ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(97)/2014

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(97)/214 Piotr Orliński 1, Marcin K. Wojs 2, Mieczysław Sikora 3 WPŁYW KĄTA WYPRZEDZENIA WTRYSKU NA EMISJĘ SUBSTANCJI TOKSYCZNYCH W SILNIKU ROLNICZYM O ZS ZASILANYM CIEKŁYMI PALIWAMI ALTERNATYWNYMI 1. Wstęp W ostatnich kilkudziesięciu latach nastąpił gwałtowny rozwój świadomości społecznej i troski o stan środowiska. Skażenie środowiska naturalnego osiągnęło poziom, z którym człowiek nigdy do tej pory się nie spotkał. Wykazano, że emisja substancji szkodliwych do środowiska niekorzystnie wpływa na życie człowieka, na wydajność produkcji rolnej i naturalne ekosystemy. Ma ona bezpośredni wpływ na zdrowie człowieka. Przyczynia się do powstawania schorzeń układu oddechowego, a w szczególności alergii. Zanieczyszczenia powietrza powodują korozje metali i materiałów budowlanych. Działają niekorzystnie na rośliny, zaburzając procesy fotosyntezy. Skażają wody i gleby. W skali globalnej mają wpływ na zmiany klimatyczne. Najbardziej charakterystycznymi przykładami zagrożeń są [1]: zjawisko kwaśnych deszczy, zjawisko smogu białego (fotochemicznego), zjawisko smogu czarnego (londyńskiego), efekt cieplarniany, zmniejszanie się ochronnej warstwy ozonowej. Stale zaostrzające się kryteria dotyczące emisji toksycznych składników spalin oraz zmniejszające się zasoby ropy naftowej zmuszają przemysł motoryzacyjny do zintensyfikowania badań i poszukiwania nowych rozwiązań technicznych, dających możliwość wykorzystania paliw alternatywnych oraz zapewniających możliwie najmniejsze szkodliwe oddziaływanie pojazdów na naturalne środowisko człowieka. Obniżenie emisji związków szkodliwych powinno koncentrować się przede wszystkim na ograniczaniu ich powstawania w silniku (metody bezpośrednie), a dopiero potem na ich usuwaniu (metody pośrednie). Zasadnicze działania koncentrują się na doskonaleniu procesu spalania w silniku, poprzez optymalizację jego konstrukcji oraz wprowadzenie dodatkowych systemów ograniczających wytwarzanie substancji szkodliwych w komorze spalania. Działania te są ograniczone, ponieważ podstawowym zadaniem silnika spalinowego jest efektywne i wysoko sprawne wytwarzanie energii mechanicznej [1]. 2. Cel badań Celem pracy jest analiza i ocena emisji substancji toksycznych spalin z silnika rolniczego o zapłonie samoczynnym. Badania wykonano dla trzech paliw: ON, L1, L2 oraz dla trzech kątów wyprzedzenia wtrysku. Pomiary dotyczyły czterech normowanych 1 dr inż. Piotr Orliński - Politechnika Warszawska, Wydział SiMR, Instytut Pojazdów 2 mgr inż. Marcin K. Wojs - Politechnika Warszawska, Wydział SiMR, Instytut Pojazdów 3 student Wydziału SiMR 171

