Badania eksploatacyjne silnika zasilanego paliwem LPG 3

Transkrypt

1 Tomasz Kasprowicz 1, Michał Liss 2 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy Badania eksploatacyjne silnika zasilanego paliwem LPG 3 Analiza spalin silnika ZI, jako jedno z wielu narzędzi wykorzystywanych w diagnostyce silników, wraz z rozwojem ich konstrukcji, zmieniła zakres możliwego wykorzystania. Według niektórych opinii, po wprowadzeniu systemów diagnostyki pokładowej standardu OBD II i EOBD, nie ma już ona zastosowania w serwisach samochodowych i stacjach kontroli pojazdów. Praktyka pokazała jednak, że systemy diagnostyczne nie są jeszcze tak dopracowane, aby to nastąpiło. Są też opinie że wyniki analizy spalin w rękach doświadczonego mechanika jest doskonałym narzędziem diagnostycznym. W opinii doświadczonych mechaników, analiza spalin jest doskonałym uzupełnieniem i wsparciem dla systemów diagnostycznych standardu OBD II i EOBD. To jedyna metoda diagnostyczna, która pozwala poznać skład spalin, który zależy od czynników trudno rozpoznawalnych dla elektronicznych systemów diagnostycznych. Niniejszy artykuł przybliża problematykę diagnozowania pojazdów samochodowych zasilanych paliwem LPG na podstawie analizy spalin. Mieszanka paliwowo - powietrzna Podstawą pracy silników spalinowych jest doprowadzenie do komory spalania mieszanki paliwowo - powietrznej. W celu jej stworzenia paliwo, które występuje najczęściej w formie płynnej musi przejść w stan gazowy, ponieważ tylko w takiej postaci ulega ono spaleniu. Ta uwaga jest szczególnie istotna w stosunku do benzyny, ponieważ nie zawsze istnieją dogodne warunki (np. podczas zimnego rozruchu silnika) by wszystkie frakcje paliwa odparowały. Wówczas niespalone frakcje paliwa zostają usunięte przez układ wylotowy zagrażając uszkodzeniu katalizatora. Paliwo tworzy z powietrzem mieszankę, w której składniki powietrza tlen (O2) zostaje utleniaczem składników paliwa. Podstawową wielkością charakteryzującą skład mieszanki paliwowo-powietrznej jest współczynnik λ określony wzorem: mpow mpal LT (1) gdzie: λ- współczynnik składu mieszanki [wartość bezwymiarowa]; mpow- masa powietrza w mieszance paliwowo-powietrznej [kg]; mpal- masa paliwa w mieszance paliwowo-powietrznej [kg]; LT- teoretyczna masa powietrza potrzebna do spalenia 1 [kg] paliwa. Teoretyczna masa powietrza potrzebna do spalenia 1 [kg] paliwa to masa powietrza wynikająca z równania chemicznego (2). Jej wartość zależy od składu chemicznego paliwa. Jest ona charakterystyczna dla danego rodzaju paliwa tj.: 1 [kg] benzyny - 14,7 [kg] powietrza; 1 [kg] gazu LPG - 15,5 [kg] powietrza; 1 [kg] gazu CNG - 17,2 [kg] powietrza. 1 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Sterowania; Al. prof. S. Kaliskiego 7, Bydgoszcz, kasprowicz.tomasz@gmail.com 2 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Pojazdów i Diagnostyki; Al. prof. S. Kaliskiego 7, Bydgoszcz; Tel: , michal.liss@utp.edu.pl 3 Artykuł recenzowany.

2 Składniki spalin silnika ZI Mieszanka stechiometryczna dla λ = 1 spala się według równania chemicznego: n n CmH n m O2 mco2 H2O 4 2 (2) Zgodnie z powyższym równaniem masa tlenu jest idealnie dobrana do spalenia masy paliwa i według tego założenia po procesie spalania powinien pozostać tylko dwutlenek węgla (CO2) oraz para wodna (H2O). W warunkach rzeczywistych podczas procesu spalania paliwa przez silnik ZI emitowane są również inne gazy zawarte w spalinach (rys.1.). Rys. 1. Udział składników spalin silnik ZI [6] 1.1.Para wodna jest naturalnym produktem spalania paliw węglowodorowych. W pojazdach zasilanych paliwem CNG jest jej wiecej niż w pojazdach zasilanych benzyną ze względu na większą ilość atomów wodoru w paliwie CNG w stosunku do atomów węgla. 1.2.Dwutlenek węgla jest produktem spalania węgla, jednego ze składników paliw. Zawartość dwutlenku wegla w zależnosći od współczynnika λ przed konwerterem kataliczycznym pokazano na rysunku 2. Najwyższa zawartość CO2 w spalinach jest podczas spalnia mieszanki stechiometrycznej. Rys. 2. Zawartość CO2 w spalinach silnika ZI [4,5,6] 1.3.Tlen w spalinach silnika ZI oraz zawartość tego składnika w spalinach bieże się z niewykorzystania 100 [%] tlenu w procesie spalania, dlatego znajduje się on również w spalinach powstałych ze spalenia mieszanki bogatej λ < 1. Gdy spalana jest mieszanka uboga λ

