EMISJA CZĄSTEK STAŁYCH DWUPALIWOWEGO SILNIKA ZS ZASILANEGO GAZEM ZIEMNYM

Transkrypt

1 EMISJA CZĄSTEK STAŁYCH DWUPALIWOWEGO SILNIKA ZS ZASILANEGO GAZEM ZIEMNYM Zdzisław Stelmasiak*, Jerzy Larisch, Jacek Pielecha, Dariusz Pietras *Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej Katedra Silników Spalinowych i Pojazdów ul. Willowa 2, 43-3 Bielsko-Biała tel zstelmasiak@ath.bielsko.pl Streszczenie W pracy przedstawiono badania emisji cząstek stałych samochodowego silnika o zapłonie samoczynnym Fiat 1.3 MJT zasilanego dwupaliwowo olejem napędowym i gazem ziemnym CNG. Głównym założeniem adaptacji silnika był dodatek niewielkiej ilości CNG prowadzący do zmniejszenia zadymienia spalin i emisji cząstek stałych. Przy takim założeniu podstawowym paliwem pozostawał olej napędowy, którego udział stanowił,7-,85 całkowitej energii dostarczanej do silnika. W prowadzonych badaniach silnika dwupaliwowego stosowano oryginalny sterownik silnika Fiat 1.3 MJT sterujący dawką oleju napędowego. Wielkość dawki gazu regulowano czasem otwarcia wtryskiwaczy gazu przy stałym ciśnieniu w kolektorze gazowym. Analizowano zadymienie spalin, całkowitą liczbę emitowanych cząstek i ich rozkład frakcyjny. Badania prowadzono w dwudziestu wytypowanych punktach pomiarowych odpowiadających testowi jezdnemu NEDC. Przeprowadzone badania pokazały korzystny wpływ dodatku gazu na zadymienie i emisję cząstek stałych. Uzyskano zmniejszenie zadymienia w zakresie 1 92% i całkowitej liczby emitowanych cząstek w zakresie 3 4% zależnie od warunków badań. Przeprowadzone badania wskazują, że niewielkie dodatki gazu mogą prowadzić do zmniejszenia obciążenia filtra DPF, wydłużenia jego żywotności i wzrostu niezawodności silnika. Mniejsza częstotliwość regeneracji filtra DPF wpływa na poprawę ekologicznych własności silnika. Słowa kluczowe: silnik dwupaliwowy, gaz ziemny, cząstki stałe, emisja, zadymienie spalin, silnik ZS 1. Wstęp Istotnym problemem współczesnych, samochodowych silników ZS jest emisja cząstek stałych PM, które ze względu na swoją higroskopijność i mniejszą gęstość od powietrza są poważnym zagrożeniem dla środowiska [1-3, 5, 7-1]. Z tego powodu w ostatnich dwóch dekadach emisja PM była najsilniej ograniczana w porównaniu do innych toksycznych składników spalin. Warto przy tym zaznaczyć, że ograniczeniom podlega nie tylko masowa emisja PM, ale również całkowita liczba cząstek PN, przy czym analizie poddawana jest coraz mniejsza średnica cząstek [9, 1, 13]. Wymaga to stosowania w układach wylotowych specjalnych filtrów cząstek stałych DPF wychwytujących cząstki o bardzo małych rozmiarach, a tym samym stwarzających w eksploatacji istotne opory przepływu i podlegających częstemu oczyszczaniu. W nieustalonych warunkach jazdy miejskiej, przy krótkich przebiegach i eksploatacji w niskich temperaturach filtry DPF powodują znaczne trudności eksploatacyjne prowadzące do wzrostu niezawodności silników. Zasadniczym składnikiem cząstek stałych jest sadza powstająca w wyniku termicznego krakingu wyższych węglowodorów wchodzących w skład oleju napędowego, utlenianych w bogatych strefach płomienia, głównie przy niedoborze tlenu [6, 9, 13]. Jednym ze sposobów zmniejszenia emisji PM mogą być domieszki związków tlenowych do oleju napędowego [6] lub zastosowanie alkoholi, gazów metanowych lub czystego metanu [4, 7, 1, 12, 13]. Szczególnie