2 składników toksycznych spalin: CO, HC, PM, NO x. Badania eksperymentalne przeprowadzono na typowym stanowisku hamownianym zgodnie z testem C1 według normy ISO Właściwości badanych paliw Do badań wykorzystano trzy paliwa ON, L1 oraz L2. ON to paliwo bazowe a pozostałe paliwa to mieszaniny ON i estru metylowego kwasu tłuszczowego z lnianki, które mogłyby być, ze wzglądu na swoje właściwości fizykochemiczne, paliwem zastępczym dla czystego ON. Tabela 1. Właściwości fizykochemiczne trzech paliw ON, L1, L2 ON L1 L2 Gęstość [g/cm 3 ],83,834,839 Lepkość [mm 2 /s] 2,8 3 3,2 Wartość opałowa [MJ/kg] 42, Liczba cetanowa Charakterystyka techniczna stanowiska Stanowisko badawcze oparte zostało na silniku Perkins 114C-E44T. Jest to czterocylindrowy silnik doładowany o zapłonie samoczynnym z bezpośrednim wtryskiem paliwa do komory spalania, chłodzony cieczą. Silnik ten jest sterowany elektronicznie, posiada dwa sterowniki: głowy silnika oraz dodatkowy sterujący pompą wtryskową. Przeznaczony jest do napędzaniu maszyn roboczych, ciągników rolniczych oraz agregatów prądotwórczych [2]. Zastosowany podczas badań system pomiarowy składa się z czterech torów pomiarowych: ciśnienia w komorze spalania, kąta obrotu wału korbowego, emisji toksycznych składników spalin oraz emisji cząstek stałych. Rys. 1. Uproszczony schemat stanowiska badawczego 172

3 CO [ppm] Rys. 2. Silnik Perkins 11 [3] 5. Wyniki badań Wyniki badań przedstawione zostały na poniższych wykresach. Ukazują one charakterystykę obciążeniową dla prędkości obrotowej n=14 obr/min, która jest prędkością obrotową maksymalnego momentu obrotowego wału korbowego silnika. Wyniki badań przedstawione są dla trzech wcześniej omówionych typów paliwa (ON, L1, L2) przy kącie wyprzedzenia wtrysku paliwa ustawionym dla trzech różnych wartości oznaczonych A, B, C. Ustawienie kąta wyprzedzenia wtrysku A to ustawienie fabryczne 12 o OWK, B powoduje późniejszy wtrysk paliwa o około +5 o OWK, a ustawienie C wcześniejszy wtrysk o około -5 o OWK. Badania emisji składników toksycznych dla trzech paliw przy trzech ustawieniach kąta wyprzedzenia wtrysku przeprowadzono zgodnie z testem C ONA L1A L2A Rys. 3. Stężenie CO dla kąta wyprzedzenia wtrysku A oraz n=14 obr/min 173

4 CO [ppm] CO [ppm] ONB L1B L2B Rys. 4. Stężenie CO dla kąta wyprzedzenia wtrysku B oraz n=14 obr/min ONC L1C L2C Rys. 5. Stężenie CO dla kąta wyprzedzenia wtrysku C oraz n=14 obr/min Stężenie CO przy kącie wyprzedzenia wtrysku A jest porównywalne dla wszystkich trzech paliw rys. 3. Przy kącie wyprzedzenia wtrysku B i C największe stężenie CO jest dla paliwa ON, a najmniejsze dla L2. Rys. 5 pokazuje, że różnica 174

5 HC [ppm] HC [ppm] stężeń CO dla kąta C pomiędzy paliwem ON, a paliwem L2 wynosi ok. 45% dla maksymalnych obciążeń silnika ONA L1A L2A Rys. 6. Stężenie HC dla kąta wyprzedzenia wtrysku A oraz n=14 obr/min ONB L1B L2B Rys. 7. Stężenie HC dla kąta wyprzedzenia wtrysku B oraz n=14 obr/min 175

6 NO x [ppm] HC [ppm] ONC L1C L2C Rys. 8. Stężenie HC dla kąta wyprzedzenia wtrysku C oraz n=14 obr/min Stężenie HC jest najbardziej korzystne dla paliwa L1 i osiąga dużo niższe wartości dla kąta B i C niż fabrycznego A. Różnica między stężeniami HC przy kącie wyprzedzenia wtrysku C dla paliw ON i L1 wynosi ok. 2% i maksymalnie osiąga 6% dla kąta A (rys. 6) ONA L1A L2A Rys. 9. Stężenie NO x dla kąta wyprzedzenia wtrysku A oraz n=14 obr/min 176