3 > 1 to w spalinach znajduje się znacznie wieksza ilosć tlenu. Sytuacaję tą przedstawiono na rysunku 3. Rys. 3. Zawartość O2 w spalinach silnika ZI [4,5,6] 1.4.Tlekenk węgla CO jest produktem spalania niecałkowitego paliwa. W komorze spalania nie ma idealnych warunków do spalenia całości węgla C. Zawartośc tlenku węgla w spalinch przed konwerterem katalitycznym ukazano na rysunku 4. W mieszance bogatej λ < 1 ilość tlenu jest niewystarczająca aby spalic cały węgiel zawarty w paliwie. W mieszance ubogiej λ > 1 ilość tlenu jest większa od wymaganej aby spaleniu uległo całe paliwo jednakże w komorze spalania mieszanina paliwowo powietrza nigdy nie jest idealnie wymieszana, co stwarza strefy gdzie mieszanka jest bogata. Im uboższa jest mieszanka tym mniejsza zawartośc tlenku węgla. Jednak wiażę się to ze wzrostem zawartości azotu (N2) i niekwykorzystanego tlenu (O2). Zawartość tlenku węgla może blędnie informować o procesie spalania mieszanki ubogiej. Dla prawidłowej oceny spalania takej mieszanki należy zmierzyć również zawartośc węglowodorów (HC) w spalinach. Rys. 4. Zawartość CO w spalinach silnika ZI [4,5,6] 1.5.Węglowodory HC, są to toksyczne związki znajdujace się w spalinach, składające się z węgla i wodoru. Mają one różne własciwości toksyczne. Ponieważ paliwa składają się głownie z grup węglowodorowych ich końcowym produktem spalania powinien być dwutlenek węgla oraz woda. Jadnak warunki w komorze spalania nie są idealne by wszystkie węglowodory uległy utlenieniu. Powstają strefy w których proces spalania węglowodorów kończy się na pewnym etapie, pomiedzy kolejnymi reakcjami chemicznymi. Zawartość węglowodorów w zależności od współczynnika λ w spalinach przed konwerterem katalitycznym przedstawiono na rysunku 5.

4 Rys. 5. Zawartość HC w spalinach silnika ZI [4,5,6] 1.6.Tlenki azotu NOx w spalinach powstają dzięki panującemu ciśnieniu i temperaturze w komorze spalania. W następstwie procesów zachodzących w komorze spalania i w układzie wylotowym silnika emitowane są różne związki chemiczne będące połączeniem azotu (N2) i tlenu (O2). Podstawowe związki to tlenek azotu, dwutlenek azotu i podtlenek azotu. Wszystkie tego typu związki oznaczane są symbolem NOx. Zawartość tychże związków pokazano na rysunku 6. Zawartość tych związków w spalinach ściśle powiązana jest z ciśnieniem i temperaturą w komorze spalania czyli od odbciążenia silnika. Emisja tlenków azotu jest niska na nieobciążonym silniku, dopiero po obciążeniu silnika widać wyraźny wzrost emisji tlenków azotu np. silnik pracujący na biegu jałowym przy obrotach 3000 [obr/min] emituje około 280 [ppm] NOx, a obciążony silnik przy tych samych prędkościach obrotowych nawet 5500 [ppm] NOx. Tak więc wartość emisji tlenków NOx zależy od obciążenia silnika, jego konstrukcji, stopnia sprężania itp. Dlatego pomiar ich wartości na nieobciążonym silniku nie odnosi istotnej roli w procesie diagnostycznym. Rys. 6. Zawartość NOx w spalinach silnika ZI [4,5,6] Badania eksploatacjyjne pojazdu zasilanego paliwem LPG Kluczowymi elementami odpowiadającymi za niezawodną i ekologiczną pracę jednostki napędowej jest odpowiedni dobór mieszanki paliwowo - powietrznej oraz sprawność całego układu zapłonowego. W przypadku pojazdów zasilanych gazem LPG duże znaczenie ma właściwa eksploatacja i regularna kontrola jednostki pod kątem emisji spalin zarówno w trakcie eksploatacji silnika paliwem benzyno-

