Znaczenie emisji cząstek stałych z silników o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtryskiem benzyny

Transkrypt

1 HEJNY Bartosz 1 OLCZYK Michał 2 BIELACZYC Piotr 3 Znaczenie emisji cząstek stałych z silników o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtryskiem benzyny WSTĘP Zagadnienia związane z emisją cząstek stałych i ich znaczeniem stanowią przedmiot licznych badań i publikacji. Główne przyczyny zainteresowania tą tematyką skupiają się wokół negatywnego wpływu cząstek stałych na środowisko naturalne oraz biologicznych skutków ich występowania. W kontekście tym cząstki stałe stanowią nośnik wielu substancji rakotwórczych, które wykazując dużą łatwość łączenia z węglem, tworząc rozbudowane, toksyczne dla człowieka, struktury chemiczne. Szczególnie niebezpieczne okazują się cząstki stałe omałej średnicy, zdolne do zapychania kanalików płucnych człowieka oraz wnikania w głąb układu krwionośnego, aktywnie przyczyniając się do rozwoju chorób układu krążenia oraz zmian nowotworowych. W sektorze motoryzacyjnym głównym źródłem emisji cząstek stałych są silniki spalinowe, zarówno o zapłonie samoczynnym jak i iskrowym z wtryskiem bezpośrednim benzyny(ang.direct InjectionSpark Ignition DISI). Silniki DISI wykazują obecnie szczególnie wysoki potencjał, w świetle popularnej koncepcji downsizingu i obniżania zużycia paliwa. Jednak główną wadą silników DISI jest skłonność do emisji cząstek stałych, jako rezultat procesów tworzenia mieszaniny palnej i bezpośredniego wtrysku benzyny do cylindra. Masowa i ilościowa wielkość emisji pozostaje na tyle istotna, iż podejmowanych jest szereg działań, zarówno natury ustawodawczej jak i technicznej, mających na celu ograniczenie wielkości tej emisji. Działania ustawodawcze sprowadzają się do wprowadzania masowych (PM Particulate Mass) i ilościowych (PN ParticulateNumber) limitów emisji dla silników DISI, które w sposób obligatoryjny obowiązują producentów. Natomiast działania techniczne obejmują głównie aspekty konstrukcji silnika oraz modyfikacji układów sterowania w zakresie: kontroli procesów tworzenia mieszaniny palnej, sprawności spalania i oczyszczania spalin, a w dłuższej perspektywie czasowej implementacji filtrów cząstek stałych GPF. Emisja cząstek stałych w motoryzacji nabiera obecnie szczególnego znaczenia w kontekście popularyzacji silników benzynowych z wtryskiem bezpośrednim benzyny. Problematyka dotycząca tych zagadnień wykazuje jednocześnie bardzo kompleksowy charakter,a niniejszy artykuł stanowi próbę ogólnego przeglądu tej tematyki. 1. ISTOTA EMISJI CZĄSTEK STAŁYCH 1.1.Definicja cząstek stałych emitowanych z silników spalinowych W ujęciu uproszczonym cząstki stałe (ang. ParticulateMatter)obejmują wszystkie substancje, za wyjątkiem pary wodnej,które w spalinach silnikowych, znajdują się w stanie skupienia stałym lub ciekłym [18]. Cząstki stałe stanowią rezultat niedoskonałości tworzenia ładunku palnego, a w konsekwencji zaburzenia procesów spalania zachodzących w silnikach zarówno o zapłonie samoczynnym jak i iskrowym. Analityczny opis zagadnień związanych z tematyką cząstek stałych wykazuje dużą złożoność. Dywersyfikacja cząstek stałych pod względem wymiarów i kształtu oraz trudności w jednoznacznym definiowaniu ich właściwości fizycznych oraz chemicznych, wymuszają wprowadzanie licznych podziałów i klasyfikacji, dzięki którym analityczny opis zjawisk związanych z cząstkami stałymi w motoryzacji jest bardziej precyzyjny i kompleksowy. 1 Instytut Badań i Rozwoju Motoryzacji BOSMAL Sp. z o.o Bielsko-Biała ul. Sarni Stok 93 tel , bartosz.hejny@bosmal.com.pl 2 Instytut Badań i Rozwoju Motoryzacji BOSMAL Sp. z o.o Bielsko-Biała ul. Sarni Stok 93 tel , michal.olczyk@bosmal.com.pl 3 Instytut Badań i Rozwoju Motoryzacji BOSMAL Sp. z o.o Bielsko-Biała ul. Sarni Stok 93 tel , piotr.bielaczyc@bosmal.com.pl 1771

2 1.2.Morfologia, mechanizm powstawania oraz znaczenie cząstek stałych Budowę cząstek stałych w ujęciu uproszczonym można przedstawić jako zestawienie organicznej frakcji rozpuszczalnej PM SOF (ang.solubleorganicfraction) oraz frakcji nierozpuszczalnej PM INSOL (ang. insolublefraction) [18].Kompozycja frakcyjna cząstki stałej sprowadza się do rdzenia węglowego oraz zaadsorbowanych na jego powierzchni skondensowanych związków organicznych pochodzenia olejowego i paliwowego, związków siarki, azotu a także śladowych ilości frakcji metalicznych [20]. Na rysunku 1 przedstawiono schematycznie ogólny profil chemiczny i strukturę cząstki stałej. Uproszczony fizykochemiczny mechanizm powstawania cząstek stałych w silnikach spalinowych opiera się na podstawie tak zwanego modelu spalania ładunku palnego w płomieniu dyfuzyjnym. Zakłada on powstawanie prekursorów sadzy w wyniku termicznego rozkładu węglowodorów (reakcje pirolizy), a następnie ich wzrost powierzchniowy w wyniku procesów koagulacji i akumulacji z innymi frakcjami chemicznymi, wskazanymi na rysunku 1[11, s ], [15, 26]. Rys. 1.Uproszczony schemat struktury oraz profil chemiczny cząstki stałej[18, 20] Cząstki stałe można podzielić na różne sposoby, jednak z punktu widzenia procesów formowania w silnikach spalinowych, a także specyfiki pomiarów emisji cząstek w motoryzacji, najbardziej zasadne wydają się podziały według kryterium wielkości oraz pochodzenia. Podział ze względu na wielkość i średnicę aerodynamiczną (D p ), obejmuje następujące cząstki [19]: TSP (ang. Total Suspended PM) całkowity