7 NO x [ppm] NO x [ppm] ONB L1B L2B Rys. 1. Stężenie NO x dla kąta wyprzedzenia wtrysku B oraz n=14 obr/min ONC L1C L2C Rys. 11. Stężenie NO x dla kąta wyprzedzenia wtrysku C oraz n=14 obr/min Porównując stężenie substancji toksycznych spalin można zauważyć, że dla każdego kąta wtrysku, największe wartości stężenia NO x zaobserwowano dla paliwa 177

8 PM [mg/m 3 ] PM [mg/m 3 ] L2, natomiast najmniejsze dla paliwa ON. Największą różnicę stężenia NO x między paliwem L2, a paliwem ON zauważono dla kąta wyprzedzenia wtrysku C i wynosi ona ok. 25% rys ONA L1A L2A Rys. 12. Stężenie PM dla kąta wyprzedzenia wtrysku A oraz n=14 obr/min ONB L1B L2B Rys. 13. Stężenie PM dla kąta wyprzedzenia wtrysku B oraz n=14 obr/min 178

9 Emisja jednostkowa CO [g/(kw h)] PM [mg/m 3 ] ONC L1C L2C Rys. 14. Stężenie PM dla kąta wyprzedzenia wtrysku C oraz n=14 obr/min Jak pokazały wyniki badań, stężenie PM jest najmniejsze dla paliwa L2, a największe dla ON. Różnica pomiędzy stężeniem PM dla paliwa ON, a stężeniem PM dla paliwa L2 przy kącie wyprzedzenia wtrysku C (rys. 14) wynosi ok. 35% dla maksymalnych obciążeń silnika.,8,7,6,5,4,3,2,1, CO A B C ON L1 L2 Rys. 15. Emisja jednostkowa CO dla trzech kątów wyprzedzenia wtrysku 179

10 Emisja jednostkowa PM [g/(kw h)] Emisja jednostkowa NOx [g/(kw h)] Emisja jednostkowa HC [g/(kw h)] HC,6,5,4 ON,3 L1,2 L2,1, A B C Rys. 16. Emisja jednostkowa HC dla trzech kątów wyprzedzenia wtrysku 1, NOx 8, 6, 4, 2, ON L1 L2, A B C Rys. 17. Emisja jednostkowa NO x dla trzech kątów wyprzedzenia wtrysku,2 PM,15,1,5 ON L1 L2, A B C Rys. 18. Emisja jednostkowa PM dla trzech kątów wyprzedzenia wtrysku 18

