b (linia trendu nie przechodzi przez początek układu współrzędnych)

77 Z [%] 5. Wyniki badań własnych i ich analiza Z = 8,5 P max R² =, P max [MPa] Rys Zależność obciążenia od ciśnienia maksymalnego w komorze spalania przy przyjęciu równania typu y = ax (linia trendu przechodzi przez początek układu współrzędnych) Jednakże już wstępna analiza wykazała, że przyjęcie drugiego rozwiązania nie powoduje błędu większego niż 15%, a jednocześnie współczynnik determinacji przyjmuje mniejszą wartość o około 5%. W związku z tym dalsza analiza wykonana będzie we współrzędnych prędkość obrotowa obciążenie, gdyż wykazano, że zamienne stosowanie obciążenia i maksymalnego ciśnienia w cylindrze może być dopuszczalne. W pracy ma jedynie zastosowanie do prezentacji wyników i nie ma wpływu na otrzymywane wyniki procesów termodynamicznych. Znajomość wartości temperatury w komorze spalania oraz temperatury na końcu układu wylotowego pozwoli na przyjęcie lub odrzucenie tezy o możliwości zastosowania filtra cząstek stałych w układzie wylotowym silnika. Natomiast znajomość wartości temperatury w całym układzie wylotowym silnika pozwoli na oszacowanie umieszczenia (lokalizację) takiego filtra. Szczegółowe badania dotyczące tych aspektów będą wykonane na stanowisku hamownianym po wytypowaniu charakterystycznych punktów pracy takiego silnika. Wykorzystując zarejestrowane przebiegi maksymalnego ciśnienia w cylindrze podczas testów drogowych wykonano dwuwymiarową charakterystykę (wykorzystując metodykę przedstawioną w poprzednim rozdziale) tego parametru (w megapaskalach) we współrzędnych prędkość obrotowa obciążenie silnika (rys. 5.44). Z analizy tego wykresy wynika, że największe ciśnienie uzyskiwane jest dla obszaru pracy silnika, określonego prędkością obrotową z zakresu 2 35 obr/min oraz obciążeniem z zakresu 7 1%. Dla takiego obszaru wartość maksymalnego ciśnienia jest większa od 7 MPa. Dla średnich wartości obciążenia i prędkości obrotowej maksymalne ciśnienie spalania jest z zakresu od 3 MPa do 7 MPa, a dla najmniejszych wartości obciążenia i całego zakresu prędkości obrotowej nie przekracza 2 2,5 MPa. Wykorzystując charakterystykę maksymalnego ciśnienia w cylindrze, zgodnie ze wzorem (3.5), wyznaczono wartość maksymalnej temperatury spalania w tych samych przedziałach prędkości obrotowej i obciążenia silnika (rys. 5.45). Charakter rozkładu maksymalnej temperatury spalania jest bardzo podobny do charakteru maksymalnego ciśnienia. Największą wartość temperatury spalania ustalono dla obciążenia silnika z zakresu 7 1% oraz prędkości obrotowej z przedziału 2 35 obr/min w tym zakresie wartość maksymalnej tempera-