2 atrakcyjny wydaje się przy tym gaz ziemny sprężony ze względu na niską cenę (ponad dwukrotnie niższą w stosunku do paliw ropopochodnych) oraz wysoką zawartość metanu 94 98%Vol. Głównym składnikiem palnym gazu ziemnego jest metan CH 4. Jest on węglowodorem nasyconym nierozpuszczalnym w wodzie i przez to całkowicie nieszkodliwym dla organizmów żywych. Charakteryzuje się prostym mechanizmem utleniania i dobrą dyfuzją w powietrzu, dzięki czemu podczas jego spalania nawet przy niedoborze tlenu nie powstają cząsteczki sadzy [13]. Badania pokazują, że zastosowanie gazu ziemnego w silnikach ZS powoduje zmniejszenie emisji PM zależne od udziału gazu w całkowitej dawce energii podawanej do silnika [12, 13, 15, 16]. Z uwagi na wysoką temperaturę samozapłonu gaz ziemny wymaga jednak inicjacji zapłonu z obcego źródła system z zapłonem iskrowym lub od samozapłonu dawki oleju napędowego system dwupaliwowy [1, 2, 4, 12, 13]. Z uwagi na wysokie stopnie sprężania stosowane w małych samochodowych silnikach ZS, system z zapłonem iskrowym wymaga poważnych zmian konstrukcyjnych silnika, co w okresie przejściowym przy niedoborze stacji tankowania CNG jest nieuzasadnione. Można jednak w tych silnikach instalować układ wtrysku sprężonego gazu CNG w okolice zaworów dolotowych i przy niewielkich kosztach instalacji przystosować silnik ZS do zasilania dwupaliwowego [1, 4, 7, 14, 17, 2]. W pracy przedstawiono badania emisji cząstek stałych PM samochodowego silnika Fiat 1.3 MJT zasilanego dwupaliwowo gazem ziemnym sprężonym CNG i olejem napędowym. Badania przeprowadzono w zmiennych warunkach obciążenia i prędkości obrotowych odpowiadających warunkom pracy silnika podczas wykonywania testu NEDC. 2. Stanowisko badawcze W badaniach wykorzystywano silnik o zapłonie samoczynnym FIAT 1.3 MJT, 4-cylindrowy o pojemności skokowej 1248 cm 3. Bezpośredni wtrysk paliwa realizowany był przez układ typu Common Rail drugiej generacji, z systemem podziału dawki tzw. Multi Jet. Silnik został przystosowany do zasilania dwupaliwowego w Katedrze Silników Spalinowych i Pojazdów ATH w Bielsku-Białej [14, 17, 18]. Dane techniczne silnika przedstawiono w tabeli 1. Tab. 1. Dane techniczne silnika Fiat 1.3 MJT [19] Engine type/typ silnika 1.3 MJT Bore x stroke/średnica x skok 69.6 x 82 mm Displacement/pojemność skokowa 1248 cm 3 Number of cylinder/liczba cylindrów 4 Cylinder arrangement/układ cylindrów straight Compression ratio/stopień sprężania 18 Maximum power/moc maksymalna Maximum torque/moment maksymalny Injection system/układ wtryskowy 51 kw przy 4 rpm 18 Nm przy 175 rpm Common Rail Number of valve per cylinder/liczba zaworów 4 Timing system/typ rozrządu Exhaust gas recirculation/system recyrkulacji DOHC EGR valve Do adaptacji silnika wykorzystano zestaw sekwencyjnego wtrysku gazu Oscar-N Diesel SAS firmy Europe GAS [14, 17, 2]. Umożliwia on współpracę z każdym rodzajem silnika o zapłonie samoczynnym niezależnie od ilości cylindrów, ich układu, sposobu doprowadzania powietrza czy systemu wtrysku paliwa. Adaptacja silnika do zasilania dwupaliwowego wymagała wykonania prototypowego kolektora dolotowego, w którym zamontowano wtryskiwacze gazu, szynę gazową oraz przewody gazowe

3 łączące wtryskiwacze gazu z kanałami zaworów dolotowych na poszczególnych cylindrach oraz kalibrowane dysze gazowe na zakończeniu przewodów. Prototypowy kolektor i stanowisko badawcze silnika przedstawiono na rysunku 1. a) b) Rys. 1. Kolektor dolotowy i stanowisko badawcze silnika Fiat 1.3 MJT: a) kolektor dolotowy, b) stanowisko badawcze Sterowanie silnika dwupaliwowego odbywa się przez fabryczny sterownik typ MJD 6JX firmy Bosch. Przy dodawaniu gazu sterownik automatycznie zmniejsza dawkę oleju napędowego aby utrzymać wymagany moment obrotowy silnika. Przy znaczących zmianach jednostkowej dawki oleju zmniejszany jest również wydatek powietrza. 3. Metodyka badań emisji cząstek stałych Przy ocenie współczesnych silników samochodowych wykonuje się pomiary emisji toksycznych składników spalin w warunkach odpowiadających drogowej eksploatacji, tj. przy zmiennej prędkości obrotowej, obciążeniu i czasie. Badania takie przeprowadza się na hamowni podwoziowej, w krajach europejskich wg cyklu NEDC. W przedstawionych badaniach wykorzystano 2 punktów statycznej pracy silnika na stanowisku hamownianym w warunkach (n, M o )=const odwzorowujących test jezdny NEDC. Przy typowaniu punktów stosowano metody analizy statystycznej opisane w pracy [11]. Przy doborze poszczególnych punktów pomiarowych n-m o kierowano się kryterium najdłuższego czasu pracy silnika przy odwzorowaniu testu NEDC oraz wpływu punktu pomiarowego na wyniki całkowitej emisji w teście. Wytypowane punkty odpowiadają zarówno zmiennej jak i stałej prędkości jazdy, tab. 2. Punkty o numerach 6, 7, 9, 12, 14, 15, 17 i 2 mają największy udział w teście NEDC i odpowiadają fazom testu ze stałą prędkością jazdy. Tab. 2. Wytypowane punkty pracy silnika [11] Lp. Prędkość obrotowa Moment obrotowy Prędkość jazdy [obr/min] [Nm] [km/h]/bieg /III

