OKREŚLANIE POZIOMU EMISJI SKŁADNIKÓW SPALIN DLA RÓŻNYCH WARUNKÓW PRACY SILNIKA

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ 2008 Seria: TRANSPORT z. 64 Nr kol Aleksadra KUTRZYK, Ja FILIPCZYK OKREŚLANIE POZIOMU EMISJI SKŁADNIKÓW SPALIN DLA RÓŻNYCH WARUNKÓW PRACY SILNIKA Streszczeie. W pracy przedstawioo metodę obliczaia objętościowej ilości poszczególych składików spali silika o zapłoie iskrowym. Przeprowadzoo wstępe obliczeia. Wyiki porówao z rezultatami badań emisji poszczególych składików spali. Obiektem badań był silik o zapłoie iskrowym z turbodoładowaiem. DESCRIPTION OF THE LEVEL OF EXHAUST EMISSION FROM SPARK IGNITION ENGINES FOR DIFFERENT WORK CONDITIONS OF ENGINE Summary. This paper presets the method of calculatio the amout of differet igrediets of exhaust emissio from spark igitio egies. The tetative calculatios were made. Results of the calculatios were compared with the results of the research, which were made for turbo-charged spark igitio egie. 1. WPROWADZENIE Koieczość spełiaia orm emisji spali stawia przed producetami coraz trudiejsze zadaia. W przypadku pojazdów eksploatowaych poziom emisji spali powiie być kotroloway podczas obsług techiczych oraz podczas obowiązkowych badań kotrolych. Natomiast podczas okresowych obsług techiczych, jak i obowiązkowych badań kotrolych diagozowaie stau techiczego silika w zakresie oddziaływaia a środowisko jest ajczęściej pomijae lub traktowae pobieżie. Zacza część z eksploatowaych silików jest iesprawa przyajmiej w zakresie emisji zaieczyszczeń. Użytkowaie iesprawego silika, a także stosowaie iewłaściwych materiałów eksploatacyjych lub paliw powoduje, iż iekorzyste oddziaływaie silików a środowisko gwałtowie wzrasta [1]. Przy określaiu szacukowego poziomu emisji spali przez samochody istota jest zajomość wpływu waruków pracy silika, tj. obciążeia, prędkości obrotowej, waruków otoczeia oraz cech kostrukcyjych a zawartość poszczególych składików w spaliach.