78 5. Wyniki badań własnych i ich analiza 78 tury spalania wynosi 2 25 K (czerwony obszar na rys. 5.45). Wartość ta maleje do obszaru średniego obciążenia i średniej prędkości obrotowej, osiągając wartości około 1 12 K. Dla najmniejszych wartości prędkości obrotowej i obciążenia uzyskano wartości temperatury nieprzekraczającej 6 8 K. 95 8, ,2146 8, ,8194 7,3166 7, ,8729 6,1154 6,4733 6,5545 Z [%] 55 4,6418 5,5293 5,5563 5, ,3585 3,6984 4,436 4,6465 4,7838 P max,5 MPa 35 2,3316 3,972 3,6463 3,8222 3,7778 P max = (,5 MPa; 3 MPa 25 1,6996 1,5563 2,2514 2,6877 2,752 2,6264 P max = (3 MPa; 5 MPa 15,6595 1,998 1,5473 1,783 1,8576 2,631 P max = (5 MPa; 7 MPa 5,734,8246 1,1891 1,312 P max > 7 MPa Rys Rozkład ciśnienia maksymalnego w komorze spalania we współrzędnych prędkość obrotowa obciążenie silnika podczas testów drogowych , ,1 2464, ,3 2349,8 2318, , ,8 2261,3 Z [%] 55 26,4 2139,1 2145, ,6 189,8 21,1 239,7 255,6 T max 14 K 35 17,3 1828,8 1923,5 1943,9 1938,8 T max = (14 K; 19 K ,2 1594,9 1726,7 184,6 1814,2 185 T max = (19 K; 21 K ,5 1549,9 1649, ,8 1739,6 T max = (21 K; 23 K ,3 1533,7 1623,5 1652,4 T max > 23 K Rys Rozkład maksymalnej temperatury w komorze spalania we współrzędnych prędkość obrotowa obciążenie silnika podczas testów drogowych Znane również wartości temperatury spalin na końcu układu wylotowego pojazdu (w miejscu poboru próbki spalin) pozwoliły na wyznaczenie podobnej zależności rozkładu temperatury w tym miejscu (rys. 5.46). Analiza tych danych uwidacznia, że charakter rozkładu jest już inny w głównej mierze temperatura spalin mierzona na końcu układu wylotowego zależy od prędkości obrotowej silnika, i tylko nieznacznie zmienia się w zależności od obciążenia.

79 5. Wyniki badań własnych i ich analiza 79 Zmiana obciążenia dla prędkości obrotowej 275 obr/min powoduje zmianę tej temperatury jedynie o mniej niż 3 K , ,5 59, ,21 54,17 516, ,78 43,3 51,2 517,77 Z [%] ,56 438,17 54,89 512, ,12 389,83 448,36 498,92 511,42 T sp 35 K ,47 397,44 447,31 498,59 512,6 T sp = (35 K; 4 K ,99 342,68 393,26 437,85 497,5 525,5 T sp = (4 K; 45 K ,29 347,55 393,84 438,6 488,7 499,63 T sp = (45 K; 5 K 5 346,9 362,16 41,25 42,88 T sp > 5 K Rys Rozkład temperatury spalin (mierzonej na końcu układu wylotowego przepływomierzem spalin) w zależności od prędkości obrotowej i obciążenia podczas testów drogowych W analizy rysunków 5.45 i 5.46 wynika, że spadek temperatury w układzie wylotowym silnika (po przyjęciu że temperatura spalin za zaworem wylotowym wynosi 7% maksymalnej temperatury spalania) wynosi od 7 do 13 K, co umożliwia zastosowanie filtra cząstek w układzie wylotowym silnika. Należy wziąć pod uwagę że spadek temperatury na turbosprężarce wynosi około Ttur = 1 2 K (mniejsze wartości dla minimalnej temperatury spalin a większą wartość dla maksymalnej temperatury spalin). W związku z tym w kolejnym podrozdziale określono punkty pracy silnika, dla których należy przeprowadzić dokładną analizę termodynamiczną i ekologiczną jego pracy Wybór punktów pracy silnika na podstawie badań drogowych Przedstawiona analiza, dotycząca przejazdów zgodnie z wymaganiami normy odnośnie badań drogowych RDE, pozwoliła na wybranie warunków ruchu, na podstawie których określono obszary pracy silnika, które wybrano do badań statycznych na hamowni silnikowej. Wyboru punktów pracy silnika dokonano na podstawie analizy parametrycznej z wykorzystaniem metody określania udziału czasu trwania obszaru pracy silnika w całym teście drogowym (rys ). Wykorzystano do tego dwuwymiarową charakterystykę we współrzędnych prędkość obrotowa obciążenie silnika, gdzie trzecią daną jest właśnie udział pracy silnika w danym obszarze charakterystyki. Algorytm wyboru przedstawiono zarówno w odniesieniu do obciążenia procentowego silnika (Z [%]), ale także znając charakterystykę wykorzystanego silnika do badań drogowych we współrzędnych prędkość obrotowa silnika moment obrotowy. Ta ostatnia pozwala w prosty sposób przełożyć uzyskane dane z badań drogowych (wybrane punkty pracy silnika) na dane wejściowe wykorzystywane do badań na hamowni silnikowej.