4 /IV /V /I /III /II /V /V Do pomiaru zadymienia spalin zastosowano precyzyjny dymomierz filtracyjny firmy AVL model 415 SE, ze skalą FSN (Filter Smoke Number) lub w mg/m 3. Do pomiaru wielkości cząstek stałych wykorzystano analizator 39 EEPS (Engine Exhaust Particle Sizer Spectrometer) firmy TSI Incorporated. Analizator umożliwiał analizę ciągłego rozkładu wymiarowego cząstek stałych emitowanych przez silnik. Spektrometr umożliwia pomiar wielkości cząstek stałych w zakresie od 5,6 56 nm ich średnicy.(22 kanały pomiarowe) z częstotliwością 1 Hz. 4. Analiza wyników badań Wtrysk gazu do kolektora dolotowego powoduje nie tylko zwiększenie dawki energii dostarczanej do silnika ale również dodatkowej objętości czynnika zasysanego przez silnik. Przy zastosowaniu sterownika fabrycznego i utrzymaniu stałego obciążenia i prędkości obrotowej, powoduje to przejście sterownika do innego punktu pracy odpowiadającego zmniejszeniu dawki oleju napędowego i ilości zasysanego powietrza w stosunku do zasilania samym olejem napędowym. Zachowanie identycznych warunków. pracy przy zasilaniu tradycyjnym i dwupaliwowym wymaga zatem korekty ilości powietrza w stosunku do podawanej przez sterownik tak aby utrzymać zbliżone współczynniki nadmiaru powietrza przy obydwu sposobach zasilania. O zagadnieniach tych bardziej szczegółowo pisano w pracach [17, 18]. Na rys. 2 pokazano realne możliwości zmniejszenia zadymienia spalin przez dodatek gazu przy stałym czasie otwarcia wtryskiwaczy gazu 2, ms, niezależnym od warunków pracy silnika. Udział energetyczny gazu w badanych punktach pomiarowych zmieniał się w zakresie 24,6 35,6%. Praktycznie we wszystkich badanych punktach zadymienie spalin uległo zmniejszeniu. Trzeba jednak zaznaczyć, że wymaga to korekty wydatku powietrza tak, aby współczynnik nadmiaru powietrza był taki sam jak przy zasilaniu tradycyjnym. W praktyce oznacza to konieczność zastosowania specjalnego algorytmu w sterowniku gazu przy zasilaniu dwupaliwowym, który przejmie kontrolę nad współczynnikiem nadmiaru powietrza zamiast sterownika fabrycznego.

5 Zmiana zadymienia [%] Zadymienie spalin [FSN],25,2,15 DFP-2,,1, Numer punktu pracy wg testu EUDC Rys. 2. Porównanie zadymienia spalin silnika zasilanego tradycyjnie i dwupaliwowo z korektą wydatku powietrza: wydatek powietrza przy zasilaniu dwupaliwowym taki sam jak przy zasilaniu olejem napędowym, czas otwarcia wtryskiwaczy gazu 2, ms Względne zmiany zadymienia w stosunku do oleju napędowego uzyskane w badanych punktach pomiarowych mogą być obliczone z wzoru: DDFP 2, D DkDF 2, 1 [%] (1) D gdzie: ΔD kdf-2, względna zmiana zadymienia spalin przy korekcie wydatku powietrza i czasie otwarcia wtryskiwacza gazu 2, ms, D DFP-2, zadymienie spalin silnika dwupaliwowego przy czasie otwarcia wtryskiwacza gazu 2, ms, D zadymienie spalin silnika zasilanego olejem napędowym. Względne zmiany zadymienia pokazane na rys. 3 wskazują, że w warunkach jazdy testowej wg NEDC możliwe jest zmniejszenie zadymienia spalin we wszystkich badanych punktach, a zmiany względne mieszczą się w zakresie 1 92%. Z praktycznego punktu widzenia związanego z działaniem filtra cząstek stałych szczególnie istotne jest zmniejszenie zadymienia w warunkach zwiększonego obciążenia silnika, tj. w punktach 1, 2, 5, 8, 1, 11, 13, 16, 17, 18, 19 i 2, dla których obserwowano zmniejszenie zadymienia w zakresie ok. 1 8%., -1, -2, -3, -4, -5, -6, -7, -8, -9, -1, Rys. 3. Zmiany zadymienia spalin dwupaliwowego silnika pracującego w punktach odwzorowujących test NEDC (tabela 2) w stosunku do zasilania samym olejem napędowym: korekta wydatku powietrza, czas otwarcia wtryskiwaczy gazu 2, ms, udział energetyczny gazu 24,6 35,6%