pył zawieszony o rozmiarze w zakresie 0,1 30 µm, PM 10 cząstki stałe duże, o średnicy aerodynamicznej D p 10 µm, PM 2,5 cząstki stałe drobne, o średnicy aerodynamicznej D p 2,5 µm, nanocząstki oraz ultracząstki o wymiarach odpowiednio D p <50 nm i D p <100 nm. Podział dla cząstek stałych zależnie od pochodzenia i fazy aglomeracji, wyróżnia [11]: cząstki jądrowe, elementarne (D p <100nm) nanocząsteczki o rozmiarach powodujących trudności pomiarowe, formowane z lotnych prekursorów o dużej koncentracji emisji, cząstki w fazie akumulacji (D p 2,5µm) będące aglomeracją mniejszych, quasi-kulistych cząstek węglowych oraz zaadsorbowanych frakcji lotnych, stanowiące główny przedmiot badań emisji, cząstki gruboziarniste(d p 10µm) pochodzące z układu wydechowego, stanowiące efekt wzrostu wielkości cząstek w fazie akumulacji wskutek trwałego łączenia z innymi cząstkami. Zakres negatywnego oddziaływania cząstek stałychmożna sprowadzić do[18]: aspektów biologicznych, w tym głównie toksycznego oddziaływania naorganizm człowieka, aspektów środowiskowych, a w tym głównie zanieczyszczenia powietrza, ograniczania widzialności, regionalnych i globalnych zmian klimatycznych oraz zaburzania procesów wymiany radiacyjnej i cieplnej w atmosferze na skutek obecności pyłów zawieszonych. Na uwagę zasługują procesy chorobotwórcze powodowane przez cząstki stałe, które zależne są od stopnia przenikania w głąb organizmu człowieka. Przyjmuje się, iż cząstki stałe o rozmiarach< 10μm stanowią już realne zagrożenie dla zdrowia. Największą toksyczność wykazują związki zebrane na powierzchni rdzenia węglowego, w tym aromatyczne węglowodory wielopierścieniowe (PAH) oraz związki siarki i metali ciężkich. Profil chorobowy powodowany przez cząstki stałe obejmuje statystycznie częściej choroby układu krążeniowo-oddechowego niż patologie nowotworowe 1772

3 [19].Szacuje się, iż blisko 90% populacji krajów Unii Europejskiej jest permanentnie narażona na działanie cząstek stałych w stężeniach na poziomach stanowiących realne zagrożenie dla zdrowia [2]. Wymienione obszary negatywnego oddziaływania cząstek stałych stanowią ważne determinanty kierunku rozwoju silników spalinowych również w wymiarze koncepcji wtrysku bezpośredniego benzyny a także ustawodawstwa limitującego wielkości emisji. 1.3.Limity emisyjne cząstek stałych dla silników benzynowych DISI Konieczność limitowania masowej emisji cząstek stałych, znalazła odbicie w obowiązujących europejskich standardach emisji. Wprowadzane limity mają charakter progresywny, co widać na przykładzie limitów masowych (PM) dla silników wysokoprężnych (CI), które dla norm Euro 1 5zredukowano o ponad 95%,do poziomu zbliżonego do granicy wykrywalności dla metody pomiarowej wymaganej przez normę [7]. Począwszy od standardów Euro 5a, limity emisji masowej cząstek stałych (PM) dotyczą także silników DISI, a metodyka pomiarowa została rozszerzona w kierunku zwiększenia dokładności pomiaru dla niskich emisji masowych. Najnowsze standardy Euro 6b wprowadzają ograniczenie dla liczby emitowanych cząstek stałych (PN) dla silników DISI. Limity ilościowe cząstek stałych stanowią uzupełnienie dla limitów masowych, angażując wykorzystanie innych metod pomiarowych. Wprowadzenie ich zostało podyktowane wynikami badań toksykologicznych stwierdzających, iż negatywne oddziaływanie na zdrowie człowieka w relatywnie większym stopniu uwarunkowane jest przez liczbę oraz wielkość powierzchni emitowanych cząstek stałych, aniżeli przez ich masę [6,18]. Limity ilościowe cząstek stałych(pn)są bardziej rygorystyczne i w przeciwieństwie do limitów masowych, na chwilę obecną, trudne do osiągnięcia w silnikach DISI. Nowe wymagania stanowią impuls dla usprawnienia strategii sterowania silnikiem i wdrożenia strategii oraz technologii redukujących cząstki stałe w silnikach DISI. Dla porównania, ustawodawstwo emisji składników spalin w USA dzieli się na obligatoryjnie obowiązujące normy federalne (EPA: US Federal Tier II) i fakultatywnie przyjmowane w niektórych zachodnich stanach USA restrykcyjne standardy kalifornijskie (CARB: LEV II/III). Cząstki stałe podlegają tylko limitom masowym, które w dużym uproszczeniu zależne są m.in. od przebiegu oraz kategorii emisyjnej pojazdu [18,23]. W tabeli 1 przedstawiono zestawienie limitów emisji cząstek stałych dla standardów europejskich na tle wybranych limitów obowiązujących w USA. Tab. 1. Zestawienie europejskich limitów cząstek stałych i wybranych limitów obowiązujących w USA [23]. EUROPEJSKIE STANDARDY EMISJI CZĄSTEK STAŁYCH EURO Pojazdy osobowe (LDV) klasy M1, N1 EU-1 EU-2 EU-3 EU-4 EU-5a EU-5b EU-6b EU-6c Silniki benzynowe (DISI) Silniki wysokoprężne (CI) PM mg/km ,5 4,5 4,5 PN #/km PM mg/km ,5 4,5 4,5 PN #/km Standardy emisji w USA dla [EPA]: pojazdy osobowe typu PC i LDV i [CARB]: pojazdy kategorii LEV CARB: CARB: LEV EPA: Tier II EPA: Tier II planowane CARB LEV III LEV II II do 2009 od [EPA]: pojazdy osobowe typu PC i LDV i [CARB]: pojazdy kategorii LEV po przebiegu [mi] b.d. b.d. b.d. PM [mg/km] ,4 (US Tier2, odpowiednio Bin 1 8) n/a 6,21 1,86 0,62 2. BEZPOŚREDNI WTRYSK BENZYNY 2.1.Podstawowe założenia silników benzynowych z wtryskiem bezpośrednim (DISI) Silniki z zasilaniem z układu bezpośredniego wtrysku benzyny DISI stały się przedmiotem intensywnego rozwoju w dobie popularyzacji ekologicznej koncepcji downsizingu pojemności silników spalinowych. Rozwinięcie tej technologii wymagało rozwiązania problemów natury konstrukcyjnej i aspektów sterowania ładunkiem. Opracowane warianty konstrukcyjne determinowały 1773