80 Z [%] 5. Wyniki badań własnych i ich analiza 8 a) b) S [m] 95,33%,38% 85,2%,58%,72% 75,6%,68%,85% 65,2%,28%,44%,9% Z [%] 55,2%,2%,72% 2,6%,35% 45,3% 3,89% 1,15%,38%,2% Udział = % 35,8% 1,48% 6,69% 4,93%,2% Udział = (%: 1% 25,22% 1,81% 7,8% 2,83%,19%,5% Udział = (1%: 5% 15 1,37% 5,7% 7,7% 2,79%,61% Udział = (5%: 1% 5,6% 28,78% 5,19% 1,15%,2% Udział > 1% c) ,49%,69% 13,8%,77%,93% Mo [Nm] 11,2%,19%,57%,42% 9,2%,72% 2,16%,55% Udział = % 7,25% 5,57% 11,9%,46%,2% Udział = (%: 1% 5,2% 1,62% 8,61% 4,59%,31%,5% Udział = (1%: 5% 3,14% 3,67% 8,5% 4,6%,61% Udział = (5%: 1% 1,6% 3,31% 8,31% 3,19%,16% Udział > 1% Rys Wyniki przejazdu nr 1: rejestracja prędkości obrotowej i obciążenia silnika, b) dwuwymiarowa charakterystyka u = f(n, Z), c) dwuwymiarowa charakterystyka u = f(n, M o) z zaznaczeniem przebiegu charakterystyki momentu obrotowego

81 Z [%] 5. Wyniki badań własnych i ich analiza 81 a) b) S [m] 95,3%,3% 85,51%,3% 75,2%,81%,59% 65,46%,78% 1,5% Z [%] 55,8% 2,23%,43%,21% 45,2%,8% 1,34% 11,89%,45%,7% Udział = % 35,3%,28% 5,51% 8,78%,36%,7% Udział = (%: 1% 25,8% 1,37% 8,32% 4,7%,33%,2% Udział = (1%: 5% 15,31% 3,2% 8,95% 3,4%,45% Udział = (5%: 1% 5 2,53% 8,7% 3,24%,17% Udział > 1% c) ,1%,3% 13,73%,56% Mo [Nm] 11,15% 1,17% 1,67% 9,8% 2,56%,56%,38% Udział = % 7,7% 2,53% 15,35%,53%,7% Udział = (%: 1% 5,51% 8,52% 8,1%,48%,7% Udział = (1%: 5% 3,12% 2,26% 9,59% 5,7%,58%,2% Udział = (5%: 1% 1 2,86% 1,17% 6,72%,41% Udział > 1% Rys Wyniki przejazdu nr 2: rejestracja prędkości obrotowej i obciążenia silnika, b) dwuwymiarowa charakterystyka u = f(n, Z), c) dwuwymiarowa charakterystyka u = f(n, M o) z zaznaczeniem przebiegu charakterystyki momentu obrotowego

82 Z [%] 5. Wyniki badań własnych i ich analiza 82 a) b) S [m] 95,3% 85,2%,19% 75,3% 1,11%,16% 65,23% 1,36% 1,76%,52% Z [%] 55 1,91% 1,11% 3,79% 1,44% 45,45% 2,7% 5,46% 2,3%,47% Udział = % 35 1,53% 4,84% 5,27%,97%,16% Udział = (%: 1 25,33% 3,57% 7,31% 2,77%,59%,3% Udział = (1%: ,32% 4,87% 5,83% 2,23%,78%,5% Udział = (5%: ,24% 3,53% 2,38%,7% Udział > 1% c) ,5% 13,7%,49% Mo [Nm] 11,9% 1,18% 2,14%,57% 9 2,5% 1,53% 4,21% 1,55% Udział = % 7,35% 3,53% 6,16% 2,73%,52% Udział = (%: 1 5 2,7% 7,26% 6,16%,78%,1% Udział = (1%: 5 3,14% 5,5% 8,28% 2,78% 1,13%,9% Udział = (5%: ,75% 6,4% 3,98%,7% Udział > 1% Rys Wyniki przejazdu nr 3: rejestracja prędkości obrotowej i obciążenia silnika, b) dwuwymiarowa charakterystyka u = f(n, Z), c) dwuwymiarowa charakterystyka u = f(n, M o) z zaznaczeniem przebiegu charakterystyki momentu obrotowego

