TENDENCJE ROZWOJOWE EKOLOGICZNOŚCI PRACY SILNIKÓW SPALINOWYCH MASZYN I AGREGATÓW ROLNICZYCH

Transkrypt

1 Aleksander Mazanek 1, Instytut Nafty i Gazu Janusz Jakóbiec 2 Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie Wiesław Piekarski 3 Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie TENDENCJE ROZWOJOWE EKOLOGICZNOŚCI PRACY SILNIKÓW SPALINOWYCH MASZYN I AGREGATÓW ROLNICZYCH Wstęp Korzystne właściwości napędowe połączone z niskim zużyciem paliwa spowodowały, że podstawowym źródłem napędu maszyn rolniczych są silniki o zapłonie samoczynnym. Ostatnie lata w zakresie konstrukcji silników o ZS jako jednostki napędowej w różnych zastosowaniach charakteryzują się intensywniejszym poszukiwaniem takich rozwiązań, które posiadają wysoką sprawność energetyczną oraz korzystnie oddziaływają na środowisko [1]. Ochrona środowiska naturalnego jest obecnie głównym czynnikiem determinującym rozwój środków transportu, w tym maszyn rolniczych. Skażenie środowiska naturalnego wywołane przez transport drogowy i eksploatację maszyn rolniczych, stanowi część globalnej problematyki ekologicznej i jest przedmiotem działania wielu organizacji rządowych i pozarządowych zwłaszcza w sferze legislacyjnej. Ekologia i globalne zmiany klimatu, problem bezpieczeństwa energetycznego oraz ekonomia doprowadziły do działań nad wdrożeniem nowych rozwiązań konstrukcyjno-technologicznych jednostek napędowych w tym nowych źródeł energetycznych [2]. Rosnące zapotrzebowanie na energię, uprzemysłowienie kraju oraz wzrost liczby ludności systematycznie pogarszają jakość powietrza [3]. Prace nad obniżeniem emisji toksycznych składników spalin silników o zapłonie samoczynnym Ograniczenie emisji toksycznych składników spalin silników o ZS jest procesem ciągłym, nie wystarczają już pojedyncze środki; niezbędne są rozwiązania kompleksowe przy ścisłej współpracy specjalistów z różnych gałęzi przemysłu. Według [4,5] działania zmierzające do ograniczenia emisji związków toksycznych spalin są ukierunkowane w trzech podstawowych grupach: bezpośrednie oddziaływanie na proces spalania, który jest podstawowym źródłem powstawania związków szkodliwych (ładunek homogeniczny i recyrkulacja spalin), oddziaływanie na spaliny po opuszczeniu cylindra silnika (selektywna redukcja katalityczna SCR, utlenianie niedopalonych węglowodorów i tlenku węgla, jak również stosowanie filtrów cząstek stałych DPF), stosowanie paliw alternatywnych (biopaliw, biogazu, LPG i CNG). 1 Dr inż. Aleksander Mazanek, Instytut Nafty i Gazu w Krakowie, 2 Prof. dr hab. inż. Janusz Jakóbiec, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Energetyki Paliw, Katedra Technologii Paliw 3 Prof. dr hab. inż. Wiesław Piekarski, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Energetyki i Środków Transportu Logistyka 5/

2 Należy podkreślić że najnowsze rozwiązania w grupie silników spalinowych o ZS wykorzystywanych do napędu maszyn rolniczych, są stosowane z pewnym opóźnieniem w stosunku do silników pojazdów drogowych, co wynika z bardziej liberalnych limitów emisji związków toksycznych spalin. Główne problemy związane ze stosowaniem silników o zapłonie samoczynnym stosowanych w rolnictwie to emisja cząstek stałych (PM) i tlenków azotu (NOx). Europejskie limity zanieczyszczeń dla silników pojazdów mechanicznych o zastosowaniach pozadrogowych maszyn rolniczych (Stage IIIA, IIIB, IV) przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Europejskie limity zanieczyszczeń do silników pojazdów mechanicznych o zastosowaniach pozadrogowch (Stage IIIA, IIIB, IV)[6] Kategoria silnika Moc silnika [kw] CO HC NOx HC+NO x PM Stage IIIA H , ,2 I ,3 J ,7 0,4 K , ,5 0,6 Stage IIIB L ,5 0,19 2-0,025 M ,19 3,3-0,025 N ,19 3,3-0,025 P ,7 0,025 Stage IV Q ,5 0,19 0,4-0,025 R ,19 0,4-0,025 Proekologiczny rozwój technologii silników stosowanych do napędu maszyn rolniczych Wprowadzone przepisy administracyjne dotyczące ochrony środowiska naturalnego wymuszają ciągle unowocześnienia i modernizację silników spalinowych stosowanych do napędu maszyn rolniczych. Jak już wiadomo, negatywnego oddziaływania maszyn rolniczych pracujących z użyciem silnika o ZS nie da się całkowicie wyeliminować. Nie bez znaczenia jest rola konstruktorów jednostek napędowych, których nadrzędnym zadaniem jest zoptymalizować przebieg procesu spalania, aby maksymalnie wykorzystać energie zawartą w paliwie, ograniczając przy tym ilość gazów spalinowych wydalanych przez silnik. Dzięki tym działaniom współczesne jednostki napędowe stosowane w zestawie maszyn rolniczych znacznie odbiegają do tych stosowanych jeszcze kilkanaście lat temu, zarówno pod względem konstrukcji, jak i stosowanych rozwiązań technicznych. Obserwując obecne i przyszłe kierunki rozwoju silników o ZS stosowane zwłaszcza w ruchu kołowym wymuszane obowiązującymi już ograniczeniami wprowadzonymi przez Euro 5 i przyszłymi związanymi z obostrzeniami przewidywanymi przy wprowadzaniu Euro 6 (rok 2014), należy wyróżnić następujące tendencje [7,8]: konstruowanie komór spalania pozwalających na optymalizację głębokości penetracji strumienia paliwa tworzonego przez układy wtrysku wysokociśnieniowego w przygotowywanym, a następnie spalanym w komorze ładunku; modelowanie systemu spalania poprzez kształtowanie wzajemnego współdziałania strumienia rozpylanego w sposób regulowany paliwa, ze specjalnie ukształtowanym profilem krawędzi komory spalania, pozwalającym na optymalne uformowanie ruchu ładunku z wytworzeniem stref o jego wysokiej turbulencji; kolejne etapy rozwoju wysokociśnieniowych układów wtrysku paliwa typu Common Rail (CR), pompowtryskiwaczy, wyposażonych w wysokociśnieniowe pompy wtryskowe i podobnych o średnim ciśnieniu wtrysku paliwa ok barów i maksymalnym w zakresie barów, dających możliwości sterowania przebiegiem wtrysku tzw. post-wtrysku, co pozwoli na dalsze 382 Logistyka 5/2015