4 sposoby jakościowego przygotowania ładunku uwarstwionego, natomiast strategie wtrysku ładunku palnego zapewniały utrzymanie stabilnych parametrów pracy silnika zależne od trybu pracy. Głównym założeniem silników DISI jest możliwość pracy w kilku rozdzielnych trybach. Tryboszczędnościowy dla obciążeń częściowych zakłada stabilną pracę na ładunku palnym uwarstwionym o globalnym współczynniku nadmiaru powietrza λ 1.3, lecz lokalnie przy świecy zapłonowej λ<1, co umożliwia zapłon. Trybstechiometryczny cechuje się formowaniem ładunku homogenicznego (λ=1),celem zapewnienia pełnej mocy dla obciążeń pełnych. Wtrysk bezpośredni paliwa do komory spalania realizowany jest podczas suwu ssania (ładunek homogeniczny) lub sprężania (ładunek uwarstwiony) przez wtryskiwacze o dyszach ukierunkowujących paliwo w określone punkty komory spalania[26]. Strategie wtrysku paliwa warunkują wysoką dokładność dawkowania paliwa i elastyczność formowania ładunku o ustalonej wartości współczynnika λ. W rezultacie obserwuje się poprawę sprawności termicznej silnika i obniżenie zużycia paliwa w porównaniu do silników z wtryskiem pośrednim paliwa do kolektora dolotowego PFI [14].Realizacja założeń wtrysku bezpośredniego wiąże się z komplikacją algorytmów sterowania ładunkiem palnym, złożonością konstrukcyjną oraz wyższą emisją związków NO x i cząstek stałych, zależnie od obciążenia i trybu pracy silnika [21]. 2.2.Przyczyny emisji cząstek stałych z silników DISI. Morfologia cząstek stałych. W ujęciu ogólnym emisja cząstek stałych z silników DISI uzależniona jest od operacyjnych punktów pracy silnika. W ujęciu szczegółowym uwarunkowana jest przez kombinację wielu czynników, określających sprawność procesów formowania i jakość przygotowania ładunku palnego, determinującego przebieg spalania. Najważniejsze przyczyny to [15, 21, 26]: dla stechiometrycznego trybu pracy (λ =1.0):relatywnie gorsza atomizacja wtryskiwanych kropel paliwa i interakcje na linii rozpylone paliwo powierzchnie tłoka, cylindra (wall-wetting), dla oszczędnościowego trybu pracy(λ 1.3): uwarstwienie ładunku palnego, prowadzące do powstania lokalnych stref bogatych w paliwo, o niecałkowitym charakterze spalania, wariant konstrukcyjny, określający pośrednio podatność do formowania cząstek patrz rysunek 2: wall-guided zakładający wtrysk paliwa na profilowaną powierzchnię tłoka, co warunkuje jego odpowiedni kształt, kierunek turbulencji i finalne uwarstwienie ładunku palnego [20, s.12], air-guided zakładający ukierunkowanie zawirowania zasysanego strumienia powietrza i jego interakcję ze strumieniem wtryskiwanego paliwa i profilowaną powierzchnią tłoka [12, s. 21], spray-guided zakładający geometryczny model wtrysku paliwa o optymalnym rozkładzie i rozdrobnieniu dla danego trybu pracy silnika (ograniczenie zjawisk typu wall-wetting) [20]. występowanie warstw ciekłego filmu paliwowego na powierzchni tłoka (poolfires) [11], gdzie następuje przygaszenie płomienia i niecałkowity charakter spalania; zjawisko występujące dla obu trybów pracy i najbardziej prawdopodobne dla rozwiązań, gdzie wtryskiwana struga paliwa uderza bezpośrednio o powierzchnię tłoka lub komory spalania (szczególnie dlawall-guided), niewystarczające odparowanie paliwa, które sprzyja jego osadzaniu na ściankach komory spalania i zaistnieniu nieciągłości spalania (zwłaszcza zimny rozruch i wariant spray-guided), fizycznenie doskonałości procesów wtrysku paliwa o relatywnie zbyt małej atomizacji paliwa, zaburzonym kształcie strumienia wtryskiwanego paliwa lub złej synchronizacji wtrysku, stan termiczny silnikai okresowe wzbogacenie ładunku palnego dla zimnego rozruchu silnika, fizykochemiczne właściwości paliwa (np. parametry lotności) oraz jego skład chemiczny, który może sprzyjać powstawaniu prekursorów sadzy (węglowodory aromatyczne, nafteny, alkiny). 1774

5 Rys. 2.Warianty konstrukcyjne określające formowanie ładunku uwarstwionego iemisję cząstek stałych [26]. Ogólna morfologia cząstek stałych emitowanych z silników DISI wykazuje pewne podobieństwo do cząstek emitowanych z silników wysokoprężnych, szczególnie dla oszczędnościowego trybu pracy, gdzie obejmuje kompozycję węgla organicznego oraz elementarnego (sadzy) wraz z nisko i wysoko lotnymi frakcjami węglowodorowymi. Dla trybu stechiometrycznego morfologia cząstek stałych obejmuje głównie sadzę i frakcje lotne[22]. Wysoka sprawność reaktora katalitycznego (TWC) w tym trybie pracy silnika warunkuje procesy efektywnego utleniania węgla organicznego [15].Główne różnice względem cząstek emitowanych z silników wysokoprężnych sprowadzają się do relatywnie dużego udziału frakcji nisko i wysoko lotnych, kosztem ruchomego udziału frakcji węglowych. Wskazuje to na silną zależność składu cząstek od operacyjnych warunków pracy silnika, między innymi od obciążenia i wynikowych wartości temperatur i ciśnienia w cylindrze, stanu cieplnego i trybu pracy [21]. Rodzaj zastosowanej mieszaniny paliwowej (np. mieszaniny etanolu z benzyną) wpływa na zmianę morfologii cząstek stałych oraz intensywność ilościowej (PN) i masowej (PM) emisji [13]. 