2 168 A. Kutrzyk, J. Filipczyk 2. SKŁADNIKI SPALIN SILNIKÓW SAMOCHODOWYCH Skład mieszaki paliwowo powietrzej wpływa a przebieg procesu spalaia oraz a produkty procesu spalaia paliwa. W zależości od waruków, w jakich odbywa się spalaie, występuje spalaie zupełe i całkowite, iezupełe oraz iecałkowite. Podczas spalaia zupełego i całkowitego cały węgiel zawarty w paliwie spala się a dwutleek węgla CO2, wodór a H2O, a cała siarka a SO2 lub SO3.Zazwyczaj a skutek iedoskoałych waruków spalaia produkty zawierają substacje pale, tj. gazy pale w przypadku spalaia iezupełego oraz stałe składiki pale w przypadku spalaia iecałkowitego [2,3]. Zasadiczymi składikami toksyczymi spali są tleek węgla CO, ieopaloe węglowodory HC i tleki azotu NOx. Poadto powstają także, główie w silikach o zapłoie samoczyym, cząstki stałe PM. Siliki o zapłoie iskrowym emitują główie składiki gazowe CO, HC i NOx, siliki o zapłoie samoczyym emitują atomiast NOx, PM oraz w miejszym stopiu HC [4] Emisja silików o zapłoie iskrowym Tleek węgla CO powstaje podczas spalaia mieszaek bogatych oraz w wysokotemperaturowym płomieiu w wyiku dysocjacji CO2. Stężeie tleku węgla zaczie zmiejsza się wraz z przejściem z zakresu mieszaek bogatych w zakres mieszaek ubogich. Przy dalszym zubożaiu mieszaki poziom tleku węgla jest a stałym, iewielkim poziomie. Stężeie węglowodorów jest ajwiększe także dla mieszaek bogatych. Najmiejsze stężeie węglowodorów występuje dla współczyika admiaru powietrza λ w zakresie od 1,1 do 1,2. Dalsze zubożaie mieszaki powoduje wzrost emisji węglowodorów. Podwyższoa emisja tleków azotu występuje w przypadku lekko zubożoych mieszaek, przy współczyiku λ rówym około 1,1. Aby powstały tleki azotu NOx, spełioe muszą być astępujące waruki: wysoka temperatura spalaia oraz wole cząsteczki tleu. Tleki siarki pochodzą z utleiaia siarki zajdującej się w paliwie, przy czym w bezyie siarka występuje w iewielkich ilościach [4,5] Emisja silików o zapłoie samoczyym Powstawaie cząstek stałych PM zależy od ilości wolego tleu. Liczba cząstek stałych wzrasta wraz ze wzbogaceiem mieszaki. Szczególie duży wzrost liczych cząstek stałych występuje dla współczyików admiaru powietrza zbliżających się do dolej graicy wartości graiczej, tj. do zakresu od 1,5 do 1,1. Stężeie tleku węgla w spaliach silika o zapłoie samoczyym są stosukowo małe. Emisja węglowodorów rośie wraz ze zubożaiem mieszaki paliwowo powietrzej. W przypadku tleków azotu, ajbardziej sprzyjające waruki występują podczas spalaia mieszaek iezaczie zubożoych. Aby powstały tleki azotu NOx, muszą być spełioe astępujące waruki: wysoka temperatura spalaia oraz wole cząsteczki tleu. Spalaie w silikach o zapłoie samoczyym z reguły odbywa się w warukach admiaru powietrza, co sprzyja powstawaiu tleków azotu. Tleki siarki pochodzą z utleiaia siarki zajdującej się w oleju apędowym [4,5].

3 Określaie poziomu emisji SKŁADNIKI SPALIN Na podstawie bilasu substacji moża określić zawartość poszczególych pierwiastków w spaliach [6]: c = CO 2 + CO + i HC (1) o = CO 2 h = H 2 O + j HC + a mi ZA H 2 O = gdzie: - ilość daego składika spali, i CO N 2 + a mi ZA - wilgoć pochodząca z powietrza, - teoretycze zapotrzebowaie a powietrze, a mi ZA - molowy stopień zawilżeia powietrza, λ - współczyik admiaru powietrza ' a λ = = ' a - jedostkowe zużycie powietrza, ' t - jedostkowe zużycie tleu, a mi - teoretycze zapotrzebowaie a tle. t mi (2) + a mi ZA O 2 (3) NO X, (4) ' t t mi t mi = 0,21 a mi, (5) (6) Przy spalaiu paliwa, w skład którego wchodzą: węgiel, wodór, siarka i tle, udziały masowe moża w uproszczeiu zapisać jako [7]: Reakcję spalaia węgla moża opisać w astępujący sposób: c + h + s + o = 1 (7) C + O2 CO2 (8) 1 kmol C + kmol O2 1 kmol CO2 (9) 12 kg C kg O2 44 kg CO2 (10) C O2 CO (11) 1 kmol C kmol O2 1 kmol CO (12) 12 kg C + 16 kg O2 28 kg CO (13)