6 Liczba cząstek PN [1/cm3] Współczesne przepisy w zakresie toksyczności spalin ograniczają nie tylko masową emisję cząstek stałych PM podawaną w [mg/m 3 ], ale również ich liczbę PN [6, 9]. Wynika to z faktu, że przy dużej liczbie emitowanych cząstek wzrasta udział cząstek o małych średnicach, które zdaniem epidemiologów są szczególnie niebezpieczne dla organizmów żywych i utrzymują się w atmosferze znacznie dłużej od cząstek o większych rozmiarach. Z tego powodu podczas prowadzonych badań w punktach odpowiadających testowi NEDC mierzono również emisję cząstek stałych z uwzględnieniem ich liczby PN i rozkładu frakcyjnego. Na rys. 4 przedstawiono porównanie całkowitej liczby cząstek PN emitowanych przez silnik zasilany olejem napędowym i dwupaliwowo z czasem otwarcia wtryskiwaczy gazu 1,5 ms i 2, ms bez korekty wydatku powietrza (wszystkie nastawy parametrów zasilania realizowane były przez sterownik fabryczny bez żadnej ingerencji z zewnątrz). Z analizy rys. 4 wynika, że w punktach o małych prędkościach obrotowych i małych obciążeniach całkowita liczba emitowanych cząstek była przy zasilaniu dwupaliwowym mniejsza w stosunku do emisji przy zasilaniu tradycyjnym. W zakresie średnich prędkości obrotowych i średnich obciążeń emisje PN były porównywalne dla obydwu sposobów zasilania. Natomiast w punktach o większych prędkościach obrotowych i dużych obciążeniach (punkty 14, 16, 18 i 19) silnik zasilany dwupaliwowo emitował większą liczbę cząstek. W punktach tych obserwowano również zwiększone zadymienie spalin. Warto również zaznaczyć, że dalsze zwiększanie wydatku gazu w tych punktach zwiększało liczbę emitowanych cząstek DF-1.5 ms DF- 2. ms Sterownik fabryczny Bez korekty wydatku powietrza Nr punktu wg NEDC Rys. 4. Porównanie całkowitej liczby cząstek stałych PN w spalinach silnika Fiat 1.3 MJT zasilanego tradycyjnie i dwupaliwowo bez korekty wydatku powietrza: sterownik fabryczny, stałe czasy otwarcia wtryskiwaczy gazu 1,5 ms i 2, ms Zastosowanie korekty wydatku powietrza powoduje zmniejszenie liczby emitowanych cząstek przez silnik zasilany dwupaliwowo, rys. 5. Prawie we wszystkich badanych punktach liczba cząstek dla silnika dwupaliwowego jest mniejsza od zasilania tradycyjnego.

7 Liczba cząstek PN [1/cm3] DF_kor-1.5 ms DF_kor-2. ms Sterownik fabryczny Korekta wydatku powietrza Nr punktu według NEDC Rys. 5. Porównanie całkowitej liczby cząstek stałych PN w spalinach silnika Fiat 1.3 MJT zasilanego tradycyjnie i dwupaliwowo z korektą wydatku powietrza: sterownik fabryczny, stałe czasy otwarcia wtryskiwaczy gazu 1,5 ms i 2, ms Warto również zwrócić uwagę, że w dużej liczbie punktów pomiarowych różnice liczby emitowanych cząstek dla czasów otwarcia wtryskiwaczy 1,5 ms i 2, ms są niewielkie, a w niektórych punktach nawet dla czasu 2, ms liczba cząstek jest większa niż dla czasu 1,5 ms. Równocześnie w analizowanych punktach zadymienie spalin dla czasu 2, ms było wyraźnie mniejsze od zadymienia dla czasu 1,5 ms. Można zatem przypuszczać, że w punktach tych zwiększony udział gazu prowadzi do emitowania większej liczby cząstek o małych rozmiarach. Różnice bezwzględne liczby cząstek PN między zasilaniem dwupaliwowym a tradycyjnym można obliczyć z wzoru: PN kdf 2, PN kdf 2. PN (2) gdzie: PN kdf-2, różnica liczby cząstek emitowanych przez silnik zasilany dwupaliwowo z korektą wydatku powietrza i czasem otwarcia wtryskiwaczy gazu 2, ms, PN kdf-2, liczba cząstek emitowanych przez silnik dwupaliwowy, PN liczba cząstek emitowanych przez silnik zasilany olejem napędowym. Porównanie różnic bezwzględnych PN kdf-1,5 i PN kdf-2, w badanych punktach pomiarowych przedstawiono na rys. 6. W większości punktów pomiarowych różnice bezwzględne są mniejsze od 4 [1/cm 3 ]. Istotne różnice występują jedynie dla punktów 19 i 2 odpowiadających prędkościom obrotowym 293 obr/min i 32 obr/min oraz obciążeniom odpowiednio 8 Nm i 55 Nm. Punkty te dotyczą prędkości jazdy w fazie pozamiejskiej testu. Zmniejszenie liczby cząstek dla analizowanych punktów wynosiło: pkt [1/cm 3 ], pkt [1/cm 3 ].