2.3.Metody obniżania emisji cząstek stałych z silników DISI Redukcja emisji cząstek stałych z silników DISI może być realizowana w ramach kilku głównych strategii sterowania pracą silnika. Pierwsza strategia zakłada synergiczną optymalizację sterowania procesami zachodzącymi w silniku, poprzez modyfikację elementów konstrukcyjnych silnika i dostosowanie systemu zarządzania silnikiem (EMS) [20]. Na rysunku 3 przedstawiono wybrane elementy tej strategii. Ocenia się, iż zastosowanie takich rozwiązań wykazuje umiarkowany potencjał, dając ograniczone szanse na spełnienie pułapu limitów PN w ramach przyszłej normy Eu-6c [17, 21]. Druga strategia zakłada szersze wykorzystanie mieszanin etanolu z benzyną lub gazu CNG, jednak takie rozwiązanie wymaga modyfikacji komponentów układu wtryskowego oraz kalibracji silnika. Trzecia strategia dopuszcza rozbudowę systemu oczyszczania spalin o filtry cząstek stałych GPF, które z uwagi na relatywnie małe rozmiary emitowanych cząstek z silników DISI, muszą spełniać wyśrubowane wymogi filtracji przy zapewnieniu niskiego przeciwciśnienia w układzie wydechowym[21]. Obie strategie wykazują relatywnie wysoką skuteczność redukcji emisji (PM/PN). Obecnie trwa debata o merytoryczną i ekonomiczną zasadność wyboru poszczególnych strategii [2, 16, 17,21]. 1775

6 Rys. 3. Metody ograniczania emisji cząstek stałych poprzez sterowanie parametrami pracy(disi)[21]. 3. PRZEGLĄD WYBRANYCH TENDENCJI EMISYJNYCH CZĄSTEK STAŁYCH 3.1.Tendencje emisyjne cząstek stałych dla silników DISI w świetle różnych wyników badań Zagadnienia związane z cząstkami stałymi można analizować wieloaspektowo, między innymi w kontekście tendencji emisji z różnych typów silników stosowanych obecnie w pojazdach osobowych. Bazę merytoryczną pod analizy stanowią wyniki badań przeprowadzonych w Instytucie Badań i Rozwoju Motoryzacji BOSMAL, których fragment przedstawiono na rysunkach 4 i 5 [7].Wyniki obejmują masową (PM)i ilościową (PN) emisję cząstek stałych z silników DISI na tle innych silników: benzynowych z pośrednim wtryskiem (PFI) oraz wysokoprężnych (CI) z filtrem DPF, zmierzoną podczas realizacji cyklu NEDC (fazy miejskiej UDC i pozamiejskiej EUDC).Dokładny i wyczerpujący opis metodologii, warunków oraz sprzętu pomiarowego zawarto w pracy [6]. Rys. 4.Emisje a)pm i b)pn cząstek stałych w cyklu NEDC dla silników DISI na tle innych silników [7]. Zgodnie z badaniami BOSMAL[7] silniki DISI cechuje najwyższa masowa emisja cząstek stałych we wszystkich fazach testu NEDC. Różnice względem silników PFI pozostają szczególnie wyraźne 1776

7 w fazie miejskiej UDC, obejmującej fazę zimnego rozruchu i startu silnika. Stan termiczny silnika, nieefektywność pracy reaktora katalitycznego oraz okresowe wzbogacenie mieszaniny palnej podczas nagrzewania prowadzą do nasilonego formowania cząstek stałych. Widocznym jest, iż zastosowane rozwiązania konstrukcyjne silników DISI pozwalają spełnić limity przyszłej normy emisji PM Eu-6c. Niższe emisje z silników PFI uwarunkowane są głównie przez większą jednorodność mieszaniny palnej w stosunku do silników DISI, które w badaniach i tak pracowały w trybie stechiometrycznym, wykorzystującym ładunek homogeniczny. Ilościowa emisja cząstek stałych pozostaje zdecydowanie najwyższa dla silników DISI, pozostając średnio blisko 4-krotnie wyższą od proponowanych limitów PN Eu-6c, jednak w granicy limitów przejściowych Eu-6b. Na uwagę zasługuje wysoka efektywność zastosowania filtrów DPF w silnikach CI, które niwelują emisję PM i PN do poziomów marginalnych. Wyszczególnione na podstawie [7] tendencje emisyjne znajdują potwierdzenie w świetle badań [1, 3,10,14,25] gdzie zaobserwowano podobny układ emisyjny silników. Badania emisji ilościowej [1, 7,10, 22] rozszerzają populację badawczą o silniki DISI pracujące w trybie oszczędnościowym. Tendencja ogólna wskazuje, iż emisja PN z silników DISI w trybie oszczędnościowym jest średnio o 0,5 rzędu wielkości wyższa niż w trybie stechiometrycznym i około 1,5 rzędu wielkości wyższa od silników PFI [10], co potwierdza poczynione w rozdziale 2.2 założenia teoretyczne. Badania [1, 24]rozszerzają aspekt badawczy emisji PM i PN o warianty konstrukcyjne komory spalania silników DISI. Dla badanej puli silników [24] wariant spray-guided pozwala na uzyskanie relatywnie niskich emisji PM, na poziomie 1,5 [mg/km], natomiast wariant wall-guided wykazuje duży potencjał w odniesieniu do emisji PN, na poziomie 1,9 2, [#/km]. Dla wariantu sprayguided wskazuje się na relatywnie wysokie emisje PM i PN dla zimnego startu silnika i następne ich obniżenie i stabilizację dla termicznie ustalonej fazy testu, podczas gdy emisje PM i PN dla wariantu wall-guided pozostają relatywnie niskie dla zimnego rozruchu, lecz w ujęciu całościowym pozostając wyższe niż dla wariantu spray-guided. Wyniki badań [24] pozostają zgodne z [7], co do poziomów emisji PN dla wariantu wall-guided rysunek 4. Jednak zakładany poziom emisji PM dla wariantu spray-guided nie został jednoznacznie potwierdzony. Przyczyn emisji z poszczególnych wariantów należy doszukiwać się jak wskazano w rozdziale 2.2 w mechanizmach formowania cząstek stałych, głównie w wymiarze interakcji paliwa ze elementami komory spalania (wall-guided) oraz jakości rozpylenia strugi paliwa (spray-guided) zwłaszcza dla fazy zimnego startu silnika. Czynnikiem istotnie warunkującym wielkość emisji PM i PN jest temperatura otoczenia. Badania [7, 8] pokazują, iż obniżenie temperatur otoczenia do -7 C powoduje w ujęciu ogólnym zwiększenie emisji PM i PN w cyklu NEDC. Tendencja jest szczególnie widoczna dla fazy UDC, gdzie stan termiczny silnika warunkowany jest temperaturą