Analiza wybranych aspektów indykowania silników w warunkach rzeczywistej eksploatacji pojazdu

Transkrypt

1 FUĆ Paweł 1 LIJEWSKI Piotr 2 BAJERLEIN Maciej 3 MOLIK Piotr 4 Analiza wybranych aspektów indykowania silników w warunkach rzeczywistej eksploatacji pojazdu WSTĘP Ciągły wzrost liczby pojazdów na świecie oraz zanieczyszczenia środowiska naturalnego obliguje producentów do produkcji pojazdów spełniających najnowsze normy dotyczące emisji szkodliwych składników spalin. Normatywy prawne obligują do rozwoju technik pomiarowych, które dają możliwość prowadzenia badań w warunkach rzeczywistej eksploatacji. Badania takie umożliwiają dokonanie weryfikacji przyjętych założeń dotyczących rozwoju silników spalinowych. Najnowsze wyniki badań prowadzonych w warunkach rzeczywistych wykazują, że emisje niektórych składników gazów wylotowych są wyższe w porównaniu z testami przeprowadzonymi na stanowiskach hamownianych. W związku z tym zauważalna jest tendencja do wykonywania pomiarów emisji w warunkach odzwierciedlających rzeczywistą eksploatację pojazdów [3, 7]. Obecna aparatura umożliwia szeroki zakres pomiarowy nie tylko emisji składników gazowych, ale również emisji cząstek stałych oraz zachodzących procesów szybkozmiennych wewnątrz komory spalania podczas rzeczywistej eksploatacji pojazdu. Celem badań była wstępna ocena wpływu zmian ciśnienia gazów w cylindrze silnika na emisję CO w warunkach rzeczywistej eksploatacji [1, 5, 6]. 1. METODYKA BADAŃ Badania drogowe wykonano przy średnim natężeniu ruchu na trasie pomiarowej w aglomeracji poznańskiej (rys. 1). Długość wyznaczonej trasy wyniosła 12 km. Średnia prędkość przejazdu była równa 27,4 km/h. Badanym pojazdem był samochód osobowy wyposażony w silnik o zapłonie samoczynnym, pojemności 1,3 dm 3 oraz mocy 66 kw, spełniający normę emisji Euro 5. Rys. 1. Trasa przejazdu miejskiego wykorzystanego podczas badań [11] 1 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; Poznań; ul. Piotrowo 3. Tel: , Fax: , paweł.fuc@put.poznan.pl 2 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; Poznań; ul. Piotrowo 3. Tel: , Fax: , piotr.lijewski@put.poznan.pl 3 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; Poznań; ul. Piotrowo 3. Tel: , Fax: , maciej.bajerlein@put.poznan.pl 4 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; Poznań; ul. Piotrowo 3. Tel: , Fax: , piotr.c.molik@doctorate.put.poznan.pl 303

2 Rys. 2. Mobilny analizator gazów wylotowych SEMTECH DS. Podczas przejazdu dokonano pomiaru oraz rejestracji z częstotliwością 1 Hz, parametrów ruchu pojazdu (m.in. prędkość, przyspieszenie), a także parametrów związanych pracą silnika (m.in. prędkość obrotową wału korbowego, obciążenie, temperaturę cieczy chłodzącej) oraz stężenie CO w gazach wylotowych. Procesy szybkozmienne takie jak: ciśnienie wewnątrz pierwszego cylindra oraz sygnał z czujnika położenia wału korbowego były rejestrowane z częstotliwością 1 MHz. Do badań wykorzystano mobilny analizator SEMTECH DS firmy Sensors Inc (rys. 2, tab. 1) oraz aparaturę rejestrującą procesy zachodzące wewnątrz komory spalania firmy AVL IndiMicro 602 (rys. 3). Za pomocą analizatora można dokonać pomiaru stężenia związków szkodliwych (CO, CO 2, NO x, HC), masowego przepływu gazów wylotowych oraz parametry pracy silnika za pośrednictwem łącza diagnostycznego OBD (tab. 2). Tab. 1. Charakterystyka mobilnego analizatora gazów wylotowych SEMTECH DS. Mierzony parametr CO CO 2 NO x = (NO + NO 2 ) HC O 2 Przepływ spalin Metoda pomiaru Analizator NDIR, Analizator NDIR, Analizator NDUV, Analizator FID, Analizator elektrochemiczny Masowe natężenie przepływu T max do 700 o C Zakres pomiarowy 0 10% 0 20% ppm ppm 0 20% Czas nagrzewania 900 s Czas odpowiedzi T 90 < 1 s Obsługiwane diagnostyczne systemy SAE J1850/SAE J1979/SAE OBD: ISO, CAN, VPW, PWM Dokładność zakresu pomiarowego ±3% ±3% ±3% ±2% ±1% ±2,5% ±1% 304

3 Rys. 3. AVL IndiMicro 602 W celu rejestracji ciśnienia wewnątrz pierwszego cylindra wykorzystano czujnik piezoelektryczny AVL GH13P zamontowany w miejscu świecy żarowej za pośrednictwem dedykowanego adaptera. Niezbędną informacją do prawidłowego działania systemu zapisu ciśnień wewnątrz cylindra jest położenie wału korbowego. Sygnał informujący o położeniu wału korbowego został odczytany z oryginalnie zamontowanego czujnika indukcyjnego współpracującego z zębatym kołem pasowym za pośrednictwem przetwornika analogowo-cyfrowego AVL Uniwersal Pulse Conditioner 389Z01. Tab. 2. Parametry techniczne AVL IndiMicro 602 Analogowe kanały wejściowe Częstotliwość próbkowania ADC rozdzielczość Analogowy sygnał wejściowy Wejście kąta obrotu wału korbowego Cyfrowy kanał wejściowy Cyfrowy kanał wyjściowy 2 Interfejs CAN Zakres wejściowy (piezoelektryczny) Liniowość Filtry Połączenie z PC Oprogramowanie 4 kanały, dla czujników piezoelektrycznych 1 MHz na kanał 16 Bit ±10 V 2x TTL dla CDM, TRG oraz 2x LVDS dla CDM, TRG 2 kanały cyfrowe dla sygnałów zapłonu lub wtrysku Tak Do 14,400 pc ±0.01% FS 2, 5, 10, 20, 50, 100 khz GigaBit Ethernet IndiCom Mobile Do analizy zmienności parametrów związanych z pojazdem oraz współpracującym silnikiem wykorzystano współczynnik zmienności CoV: gdzie: średnia z zestawu danych, σ odchylenie standardowe zestawu danych definiowane jako: (1) Współczynnik zmienności jest miarą zróżnicowania rozkładu cechy. W odróżnieniu od odchylenia standardowego, które określa bezwzględne zróżnicowanie cechy, (2) 305

4 współczynnik zmienności jest miarą względną, czyli zależną od wielkości średniej arytmetycznej. Interpretacja otrzymanych wartości współczynnika zmienności odbywa się według tabeli 3: Tab. 3. Interpretacja otrzymanych wartości współczynnika zmienności [10] Wartość współczynnika Zróżnicowanie zmienności 0 20 % małe % średnie % duże >60 % bardzo duże Na podstawie zarejestrowanych ciśnień wewnątrz komory spalania dla pierwszego cylindra sporządzono zestawienie otwartych wykresów indykatorowych dla kolejnych cykli pracy podczas przejazdu w ruchu miejskim (rys. 4). Zarejestrowane maksymalne ciśnienie wyniosło 145 bar, które odpowiada procentowemu obciążeniu równemu 36,4% oraz prędkości obrotowej 2000 obr/min. Zarejestrowano minimalne ciśnienie 44 bar, odpowiadające procentowemu obciążeniu silnika równemu 21,2% i prędkości obrotowej 1100 obr/min. Przebieg maksymalnych ciśnień w pierwszym cylindrze charakteryzuje się średnią zmiennością opisaną współczynnikiem zmienności CoV wynoszącym 27,41%. Dla maksymalnych ciśnień podczas cyklu pracy skorelowano odczyt emisji CO, prędkości obrotowej wału korbowego silnika oraz prędkości i procentowego obciążenia pojazdu w funkcji czasu (rys. 5). Dodatkowo wyznaczono wielkość emisji CO uzależnioną od prędkości obrotowej silnika oraz od maksymalnych ciśnień podczas cyklu pracy dla pierwszego cylindra (rys. 6, tab. 4). Rys. 4. Zestawienie otwartych wykresów indykatorowych dla kolejnych cykli pracy silnika 306