3 zmniejszenie emisji oraz twardości i hałasu pracy silnika przy zachowaniu jego parametrów użytkowych. Obecnie stosowane silniki o zapłonie samoczynnym spełniające europejską normę Stage III w sektorze rolnym, to jednostki wyposażone w turbosprężarki ze zmienną geometrią łopatek kierownicy turbiny (VGT Variable Geometry Turbocharger), co stanowi ważny element umożliwiający kształtowanie przebiegu charakterystyki w zależności od potrzeb, jednocześnie rozwiązanie to zwiększa sprawność ogólną, a więc obniża zużycie silnika. Ciągły nacisk legislacyjny w kierunku obniżenia emisji toksycznych składników spalin przez silniki o zapalnie samoczynnym, wykorzystanych do napędu maszyn rolniczych doprowadził do wdrożenia w eksploatacji zaawansowanych układów wtrysku paliw typu Common Rail, oczyszczania spalin, w tym filtrów cząstek stałych. W przypadku wtrysku paliwa poprawa polegała na zastosowaniu wtryskiwaczy paliwa sterowanych elektronicznie przez cewki elektromagnesów lub piezo-systemy; maksymalne ciśnienie wtrysku zwiększono z 35 do 200 MPa, a liczbę wtrysków na jeden obieg spalania zwiększono do nawet pięciu, co stało się przyczyną znaczącego zwiększenia temperatury końcówki rozpylacza. Wszystkie te zmiany spowodowały ogromny wzrost energii kinetycznej rozpylonego paliwa, prowadząc do mniejszych wymiarów kropel w komorze spalania, co poprawia atomizację paliwa i daje w rezultacie sprawniejszy i pełniejszy proces spalania [9]. W tabeli 2 zamieszczono zmiany parametrów, związanych z rozwojem układów wtrysku paliwa w silnikach spalinowych w ciągu ostatnich kilkunastu lat. Tabela 2. Rozwój układów wtrysku paliwa silników spalinowych [10,11] Parametry techniczne Do 1995 r. Do 2000 r. Lata r. Maksymalne ciśnienie wtrysku [MPa] Liczba wtrysków na minutę przy n=3000 min Temperatura paliwa w końcówce rozpylacza [ C] < 230 <250 > 250 Liczba otworków rozpylacza Średnica otworu rozpylacza [mm] < 0,5 0,25 < 0,1 Należy podkreślić, że wysokie ciśnienie wtrysku przy małych otworkach rozpylacza umożliwia lepsze rozpylenie paliwa w komorze spalania, generując krople o mniejszej średnicy, które łatwiej mieszają się z powietrzem i efektywniej ulegają spaleniu. Rozwiązania konstrukcyjne mające na celu poprawę właściwości ekologicznych, stosowane w silnikach maszyn rolniczych odbiegają od rozwiązań stosowanych w silnikach pojazdów drogowych. Jedną z zasadniczych różnic jest wykorzystanie pozasilnikowych urządzeń oczyszczających spaliny, reaktorów katalitycznych i filtrów cząstek stałych. Według [12] pozasilnikowe urządzenia oczyszczające spaliny są wykorzystywane w maszynach rolniczych w niewielkim stopniu, ale sytuacja ta zmienia się bardzo dynamicznie, w najnowszych rozwiązaniach można je spotkać coraz częściej. Jednym z najnowszych rozwiązań ograniczających emisję tlenków azotu jest selektywna redukcja katalityczna, która polega na wykorzystaniu jako reduktora dla NOx 32,5 % roztworu mocznika (nazwa handlowa AdBlue) wtryskiwanego przed reaktor katalityczny. W celu zmniejszenia emisji PM z silników maszyn rolniczych coraz częściej, obok systemów SCR, stosuje się filtry DPF, które są zintegrowane z utleniającymi reaktorami katalitycznymi (zmniejszenie emisji CO i HC) [13,14]. Proces regeneracji aktywnej filtrów DPF w systemach wtrysku paliwa Common Rail polega na podaniu dodatkowej dawki paliwa po zwrocie zewnętrznym tłoka w fazie rozprężania, powodując wzrost temperatury spalin do około o C. Rozgrzane spaliny trafiają do filtra DPF, w którym następuje katalityczne dopalanie węglowodorów pochodzących z dodatkowej dawki paliwa, w wyniku czego temperatura spali wzrasta do ok o C [15]. Proces eksploatacji pojazdów trakcyjnych przy wzrastającym udziale czasu pracy na biegu jałowym przebiega w zakresie temperatur na wlocie do DPF nie przekraczających o C. W odróżnieniu do tego stanu, silniki ciągników rolniczych w przypadku wykonywania ciężki prac polowych wykazują zwykle stan Logistyka 5/

4 obciążeń nominalnych, co sprzyja procesowi regeneracji filtra. Przykładem silnika wyposażonego w selektywny reduktor katalityczny spełniający również rolę filtra DPF jest silnik ciągnika VALTRA T. (rys. 1) [15]. Rys. 1. Silnik ciągnika VALTRA serii T wyposażony w selektywny reduktor katalityczny Jednym z możliwych rozwiązań ograniczających emisję toksycznych składników spalin jest recyrkulacja spalin, gdzie część spalin jest zawracana do układu dolotowego silnika w celu kontroli emisji NOx [16]. Metoda ta jest nazywana recyrkulacją spalin (EGR), gdzie recyrkulowane gazy wylotowe osiągają temperaturę w cylindrze oraz ograniczają spalanie stukowe. W praktyce są wykorzystane dwie metody recyrkulacji spalin, jedna jest nazywana gorącym EGR- gdy do układu dolotowego kierowane są gorące spaliny, natomiast druga nazywana zimnym EGR, gdzie w systemie recyrkulacji jest stosowana chłodnica spalin (spaliny w układzie dolotowym są schłodzone) [17]. W wyniku tego procesu zostaje obniżona maksymalna temperatura spalania i następuje ograniczenie maksymalnej ilości tlenu w ładunku dostarczonym do cylindra. Jednak nadmieniony udział spalin w całym ładunku dostarczonym do cylindra może powodować spadek mocy oraz znaczny wzrost emisji cząstek stałych, a przez to uzyskanie niekorzystnych wartości innych wskaźników pracy silnika [18]. Biorąc pod uwagę upowszechnienie systemów DPF oraz konwerterów katalitycznych w układzie wylotowym silnika o ZS, stan wadliwego działania EGR należy uznać za niedopuszczalny [14]. Alternatywą jest wprowadzenie wspomnianego układu SCR (Selective Catalytic Reduction) z wykorzystywaniem reduktora AdBlue, co w przypadku współczesnych silników ciągników rolniczych jest czystym przypadkiem. Istotnym zagadnieniem jest optymalizacja kąta wyprzedzenia zapłonu w silniku w celu uzyskania możliwie największej sprawności jednostki napędowej. Przyśpieszenie kąta wyprzedzenia zapłonu powoduje wcześniejsze inicjowanie procesu spalania w cyklu pracy silnika, co przekłada się na zwiększenie maksymalnego ciśnienia w komorze spalania i temperatury (większości paliwa dociera się przed GMP). Istotną rolę w ograniczeniu emisji związków szkodliwych spalin przez silniki pracujące w maszynach rolniczych jest promowanie wykorzystania paliw alternatywnych, w tym pochodzenia roślinnego. Podjęte prace nad alternatywnym zasilaniem ciągnika gazem CNG i LPG napotykają główną przeszkodę zainstalowania pokaźnych rozmiarów butli gazowych, które stanowią zawsze kolizję z nadzorem stref roboczych prowadząc zwykle do obudowania kabiny. Zasilanie gazowe ciągników rolniczych w systemie CNG i LPG ma już kilkudziesięcioletnią tradycję. Obecnie spotykane są także silniki maszyn rolniczych przystosowane do zasilania nieprzetworzonym olejem roślinnym. Przykładem takiego rozwiązania jest silnik ciągnika Deutz-Fahr z systemem Common Rail i pompą smarowana olejem silnikowym, przystosowany do zasilania olejem rzepakowym (OR). Zasilanie nieprzetworzonym olejem roślinnym jest możliwe dzięki zastosowaniu dwóch niezależnych obiegów paliwa wraz z systemem filtrów, podgrzewaczem oraz elektronicznym sterowaniem silnika (rys.2). 384 Logistyka 5/2015