otoczenia i procesem nagrzewania. Dla tej fazy obserwuje się średnio 6-krotne zwiększenie PM i2-krotne zwiększenie PN. Dla fazy EUDC zwiększenie emisji PM i PN pozostaje relatywnie mniejsze, z uwagi na ustalony stan termiczny silnika i efektywną pracę reaktora katalitycznego. Analogiczne tendencje, o porównywalnym stopniu nasilenia emisji uzyskano w pracy [6], natomiast w badaniach [17], gdzie wykorzystano różne metody redukcji PM i PN w silniku DISI, negatywny wpływ temperaturowy został potwierdzony i utrzymany. Istotne znaczenie dla intensywności emisji cząstek stałych wykazuje zastosowany podczas badań cykl jezdny, określający profil obciążeń silnika. Badania [7] oparte o cykl NEDC wykazują wyraźne wartości szczytowe koncentracji emitowanych cząstek dla pomiarów sekundowych, odpowiadające fazie zimnego rozruchu silnika, a także dla nieustalonych stanów pracy silnika, charakterystycznych dla przyspieszania lub momentów zmiany biegów. Potwierdzają to wyniki emisji skumulowanej PN w ramach testu FTP-75 przeprowadzonych przez [14].Zaangażowanie bardziej agresywnych cyklów jezdnych takich jak: WLTP, US06, narzucających wyższe obciążenia silnika, implikuje adekwatny, średnio kilkunastoprocentowy wzrost poziomów emisji PN, szczególnie dla testu US06, co pokazano w ramach zestawienia [2, s. 3].Podobne tendencje zaobserwowano w ramach badań [22, s. 9] dla faz przyspieszania z pełnym otwarciem przepustnicy (WOT), zwłaszcza dla stechiometrycznego trybu pracy silnika, a także w relatywnie mniejszym stopniu dla najnowszej generacji silników DISI pracujących głównie w uwarstwionym (oszczędnościowym) trybie pracy. 1777

8 Rys. 5. Rozkład wielkości cząstek dla:a) silnika DISI w cyklu NEDC [7]b)mieszanin etanolowych[13]. Merytorycznie interesujący, a zarazem niewymagany prawnie, aspekt pomiarowy stanowi wykres rozkładu cząstek stałych, zrealizowany w ramach badań BOSMAL [7] rysunek 5a. Wykorzystany spektrometr TSI 3090 EEPS umożliwił uzyskanie zakresu pomiarowego w granicach 5,6 560nm. Rozkład wskazuje na relatywnie szerokie spectrum wielkości emitowanych cząstek stałych w zakresie średnic od 5 200nm. Dla fazy UDC rozkład jest quasi-normalny, z przewagą ilościowej koncentracji emisji relatywnie dużych cząstek w fazie akumulacji, natomiast dla fazy EUDC rozkład jest bimodalny. Wpływ temperatury na zmianę rozkładu cząstek wskazuje na tendencję do wzrostu koncentracji ilościowej cząstek, jak i delikatnego przesunięcia w kierunku większych rozmiarów wraz z obniżaniem temperatury [6, 8].Jak widać na rysunku 5a,relatywnie znaczny odsetek cząstek wykazuje rozmiary<23nm odpowiednio 20% i 37% dla fazy UDC i EUDC. Cząstki te nie podlegają detekcji w testach wykonywanych zgodnie metodologią pomiarową (PN: CondensationParticleCounter (CPC)), narzuconą przez regulację EC 715/2007, z uwagi na ograniczony zakres pomiarowy tej metody ( nm) [4].Występowanie cząstek stałych <23nmdla silników DISI w cyklach FTP/UC potwierdzają badania [13] rysunek 5b. Rys. 6. Mapa wyników emisji PM i PN dla analizowanych różnych wyników badań. Podsumowując, na rysunku 6 przedstawiono mapę analizowanych porównawczo wyników badań emisji PM i PN z silników DISI i PFI, wykonanych przez niezależne zespoły badawcze. W zestawieniu świadomie uwzględniono wyniki dla cyklów badawczych, o względnie różnych profilach obciążalności silnika, celem określenia ich wzajemnego umiejscowienia. Dla bardziej agresywnych cyklów (FTP, US06) widać delikatną tendencję do wyższej emisji PM względem 1778

9 łagodniejszego cyklu NEDC. Należy zauważyć, iż oznaczone obszary silników DISI, pracujących w trybach stechiometrycznym lub uwarstwionym, mieszczą się w granicach limitów PM. Przejściowe pułapy emisji PN Eu-6bpozostają spełnione, a wartości emisji pozostają wyższe dla uwarstwionego trybu pracy silnika. Natomiast dla spełnienia przyszłych limitów PN Eu-6cwidoczna jest konieczność wprowadzenia strategii minimalizacji emisji. Strategia etanolowa wykazuje obiecujące wyniki w zakresie redukcji PM i PN dla wybranych cykli badawczych, choć wymaga zabiegów kalibracyjnych i potencjalnie wprowadzenia pojazdów typu FFV. Zastosowanie filtrów GPF gwarantuje efektywną redukcję emisji do poziomów charakterystycznych dla silników PFI. 3.2.Zarys tendencji emisyjnych dla silników DISI wykorzystujących strategię etanolową Eksploatacja mieszanin etanolu z benzyną w silnikach DISI zyskuje obecnie na znaczeniu, głównie w aspektach idei szerszego wykorzystania paliw alternatywnych oraz potencjału obniżania emisji niektórych składników spalin oraz cząstek stałych. Wykorzystanie takich mieszanin może odbywać się bez modyfikacji silnika DISI, do zawartości nawet 50% etanolu (E50) [5]. Dedykowane modyfikacje układu wtryskowego i zasilania silnika (pojazdy FFV Flex-FuelVehicle) pozwalają na użycie mieszanin wysoko etanolowych (E85), bez ryzyka obniżenia trwałości eksploatacyjnej. Analizując wyniki badań emisji PM[5] z silników DISI bez modyfikacji w cyklu NEDC można zaobserwować ogólną tendencję spadkową. Wraz ze wzrostem zawartości etanolu w mieszaninie paliwowej emisjapm spada dla dodatnichi ujemnych temperatur otoczenia, przy czym tendencja jest widoczna dopiero dla zawartości etanolu >10%. Porównywalne tendencje widoczne są w świetle wyników badań[22],szczególnie dla silników DISI pracujących w trybiestechiometrycznymoraz w mniejszym stopniu dla silników pracujących w trybieciągle uwarstwionym.przykład