8 -58,1-46,4-49,7-43, -34,3-35,4-35,3-31, -3,5-36,6-38,7-36,3-17,1-21,6-25,7-28,2 PN [%] -16,6-11,9 1,5 PN [1/cm3] DF-1.5 ms PN DF-2. ms PN Nr punktu wg NEDC Rys. 6. Porównanie różnic bezwzględnych liczby cząstek stałych emitowanych przez silnik zasilany dwupaliwowo z różnymi czasami otwarcia wtryskiwaczy gazu 1,5 ms i 2, ms Różnice względne liczby cząstek PN między zasilaniem dwupaliwowym a tradycyjnym można obliczyć z wzoru: PN kdf 2, PN PN kdf 2, 1 [%] (3) PN gdzie: PN kdf-2, względna różnica cząstek emitowanych przez silnik zasilany dwupaliwowo z korektą wydatku powietrza i czasem otwarcia wtryskiwaczy gazu 2, ms, PN kdf-2, liczba cząstek emitowanych przez silnik dwupaliwowy, PN liczba cząstek emitowanych przez silnik zasilany olejem napędowym. Analiza różnic względnych pokazana na rys. 7 wskazuje, że w silnikach zasilanych dwupaliwowo można zmniejszyć emisję całkowitej liczby cząstek stałych w teście NEDC o ok. 3 4%, co należy uznać za wartość bardzo dużą z punktu widzenia ochrony środowiska. Istotny jest również fakt, że zmniejszenie wartości PN uzyskano prawie we wszystkich punktach pomiarowych, również przy małych prędkościach obrotowych i niewielkich obciążeniach silnika, co odpowiada warunkom jazdy w ruchu miejskim. 1,, -1, Del_DF-2. ms , -3, -4, -5, -6, Nr punktu wg NEDC Rys. 7. Rys. 7. Wpływ korekty wydatku powietrza na całkowitą liczbę cząstek stałych PN w spalinach silnika Fiat 1.3 MJT zasilanego tradycyjnie i dwupaliwowo: sterownik fabryczny, czas otwarcia wtryskiwaczy gazu 2, ms

9 16,5 19,1 22,1 25,5 29, ,2 45,3 52,3 6,4 69,8 8,6 93,1 17,5 124,1 143,3 165,5 191,1 22,7 254,8 294,3 339,8 dn/dlogd [cm-3] Porównanie rozkładu frakcyjnego liczby cząstek stałych dokonano dla czterech punktów wybranych punktów spośród 2 badanych na podstawie testu NEDC 2 punkty odpowiadają warunkom pracy silnika w których nastąpiło zmniejszenie liczby cząstek po dodaniu gazu (rys. 8 i 11) i 2 w których obserwowano zwiększenie (rys. 9 i 1). Z porównania wynika, że zasadnicza część tworzonych cząstek posiada wymiary średnic w zakresie 16,5 339,8 nm. Przy prędkości obrotowej 9 obr/min i obciążeniu 45 Nm największa liczba cząstek ma wymiary ,1 nm, rys. 8. Dodatek gazu odpowiadający czasowi otwarcia wtryskiwaczy 2, ms zmniejsza emisję cząstek z zakresu rozmiarów o największej emisji, natomiast w zakresie najmniejszych i dużych wymiarów emisje przy zasilaniu olejem napędowym i dwupaliwowym są podobne. Dla punktu 18 o prędkości obrotowej 27 obr/min i obciążeniu 73 Nm (rys. 9) rozkład frakcyjny przy zasilaniu tradycyjnym i dwupaliwowym jest podobny. Zwiększenie emisji przy zasilaniu dwupaliwowym wystąpiło w szerokim zakresie wymiarów cząstek 19,1 165,5 nm. Charakterystyczne jest, że udział cząstek dużych o wymiarach 191,1 339,8 nm jest pomijalnie mały. Fakt przesunięcia zakresu wymiarowego tworzonych cząstek przy wyższych prędkościach obrotowych w kierunku cząstek o mniejszych średnicach może być związany ze wzrostem temperatury czynnika ale również krótszym czasem reakcji nie pozwalającym na koagulację większych cząstek Pkt.wg NEDC - 1 n = 9 obr/min Mo = 45 Nm DF-1,5 ms DF-2, ms D [nm] Rys. 8. Porównanie rozkładu frakcyjnego cząstek dn/dlogd silnika Fiat 1.3 MJT zasilanego tradycyjnie i dwupaliwowo: punkt 1. wg testu NEDC, n = 9 obr/min, Mo = 45 Nm, czasy otwarcia wtryskiwaczy gazu 1,5 ms i 2, ms Dalszy wzrost prędkości obrotowej powoduje przesunięcie procesu tworzenia cząstek w kierunku ich mniejszych rozmiarów. Dla punktu 19 o prędkości obrotowej 293 obr/min i obciążeniu 8 Nm największe ilości emitowanych cząstek mają wymiary 22,1 69,8 nm, rys. 1. Również w tym zakresie ilości tworzonych cząstek przy zasilaniu dwupaliwowym są większe od ilości tworzonych przy zasilaniu olejem napędowym. Przy braku korekcji powietrza doładowującego, zwiększaniu dodatku gazu towarzyszy wzrost ilości tworzonych cząstek, przy czym większe różnice występują w zakresie cząstek o małych rozmiarach.