11 5. Wnioski Duża zawartość tlenu w paliwach z lnianki istotnie wpływa na proces spalania, gdyż tlen ten cechuje się większą aktywnością niż tlen cząsteczkowy zawarty w powietrzu. Objawia się to większymi maksymalnymi ciśnieniami i temperaturami czynnika roboczego w komorze spalania i powoduje zmniejszenie zadymienia spalin. Emisja PM, dla każdego z kątów wyprzedzenia wtrysku, jest większa dla ON i maleje wraz ze zwiększaniem ilości estru z lnianki w paliwie. Emisja jednostkowa PM dla L2 jest o ok. 6% mniejsza niż dla ON. Ważną zaletą estru z lnianki jest praktycznie zerowa zawartość siarki, co jest korzystną cechą zarówno ze względów ekologicznych, jak i ze względu na korozyjne zużycie elementów silnika i układu oczyszczania spalin. Zasilanie silnika o zapłonie samoczynnym estrem z lnianki powoduje korzystne obniżenie emisji praktycznie wszystkich toksycznych składników spalin (z wyjątkiem tlenków azotu). Emisja CO jest najbardziej korzystna dla paliwa L2. Emisja HC, podobnie jak CO, najniższa jest dla paliwa L2. Jednak emisja HC dla pozostałych paliw jest zdecydowanie wyższa. Przy kącie C różnica emisji między paliwem ON, a L2 wynosi ok. 4%. Porównując emisję NO x dla trzech kątów wyprzedzenia wtrysku, największe wartości dla każdego z paliw, zaobserwowano dla kąta C. Ustawienie to powoduje wcześniejszy wtrysk, który skutkuje większymi ciśnieniami i temperaturami w komorze spalanie, co z kolei skutkuje zwiększoną emisją NO x. Analizując emisję NO x dla trzech paliw, najmniejszą wartość zaobserwowano dla paliwa ON (przy każdym z trzech kątów wyprzedzenia wtrysku). Im większa ilość estru z lnianki w paliwie tym więcej aktywnego tlenu, który bierze udział w spalaniu co powoduje podwyższenie ciśnienie i temperatury w komorze spalania. Prowadzi to do wzrost emisji NO x powyżej wartości osiąganych na czystym oleju napędowym. Zaprezentowane wyniki wskazują, że zastosowanie mieszaniny oleju napędowego z estrem z lnianki w silnikach pojazdów rolniczych ma szereg korzyści. Porównywalna lub niższa emisja PM, HC oraz CO, a także większa emisja NO x pozostająca jednak w granicach normy, pozwalają zastosować FAME z lnianki jako biokomponent do paliw handlowych w proporcjach większych niż obecnie dopuszczalne. Literatura: [1] Kruczyński S; Filtracja cząstek stałych w spalinach pojazdów samochodowych, Instytut Naukowo-Wydawniczy SPATIUM, Radom 211, [2] Orliński P, Marcin K. Wojs, Mazuruk P.: Budowa stanowiska do badań paliw eksperymentalnych płynnych wykorzystującego silnik rolniczy o zapłonie samoczynnym, Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów 1(92)/213, ISSN X, str: [3] Instrukcja do silnika Perkins 11 Series, [4] Szlachta Z., Dudek S; Zasilanie biopaliwami silników pojazdów rolniczych, MOTROL Motoryzacja i Energetyka Rolnictwa 5/23, s , [5] Orliński P.; Wybrane zagadnienia procesu spalania paliw pochodzenia roślinnego w silniku o zapłonie samoczynnym, Instytut Naukowo-Wydawniczy SPATIUM, Radom 213, 181

12 Streszczenie Artykuł przedstawia wyniki badań mieszaniny 1 % i 2 % FAME z lnianki z olejem napędowym oraz porównawczo wyniki dla czystego ON. Badania przeprowadzono zgodnie z testem C1, a emisja toksycznych składników spalin obliczona została według normy ISO 8178 dla pojazdów o zastosowaniu pozadrogowym. Przedstawione wyniki zostały otrzymane z charakterystyki obciążeniowej dla prędkości maksymalnego momentu 14 obr/min. Wprowadzono również zmianę kąta początku wtrysku i otrzymano trzy parametry pomiarowe: A ustawienie fabryczne, B opóźnienie wtrysku paliwa (o ok. 5 o OWK), C przyspieszenie wtrysku paliwa (o ok. 5 o OWK). Słowa kluczowe: FAME, lnianka, początek wtrysku EFFECT OF INJECTION FOR EMISSIONS OF TOXIC SUBSTANCES IN DIESEL ENGINE POWERED BY ALTERNATIVE FUELS Abstract This article presents the results of a mixture of 1% and 2% of FAME from camelina with diesel and comparative results for pure ON. The study was conducted in accordance with test C1 and toxic exhaust emissions have been calculated according to ISO 8178 for nonroad use. The results were obtained from the full-load characteristic for maximum torque speed - 14 rpm / min. Also introduced changing the angle of injection to give three measurement parameters: A - factory setting, B - delayed fuel injection (approximately 5 o TDP) C - acceleration fuel injection (approximately 5 o TDP). Keywords: FAME, camelina, injection 182