5 wym, jak i na paliwie LPG. Takie podejście daje możliwość wczesnego wykrywania niewielkich niesprawności w układzie zasilania LPG. Obiektem badan był pojazd samochodowych wyprodukowany w roku 1999 zasilany benzyną bezołowiową i masie całkowitej nie przekraczającej 1500 [kg]. Pojemność skokowa silnika wynosi 1850 [cm3], moc maksymalna 100 [kw] i moment obrotowy 175 [Nm]. Dane dotyczące dopuszczalnej toksyczności spalin przewidzianych przez producenta dla tego modelu zaczerpnięto z aplikacji Autodata przedstawionej na rysunku 7. Rys. 7. Normy emisji przewidziane przez producenta własne [źródło własne] Pojazd przy przebiegu [km] został przystosowany do zasilania paliwem gazowym. Przed przystosowaniem pojazdu do zasilania gazem LPG została przeprowadzanoa analiza spalin, która miesciła się w dolnej granicy normy podawanej przez producenta oraz została przeprowadzona diagnostyka komputerowa pojazdu, która również nie wykazała żadnych niesprawnosci. Wyniki badań Czas eksploatacji pojazdu z instalacją gazową wynosił 1 rok podczas, której pojazd pokonał [km]. Podczas eksploatacji pojazd regularnie poddawano serwisowaniu tj. co [km], podczas, których następowała wymiana oleju, kontrola filtrów (powietrza, gazu w fazie ciekłej i lotnej), kontrola stanu świec zapłonowych oraz co [km], kontorla luzu zaworowego. Pojazd był poddawany analizie spalin oraz diagnostyce komputerowej zarówno przed, jak i po czynnościach serwisowych. Wyniki z pomiarów uzyskiwano w postaci przedstawionej na rysunku 8. Rys. 8. Wydruk kontrolny analizy spalin [źródło własne]