wyników badań emisji cząstek stałych PM i PN, obejmujących dedykowane pojazdy FFV, przedstawiono na rysunku 7a i 7b[13], na którym oznaczono procentowe redukcje emisji. W odniesieniu do silników PFI dodatek etanolu, nie wykazuje jednoznacznej tendencji obniżającej emisję PM [5, 13]. W świetle badan [5, 13] widoczna jest także tendencja do obniżania liczby cząstek stałych PN, szczególnie dla wysokich udziałów etanolu w mieszaninie paliwowej rysunek 7b. Przykładowy rozkład wielkości cząstek stałych dla mieszanin zawierających etanol patrz rysunek 5b wydaje się potwierdzać ilościowe tendencje emisyjne [13]. Dla mieszanin o zawartości etanolu do 50%, rozkład obejmuje głównie cząstki duże, znajdujące się w fazie akumulacji, natomiast udział nanocząstek(<23 nm)pozostaje relatywnie niski. Tendencja ta ulega spłaszczeniu dla mieszanino wysokiej zawartości etanolu, gdziekoncentracja dużych cząstek spada przy relatywnie niewielkiej zmianie udziału nanocząstek. Warto zaznaczyć, iż z teoretycznego punktu widzenia zagłówną przyczynę redukcji emisji PM i PN uznaje się bardziej tlenowy charakter etanolu w stosunku do benzyny, który sprzyja spalaniu całkowitemu i stanowi główny inhibitor procesów formowania sadzy. Przegląd wyników badań wskazuje ponadto na relatywnie większe procentowe redukcje emisji PM w stosunku do PN dla silników DISI wraz ze wzrostem zawartości etanolu. Zgodnie z badaniami [5] redukcje emisji PM i PN dla mieszaniny E50 względem E10 są odpowiednio na poziomie: 69% i 52% dla cyklu NEDC. Tymczasem dla pojazdów FFV skala redukcji jest relatywnie mniejsza, w ujęciu średnim wynosząc odpowiednio 58% dla emisji PM i 33% dla PN rysunek 7 [13]. Jednak należy zauważyć, iż badania [13] cechowały się cyklami testowymi bardziej zbliżonymi do warunków rzeczywistych oraz inną specyfiką silników FFV, skalibrowanych pod wykorzystywanie mieszanin nawet o wysokiej zawartości etanolu, dla których skale redukcji emisji PM i PN pozostają najwyższe. Niewątpliwie zwiększenie ilości etanolu w paliwie przybliża silniki DISI do spełniania przyszłychlimitów emisyjnych Eu-6c. Jednak, jak wskazano na rysunku 6, dalsze zabiegi optymalizacji kalibracjisilnika (EMS)oraz sterowania operacyjnymi parametrami pracy silnikawydają się konieczne, celemjednoznacznego spełnienia limitów dla cyklów testowych zbliżonych do warunków rzeczywistych. 1779

10 Rys. 7.a) Emisje PM,b)PNcząstek stałych z pojazdów FFV zasilanych mieszaninami etanolu z benzyną [13]. 3.3.Zarys tendencji emisyjnych dla silników DISI z filtrem cząstek stałychgpf Koncepcja wykorzystania filtrów cząstek stałych (GasolineParticulateFilter GPF) w silnikach DISIstanowi efektywne narzędzie obniżania emisji cząstek stałych.jak przedstawiono na rysunku 6, wyniki badań [16, 17], pokazują, iż zastosowanierozwojowych wersji filtrów GPF prowadzi do znaczących redukcji emisji PN względem silników DISI bez GPF, wykazując poziomy emisjiporównywalne dla silników PFI. Redukcja emisji PM pozostaje relatywnie mniejsza. Według wyników [16], redukcjaemisji PM wynosi średnio 69% dla cyklu US06, podczas gdy wartości emisji PN są od 1,5 3,3 rzędu wielkości niższe w stosunku do silników DISI bez GPF. Analizy wyników [16, 17], wskazują jednocześnie na relatywnie duży rozrzut wyników emisji PN, co może wskazywać na ciągle rozwojowy charakter filtrówgpf, obejmujące ich różne warianty konstrukcyjne. Zasadność wdrażania filtrów GPF w silnikach DISI sprowadza się do aspektów ekonomicznych oraz technicznych. Szacuje się, iż końcowe koszty jednostkowe wprowadzenia tego rozwiązania wahają się w zakresie [2]. W wymiarze technicznym dochodzą do tego koszty prac rozwojowych i optymalizacyjnych. Dobór właściwych parametrów filtru stanowi złożony i kluczowy aspektz punktu widzenia finalnej sprawności rozwiązania. Obejmuje on zagadnienia określenia właściwych rozmiarów filtru, ich usytuowania w systemie oczyszczania, a także zdefiniowania możliwie najlepszej mikrostruktury i porowatości wewnętrznej, warunkującej zarówno sprawność oczyszczania,jaki wypadkową wartość przeciwciśnienia w układzie wydechowym, wpływającego na zużycie paliwai osiągi silnika. Producenci pojazdów pozostają na chwilę obecną niezdecydowani w kwestiizastosowania filtrów GPF, choć liczne prace rozwojowe podejmowane są przez niezależne jednostki badawcze przykład [9]. PODSUMOWANIE I WNIOSKI OGÓLNE Przedstawiona w artykule problematyka znaczenia emisji cząstek stałych z silników DISI, rozważana w wymiarze przyczyn, tendencji i limitów emisyjnych, a także złożonego oddziaływania na człowieka i środowisko naturalne, wykazuje wieloaspektowy charakter tego zagadnienia. W sensie merytorycznym wykazuje ono duże podobieństwo w stosunku do obecnie relatywnie dobrze opanowanych zagadnień emisji cząstek stałych z silników wysokoprężnych. Ewentualne różnice sprowadzone są natomiast do aspektów ustawodawczych, definiujących wielkości limitów emisyjnych oraz kwestii technicznych, warunkujących zastosowanie określonych strategii redukcji emisji właściwych dla silników DISI.W tym kontekście zrealizowany w artykule zarys teoretyczny oraz porównawczy przegląd niezależnych wyników badań emisji prowadzą do sformułowania następujących wniosków ogólnych: emisja cząstek stałych w motoryzacji nabiera w chwili obecnej istotnego znaczenia, szczególnie w dobie koncepcji downsizingu i związanej z tym znacznej popularyzacji silników DISI, zjawisko emisji cząstek stałych ze źródeł motoryzacyjnych zostało uznane jako szczególnie istotne w świetle negatywnego oddziaływania na zdrowie człowieka oraz środowisko naturalne, 1780