83 Z [%] 5. Wyniki badań własnych i ich analiza 83 a) b) S [m] 95,8%,2% 85,13%,4%,9% 75,3%,57%,43%,65% 65,33%,93% 1,11% 1,8% Z [%] 55,6% 1,19% 1,28% 2,1% 1,26% 45,36% 2,69% 4,79% 2,91%,74% Udział = % 35 1,28% 2,78% 5,55% 1,5%,28% Udział = (%: 1% 25,14% 2,86% 4,13% 3,38% 1,4%,13% Udział = (1%: 5% 15 1,36% 5,72% 5,19% 2,59%,84% Udział = (5%: 1% 5,11% 3,62% 4,68% 2,61%,6% Udział > 1% c) ,5% 13,6%,44% Mo [Nm] 11,8% 1,8% 1,94%,52% 9 1,87% 1,39% 3,83% 1,41% Udział = % 7,32% 3,21% 5,6% 2,48%,47% Udział = (%: 1% 5 1,88% 6,59% 5,6%,71%,9% Udział = (1%: 5% 3,13% 5,% 7,53% 2,53% 1,3%,8% Udział = (5%: 1% 1 25,22% 5,49% 3,62%,63% Udział > 1% Rys Wyniki przejazdu nr 4: rejestracja prędkości obrotowej i obciążenia silnika, b) dwuwymiarowa charakterystyka u = f(n, Z), c) dwuwymiarowa charakterystyka u = f(n, M o) z zaznaczeniem przebiegu charakterystyki momentu obrotowego

84 5. Wyniki badań własnych i ich analiza 84 Wyboru punktów dokonano, wykorzystując wszystkie przejazdy, a wynik finalny jest uśredniony w ten sposób uwzględniono niepowtarzalność testów drogowych, a przedstawiona dalsza analiza nie jest obarczona zbyt małym zakresem badawczym (rys. 5.51) ,17%,18% 13,5%,61%,37% Mo [Nm] 11,5%,65% 1,46%,8% 9,% 1,18% 1,91% 2,29%,83% Udział = % 7,25% 3,71% 9,75% 1,55%,27% Udział = (%: 1% 5,% 1,52% 7,74% 6,11%,57%,8% Udział = (1%: 5% 3,13% 4,11% 8,47% 3,61%,84%,5% Udział = (5%: 1% 1,2% 26,4% 7,5% 4,38%,47% Udział > 1% Rys Uśredniona z czterech przejazdów dwuwymiarowa charakterystyka u = f(n, M o) z zaznaczeniem przebiegu charakterystyki momentu obrotowego Wybrane punkty do dalszych badań na hamowni silnikowej powinny charakteryzować się dużym udziałem czasu pracy w ogólnej charakterystyce pracy sinika. W związku z tym postanowiono zrezygnować z kilkudziesięciu punktów z rys i zastąpić je kilkoma punktami badawczymi, które charakteryzują się znaczącym udziałem czasu pracy. Po zawężeniu i uśrednieniu (wyznaczono średnią arytmetyczną poszczególnych komórek przylegających do komórek o największej wartości udziału czasu pracy) wyznaczono obszary (rys. 5.52), które wykorzystano do dalszych badań (tabl. 5.4) Mo [Nm] % Udział = % 7 17% Udział = (%: 1% 5 11% 8% Udział = (1%: 5% 3 15% Udział = (5%: 1% 1 27% 12% Udział > 1% Rys Wyznaczone punkty pracy silnika do dalszych badań przedstawione na charakterystyce pracy silnika