6 W tabeli 1 przedstawiono zestawienie wyników pomiarów eksploatacyjnych. Tabela 1. Zestawienie wyników pomiarów eksploatacyjnych [źródło własne] Przebieg [km] HC [ppm] CO [%] CO2 [%] O2 [%] λ Przebieg [km] HC [ppm] CO [%] CO2 [%] O2 [%] LPG ,04 11,47 3,54 1, ,003 13,45 0,61 Benzyna ,1 12,38 2,53 1, ,008 14,7 0,04 LPG ,05 11,67 3,51 1, ,005 13,25 0,51 Benzyna ,09 12,51 2,42 1, ,002 14,84 0,02 LPG ,8 4,31 1, ,21 2,21 Benzyna ,01 13,84 1,54 1, ,05 14,65 0,05 LPG ,437 12,23 1,03 0, ,4 13,67 1,01 Benzyna ,048 15,39-0,03 0, ,136 15,23 0,29 LPG ,1 14,87 0,54 0, ,103 13,44 0,45 Benzyna ,019 15,56-0,02 0, ,231 15,11 0,25 LPG ,025 15,4 2,18 1, ,087 15,21 3,21 Benzyna ,05 13,8 1,51 1, ,002 15,08 0,08 Przed rozpoczęciem eksploatacji pojazdu na gazie została wykonana analiza spalin przy przebiegu [km] w celu ustawienia odpowiedniego składu mieszanki. Pomiary dokonane na benzynie oraz na paliwie LPG mieściły się w obowiązujących normach i nie odbiegały od wartości dopuszczalnych względem siebie. Pierwszy pomiar spalin przeprowadzono po dystansie [km] w celu sprawdzenia poprawności działania instalacji gazowej (wszystkie parametry i normy emisji były w normie). Pierwszy serwis pojazdu nastąpił 2 miesiące od rozpoczęcia badań i wskazania drogomierza wynoszący [km]. Zgodnie z założeniami przeprowadzono analizę spalin przed dokonaniem czynności serwisowych, którą pojazd przeszedł pomyślnie. Wyniki były zbliżone do pomiaru wzorcowego. Podczas czynności serwisowych zwrócono uwagę na niewielkie zanieczyszczenie filtra gazu fazy ciekłej oraz lotnej. Filtry nie zostały wymienione w celu analizy wpływu ich zanieczyszczenia na jakość spalin. Pojazd po wykonanym serwisie podczas, którego został wymieniony olej oraz filtr oleju przeszedł pomyślnie analizę spalin. Kolejny przegląd serwisowy i kontrola emisji spalin nstąpiła przy przebiegu [km]. Pomiar analizy spalin wykazał, iż pojazd zasilany benzyną przechodzi kontrole spalin natomiast po przejściu na zasilanie gazowe ma przekroczona zawartość węglowodorów (HC), która wynosiła 154 [ppm] oraz niewykrywalna przez urządzenie ilość tleku węgla 0,000 [%]. Współczynik λ wynosił 1,01-1,03. Analizując te parametry na podstawie rysunków 3, 4 oraz 5 widać ze mieszanka paliwowo - powietrzna jest uboga co może być spowodowane zanieczyszczniem filtrów gazowych oraz niedostatecznym dostarczeniem wystarczającej ilości paliwa. Diagnostyka komputerowa nie wykazała żadnych nieprawidłowosci związanych z emisją. Dokonując czyności serwisowych wymienione zostały filtry gazu. Po przeprowadzeniu powtórnego badania spalin pojazd ponownie spełnia normy emisji na obu rodzajach paliwa. Przy przebiegu [km] pojazd przeszedł przyspieszony przegląd serwisowy ze względu na odczuwalna utratę mocy i przerwy w zapłonie podczas zasilania paliwem LPG. Po przeprowadznoej analizie spaln stwierdzono wysoką wartość tlenku węgla CO 0,8 [%] (dopuszczalna wartość na biegu jałowym 0,5 [%] na podwyższonym 0,3 [%]) i węglowodorów HC 790 [ppm] (dopuszczalna wartość 100 [ppm]), współczynnik λ zawierał się w wartości 1,03-1,05. Natomiast parametry spalin na benzynie miesciły się w górnej granicy normy. Po analizie objawów i wyników toksyczności spalin sprawdzeniu poddano świece zapłonowe które maja utrudnione zadanie podczas pracy na gazie ze względu na wyższą temperaturę pracy i wyższe napięcie, które umożliwa wygenerowanie iskty. Świece posiadały przerwę 1,5 [mm] przy czym maksymalna przerwa dopuszczalna przez producenta wynosi 1,3 [mm]. Zużyte świece wymieniono na świece irydowe ułatwiające przeskoczenie iskry. Po dokonaniu wymiany świec przeprowadzono analizę spalin, która wykazała powrót spalin do standarów emisji. Podczas analizy spalin, prz kolejnym serwisowaniu, przy przebiegu [km] podobnie jak podczas drugiego serwisu przekroczona została nieznacznie ilość niespalonych węglowodorów HC 153 [ppm]

7 oraz zawartość tlenku węgla, która wynosiła 0,1 [%]. Współczynnik λ wynosił 0,997 podczas pracy na LPG oraz na benzynie. Spowodowane było to znieczyszczeniem filtra powietrza. Ostatni przegląd nastąpił przy przebiegu [km] wartości spalin mierzone na paliwie LPG wykraczały nieznacznie poza normy emisji węglowodorów HC 127 [ppm], natomiast pojazd na benzynie spełniał normy emisji spalin. Przyczyną przekroczenia norm był zanieczyszczony filtr gazu fazy lotnej. Podsumowanie Jednym z podstawowych metod diagnozowania pojazdów samochodowych o zapłonie iskrowym jest przeprowadzenie analizy generowanych przez niego spalin. Na podstawie analizy składu spalin możliwe jest postawienie bardzo dokładnej diagnozy świadczącej o możliwie występującym uszkodzeniu. Metodologia analizy spalin nie zmieniała się przez bardzo długi czas w przeciwieństwie do modernizacji silników spalinowych o ZI. Zmiany te są podyktowane restrykcyjnymi regulacjami dotyczącymi ekologiczności. Oprócz wprowadzenia reaktorów katalitycznych, filtrów cząstek stałych i innych, skupiono również uwagę na inne źródło ich zasilania jak chociażby bardzo powszechnie spotykanymi obecnie paliwami LPG czy też CNG. Skład spalin w takich przypadku jest nieco odmienny aniżeli w przypadku silników spalinowych zasilanych zwykłym paliwem benzynowym. Nie wymusza to jednak wprowadzania zmian do powszechnie znanej i stosowanej metodologii badań spalin pojazdów z instalacjami na paliwa LPG, o czym częściowo świadczą uzyskane w powyższym artykule wyniki. Na podstawie uzyskanych wyników można stwierdzić, że analiza spalin stosowana regularnie w dokładnie ustalanych odstępach czasu pozwala zapobiegnąć wielu uszkodzeniom, których dalszy rozwój mógłby spowodować poważniejsze uszkodzenia, a które wiązałyby się ze znacznie większymi kosztami naprawy. Prowadzone badania eksploatacyjne umożliwiły niejako określenie wrażliwości tej metody na pojawiające się uszkodzenia układu zasilania LPG. W uzyskanych powyżej wynikach można zauważyć, że początkowo filtry gazu pomimo delikatnego zanieczyszczenia, nie wykazywało to żadnych istotnych zmian wartości w składzie spalin. Jednak sytuacja zmieniła się już po [km] od kiedy rozpoczęto badania i pierwszy pomiar. Zmianie uległa zwartość węglowodorów w składzie spalin. W kolejnych przypadkach również można przypisać charakterystyczne cechy poszczególnym pojawiającym się uszkodzeniom, które miały swoje odzwierciedlenie w zmianach wartości składu spalin. Jak się okazuje metoda analizy spalin skutecznie sprowadza się również w diagnozowaniu uszkodzeń układu zasilania instalacji gazowej. Diagnozowanie oparte na analizie spalin to skuteczna i prosta forma badania, która nie tylko pozwala zapobiec uszkodzeniom, ale również usprawnić charakterystykę pracy silnika. Streszczenie Analiza składu spalin silników spalinowych o zapłonie iskrowym (ZI), jako jedno z wielu narzędzi wykorzystywanych w diagnostyce silników, wraz z rozwojem ich konstrukcji, zmieniła zakres możliwego wykorzystania. Według niektórych opinii, po wprowadzeniu systemów diagnostyki pokładowej standardu OBD II i EOBD, nie ma już ona zastosowania w serwisach samochodowych i stacjach kontroli pojazdów. W zastosowaniach praktycznych wykazuje jednak, że systemy diagnostyczne nie są jeszcze tak dopracowane, aby można było tylko na ich podstawie dokonywać właściwej i celnej diagnozy. Pojawiają się również opinie, które mówią, iż wyniki analizy spalin w rękach doświadczonego mechanika nieocenionym narzędziem diagnostycznym dokładnie opisującym aktualny stan silnika i jego podzespołów. Niniejszy artykuł na podstawie przeprowadzonych przyśpieszonych badań eksploatacyjnych ma na celu przybliżenie problematyki diagnozowania pojazdów samochodowych zasilanych paliwem LPG na podstawie analizy spalin. Operational tests LPG powered engine Abstract Analysis of the composition of the exhaust gases of internal combustion engines with spark ignition (ZI), as one of many tools used in the diagnosis of engine, with the development of their design, changed

8 the range of possible uses. According to some opinion, after the introduction of the standard on-board diagnostic systems OBD II and EOBD, it no longer has use in car services and vehicle inspection stations. In practical applications, however, show that the diagnostic systems are not yet so refined that could only be on the basis of the right and duty to make a diagnosis. There are also opinions that say that the results of the gas analysis in the hands of an experienced mechanic invaluable diagnostic tool that accurately describes the current state of the engine and its components. This article based on field tests conducted accelerated aims to bring the issue of diagnosing automotive LPG fueled by analyzing gases. LITERATURA / BIBLIOGRAPHY [1]. Kordziński Cz., Środulski T., Silniki spalinowe z turbodoładowaniem, WNT, Warszawa 1970, [2]. Mysłowski J., Doładowanie silników, WKiŁ, Warszawa 2002, [3]. Wajand J.A., Tłokowe silniki spalinowe średnio- i szybkoobrotowe, WNT, Warszawa 2005, [4]. Niewiarowski K. Tłokowe silniki spalinowe WKiŁ, Warszawa [5]. Ambrozik A.: Analiza cykli pracy czterosuwowych silników spalinowych. Wyd. Politechnika Świętokrzyska, Kielce 2010 r [6]. Heywood J. B.: Internal Combustion Engine Fundamentals. Mc Graw-Hill Book Company, [7]. Postrzednik S., śmudka Z.: Termodynamiczne oraz ekologiczne uwarunkowania eksploatacji tłokowych silników spalinowych. Wyd. Politechnika Śląska, Gliwice [8].