10 16,5 19,1 22,1 25,5 29, ,2 45,3 52,3 6,4 69,8 8,6 93,1 17,5 124,1 143,3 165,5 191,1 22,7 254,8 294,3 339,8 dn/dlogd [cm-3] 16,5 19,1 22,1 25,5 29, ,2 45,3 52,3 6,4 69,8 8,6 93,1 17,5 124,1 143,3 165,5 191,1 22,7 254,8 294,3 339,8 dn/dlogd [cm-3] 16,5 19,1 22,1 25,5 29, ,2 45,3 52,3 6,4 69,8 8,6 93,1 17,5 124,1 143,3 165,5 191,1 22,7 254,8 294,3 339,8 dn/dlogd [cm-3] 6 5 Pkt.wg NEDC - 18 n = 27 obr/min Mo = 73 Nm DF-1,5 ms DF-2, ms D [nm] Rys. 9. Porównanie rozkładu frakcyjnego cząstek dn/dlogd silnika Fiat 1.3 MJT zasilanego tradycyjnie i dwupaliwowo: punkt 18. wg testu NEDC, n = 27 obr/min, Mo = 73 Nm, czasy otwarcia wtryskiwaczy gazu 1,5 ms i 2, ms 12 1 Pkt.wg NEDC - 19 n = 293 obr/min Mo = 8 Nm DF-1,5 ms DF-2, ms D [nm] Rys. 1. Porównanie rozkładu frakcyjnego cząstek dn/dlogd silnika Fiat 1.3 MJT zasilanego tradycyjnie i dwupaliwowo: punkt 19. wg testu NEDC, n = 293 obr/min, Mo = 8 Nm, czasy otwarcia wtryskiwaczy gazu 1,5 ms i 2, ms 12 1 Pkt.wg NEDC - 2 n = 32 obr/min Mo = 55 Nm DF-1,5 ms DF-2, ms D [nm] Rys. 11. Porównanie rozkładu frakcyjnego cząstek dn/dlogd silnika Fiat 1.3 MJT zasilanego tradycyjnie i dwupaliwowo: punkt 2. wg testu NEDC, n = 32 obr/min, Mo = 55 Nm, czasy otwarcia wtryskiwaczy gazu 1,5 ms i 2, ms

11 16,5 19,1 22,1 25,5 29, ,2 45,3 52,3 6,4 69,8 8,6 93,1 17,5 124,1 143,3 165,5 191,1 22,7 254,8 294,3 339,8 dn/dlogd [cm-3] W punkcie 2 o prędkości obrotowej 32 obr/min i obciążeniu 55 Nm, rys. 11, największa liczba cząstek tworzona jest w przedziale 19,1 69,8 nm. Przy zasilaniu dwupaliwowym przedziały tworzenia największej liczby cząstek przesuwają się w kierunku cząstek o większych rozmiarach. Ponieważ cząstki stałe tworzą się w wyniku termicznego krakingu oleju napędowego, tworzenie cząstek o większych rozmiarach może świadczyć o pogorzeniu spalania paliwa ciekłego z powodu mniejszego stężenia tlenu i wzrostu stężenia dwutlenku węgla. Zmniejszenie szybkości spalania powoduje wydłużenie procesu utleniania paliwa sprzyjającego koagulacji cząstek w większe agregaty. Równocześnie mniejsze stężenia tlenu w ładunku prowadzą do zmniejszenia współczynnika nadmiaru powietrza w strefach spalania paliwa ciekłego co sprzyja tworzeniu większej liczby pierwotnych cząstek. Zmniejszenie ogólnej liczby cząstek przy zasilaniu dwupaliwowym obserwowane na rozkładzie frakcyjnym rys. 11 może być tłumaczone zmniejszeniem ilości oleju napędowego w cyklu pracy oraz dodatkowo wypalaniem cząstek pierwotnych sadzy w palącej się mieszaninie. Paląca się mieszanina gaz-powietrze zmniejsza szybkość chłodzenia produktów spalania paliwa ciekłego co sprzyja procesowi dopalania cząstek sadzy. W zakresie cząstek większych od 69,8 nm ilości tworzonych cząstek przy dodatku gazu są podobne do ilości dla zasilania samym olejem napędowy. Wielkość dodatku gazu w tym zakresie rozmiarów cząstek nie wpływa na ilość tworzonych cząstek. Na rys przedstawiono porównanie rozkładu frakcyjnego ilości tworzonych cząstek stałych przy zasilaniu olejem napędowym oraz w silniku dwupaliwowym z korektą wydatku powietrza. W wyniku korekty ciśnienie doładowania w silniku dwupaliwowym było porównywalne do ciśnienia przy zasilaniu tradycyjnym. Wykorzystanie korekty powietrza spowodowało zmniejszenie ilości tworzonych cząstek we wszystkich badanych punktach pomiarowych. W efekcie były one mniejsze znacząco od ilości cząstek tworzonych w silniku zasilanym tradycyjnie. W tym miejscu warto podkreślić, że dokładna korekta wydatku jednostkowego powietrza w [mg/cykl] wymagałaby uwzględnienia objętości gazu w zasysanym ładunku, co prowadziłoby do nieznacznego podniesienia ciśnienia doładowania tak, aby jednostkowe wydatki powietrza były jednakowe dla obydwu systemów zasilania. Nie było to jednak możliwe z uwagi na przechodzenie silnika w stan pracy awaryjnej. W badanym silniku wymagałoby to gruntownego przeprogramowania sterownika fabrycznego co nie było możliwe Pkt. wg NEDC - 7 n = 159 obr/min Mo = 1 Nm DF-2. ms D [nm] Rys. 12. Porównanie rozkładu frakcyjnego cząstek dn/dlogd silnika Fiat 1.3 MJT zasilanego tradycyjnie i dwupaliwowo: punkt 7. wg testu NEDC, n = 159 obr/min, Mo = 1 Nm, czas otwarcia wtryskiwaczy gazu 2, ms