85 5. Wyniki badań własnych i ich analiza 85 Tablica 5.4. Wykaz punktów pracy silnika wraz z udziałem wagowym do dalszych badań na hamowni silnikowej Lp. M o [Nm] u i [ ] , , , , , , ,1 Wybór charakterystycznych punktów pracy silnika niestety nie pokrywa się z największymi wartościami temperatury w układzie wylotowym. Nie przeszkadza to jednak w realizacji dalszego planu dysertacji, gdyż wybrane punkty pracy silnika pokrywają się w częściowym zakresie z największą emisją liczby cząstek stałych Wybór filtra cząstek stałych silnika ZI DI przeznaczonego do dalszych badań Wiadomości wstępne Ocenia się, że cząstki stałe zawarte w gazach wylotowych silników benzynowych mają porównywalną morfologię do cząstek pochodzących z silników ZS [3]. Analiza fraktalna wskazuje podobieństwo agregatów cząstek stałych z silników z wtryskiem bezpośrednim benzyny do cząstek stałych z silników ZS. W silnikach ZI DI w zagregowanych cząstkach pojawiają się głównie struktury łańcuchowe, składające się z od kilku do kilkuset cząstek pierwotnych. Aglomeracja mniejszych cząstek na agregatach jest wynikiem spalania mieszanki powstałej przy późnym wtrysku paliwa. Cząstki stałe uformowane w ten sposób zawierają znaczną liczbę agregatów (w tym cząstek pierwotnych) o rozmiarach mniejszych niż 2 nm [43, 14]. Przy spalaniu mieszanek otrzymanych przy późnym wtrysku paliwa stwierdza się znacznie większy udział nanocząstek o najmniejszych rozmiarach niż w tych, które są formowane przy wczesnym wtrysku. Nanocząstki te charakteryzują się przeważnie strukturą grafenową i rozmiarami 9 25 nm. Przyrost obciążenia przy pracy silnika w zakresie mniejszych prędkości obrotowych oraz przy zwiększającym się kącie wyprzedzenia wtrysku skutkuje powstawaniem cząstek pierwotnych o większych średnicach. Bezpośrednie zmniejszenie masy i liczby cząstek stałych może być osiągnięte przez ograniczenie ich formowania oraz przez zapewnienie właściwych warunków utleniania w komorze spalania. Pośrednio także przez zastosowanie odpowiedniej konstrukcji pozasilnikowych systemów oczyszczania gazów wylotowych. Wtrysk bezpośredni benzyny w suwie dolotu znacznie poprawia tworzenie jednorodnej (homogenicznej) mieszanki paliwowo-powietrznej i wpływa na zmniejszenie ilości nieodparowanego paliwa, a także ogranicza formowanie się jego warstwy na ściankach komory spalania.

86 5. Wyniki badań własnych i ich analiza 86 Stosowane sposoby wytwarzania filtrów cząstek stałych w samochodach osobowych wyposażonych w silniki zasilane olejem napędowym mogą być zaadaptowane do silników benzynowych [7]. Należy wziąć jednak pod uwagę mniejszy rozmiar cząstek stałych emitowanych z silników ZI DI, co wymaga zastosowania nośników o większej porowatości oraz gęstości komórek, ale o mniejszej średnicy porów. Prowadzi to do wzrostu przeciwciśnienia w układzie wylotowym i negatywnie wpływa na sprawność ogólną napędu oraz zużycie paliwa (zwiększa emisję dwutlenku węgla). Ponadto stosowanie filtrów GPF skomplikuje budowę układu oczyszczania gazów wylotowych i spowoduje znaczny wzrost kosztu jego produkcji oraz eksploatacji w silnikach z bezpośrednim wtryskiem benzyny Wybór konfiguracji filtra cząstek stałych Możliwe są systemy oczyszczania gazów wylotowych w silnikach ZI DI w następujących konfiguracjach (TWC trójfunkcyjny reaktor katalityczny, GPF filtr cząstek stałych do silnika ZI DI; rys. 5.53): zintegrowany układ TWC + GPF w konfiguracji close-coupled (rys. 5.53a), dwa osobne układy znajdujące się w jednej obudowie: reaktor TWC filtr GPF pokryty katalizatorami wspomagającymi reakcje utleniania i redukcji, w konfiguracji close- -coupled (rys. 5.53b), dwa osobne elementy: TWC w konfiguracji close-coupled oraz filtr GPFw konfiguracji underfloor pokryty katalitycznie katalizatorami, wspomagającymi reakcje utleniania i redukcji (rys. 5.53c), dwa osobne elementy: TWC w konfiguracji close-coupled oraz filtr GPF w konfiguracji underfloor bez pokrycia katalitycznego (rys. 5.53d). a) b) c) d) Rys Konfiguracje systemów oczyszczania spalin w silnikach ZI DI do spełnienia normy Euro 6c; TWC reaktor trójfunkcyjny, GPF filtr cząstek stałych do silników ZI