5 Rys. 2. Silnik Deutz-Fahr przystosowany do zasilania olejem napędowym i olejem rzepakowym [mat. Inf. firmy Deutz-Fahr] Producenci ciągników rolniczych zapowiadają, że w przyszłości nadal będą kontynuowane prace rozwojowe nad układami przekazującymi moc do współczesnych maszyn za pomocą przewodów elektrycznych lub hydraulicznych. Za przyszłościowe rozwiązanie układu napędowego maszyn rolniczych uważa się również układ napędowy, który będzie zasilany ogniwami paliwowymi. Dzięki takim rozwiązaniom możliwe jest zmniejszenie emisji związków toksycznych spalin z silnika oraz zmniejszenie zużycia paliwa. W budowie ciągników rolniczych obserwowana jest tendencja polegająca na stosowaniu napędu elektrycznego lub hydraulicznego urządzeń i maszyn współpracujących z ciągnikiem. W takim przypadku silnik spalinowy ciągnika napędza generator lub pompę hydrauliczną, a moc do urządzeń współpracujących jest przekazywana za pomocą przewodów elektrycznych lub hydraulicznych [19]. Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwe jest zmniejszenie emisji związków toksycznych spalin silnika spalinowego ciągnika oraz zmniejszenie zużycia paliwa, ponieważ silnik może pracować w optymalnym zakresie prędkości obrotowych wału korbowego. Poza tym unika się konsekwencji związanych z przenoszeniem energii mechanicznej w rożnych kierunkach. Podsumowanie Podstawowe trendy konstrukcji silników rolniczych będą decydowały względy związane z ochroną środowiska naturalnego, normami toksyczności spalin (Stage IIIB, Euro 3 i Euro 4). Analiza trendów rozwojowych ciągników rolniczych obejmuje zagadnienia techniczno-konstrukcyjne obrazujące poziom techniczny oraz cech funkcjonalno - eksploatacyjne składające się na jakość eksploatacyjną ciągnika. Optymalizacja procesu spalania ładunku homogenicznego przy wieloetapowym wtrysku paliwa z udziałem biokomponentów z wykorzystaniem systemów wtryskowych Common Rail wyznacza główne kierunki prac badawczych w zakresie rozwoju silników stosowanych w ciągnikach rolniczych. Silniki o zapłonie samoczynnym stosowane do napędu maszyn rolniczych, aby sprostać przyszłym normom emisji związków toksycznych spalin, będą musiały być nadal rozwijane i modernizowane, w tym przystosowywane do układów oczyszczania spalin (SCR, DPF), tak aby były one powszechnie wykorzystane w maszynach rolniczych. Streszczenie W referacie zamieszczono informację dotyczącą trendów rozwoju ekologiczności pracy silników spalinowych maszyn i agregatów rolniczych. Podkreślono, że wymagania ekologiczne określone przepisami administracyjnymi wywierają ogromny wpływ na kierunki ich rozwoju jak również wdrożenie napędu elektrycznego lub hydraulicznego urządzeń do zestawu maszyn współpracujących z ciągnikiem. Logistyka 5/

6 DEVELOPMENTAL TRENDS FOR ECO-FRIENDLY USE OF COMBUSTION ENGINES IN AGRICULTURAL MACHINES AND CULTIVATORS Abstract This report contains an information about developmental trends for eco-friendly use of combustion engines in agricultural machines and cultivators. It has been noted that ecological requirements described in administrative regulations have a huge impact on the directions of their development as well as the implementation of electric and hydraulic drives in tractor driven equipment. Literatura: [1] Stanik W; Jakóbiec J.: Proekologiczny rozwój technologii silników o zapłonie samoczynnym. Autobusy Technika Eksploatacja Systemy transportowe, Nr 7-8/2013, str [2] Stanik W; Jakóbiec J; Wydrzyk M.: Czynniki konstrukcyjne kształtujące proces tworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej i spalania w silniku o zapłonie samoczynnym; PTNSS Combustion Engines Nr3/2013, str [3] Jakóbiec J; Mazanek A; Cieślikowski B.: Ocena ekologiczności pracy silnika o ZS turbodoładowanego zasilanego porównawczo ON, biopaliwem B50 i B100, VII Konferencja Naukowa EKOENER- GIA 2012, Autobusy Technika Eksploatacja Systemy transportowe, Nr 10/2013, str [4] Stanik W; Jakóbiec J.: Europejska legislacja emisji spalin z pojazdów samochodowych; Autobusy Technika Eksploatacja Systemy transportowe, Nr 6/2013, str [5] Mazanek A.: Badania porównawcze emisji toksycznych składników gazów wylotowych z silnika o zapłonie samoczynnym zasilanego ON i B10; NAFTA-GAZ, 2010/9, s [6] Merkisz J.; Tendencje rozwojowe silników spalinowych maszyn i agregatów rolniczych; Technika Rolnicza Ogrodnicza Leśna Nr2/2010, str [7] Mazanek A; Jakóbiec J.: Ocena eksploatacyjna układu wtryskowego typu Common Rail silników o ZS pracujących w sektorze rolnym, Autobusy Technika Eksploatacja Systemy transportowe, Nr 10/2013, str [8] Stępień Z; Oleksiak S.: Przyszłościowe kierunki rozwoju konstrukcji silników HD Diesel; II Międzynarodowy Kongres Silników Spalinowych Kraków 2007 publikacja w materiałach konferencyjnych str. [9] Oleksiak S; Łukasik Z.: Nowoczesne układy wtrysku paliwa w silnikach Diesla i ich wpływ na jakość paliw i dodatków detergentowo - dyspergujacych ; Nafta Gaz Nr 1/2009, str [10] Mazanek A.: Ocena parametrów pracy aparatury wtryskowej typu Common Rail przy zasilaniu paliwami o różnej zawartości biokomponentu; NAFTA-GAZ, 2012/8, s [11] Mazanek A; Jakóbiec J.: Ocena eksploatacyjna układu wtryskowego typu common rail silników o ZS pracujących w sektorze rolnym.; Autobusy Technika, Eksploatacja, Systemy Transportowe, 2012/10, s [12] Rokosch U.: Układy oczyszczania spalin i pokładowe systemy diagnostyczne OBD, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności; Warszawa 2007 [13] Cieślikowski B; Jakóbiec J.: Monitorowanie stanu niesprawności układu EGR silnika TDCi zasilanego olejem napędowym Ekodiesel Ultra oraz paliwem B100; Combustoin Engines Nr2/2103, str , [14] Merkisz J.: Emisja cząstek stałych przez silniki spalinowe o zapłonie samoczynnym; Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej; Poznań 1977 [15] Materiały i zdjęcia prasowe Firmy VALTRA 386 Logistyka 5/2015

7 [16] Heywood J.B.: Internal Combustion Engine Fundamentals, New York, McGraw- Hill, 1988 [17] Tutak W.: Modelowanie i analiza wybranych parametrów obiegu cieplnego silnika tłokowego z EGR, PTNSS Combustion Engines Nr4/2011, str [18] Jakóbiec J; Mazanek A; Cieślikowski B.: Ocena ekologiczności pracy silnika o ZS turbodoładowanego zasilanego porównawczo ON, biopaliwem B50 i B100; Autobusy Technika, Eksploatacja, Systemy Transportowe, 2012/10, s [19] Cieślikowski B.: Kierunki badań i najnowsze trendy rozwojowe w konstrukcji ciągników rolniczych; Kapitał Ludzki Narodowa Strategia, Logistyka 5/

8 388 Logistyka 5/2015