12 16,5 19,1 22,1 25,5 29, ,2 45,3 52,3 6,4 69,8 8,6 93,1 17,5 124,1 143,3 165,5 191,1 22,7 254,8 294,3 339, Pkt. wg NEDC - 19 n = 293 obr/min Mo = 8 Nm DF-2. ms 5. WNIOSKI Rys. 13. Porównanie rozkładu frakcyjnego cząstek dn/dlogd silnika Fiat 1.3 MultiJet zasilanego tradycyjnie i dwupaliwowo: punkt 19. wg testu NEDC, n = 293 obr/min, Mo = 8 Nm, czas otwarcia wtryskiwaczy gazu 2, ms Dwupaliwowe zasilanie nowoczesnych silników o zapłonie samoczynnym może przyczynić się do zmniejszenia emisji cząstek stałych szczególnie w warunkach ruchu miejskiego. Powinno to skutkować zwiększeniem czasu między kolejnymi regeneracjami filtrów cząstek stałych DPF, zwiększeniem ich żywotności oraz poprawą niezawodności silników samochodowych. Dodatek gazu ziemnego CNG do oleju napędowego wpływa na zmniejszenie zadymienia spalin oraz emisji cząstek stałych PM. W nowoczesnych silnikach o zapłonie samoczynnym wyposażonych w wysokociśnieniowe układy wtryskowe typu Common Rail i elektroniczne sterowanie silnika w układach dwupaliwowego zasilania należy stosować specjalne sterowniki kontrolujące jakość ładunku i wykorzystywać odmienne procedury sterujące w stosunku do sterowników fabrycznych. Dotyczy to przede wszystkim korekty wydatku powietrza przy zmniejszaniu udziału paliwa ciekłego ale również sposobu podziału dawki oleju napędowego i czasów wtrysku dawek częściowych [18]. Wykonane badania wskazują, że przy zastosowaniu korekty wydatku powietrza możliwe jest zmniejszenie zadymienia FSN i całkowitej liczby cząstek stałych PN we wszystkich wytypowanych dwudziestu punktach pracy silnika odpowiadających testowi jezdnemu NEDC, co rokuje na pozytywne wyniki testów jezdnych podczas badań samochodów. Zmniejszenie zadymienia spalin wynosiło 12 92%, a całkowitej liczby cząstek stałych PN o 3 4% zależnie od warunków pracy silnika. Szczególnie istotne jest zmniejszenie emisji cząstek stałych przy większych prędkościach obrotowych i większych obciążeniach silnika, kiedy emisja spalin jest większa. Rokuje to pozytywnie również na działanie filtra DPF w jazdach pozamiejskich, co powinno przyczynić się do wzrostu jego trwałości. Efektów tych nie można uzyskać przy stosowaniu sterowników fabrycznych i nakładkowych instalacjach zasilania dwupaliwowego. Badania wykazały, że w punktach, w których sterownik fabryczny zmniejsza wydatek powietrza, zastosowanie gazu może prowadzić do zwiększenia zadymienie spalin i emisji cząstek stałych. Analiza frakcyjna cząstek stałych wskazuje, że zasadnicza część tworzonych cząstek posiada wymiary w zakresie 16,5 339,8 nm. Wzrost prędkości obrotowej i obciążenia silnika powoduje zwiększenie liczby cząstek o mniejszych średnicach, przykładowo dla prędkości 293 obr/min i obciążenia 8 Nm największy udział cząstek występował dla średnic w zakresie 22,1 69,8 nm. Może to być powodowane wyższymi temperaturami czynnika podczas spalania i łatwiejszym