87 5. Wyniki badań własnych i ich analiza 87 Ze względu na wybór punktów pracy silnika, w których nie występuje maksymalna temperatura spalin, przyjęto że wybrany zestaw katalityczny będzie typu TWC + GPF w osobnych elementach, przy czym TWC będzie zastosowany w konfiguracji close-coupled a filtr cząstek stałych w konfiguracji underfloor pokryty warstwą katalityczną, która wspomaga reakcje utleniania i redukcji Wybór parametrów filtra cząstek stałych Dzięki wyborowi filtra GPF pokrytego katalitycznie istnieje możliwość lokalnego wzrostu stężenia tlenu, a to umożliwia przeprowadzenie regeneracji filtra. Podczas pracy silnika w trybie spalania mieszanek ubogich zarówno stężenie tlenu oraz temperatura spalin są wystarczające do przeprowadzenia procesu utleniania cząstek stałych (przeprowadzenia regeneracji filtra). Sprzyjającą okolicznością jest również mniejsze stężenie cząstek stałych emitowanych z silników benzynowych w porównaniu do silników zasilanych olejem napędowym. Pozwala to na zminimalizowanie skutków akumulacji cząstek stałych nagromadzonych na warstwie aktywnej w filtrze, podczas gdy stężenie tlenu w gazach wylotowych jest zbyt małe do zainicjowania reakcji utleniania [69]. Mniejsze stężenie cząstek stałych z silników benzynowych oznacza pomijalnie małe zwiększenie temperatury filtra spowodowane reakcjami egzotermicznymi, co jest ważne ze względu na mniejsze wymagania w aspekcie dodatkowej izolacji termicznej między filtrem a nadwoziem pojazdu oraz możliwość zastosowania filtrów o znacznie mniejszym stosunku objętości nośnika filtra do objętości skokowej silnika. Stosunek ten w silnikach ZI DI jest wymagany w zakresie,7,85. Z tego powodu zastosowany filtr cząstek stałych powinien mieć objętość,85 1, dm 3 (silnik o objętości skokowej 1,2 dm 3 ) [87]. Skuteczność działania filtrów GPF zależy od kilku parametrów, których wzajemne zależności zależą od konkretnego silnikach oraz zastosowanego układu wylotowego. Są to m.in.: rozmiar porów skuteczność filtracji zwiększa się jeśli parametr ten się zmniejsza, porowatość skuteczność filtracji zwiększa się jeśli parametr ten się zwiększa, gęstość cel skuteczność filtracji zwiększa się jeśli parametr ten się również zwiększa, grubość ścianek skuteczność filtracji zwiększa się jeśli parametr ten się zwiększa, prędkość przepływu skuteczność filtracji zwiększa się jeśli parametr ten się zmniejsza. Przyjmuje się, że jeśli porowatość materiału nośnika jest większa niż 6% to przyczynia się to do zmniejszenia oporów przepływu spalin w filtrze z pokryciem katalitycznym. Opory przepływu zwiększają się gdy rozmiar porów jest mniejszy niż 15 m. Zmiana gęstości cel nośnika ma mały wpływ na skuteczność filtracji w porównaniu do zmian grubości ścianek nośnika. Typowa gęstość cel dla filtra przeznaczonego do silników benzynowych to zakres 2 4 cel na cal kwadratowy (cpsi cells per square inch), a grubość ścianek to,4,8 mm. Jednakże zapis dotyczący budowy filtra to np. 5/22, co oznacza grubość ścianki mm oraz 22 cel na cal kwadratowy. Wzajemne zależności między grubością ścianek filtra oraz liczbą cel na cal kwadratowy dla filtra wykonanego z kordierytu przedstawiono na rys Wynika z niego zmienność oporów przepływu dla różnych zastosowanych filtrów (różnych ich parametrów). Jednakże w celu uzyskania najmniejszych oporów przepływu (przeciwciśnienia) należy rozważyć możliwość użycia filtra o cienkich ściankach (,4,5 mm) oraz 2 22 cel na cal kwadratowy.