11 przyjmuje się, iż toksyczna natura cząstek stałych i związana z tym zdolność do przenikania w głąb organizmu człowieka rośnie wraz ze zmniejszeniem rozmiarów cząstek oraz zależy ściśle od składników chemicznych zaadsorbowanych na powierzchni węglowego rdzenia cząstki, konieczność ograniczania emisji cząstek stałych dostrzegalna jest w podejmowanych działaniach ustawodawczych, narzucających coraz ostrzejsze limity emisyjne, a także funkcjonalnych i technicznych, określających metody i strategie obniżania emisji z silników DISI oraz CI, zastosowanie silników benzynowych z wtryskiem bezpośrednim (DISI) wykazuje wiele zalet, stanowiąc trzon proekologicznej koncepcji downsizingu, jednak konsekwencją bezpośredniego wtrysku benzyny jest emisja cząstek stałych, której rozkład wielkości wskazuje na relatywnie duży udział nanocząstek(<23nm) o szczególnie negatywnym działaniu na organizm człowieka, najważniejsze zależności w kontekście tendencji emisyjnych cząstek stałych to: ogólny układ emisyjny silników w zakresie emisji masowej i ilościowej cząstek w postaci: DISI uwarstwiony> DISI stechiometryczny > PFI > CI+DPF (~ DISI+GPF), spełnienie norm emisji masowej Eu-5b/6 oraz przejściowych limitów emisji ilościowej Eu-6b przez wszystkie analizowane silniki DISI, przy czym spełnienie przyszłych limitów ilościowycheu-6c wiąże się z koniecznością zaangażowania wybranych strategii redukcji emisji, złożony charakter emisji cząstek stałych (PM, PN) będący funkcją wielu zmiennych, zależną w dużym stopniu od wykorzystanych cyklów jezdnych o zdefiniowanym profilu obciążalności silnika, a także temperatur otoczenia oraz wariantów konstrukcyjnych silnika DISI, istotne zalecenie względem metodologii pomiarowej cząstek stałych może dotyczyć konieczności nowelizacji przepisów prawnych w kierunku obligatoryjnego stosowania masowych i ilościowych metod pomiarowych o szerszych zakresach pomiarowych, zapewniających wystarczający poziom wiarygodności pomiarowej (przykładowo w aspekcie pomiarów ilościowych PN: rozszerzenie metodologii pomiaru CPC (CondensationParticleCounter)w kierunku pomiarów obejmujących szersze spectrum cząstek wraz z określeniem rozkładu ich wielkości), wykazano, iż strategie redukcji emisji cząstek stałych z silników DISI cechują się różną skutecznością, przy czym największym potencjałem i efektywnością, zwłaszcza w zakresie emisji ilościowych, odznacza się strategia wykorzystania filtrów GPF, natomiast umiarkowaną skutecznością strategia wykorzystująca mieszaniny benzyny z etanolem, zasadność ekonomiczna w zakresie kosztów badań i wdrożenia oraz skuteczność redukcji emisji jako główne kryteria oceny strategii redukcji emisji cząstek stałych, przy czym za najbardziej prawdopodobne w świetle przyszłych limitów Eu-6c uznaje się ciągle rozwojową koncepcję zaangażowania filtrów GPF oraz strategię wykorzystania mieszanin benzyny z etanolem. Przedstawione w artykule zagadnienia stanowią jedynie zarys problematyki znaczenia emisji cząstek stałych z silników DISI, dowodząc jednakże, iż względy ekologiczne stanowią niewątpliwie jedną z głównych determinant kierunków rozwoju koncepcji silników spalinowych. Streszczenie Emisja cząstek stałych w motoryzacji nabiera w chwili obecnej istotnego znaczenia, szczególnie w kontekście popularyzacji silników benzynowych z wtryskiem bezpośrednim benzyny (DISI), wykazujących stosunkowo dużą skłonność do emisji cząstek stałych. Istotne znaczenie emisji cząstek stałych potwierdzają zarówno liczne działania ustawodawcze, limitujące poziomy emisji, jak i działania techniczne, mające na celu poznanie specyfiki zjawisk emisji cząstek stałych i wypracowanie efektywnych strategii ich redukcji. W ujęciu ogólnym problematyka znaczenia emisji cząstek stałych w motoryzacji wykazuje bardzo złożony charakter, a niniejszy artykuł stanowi próbę ogólnego przeglądu tej tematyki. Artykuł przybliża założenia i korzyści koncepcji silników z wtryskiem bezpośrednim benzyny (DISI), a także dokonuje przybliżonego zarysu teoretycznego przyczyn formowania oraz metod redukcji cząstek stałych w tych silnikach. Zasadniczą część artykułu stanowi analiza i dyskusja wyników badań emisji cząstek stałych z silników DISI otrzymanych przez niezależne zespoły badawcze, a w tym Instytut Badań i Rozwoju Motoryzacji BOSMAL. W artykule przedstawiono także wyniki i perspektywy wykorzystania niektórych strategii redukcji cząstek stałych takich jak strategia dodatków etanolu do benzyny czy wykorzystania filtrów cząstek stałych GPF. Słowa kluczowe: cząstki stałe, wtrysk bezpośredni benzyny, DISI, emisja cząstek stałych, tendencje emisyjne, 1781