13 wypalaniem cząstek, ale głównie krótszym czasem nie pozwalającym na koagulację większych cząstek sadzy. W zakresie mniejszych prędkości obrotowych i małych obciążeń silnika rozkład frakcyjny emitowanych cząstek stałych przy zasilaniu tradycyjnym i dwupaliwowym jest podobny. Przy większych obciążeniach silnika i zasilaniu dwupaliwowym zasadniczy udział stanowią cząstki o większych średnicach w stosunku do zasilania tradycyjnego. Może to świadczyć o pogorszeniu się warunków utleniania dawek częściowych paliwa ciekłego wtryskiwanych w trakcie aktywnego spalania, w warunkach zmniejszonego stężenia tlenu i obecności dwutlenku węgla w spalinach. Fakt ten powinien być uwzględniony w algorytmach podziału dawki paliwa ciekłego przy zasilaniu dwupaliwowym. Zagadnienia te wymagają dalszych badań. W silnikach wyposażonych w filtry cząstek stałych DPF w warunkach badań testowych wpływ dodatku gazu może być znacznie mniejszy przez oddziaływanie filtra DPF. Należy jednak przypuszczać, że podczas eksploatacji pozytywne oddziaływanie dodatku gazu na emisję cząstek stałych znacząco zmniejszy obciążenie filtra DPF, co przyczyni się do zmniejszenia emisji toksycznych składników przy jego regeneracji. Praca była wykonywana w ramach projektu badawczego nr PBS1/A6/13/212 pt. Ograniczenie zadymienia spalin i emisji cząstek stałych w spalinach samochodowych silników o zapłonie samoczynnym za pomocą dodatku gazu ziemnego CNG finansowanego przez NCBiR. The particulate matter emission of dual fuel engine powered by natural gas The paper presents the study of particulate emissions of car diesel engine Fiat 1.3 MJT powered dual-fuel by diesel and natural gas CNG. The basic premise the engine adaptation was the addition of a small amount of CNG leads to a reduction in opacity and particulate matter emissions. Under this assumption, the basic fuel remained diesel, which accounted,7-,85 share of the total energy supplied to the engine. In this study, dual fuel engine used the original engine control unit Fiat 1.3 MJT that controlled dose of diesel fuel. The dose of gas was adjusted by gas injector opening time at a constant pressure in the gas manifold. Analyzed opacity, the total number of emitted particles matter and their fractional distribution. The study was conducted in twenty selected measuring points corresponding to the NEDC test. The study demonstrated a beneficial effect of the addition of gas to smoke and particulate emissions. Opacity reduction in the range 1 to 92%, and the total number of particles matter emitted in the range of 3 4% depending on the test conditions. The study suggests that small additions of gas may lead to a reduction the load of the filter DPF, extend its life and increase engine reliability. Less frequent regeneration of the DPF improves the environmental properties of the engine. Keywords: dual fuel engine, natural gas, particulate matter, emission BIBLIOGRAFIA [1]. Barroso P., Ribas X., Domingues J., De Sella E., Garcia J M., Study of dual-fuel (diesel+natural gas) particle mater and CO2 emissions of a heavy-duty diesel engine during transient operatio, Combustion Engines, nr 2/213 (153) ISSN , s [2]. Clark N N., Atkinson Chr M., Atkinson R J., McDaniel T., Park T., Optimized Emission Reduction Strategies for Dual Fuel Compression Ignition Engines Running on natural Gas and Diesel, http,// 22, 1-6. [3]. Daisho Y., Takahashi K., Controlling Combustion and exhaust emissions in a direct-injection diesel engine dual fueled with natural gas, SAE Paper no , 1995.

14 [4]. Ehsan Md., Bhuijan Sh., Dual Fuel performance of a Small Diesel Engine for Applications with Less Frequent Load Variations, International Journal of Mechanical & Mechatronics Engineering IJMME Vol. 9 No. 1, 211. [5]. Gebert K., Beck J, Barkhimer R L., Wong H Ch., Strategies to Improve Combustion and Emission Characteristics of Dual-Fuel Pilot Ignited Natural Gas Engines, SAE Paper 1997, No , p [6]. Kozak M., Studium wpływu komponentów tlenowych oleju napędowego na emisję toksycznych składników spalin z silników o zapłonie samoczynnym, Monografia habilitacyjna, Wydawnictwo Politechniki Poznańskie, Poznań 213. [7]. Matyjasik M., Aktywizacja procesu spalania mieszaniny gaz-powietrze w silnikach dwupaliwowych przez podział dawki inicjującej oleju napędowego, Praca doktorska, Bielsko- Biała 212. [8]. Merkisz J., Daszkiewicz P., Idzior M., Bajerlein M., Fuć P., Lijewski P., Analiza ograniczenia emisji toksycznych składników spalin dwupaliwowego silnika o zapłonie samoczynnym, Logistyka, nr 6/214, s [9]. Merkisz J., Pielecha J., Emisja cząstek stałych ze źródeł motoryzacyjnych, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 214, 39 s., ISBN, [1]. Merkisz J., Pielecha J., Łabędź K., Stojecki A., Badania emisji spalin pojazdów o różnej klasie emisyjnej zasilanych gazem ziemnym, Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej, Transport. 213, s , ISSN, [11]. Pietras D., Sobieszczański M., Świątek A., Pajdowski P., Dobór parametrów pracy silnika 1.3 multijet charakterystycznych dla testu jezdnego NEDC do badań rozwojowych, Silniki Spalinowe, nr PTNSS P5-C65. [12]. Stelmasiak Z., Studium procesu spalania gazu w dwupaliwowym silniku o zapłonie samoczynnym zasilanym gazem ziemnym i olejem napędowym, Wydawnictwo ATH, Praca habilitacyjna, Bielsko-Biała 23. [13]. Stelmasiak Z., Dwupaliwowe silniki o zapłonie samoczynnym, Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji, Biblioteka Problemów Eksploatacji, Radom 213. [14]. Stelmasiak Z., Larisch J., Dwupaliwowe zasilanie silnika Fiat 1.3 MultiJet. Logistyka 6/214. [15]. Stelmasiak Z., Larisch J., Pietras D., Wpływ dodatku gazu ziemnego na zadymienie spalin samochodowego silnika ZS, Combustion Engines nr 3/215. [16]. Stelmasiak Z., Larisch J., Pietras D., Wpływ dodatku gazu ziemnego na wybrane parametry pracy silnika Fiat 1.3 MultiJet zasilanego dwupaliwowo, Combustion Engines no. 3/215. [17]. Stelmasiak Z., Larisch J, Pietras D., Selected problems of adaptation car diesel engine for dual fuel supplying, Combustion Engines no. 3/215 (162), p [18]. Stelmasiak Z. Larisch J. Pietras D., Some problems of controlling the car diesel engine powered dual fuel, Combustion Engines no. 3/215 (162) pp [19]. Materiały firmy FIAT AUTO POLAND, 214. [2]. Materiały techniczne firmy EuropeGAS, 213.