88 5. Wyniki badań własnych i ich analiza 88 Rys Porównanie oporów przepływu przez nośnik filtra GPF wykonanego z kordierytu, z parametrami (grubością ścianek i gęstością cel) możliwymi do zastosowania w układach wylotowych silników ZI DI [87] Zarówno liczba cel na cal kwadratowy, jak i grubość ścianek wpływają na otwartą powierzchnię wlotu. W zaproponowanym filtrze pokrytym katalitycznie powierzchnia wlotu będzie mniejsza (niż dla filtrów bez pokrycia katalitycznego), dlatego do wymienionych parametrów należy dobrać grubość warstw katalitycznych, która wpływa na opory przepływu spalin. Biorąc pod uwagę wszystkie przytoczone zagadnienia zdecydowano się na zastosowanie nowatorskiego filtra cząstek stałych o następujących parametrach (widok badanego filtra przedstawiono na rys. 5.55): filtr cząstek stałych w konfiguracji underfloor pokryty warstwą katalityczną, która wspomaga reakcje utleniania i redukcji, objętość filtra 1 dm 3, grubość ścianek,5 mm, liczba cel na cal kwadratowy 3 cpsi otwarta powierzchnia wlotu 88%, porowatość 65%. Rys Widok filtra zastosowanego podczas badań W kolejnym podrozdziale przedstawiono wyniki badań porównawczych, z wykorzystaniem silnika i układu wylotowego (podstawowego i zmodernizowanego) przeprowadzonych na stanowisku hamownianym.

89 M o [Nm] 5. Wyniki badań własnych i ich analiza Badania weryfikacyjne zmodyfikowanego zespołu silnik spalinowy układ wylotowy Wstępne założenia do badań Na stacjonarnym stanowisku hamownianym przeprowadzono badania w punktach wyznaczonych na podstawie badań w rzeczywistych warunkach, przy zachowaniu kolejności punktów pracy zgodnie z tabl. 4.7; punkty na charakterystyce silnika przedstawiono na rys Przyjęto, że dopuszczalny błąd prędkości obrotowej dla punktu pomiarowego wynosi ±5 obr/min, a błąd momentu obrotowego ±2% Mo max dla badanej prędkości obrotowej (zgodnie z wymogami testów statycznych według regulaminu ECE R49). Czas pracy silnika i pomiarów parametrów charakterystycznych (m.in. temperatury, ciśnienia, stężenia zanieczyszczeń, natężenia przepływu spalin) w poszczególnych punktach pomiarowych wynikał z ustabilizowania termicznego silnika i układu wylotowego i wynosił w zależności od punktu pracy silnika od 5 do 1 minut. 11 9,1 7,17 5,11,8 3,15 1,27, Rys Wytypowane punkty pracy silnika do oceny termodynamicznej i ekologicznej zastosowania filtra cząstek stałych Badania będą przeprowadzone w dwóch etapach: pierwszy etap, polegający na pomiarze parametrów termodynamicznych i ekologicznych przed zastosowaniem w układzie wylotowym filtra cząstek stałych; drugi etap, polegający na porównaniu uzyskanych tylko wyników ekologicznych przed i po zastosowaniu filtra cząstek stałych; takie postępowanie podyktowane zostało niezamiennością parametrów termodynamicznych procesu spalania w zależności od zainstalowania filtra cząstek stałych. W kolejnym rozdziale omówiono parametry termodynamiczne silnika na stanowisku hamownianym (rys. 5.57), co wynikało głównie na ustaleniu maksymalnej temperatury spalania w warunkach statycznych; w warunkach dynamicznych w poprzednich rozdziałach została ona wyznaczona, jednakże do celów badawczych np. umiejscowienia filtra cząstek stałych

90 5. Wyniki badań własnych i ich analiza 9 ma bardzo duże znaczenie poznawcze. Również ważne było określenie temperatury gazów wylotowych opuszczających cylinder. Tę wartość określono wyznaczając przebieg temperatury w cylindrze jako funkcji położenia wału korbowego. a) turbosprężarka 2 cm T 1, p 1 przed turbosprężarką T 2, p 2 za turbosprężarką TWC 5 cm GPF T 3, p 3 przed filtrem cząstek stałych T 4, p 4 za filtrem cząstek stałych tłumik T 5, p 5 koniec układu wylotowego b) Rys Stanowisko badawcze z jego głównymi elementami: a) najważniejsze rozpatrywane elementy, b) widok całego układu wylotowego