12 redukcja emisji cząstek stałych The significance of particulate matter emissions from direct injection spark ignition engines Abstract In the automotive industry particulate matter emissions have been gaining importance currently, especially in the context of the popularization of direct injection spark ignition engines (DISI), revealing a relatively high propensity significant emissions of particulate matter. The great importance of particulate emissions has been confirmed by numerous legislative actions limiting those emissions, as well as by technical measures aimed at better comprehension of the specifics of the particulate emissions phenomenon and the development of effective strategies of reducing them. From the general point of view, the issue of the importance of particulate emissions in the automotive industry presents a high level of complexity and this paper is an attempt at a general overview of this subject. The paper presents the major objectives and benefits of the concept of the direct injection spark ignition engines. Moreover, it makes a rough theoretical outline of the reasons for particulate formation and methods of its reduction in DISI engines. The core part of the paper is an analysis of particulate emissions results from DISI engines obtained by independent research teams, including BOSMAL Automotive Research and Development Institute. At the end of the paper the results and perspectives of exploiting some particulate reduction strategies are presented such as ethanol additives strategy or strategy of usage of gasoline particulate filters (GPF). Keywords: particulate matter (PM), direct injection spark ignition (DISI), particle emissions, emission trends, particulate reduction strategies BIBLIOGRAFIA 1. Andersson J., Keenan M., Akerman K., GDI Particles Legislation, Current Levels and Control. Ricardo Presentation, 09/ , Archer G., Particle Emissions from Petrol Cars briefing. Transport and Environment Bielaczyc, P. (editor), Particulate Matter Emissions from Engine and Automobile Sources. Workshop Proceedings form 1st Workshop on Particulate Matter Emissions from Engine and Automobile Sources on CDROM, BOSMAL Automotive R&D Institute, 2nd July 2012, Bielsko- Biala, Poland, ISBN CombustionEngines/Silniki Spalinowe 3/2012 (150) 4. Bielaczyc P., Czerwinski J., Woodburn, J:. Current Trends in Measurement and Control of Particle Emissions From Engines. CombustionEngines, 3/2012 (150), 89-96, Bielaczyc P., Szczotka A., Woodburn J., Investigations on Fuel Ethanol Content and Ambient Temperature on Particle Number and Mass Emissions from Vehicles Featuring Direct Injection Gasoline Engines. 16th ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles. 24th-27th June, 2012, Zurich, Switzerland. 6. Bielaczyc P., Szczotka A., Woodburn J., Particulate Emissions from European Vehicles Featuring Direct Injection Spark Ignition Engines Tested under Laboratory Conditions. SAE International, 2014, doi: / Bielaczyc P., Szczotka A., Woodburn J., Particulate Matter Emissions from Vehicles Featuring Direct Injection Spark Ignition Engines. FISITA 2014, F2014-CET Bielaczyc P., Szczotka W., Woodburn J., The Effect of a Low Ambient Temperature on the Cold- Start Emissions and Fuel Consumption of Passenger Cars. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Journal of Automobile Engineering, 225, Bischof C., Boger T., Gunasekaran N., Advanced Particulate Filter Technologies for Direct Injection Gasoline Engine Applications. CORNING Inc., DEER Conference, X Braisher M., Stone R., Price P., Particle Number Emissions from a Range of European Vehicles. SAE Technical Paper , 2010, doi: / Eastwood P., Particulate Emissions from Vehicles. Wiley-Professional Engineering Publishing Series, ISBN: Fiengo G., i in., Common Rail for GDI Engines Modelling, Identification and Control. Chapter 2: Basic Concepts on GDI Systems. Springer Briefs in Control, 2013.ISBN:

13 13. Karavalakis G., Short D., Russell R., Jung H., i.in., Assessing the Impacts of Ethanol and Isobutanol on Gaseous and Particulate Emissions from Flexible Fuel Vehicles. Environmental Science & Technology 2014, 48, Khalek I., Bougher T., Jetter J., Particle Emissions from a 2009 Direct Injection Gasoline Engines using Different Commercially Available Fuels. SAE International Journal of Fuels and Lubricatns 2010, 3 (2), Kittelson D., Kraft M., Particle Formation and Model in Internal Combustion Engines. University of Cambridge. Preprint 2014, No Kohler F., Testing of Particulate Emissions from Positive Ignition Vehicles with Direct Injection. Transport and Environment Mamakos A., Martini G., Marotta A., Assessment of Different Technical Options in Reducing Particle Emissions from GDI Vehicles. Journal of Aerosol Science 2013, 63, Merkisz J., Pielecha J., Emisja cząstek stałych ze źródeł motoryzacyjnych. Wyd. Politechniki Poznańskiej, Poznań ISBN: Metz N., Health Effects of Diesel Particulate Matter New Investigations make the Existence of a Treshold Value very Probable. AachenerKolloquimFahrzeugundMotorentechnik. Aachen Myung C., Park S., Exhaust Nanoparticle Emissions from Internal Combustion Engines review. International Journal of Automotive Technology 2012, Vol. 13, No. 1, Piock W., i in., Strategies towards Metting Future Particulate Matter Emissions Requirements in Homogeneous GDI Engines.SAE International 2011, doi: / Storey J., i. in., Exhaust Particle Characterization for Lean and Stoichiometric DI Vehicles Operating on Ethanol-Gasoline Blends. SAE International 2012, doi: / Worldwide Emissions Standards: Passenger Cars and Light Duty Vehicles Guide Book Published by Delphi Corp. On-line access: Zhang S., McMahon W., Particulate Emissions for LEV II Light-Duty Gasoline Direct Injection Vehicles. SAE International Journal of Fuels and Lubricants 2012, 5(2): Zhao F., Harrington D., Lai M., Automotive Gasoline Direct Injection Engines. SAE International Zhao H., Advanced Direct Injection Combustion Engine Technologies and Development. Vol. 1. Woodhead Publishing Limited, ISBN: