Propozycja charakterystyk emisji zanieczyszcze z silników spalinowych pracujcych w warunkach dynamicznych

Transkrypt

1 ARCHIWUM MOTORYZACJI, pp. -34 (9) Propozycja charakterystyk emisji zanieczyszcze z silników spalinowych pracujcych w warunkach dynamicznych ZDZISŁAW CHŁOPEK Instytut Transportu Samochodowego W pracy zaproponowano koncepcj charakterystyk emisji zanieczyszcze z silników spalinowych pracujcych w warunkach dynamicznych. Zaproponowane rozwizanie nawizuje do charakterystyk emisji zanieczyszcze z silników samochodowych w warunkach dynamicznych w postaci zalenoci emisji drogowej zanieczyszcze od prdkoci redniej pojazdu. Jako charakterystyki emisji zanieczyszcze z silników spalinowych w warunkach dynamicznych proponuje si zaleno emisji jednostkowej zanieczyszcze od redniej mocy uytecznej bez uwzgldniania stanów z ujemnym momentem obrotowym. Zaproponowane charakterystyki emisji zanieczyszcze wyznaczono z zastosowaniem metody Monte Carlo dla silnika o zapłonie samoczynnym Detroit Diesel Series 5.. Wstp Ekologiczne właciwoci silników spalinowych staj si, od co najmniej kilkunastu lat, najwaniejszym wyznacznikiem jakoci silników. Szczególnie emisja zanieczyszcze jest silnie odczuwalna jako powane zagroenie dla ludzi i ich rodowiska. Przez wiele lat wiedza o właciwociach silników spalinowych była sprowadzana głównie do informacji uzyskiwanych w badaniach w warunkach statycznych []. Odnosiło si to oczywicie równie do emisji zanieczyszcze. Pierwsze badania emisji zanieczyszcze z silników spalinowych, pracujcych w warunkach dynamicznych, wprowadzono do bada homologacyjnych samochodów osobowych i lekkich samochodów ciarowych w postaci testów jezdnych, realizowanych na hamowni podwoziowej []. Emisja z silników spalinowych na hamowniach silnikowych była badana natomiast w testach statycznych. Pierwsze testy dynamiczne do badania emisji zanieczyszcze z silników spalinowych wprowadzono w Stanach Zjednoczonych Ameryki w 985 r. Były to testy HDDTT (Heavy Duty Diesel Transient Test dynamiczny test do badania cikich silników o zapłonie samoczynnym) rysunek oraz HDGTT (Heavy Duty Gasoline Transient Test dynamiczny test do badania cikich silników o zapłonie iskrowym) [, ].

2 Z. Chłopek,,8 n w,6,4 M ew, -, ,,8,6,4, -, -,4 -, Rys.. Test dynamiczny do badania samochodowych silników spalinowych HDDTT. Fig.. The dynamic test to car engines HDDTT. W Unii Europejskiej pierwszym testem dynamicznym, zastosowanym do bada homologacyjnych emisji zanieczyszcze z silników spalinowych, był wprowadzony w r., test ETC (European Transient Test europejski test dynamiczny) [] rysunek.

3 Propozycja charakterystyk emisji zanieczyszcze z silników spalinowych... 3,8 n w,6,4, 5 5,,8,6 M ew,4, -, -,4 5 5 Rys.. Test dynamiczny do badania samochodowych silników spalinowych ETC. Fig.. The dynamic test to car engines ETC. W wypadku tych testów badania procesów emisji zanieczyszcze z silników spalinowych ograniczaj si, podobnie jak w badaniach pojazdów na hamowni podwoziowej w testach homologacyjnych, do wyznaczania urednionych miar emisji w całych testach. Zblione zastosowanie znajduj testy dynamiczne, przewidziane do badania silników spalinowych wykorzystywanych nie tylko w samochodach: NRTC (Nonroad Transient Cycle test dynamiczny do badania silników spalinowych maszyn niedrogowych) [, 3] rysunek 3 i WHTC (World Harmonized Transient Cycle jednolity wiatowy test dynamiczny) [] rysunek 4.

4 4 Z. Chłopek, n w,8,6,4, , M ew,8,6,4, Rys. 3. Test dynamiczny do badania silników spalinowych maszyn niedrogowych NRTC. Fig. 3. The dynamic test to nonroad engines NRTC. Wiedza o emisji zanieczyszcze z silników spalinowych pracujcych w warunkach dynamicznych, ograniczonych do wybranych testów, nie jest jednak wystarczajca. Wane s przykładowo właciwoci ekologiczne silników samochodowych w rónych warunkach ruchu pojazdów. W tym celu do badania emisji zanieczyszcze s wykorzystywane nie tylko testy homologacyjne, m.in. europejski zgodny z regulaminem nr 83 EKG ONZ (Europejskiej Komisji Gospodarczej ONZ) [, ] rysunek 5, amerykaski FTP 75 (Federal Transient Procedure federalny test dynamiczny) [, ] rysunek 6, ale i testy specjalne, np. test Stop and Go [, 4] do symulacji warunków ruchu na zatłoczonych ulicach rysunek 7, czy Autobahn [, 4], odpowiadajcy ruchowi pojazdów na autostradach i trasach szybkiego ruchu rysunek 8.

5 Propozycja charakterystyk emisji zanieczyszcze z silników spalinowych... 5 n w,,8,6,4, 5 5 M ew,,8,6,4, -, -,4 -,6 5 5 Rys. 4. Powszechny jednolity test dynamiczny do badania silników spalinowych WHTC. Fig. 4. The dynamic test to internal combustion engines WHTC. 4 v [km/h] Rys. 5. Test jezdny według regulaminu nr 83 EKG ONZ. Fig. 5. The driving test according to the ECE R 83.

6 6 Z. Chłopek 8 v [km/h] Rys. 6. Test jezdny FTP 75. Fig. 6. The FTP 75 driving test. v [km/h] Rys. 7. Test Stop and Go. Fig. 7. The Stop and Go test. 5 v [km/h] Rys. 8. Test Autobahn. Fig. 8. The Autobahn test.

7 Propozycja charakterystyk emisji zanieczyszcze z silników spalinowych... 7 Wykorzystanie wyników bada emisji zanieczyszcze z silników samochodów badanych w rónych testach oraz ich kombinacjach umoliwia wyznaczenie, np. zalenoci emisji drogowej zanieczyszcze od redniej prdkoci pojazdów [, 4 8]. Przykładow charakterystyk przedstawiono na rysunku 9 dla samochodów osobowych z silnikami o zapłonie iskrowym rónych kategorii ekologicznych od EURO do EURO 4.,4, EURO b HC [g/km],8,6,4, EURO 3 EURO 4 EURO v AV [km/h] Rys. 9. Charakterystyka emisji wglowodorów z silników samochodów osobowych o rónych kategoriach ekologicznych w dynamicznych warunkach jako zaleno emisji drogowej wglowodorów od redniej prdkoci ruchu. Fig. 9. The characteristics of the hydrocarbons emission from cars engines of different ecological categories in dynamic conditions as the dependence of the specific distance emission of hydrocarbons on the average car velocity. Jako zmienn niezalen, opisujc charakter ruchu, wybrano na podstawie do- wiadcze redni prdko samochodu [, 4 8]. Wybór zerowymiarowej (punktowej) charakterystyki, opisujcej dynamiczne warunki ruchu, jest spraw umown, a podstawowym kryterium oceny propozycji tych charakterystyk jest ich praktyczna przydatno. Badania właciwoci silników spalinowych w warunkach dynamicznych nie doczekały si do tej pory usystematyzowanych standardów. Jest to szczególnie odczuwalne w zakresie emisji zanieczyszcze, która jest silnie wraliwa na wystpowanie stanów dynamicznych. Badaniami dynamiki procesów opisujcych silniki spalinowe zajmuj si m.in. autorzy prac [, 3 6, 9 3]. Modelowanie dynamicznych procesów emisji zanieczyszcze z silników spalinowych jest tematem prac Ajtaya i Weilenmanna [9, ] oraz klasycznych prac Dobnera, m.in. [9]. Równie do celów sterowania silników spalinowych wykorzystuje si elementy modelowania procesów emisji zanieczyszcze w warunkach dynamicznych [ 3,, 3]. W wielu pracach wykorzystuje si modelowanie emisji zanieczyszcze w warunkach dynamicznych do celów bilansowania emisji [6, 7] oraz oceny oddziaływania motoryzacji na rodowisko [4]. Pro-

8 8 Z. Chłopek blemami modelowania emisji zanieczyszcze z silników spalinowych w warunkach, odpowiadajcych rzeczywistemu uytkowaniu samochodów, zajmuj si autorzy prac: dla silników samochodowych [, 4 8, 5 8,, 6 8] oraz dla innych zastosowa silników [, 3, 5]. Tematyka wyznaczania charakterystyk emisji zanieczyszcze w zalenoci od warunków pracy silników spalinowych jest poruszana w pracach [, 3 8, 6 8, 3]. W wikszoci wypadków wyznaczanie charakterystyk emisji zanieczyszcze dotyczy silników samochodowych, jedynie w pracach [, 3, 5] silników o innych zastosowaniach. Problem emisji zanieczyszcze z silników spalinowych, traktowany w sposób stochastyczny, jest tematem prac [, 5 7]. Podejcie takie jest uzasadnione stosunkowo duym brakiem wiedzy na temat stanów pracy silników spalinowych w warunkach ich rzeczywistego uytkowania. Z krótkiego syntetycznego przegldu literatury na temat bada właciwoci uytkowych silników spalinowych w warunkach dynamicznych, symulujcych rzeczywist eksploatacj, wynika, e jest to tematyka wzbudzajca due zainteresowanie, ale jednoczenie sposoby podejcia do rozwizania podstawowych problemów s w znacznym stopniu zrónicowane, a wiedza rozproszona i nieujednolicona. Szczególnie odczuwa si to w wypadku bada emisji zanieczyszcze odniesionej do warunków pracy silników spalinowych w odrónieniu od warunków pracy samochodów brak usystematyzowanej wiedzy na temat charakterystyk emisji zanieczyszcze w warunkach dynamicznych. Niniejsza praca zawiera propozycj charakterystyk emisji zanieczyszcze z silników spalinowych pracujcych w warunkach dynamicznych oraz sposobu ich wyznaczania z zastosowaniem metody Monte Carlo [, 7, 3].. Analiza stanów dynamicznych silnika spalinowego Jeli warunki pracy silnika spalinowego s opisane zbiorem wielkoci fizycznych W, to warunki te mona sklasyfikowa jako statyczne lub dynamiczne. Warunki pracy silnika s statyczne, jeli jest spełniony warunek [, 5, 6] W = t dla wielkoci opisujcych prac silnika spalinowego, rozpatrywanych w zakresie czstotliwoci odpowiadajcych warunkom bada (przede wszystkim warunkom typowego uytkowania). Jeeli zachodzi nierówno W () t dla jakiejkolwiek wielkoci, opisujcej prac silnika spalinowego, to s to warunki dynamiczne [, 5, 6]. W praktycznym zastosowaniu konieczne jest przyjcie dla analizowanych wielkoci fizycznych zakresów tolerancji w celu kwalifikowania warunków jako statycznych lub dynamicznych [, 5, 6]. ()

9 Propozycja charakterystyk emisji zanieczyszcze z silników spalinowych... 9 Moliwe s nastpujce rodzaje dynamicznych warunków pracy silnika spalinowego [5]:. Wzrastajce sterowanie silnika przez operatora s i malejcy moment oporu M o w konsekwencji wzrastajca prdko obrotowa n dm o dn < ds >, > (3). Malejce sterowanie i wzrastajcy moment oporu w konsekwencji malejca prdko obrotowa ds <, dm o dn > < (4) 3. Wzrastajce sterowanie i wzrastajcy moment oporu w konsekwencji malejca prdko obrotowa dm o dn > ds >, < (5) 4. Wzrastajce sterowanie i wzrastajcy moment oporu w konsekwencji wzrastajca prdko obrotowa ds >, dm o dn > > (6) 5. Malejce sterowanie i malejcy moment oporu w konsekwencji malejca prdko obrotowa dm o dn < ds <, < (7) 6. Malejce sterowanie i malejcy moment oporu w konsekwencji wzrastajca prdko obrotowa ds <, dm o dn < > (8) Dla warunków tych, cho uwzgldniaj one tylko jakociowe a nie ilociowe rónice procesów determinujcych stan silników, właciwoci silników mog si zasadniczo róni. Jak wida, w rzeczywistym uytkowaniu silników spalinowych rónorodno dynamicznych warunków pracy moe w zdecydowany sposób determinowa właciwoci ekologiczne silników. W zwizku z tym istnieje pragmatyczna celowo badania właciwoci silników spalinowych w warunkach symulujcych rzeczywiste uytkowanie. Przykładem takich warunków s np. testy tworzone na zasadach wiernego podobiestwa w dziedzinie czasu, m.in. HDDTT, ETC, NRTC czy WHTC. Oprócz tego istnieje moliwo wykorzystania testów specjalnych, symulujcych specyficzne warunki pracy, np. silnika spycharki gsienicowej w trybach pracy z lemieszem i zrywakiem [3], czy silnika autobusu miejskiego [6].

10 Z. Chłopek Moliwoci badawcze mog by rozszerzone przez zastosowanie analizy modalnej [] dla fragmentów przebiegów warunków pracy silników spalinowych zgodnie z modami, okrelonymi np. wzorami (3 8). 3. Koncepcja charakterystyk emisji zanieczyszcze z silnika spalinowego pracujcego w warunkach dynamicznych Nawizujc do koncepcji wyznaczania charakterystyk emisji zanieczyszcze z silników samochodowych znajdujcych si w warunkach dynamicznych [, 4 7], proponuje si wykorzystanie testów dynamicznych silnikowych wykonywanych na hamowni silnikowej. Podstawowym problemem jest wybór wielkoci, które mog skutecznie charakteryzowa: emisj zanieczyszcze, warunki pracy silnika. Tradycyjnie do oceny emisji zanieczyszcze w badaniach silników spalinowych wykorzystuje si emisj jednostkow, bdc pochodn emisji wzgldem pracy uytecznej silnika []. Podczas bada w testach wyznacza si urednion w warunkach pracy silnika emisj jednostkow zanieczyszcze. Wielko charakteryzujca dynamiczne warunki pracy silnika jest, z formalnego punktu widzenia, charakterystyk punktow, wyznaczan jako pewien funkcjonał przebiegów warunków pracy silnika. Warunki te s opisane stanem cieplnym silnika oraz intensywnoci jego pracy []. Miar stanu cieplnego silnika jest zbiór temperatur czci silnika oraz jego materiałów eksploatacyjnych, przede wszystkim oleju silnikowego i cieczy chłodzcej. Intensywno pracy silnika moe by opisana wykonywan prac uyteczn, zalen od czstotliwoci pracy i obcienia. Miar czstotliwoci pracy jest prdko obrotowa. Obcienie mona opisa momentem obrotowym (lub rednim cinieniem uytecznym) lub sterowaniem silnika przez operatora. W ustabilizowanym stanie cieplnym silnika warunki pracy s zatem opisane przez prdko obrotow i obcienie, za którego miar bdzie w dalszej czci pracy przyjmowany moment obrotowy (bez ograniczenia moliwoci przeprowadzanych rozwiza). Warunki dynamiczne silnika s opisane przebiegami w dziedzinie czasu w przedziale (t α, t ω ) momentu obrotowego M e i prdkoci obrotowej n: M e ; n (9) Z bada emisji zanieczyszcze z samochodowych silników spalinowych w warunkach ruchu pojazdu wynika, e skuteczn charakterystyk punktow, opisujc warunki pracy silnika jest prdko rednia, cho rozpatruje si równie redni wartoci bezwzgldnej iloczynu prdkoci i przyspieszenia samochodu [, 4]. Na podstawie dotychczasowego dowiadczenia mona postulowa jako charakterystyk punktow (opisujc warunki pracy silnika na hamowni silnikowej), jego redni moc uyteczn. W warunkach dynamicznych istnieje moliwo wystpowania stanów napdzania silnika spalinowego przez odbiornik mocy, czyli hamo-

11 Propozycja charakterystyk emisji zanieczyszcze z silników spalinowych... wania silnikiem. Stanowi temu odpowiada ujemny moment obrotowy, a wiec równie ujemna moc uyteczna. Przy uwzgldnianiu stanów pracy silnika z ujemnym momentem obrotowym rednia moc uyteczna w przedziale czasu (t α ; t ω ) wynosi: N uav c ω α ω e () t t ( t,t ) = n M gdzie: c stała zalena od uytych jednostek miar dla prdkoci obrotowej, momentu obrotowego i mocy. Bez uwzgldniania stanów pracy silnika z ujemnym momentem obrotowym rednia moc uyteczna w przedziale czasu (t α ; t ω ) wynosi: gdzie: K = dla M e, N eav α t ω tα K c ω α ω e () t t ( t,t ) = n M K = dla M e >. Mona równie rozpatrywa jako charakterystyki punktowe, opisujce warunki pracy silnika, rednie kwadratów mocy uytecznej: N N uav eav α t t ω tα c ω α ω e () t t ( t,t ) = [ n M ] α ω tα t K c ω α ω e (3) t t ( t,t ) = [ n M ] α Celowe jest take rozpatrzenie jako charakterystyk punktowych, opisujcych warunki pracy silnika, redniej prdkoci obrotowej i redniego momentu obrotowego bez uwzgldniania stanów hamowania silnikiem: n M AV ω tα ( t,t ) n eav α ω t ω = (4) t t α ω tα K ω = e (5) t t ( t,t ) M α ω α t ω tα Rozwaania na temat charakterystyk punktowych, opisujcych warunki dynamiczne pracy silnika, zweryfikowano za pomoc wyników bada empirycznych. Badania przeprowadzono na silniku Detroit Diesel Series 5 w tecie HDDTT. W badaniach zarejestrowano m.in. przebiegi: prdkoci obrotowej, momentu obrotowego oraz nate emisji tlenku wgla CO, wglowodorów HC, tlenków azotu NO x oraz dwutlenku wgla CO. Natenie emisji czstek stałych PM wyznaczono na podstawie pomiarów współczynnika zadymienia spalin, korelacyjnych metod wyznaczania stenia czstek stałych [33] oraz zarejestrowanego objtociowego

12 Z. Chłopek natenia przepływu powietrza zuywanego przez silnik. Zarejestrowane przebiegi przetworzono cyfrowo, eliminujc grube błdy i przeprowadzajc filtracj dolnoprzepustow. Do filtracji zastosowano filtr Golaya Savitzky ego [34] z parametrami uredniania: wykorzystano obustronnie po dwa punkty oraz drugi stopie wielomianu aproksymujcego. Na rysunkach 6 przedstawiono przetworzone wyniki bada. 5 n [min - ] Rys.. Przebieg prdkoci obrotowej. Fig.. The engine speed. 4 M e [N m] Rys.. Przebieg momentu obrotowego. Fig.. The engine torque.

13 Propozycja charakterystyk emisji zanieczyszcze z silników spalinowych E CO [mg/s] Rys.. Przebieg natenia emisji tlenku wgla. Fig.. The emission intensity of carbon monoxide. 3,5 E HC [mg/s],5, Rys. 3. Przebieg natenia emisji wglowodorów. Fig. 3. The emission intensity of hydrocarbons. 5 4 E NOx [mg/s] Rys. 4. Przebieg natenia emisji tlenków azotu. Fig. 4. The emission intensity of nitrogen oxides.

14 4 Z. Chłopek 6 5 E PM [mg/s] Rys. 5. Przebieg natenia emisji czstek stałych Fig. 5. The emission intensity of particulate matter 4 E CO [g/s] Rys. 6. Przebieg natenia emisji dwutlenku wgla. Fig. 6. The emission intensity of carbon dioxide. Dla zarejestrowanych wielkoci wyznaczono przypadkowo wybranym fragmentem zgodnie z opisywanym, w dalszej czci pracy, formalnym sposobem z zastosowaniem metody Monte Carlo rednie emisje jednostkowe zanieczyszcze oraz opisane powyej propozycje charakterystyk punktowych, wskazujcych warunki dynamiczne pracy silnika rysunki 7. Zbiory punktów na wykresach aproksymowano funkcj wielomianow o stopniu mniejszym od 7.

15 Propozycja charakterystyk emisji zanieczyszcze z silników spalinowych... 5 e CO [g/(kw h)] 3,5 3,5,5, N eav [kw] Rys. 7. Charakterystyka emisji jednostkowej tlenku wgla w zalenoci od redniej mocy uytecznej bez uwzgldnienia stanów silnika o ujemnym momencie obrotowym. Fig. 7. The characteristics of the specific brake emission of the carbon monoxide depending on the average of the engine power without the engine states with the negative torque. e CO [g/(kw h)] 3,5 3,5,5, N uav [kw] Rys. 8. Charakterystyka emisji jednostkowej tlenku wgla w zalenoci od redniej mocy uytecznej. Fig. 8. The characteristics of the specific brake emission of the carbon monoxide depending on the average of the engine power.

16 6 Z. Chłopek e CO [g/(kw h)] 3,5 3,5,5, N uav [kw ] Rys. 9. Charakterystyka emisji jednostkowej tlenku wgla w zalenoci od wartoci redniej kwadratu mocy uytecznej bez uwzgldnienia stanów silnika o ujemnym momencie obrotowym. Fig. 9. The characteristics of the specific brake emission of the carbon monoxide depending on the average of the engine power square without the engine states with the negative torque. e CO [g/(kw h)] 3,5 3,5,5, N eav [kw ] Rys.. Charakterystyka emisji jednostkowej tlenku wgla w zalenoci od wartoci redniej kwadratu mocy uytecznej. Fig.. The characteristics of the specific brake emission of the carbon monoxide depending on the average of the engine power square.

17 Propozycja charakterystyk emisji zanieczyszcze z silników spalinowych... 7 e CO [g/(kw h)] 3,5 3,5,5,5 5 5 n AV [min - ] Rys.. Charakterystyka emisji jednostkowej tlenku wgla w zalenoci od redniej prdkoci obrotowej. Fig.. The characteristics of the specific brake emission of the carbon monoxide depending on the average of the engine speed. e CO [g/(kw h)] 3,5 3,5,5, M eav [kn m] Rys.. Charakterystyka emisji jednostkowej tlenku wgla w zalenoci od redniego momentu obrotowego bez uwzgldnienia stanów silnika o ujemnym momencie obrotowym. Fig.. The characteristics of the specific brake emission of the carbon monoxide depending on the average of the engine torque without the engine states with the negative torque. Z analizy zalenoci, przedstawionych na rysunkach 7, wyranie wynika, e najsilniejsza korelacja wystpuje w wypadku redniej wartoci mocy uytecznej bez uwzgldniania stanów o ujemnym momencie obrotowym. W zwizku z tym mona postawi tez, e za najbardziej skuteczn charakterystyk punktow, opisujc warunki dynamiczne pracy silnika, mona przyjredni warto mocy uytecznej bez uwzgldniania stanów o ujemnym momencie obrotowym

18 8 Z. Chłopek 4. Wyznaczanie charakterystyk emisji zanieczyszcze z silnika spalinowego pracujcego w warunkach dynamicznych Do wyznaczania charakterystyk emisji zanieczyszcze z silnika spalinowego pracujcego w warunkach dynamicznych wykorzystano metod Monte Carlo [3]. Zastosowanie metody Monte Carlo do wyznaczania charakterystyk emisji zanieczyszcze z silników spalinowych pracujcych w warunkach dynamicznych polega na generowaniu dowiadcze pseudoprzypadkowych na podstawie zarejestrowanych realizacji procesów stochastycznych modelujcych warunki pracy silnika oraz natenia emisji zanieczyszcze. Pseudoprzypadkowe warunki pracy silnika s modelowane w postaci procesów stochastycznych M e (t) oraz n(t). Wielowymiarowy proces stochastyczny zjawisk towarzyszcych pracy silnika spalinowego Y(t) dotyczy przede wszystkim emisji zanieczyszcze i zuycia paliwa: gdzie: E natenie emisji zanieczyszcze, G f natenie zuycia paliwa. ( t ) = [ E,E,E,E,E, G ] T Y (6) CO HC Przy załoeniu stacjonarnoci i ergodycznoci procesów [35] M e (t), n(t) i Y(t) mona wyznaczy dla ich realizacji wartoci oczekiwane w przedziale czasu ( t, t α ω ) : redni moc uyteczn bez uwzgldniania stanów o ujemnym momencie obrotowym () oraz: NOx ω PM tω α tα CO Y AV ( t α,t ω ) = Y (7) t t Emisja jednostkowa zanieczyszczenia jest stosunkiem natenia emisji zanieczyszczenia i mocy uytecznej. Zatem rednia emisja jednostkowa zanieczyszczenia wynosi e ( t,t ) E ( t α,t ω ) ( t,t ) AV AV α ω = (8) N eav α ω rednia emisja jednostkowa zanieczyszczenia jest zatem funkcj redniej mocy uytecznej bez uwzgldniania stanów o ujemnym momencie obrotowym (która jest funkcj czasów pocztku i koca uredniania) oraz czasów pocztku i koca uredniania: e ( N ( t,t ),t, ) AV = f e eav α ω α t ω (9) Jeli przyj, e czasy pocztku i koca uredniania s zmiennymi przypadkowymi, to wyznaczona emisja jednostkowa jako funkcja zmiennych przypadkowych moe by traktowana jako funkcja przypadkowa. f

19 Propozycja charakterystyk emisji zanieczyszcze z silników spalinowych... 9 Z formalnego punktu widzenia fragmenty przebiegów momentu obrotowego, prdkoci obrotowej oraz natenia emisji zanieczyszcze s realizacjami rónych procesów stochastycznych. Rozpatrzmy przykładowo realizacj procesu prdkoci obrotowej n(t) w przedziale czasu ( t, t a z ). Kady z fragmentów realizacji procesu stochastycznego prdkoci obrotowej n(t), rozpoczynajcy si w chwili t ai i koczcy si w chwili t zi, tj. t ( t, t ) ai,t zi α ω () jest realizacj innego procesu stochastycznego n i (t). Procesy te róni si zatem swoimi charakterystykami, m.in. gstoci prawdopodobiestwa, wartoci oczekiwan, wariancj itd. W opisywanej procedurze do wyznaczania chwil pocztków i koców fragmentów realizacji procesów wykorzystuje si metod Monte Carlo. Znajomo jednej realizacji kadego z rónych procesów przykładowo prdkoci obrotowej umoliwia wyznaczenie wartoci oczekiwanej dla kadego procesu prdkoci obrotowej pod warunkiem przyjcia załoenia o ergodycznoci procesu. Mimo, e formalnie załoenie o ergodycznoci jest mocne, w praktyce jest czsto stosowane do obserwowanych realizacji procesów stochastycznych [35]. Jest zatem znamienne, e dziki proponowanej metodzie istnieje moliwo postulowania wiedzy o procesach rónicych si m.in. wartoci oczekiwan na podstawie jednej realizacji jednego procesu. Metoda Monte Carlo jest wic stosowana do generowania realizacji rónych procesów stochastycznych o rónych w zwizku z tym charakterystykach, w tym równie o rónej wartoci oczekiwanej, co jest wykorzystywane w opisywanej metodzie wyznaczania charakterystyk emisji zanieczyszcze z silnika pracujcego w warunkach dynamicznych. Na rysunkach 3 7 przedstawiono wyznaczone z zastosowaniem opracowanej metody charakterystyki emisji zanieczyszcze z silnika pracujcego w warunkach procesów stochastycznych, odpowiadajcych wybranymi właciwociami testowi HDDTT. Zbiory punktów na wykresach aproksymowano funkcj wielomianow o stopniu mniejszym od 7.

20 3 Z. Chłopek 5 4 e CO [g/(kw h)] N eav [kw] Rys. 3. Charakterystyka emisji jednostkowej tlenku wgla. Fig. 3. The characteristics of the specific brake emission of the carbon monoxide.,5, e HC [g/(kw h)],5,, N eav [kw] Rys. 4. Charakterystyka emisji jednostkowej wglowodorów. Fig. 4. The characteristics of the specific brake emission of the hydrocarbons. 8 e NOx [g/(kw h)] N eav [kw] Rys. 5. Charakterystyka emisji jednostkowej tlenków azotu. Fig. 5. The characteristics of the specific brake emission of the nitrogen oxides.

21 Propozycja charakterystyk emisji zanieczyszcze z silników spalinowych... 3,, e PM [g/(kw h)],8,6,4, N eav [kw] Rys. 6. Charakterystyka emisji jednostkowej czstek stałych. Fig. 6. The characteristics of the specific brake emission of the particulate matter. 8 e CO [g/(kw h)] N eav [kw] Rys. 7. Charakterystyka emisji jednostkowej dwutlenku wgla. Fig. 7. The characteristics of the specific brake emission of the carbon dioxide. Regularno charakterystyk, wyznaczonych dla pseudoprzypadkowych warunków pracy silnika spalinowego, wskazuje na trafno i skuteczno zaproponowanej metody. Wyznaczone w opracowany sposób charakterystyki mog by m.in. wykorzystywane do symulacji emisji zanieczyszcze z silników o zastosowaniach innych ni do napdu samochodów. 5. Podsumowanie Mimo niewtpliwej celowoci poszukiwania rezerw poprawy jakoci silników spalinowych przede wszystkim w warunkach odpowiadajcych rzeczywistemu uytkowaniu, a wic w warunkach dynamicznych, stan wiedzy w tym zakresie jest stosunkowo słabo usystematyzowany. Badania właciwoci uytkowych silników spalinowych w warunkach dynamicznych dotycz głównie zastosowa samochodowych. Wiedza zdobywana w ten sposób jest jednoznacznie uyteczna, wykorzystywana m.in. do bilansowania emisji zanieczyszcze oraz oceny skutecznoci podejmowania pro-

22 3 Z. Chłopek ekologicznych rozwiza w transporcie samochodowym. Dla silników spalinowych o zastosowaniach innych ni samochodowe brak jest do tej pory zbiorów charakterystyk emisji zanieczyszcze dla elementarnych kategorii silników. Dla silników samochodowych takie zbiory istniej i s powszechnie wykorzystywane do m.in. prognozowania emisji zanieczyszcze komunikacyjnych, oceny skutecznoci podejmowanych działa proekologicznych w transporcie drogowym, czy te inwentaryzacji zanieczyszcze [, 6, 7]. Metoda przedstawiona w niniejszej pracy umoliwia skuteczne wyznaczanie emisji zanieczyszcze z silników spalinowych pracujcych w warunkach dynamicznych, nie ograniczajc zastosowa silników tylko do zastosowa samochodowych. Dodatkowo opracowana metoda umoliwia rozszerzenie moliwoci badawczych na warunki przypadkowe pracy silników, co pozwala na wykorzystanie bogatej i usystematyzowanej wiedzy na temat procesów stochastycznych [35]. Pierwsze próby wyznaczania charakterystyk emisji zanieczyszcze z silnika o zapłonie samoczynnym, pracujcego w warunkach dynamicznych, doprowadziły do uzyskania zachcajcych wyników. Charakterystyki w postaci zalenoci emisji jednostkowej zanieczyszcze od redniej mocy uytecznej silnika bez uwzgldniania stanów o ujemnym momencie obrotowym, wyznaczone z zastosowaniem metody Monte Carlo, s regularne i niesprzeczne z dotychczasow wiedz. Potwierdzeniem słuszno- ci wyboru redniej mocy uytecznej silnika bez uwzgldniania stanów o ujemnym momencie obrotowym jako wielkoci charakteryzujcej dynamiczne warunki pracy silnika jest mały rozrzut punktów charakterystyk, co jest uwidocznione siln korelacj zbiorów współrzdnych tych punktów. Literatura [] CHŁOPEK Z.: Modelowanie procesów emisji spalin w warunkach eksploatacji trakcyjnej silników spalinowych. Prace Naukowe. Seria Mechanika z. 73. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa 999. [] [3] MARECKA-CHŁOPEK E., CHŁOPEK Z.: Synteza testów do bada silników spalinowych maszyn roboczych. Rozdział w monografii Uwarunkowania ekorozwoju rekreacji i turystyki. Wydawnictwo Naukowe Gabriel Borowski. Lublin 8. [4] BUWAL, INFRAS AG: Luftschadstoffemissionen des Strassenverkehrs 95. BUWAL Bericht Nr [5] CHŁOPEK Z.: Metody bada ekologicznych właciwoci silników spalinowych w warunkach przypadkowych. Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów Politechniki Warszawskiej 3(33)/99. [6] CHŁOPEK Z.: Metody bada właciwoci silników spalinowych w warunkach przypadkowych modelujcych uytkowanie. Archiwum Motoryzacji 4/. [7] CHŁOPEK Z.: Zastosowanie metody Monte Carlo do wyznaczania ekologicznych charakterystyk silników. Journal of KONES 998. [8] INFRAS AG: Handbuch für Emissionsfaktoren des Strassenverkehrs; Version.; Bern 4. [9] AJTAY D., WEILENMANN M.: Compensation of the exhaust gas transport dynamics for accurate instantaneous emission measurement. Environmental Science and Technology 8. Vol. 38, No. 9, pp [] AJTAY D., WEILENMANN M.: Static and dynamic instantaneous emission modeling. International Journal of Environment and Pollution 4. Vol., No. 3, pp

23 Propozycja charakterystyk emisji zanieczyszcze z silników spalinowych [] AYEB M, THEUERKAUF H.J., WINSEL T.: SI engine emissions model based on dynamic neural networks and D optimality. SAE Technical Papers 5 9. [] BORETTI A.A., WILL F., WATSON H.C.BREAR M.J., DINGLI R., VOICE G.: Comparison of static and dynamic engine models on the transient performance of passenger vehicle powertrain. FISITA paper no. F8 87. FISITA Paper no. F8 87. [3] BRANDT E., Y. WANG Y., GRIZZLE J.W.: Dynamic modeling of three way catalyst for SI engine exhaust emission control. IEEE Transactions on Control Systems Technology.. 8(5), pp [4] CHŁOPEK Z., STASIAK P.: The analysis of an unrepeatability of cylinder pressure signal in internal combustion engines. Combustion Engines Nr /5 (). [5] CHŁOPEK Z., PAWLICKI M., SYPOWICZ R.: Analiza statystyczna nate emisji zanieczyszcze z silnika spalinowego w warunkach symulujcych uytkowanie dynamiczne. Archiwum Motoryzacji /5. [6] CHŁOPEK Z.: Badania warunków pracy silnika spalinowego w czasie rzeczywistego uytkowania w autobusie miejskim. Archiwum Motoryzacji /7. [7] CHŁOPEK Z.: Testing of non repeatability of pollution emission from motor car engines. Combustion Engines Nr /4 (8). [8] DE HAAN P., KELLER M.: Modelling fuel consumption and pollutant emissions based on real world driving patterns: the HBEFA approach. International Journal of Environment and Pollution 4 Vol., No.3 pp [9] DOBNER, D.J.: Dynamic engine models for control development Part I: Nonlinear and linear model formulation. International Journal of Vehicle Design 983. SP4, pp [] HAFNER M.: Steps Towards an optimization of the dynamic emission behavior of IC engines: Measurement Strategies Modelling Model Based Optimization. SAE Technical Papers 793. [] HAGENA J.R., FILIPI Z.S., ASSANIS D.N.: Transient diesel emissions: analysis of engine operation during a tip in. Journal & Paper No. SAE 6 5. [] HAUSBERGER S., REXEIS M.: Emission behaviour of modern heavy duty vehicles in real world driving. International Journal of Environment and Pollution 4 Vol., No.3 pp [3] ISERMANN R., HAFNER M.: Mechatronic combustion engines from modeling to optimal control. European Journal of Control.. Vol. 7, pp. 47. [4] MENSINK C., COSEMANS G., PELKMANS L.: Dynamic modelling of transient emissions and concentrations from traffic in street canyons. International Journal of Environment and Pollution 5 Vol. 5, No.//3/4 pp [5] SAMULSKI M. J., JACKSON C. C.: Effects of steady state and transient operation on exhaust emissions from nonroad and highway diesel engines. SAE Papers [6] STURM P.J., HAUSBERGER S., KELLER M., DE HAAN P.: Estimating real world emissions from passenger cars use and limitations of instantaneous emission data. International Journal of Vehicle Design Vol. 4, No. pp [7] STURM P.J., KIRCHWEGER G., HAUSBERGER S., ALMBAUER R.A.: Instantaneous emission data and their use in estimating road traffic emissions. International Journal of Vehicle Design 998 Vol., No.//3/4 pp [8] WATSON H.C., MILKINS E.E., PRESTON M.O. CHITTLEBOROUGH C., ALIMORADIAN B.: Predicting fuel consumption and emissions transferring chassis dynamometer results to real driving conditions. SAE Paper [9] WEILENMANN M., BACH CH., RUDY C.: Aspects of instantaneous emission measurement. International Journal of Vehicle Design Vol. 7, No.//3/4, pp [3] WEILENMANN M., SOLTIC P., AJTAY D.: Describing and compensating gas transport dynamics for accurate instantaneous emission measurements. Atmospheric Environment. Vol. 37, pp , 3. [3] ZHANG J., MORAWSKA L.: Combustion sources of particles: Emission factors and measurement methods. Elsevier Science Ltd.

24 34 Z. Chłopek [3] METROPOLIS N., ULAM S.: The Monte Carlo method. Journal of the American Statistical Association, Vol. 44, No. 47 (Sep., 949), pp [33] CHŁOPEK Z., DARKOWSKI A., PIASECZNY L.: Influence of metaloorganic additive to the fuel on the pollution emission from the SI engine. Polish Journal of Environmental Studies. Vol. 4, No 5(5) [34] SAVITZKY A., GOLAY M.J.E.: Smoothing and differentiation of data by simplified least squares procedures. Analytical Chemistry : [35] SOBCZYK K.: Metody dynamiki statystycznej. PWN. Warszawa 973. The proposal of characteristics of the pollutant emission from internal combustion engines in dynamic conditions S u m m a r y The conception of characteristics of the pollutant emission from internal combustion engines in dynamic conditions has been presented in the paper. The suggested solution is referring to pollutant characteristics from car engines in dynamic conditions in the form of the dependence of the pollutants specific distance emission on the vehicle average velocity. As characteristics of the pollutants emission from internal combustion engines in dynamic conditions is proposed the dependence of the pollutant specific brake emission on the average of the engine power without the engine states with the negative torque. The suggested characteristics of the pollutants emission were appointed with the application of the Monte Carlo method for the self ignition engine Detroit Diesel Series 5.