5 Rys. 5. Wartości ciśnienia, emisji CO oraz wybrane parametry zapisane z magistrali CAN badanego pojazdu Rys. 6. Wyznaczenie emisji CO uzależnionej od prędkości obrotowej wału korbowego silnika oraz maksymalnych ciśnień podczas cyklu pracy dla pierwszego cylindra 307

6 Tab. 4. Zestawienie wartości analizowanych parametrów Ciśnienie max. [bar] CO [g/s] Obciążenie silnika [%] Prędkość obrotowa [obr/min] Prędkość pojazdu [km/h] Min. 44,6 0,0 0,0 784,0 0,0 Max. 144,8 0,012 98,8 3306,0 75,6 CoV% 27,41 111,3 67,02 35,75 73,85 Największe różnice poziomu emisji CO wynikają z dynamicznych zmian procesu spalania podczas ruszania lub gwałtownego przyspieszania pojazdu związanego ze zwiększaniem się prędkości obrotowej wału korbowego silnika, obciążenia oraz ciśnienia w cylindrze. Największą emisję CO zaobserwowano w przedziale obr/min dla ciśnienia w zakresie bar. Podczas badań najniższą emisję CO odnotowano dla prędkości w zakresie obr/min w całym zakresie maksymalnych ciśnień podczas cyklu pracy dla pierwszego cylindra. Pojazd był wyposażony w reaktor katalityczny DOC. Z analizy wynika, że dla dynamicznych zmian ruchu pojazdu a przede wszystkim obciążenie silnika układ oczyszczania gazów wylotowych nie spełnia właściwości selektywnego utleniania CO (rys. 5). Wyznaczone współczynniki CoV obrazują dynamikę zmienności parametrów pracy silnika (tab. 3). WNIOSKI Przeprowadzone badania to pierwszy etap próby oceny parametrów szybkozmiennych zarejestrowanych w rzeczywistej eksploatacji oraz porównanie z metodyką obecnie stosowaną z wykorzystaniem hamowni silnikowych. Szczególną uwagę poświęcono analizie wpływu parametrów szybkozmiennych na emisję tlenku węgla. Praca ta jest częścią opracowania metodyki oceny badań w warunkach rzeczywistej eksploatacji łączącej parametry szybkozmienne spalania w cylindrze, parametry ruchu pojazdu oraz emisję szkodliwych składników gazów wylotowych. Przeprowadzone badania otwierają nowe możliwość związane z identyfikacją przyczyn związanych z powstawaniem szkodliwych składników w gazach wylotowych z silnika podczas rzeczywistej eksploatacji pojazdu. Należy podkreślić, że takie badania znacząco różnią się od tych prowadzanych na stacjonarnym stanowisku hamownianym ze względu na częstotliwość zmiany obciążenia silnika przez ruch pojazdu w aglomeracji miejskiej. Współczynnik zmienność obciążeń podczas analizowanego przejazdu wyniósł CoV = 67% co oznacza bardzo duże zróżnicowanie. Otrzymane rezultaty wskazują, że istnieje ścisła korelacja pomiędzy niektórymi rejestrowanymi parametrami. Przykładem są: przebieg maksymalnego ciśnienia oraz obciążenie silnika. Stwierdzono inną tendencję dla przebiegów maksymalnego ciśnienia w cylindrze jak również emisji tlenku węgla. Część zarejestrowanych parametrów wskazuje na zakresy pracy silnika, przy których wzrost ciśnienia gazów wylotowych wiąże się z większą emisją tlenku węgla. Zaobserwowano również takie zakresy, dla których przebiegi te zdecydowanie się różnią. Silnik był wyposażony w utleniający reaktor katalityczny. Wstępna analiza wskazuje na różną selektywność reakcji utleniania, jednak w celu pełnej interpretacji należy przeprowadzić analizę innych składników gazów wylotowych. Streszczenie Rozwój technik pomiarowych i możliwość prowadzenia badań w warunkach rzeczywistej eksploatacji zarówno w aspekcie pomiaru emisji szkodliwych składników gazów wylotowych jak również zachodzących procesów spalania umożliwiają weryfikację dotychczas przyjętych założeń do rozwoju silników spalinowych. W artykule zaprezentowano wyniki pomiarów toksycznych składników gazów wylotowych samochodu osobowego w odniesieniu do zachodzących procesów wewnątrz komory spalania w rzeczywistych warunkach ruchu. Badania wykonano dla pojazdu osobowego wyposażonego w silnik o zapłonie samoczynnym, poruszającego się w ruchu miejskim. Celem badań była wstępna weryfikacja zachodzących procesów wewnątrz komory spalania mających wpływ na emisję CO. Do pomiaru procesów szybkozmiennych oraz zawartości CO w gazach wylotowych wykorzystano mobilną aparaturę typu PEMS (Portable Emissions Measurement Systems) oraz zestaw do indykowania silnika podczas rzeczywistej eksploatacji. 308

7 Analysis of engine cylinder presure in real conditions operation Abstract The development of measurement techniques and the ability to perform research in real conditions both in terms of measuring the emission of harmful exhaust gases as well as the processes of combustion yet possible to verify the assumptions adopted for the development of internal combustion engines. The article presents the results of measurements of exhaust emissions of gases of a passenger car in relation to the processes inside the combustion chamber in real traffic conditions. Test was carried for a passenger car equipped with a modern diesel engine in urban cycle. The aim of the test was preliminary verified of the processes inside the combustion chamber having an impact on emissions of CO. For the measurement of gases pressure inside combustion chamber and emission of CO was used portable emission measurement system. BIBLIOGRAFIA (styl Nagłówek 1) 1. Bonnel P., Weiss M., Provenza A.: In-use emissions requirements in the new and future European motor vehicle emissions regulations: state of play. 8th Annual SUN Conference, Ann Arbor Bougher T., Khalek I.A., Trevitz S., Akard M., Verification of a gaseous Portable Emissions Measurement System with a laboratory system using the Code of Federal Regulations Part SAE Technical Paper Series , Merkisz J., Lijewski P., Fuć P., Pielecha J., Exhaust emission tests from agricultural machinery under real operating conditions. SAE 2010 Commercial Vehicle Engineering Congress, October, 2010, Chicago, IL, USA, 2010, SAE Paper Merkisz J, Lijewski P, Fuć P, Weymann S., Exhaust emission tests from non-road vehicles conducted with the use of PEMS analyzers Eksploatacja i Niezawodność Maintenance and Reliability Merkisz J., Pielecha J., Emisja zanieczyszczeń motoryzacyjnych. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa Rubino L., Bonnel P., Hummel R., Krasen-brink A., Manfredi U., De Santi G., M Perotti, Bomba G., PEMS Light Duty Vehicles Application: Experiences in downtown Milan. SAE. 7. Schwenger C., Wagner U., Spicher U., Investigation of the Inflow Behavior of a Diesel Particulate Filter Using Laser-Optical Measurement Techniques During Soot Loading and Filter Regeneration with the Aim of Improving these Processes. THIESEL Conference on Thermo - and Fluid Dynamic Processes in Diesel Engines, Valencia Shahinian V.D.: SENSOR tech-ct Update Application Software for SEMTECH Mobile Emission Analyzers. Sensors 4th Annual SUN (SEMTECH User Network) Conference, Vojtisek M., Allsop J. E., Lanni T. R., On-Water, Real-World Exhaust Emissions from Staten Island Ferry Boats. Proccedings of the 13th CRC On-road Vehicle Emissions workshop, San Diego, California, USA Wawrzynek J., Metody opisu i wnioskowania statycznego. Wydawnictwo Akademii Ekonomicznej im. Oskara Langego we Wrocławiu, Wrocław