4 170 A. Kutrzyk, J. Filipczyk Reakcję spalaia siarki moża opisać rówaiem reakcji: Reakcję spalaia wodoru moża opisać: S + O2 SO2 (14) 1 kmol S + kmol O2 1 kmol SO2 (15) 32 kg S kg O2 64 kg SO2 (16) 2 H2 + O2 2 H2O (17) 2 kmol H2 + 1 kmol O2 2 kmol H2O (18) 2 2 kg H O2 36 kg H2O (19) Zakładając, że objętość 1 kmol gazu w warukach ormalych wyosi V = 22,4 m 3, moża obliczyć objętość poszczególych składików zawartych w spaliach. Przyjmując, że z 12 kg C powstaje 44 kg CO2, to z 1 kg C powstaje 44/12 kg CO2. Objętość 1 kmol CO2 (czyli 44 kg) jest rówa 22,4 m 3. Stąd 1 kg CO2 ma objętość 22,4/44 m , Z 1 kg C powstaje 1,867 m CO2. Aalogiczie dla pozostałych pierwiastków moża określić objętości: - tleek węgla CO z 1 kg C powstaje 1,867 m 3 CO; - dwutleek siarki SO2 z 1 kg S powstaje 0,701 m 3 SO2; - wodór z 1 kg H powstaje 11,2 m 3 H2O. Objętość całkowita spali mokrych (zawierających parę wodą) z 1 kg paliwa jest rówa [6]: - dla λ > 1 - dla λ< 1 Vspm = 1,867c + 0,701s + 11,21h + (λ 0,21) Vspm = 1,867c + 0,701s + 11,21h + 0,79 a mi, m 3 /kg paliwa (20) a mi, m 3 /kg paliwa, (21) gdzie a mi - teoretycze zapotrzebowaie a powietrze, m 3 / kg paliwa. Objętość azotu w spaliach moża obliczyć wg wzoru: VN2 = 0,79 λ, m 3 /kg paliwa (22) a mi Objętość tleu w spaliach oblicza się wg wzoru: VO2 = 0,21(λ 1), m 3 /kg paliwa (23) a mi

5 Określaie poziomu emisji 171 Przy założeiu, że całkowita objętość spali Vspm rówa jest 100 %, procetową zawartość CO2 + CO moża obliczyć wg zależości: 100 Vspm = 1,867c, (24) b t gdzie b + t procetowa zawartość CO2 i CO Stąd: 100 1,596 b + t = (25) V sp Aalogiczie moża określić objętość pozostałych składików: - objętość tleu w spaliach: - objętość azotu w spaliach: - objętość wodoru w spaliach: osp = VO2 sp = VN2 hsp = 100 V sp 100 V sp 100 1,63 V sp (26) (27) (28) 3.1. Wyiki obliczeń dla silika o zapłoie iskrowym W celu określeia składu spali silika o zapłoie iskrowym zasilaego paliwem bezyowym przeprowadzoo obliczeia z wykorzystaiem przedstawioych wzorów dla udziału masowego węgla i wodoru w paliwie wyoszącym: c = 0,855 i h = 0,145. Przyjęto teoretycze zapotrzebowaie a powietrze dla bezyy jako: = 11,48 m 3 / kg paliwa. a mi Korzystając ze wzoru (20) obliczoa została całkowita objętość spali mokrych: - dla λ = 1,03 Vspm = 1, , ,82 11,48 = 12,63 m 3 /kg paliwa, (29) gdzie: 1,596 m 3 /kg paliwa CO2 + CO, 1,625 m 3 /kg paliwa składiki zawierające wodór, 0,82 11,48 = 9,41 m 3 /kg paliwa łącza objętość składików związków azotu i wolego tleu, gdzie: obliczoa objętość azotu obliczoa objętość tleu: VN2 = 9,34 m 3 /kg paliwa (30) VO2 = 0,07, m 3 /kg paliwa (31)

6 172 A. Kutrzyk, J. Filipczyk W tabeli 1 przedstawioo wyiki obliczeń zawartości poszczególych składików spali. Tabela 1 Objętość poszczególych składików spali Objętość CO + CO2 N2 O2 H2 Vsp m 3 /kg paliwa 1,596 9,34 0,07 1,625 12,63 % 12,63 73,93 0,57 12, Na podstawie obliczoych wartości objętości składików spali powstałych po spaieiu 1 kg paliwa przy założeiu, że λ = 1,03 określoo procetowe zawartości poszczególych składików w spaliach. 4. BADANIA WERYFIKACYJNE W celu zweryfikowaia wyików obliczeń wstępych przeprowadzoo pomiary objętościowej zawartości składików spali silika badawczego. Badaia zostały przeprowadzoe a staowisku badawczym wyposażoym w hamulec elektrowirowy. Obiektem badań był silik o zapłoie iskrowym o pojemości 1300 cm 3 z turbodoładowaiem. Dla różych waruków pracy silika mierzoo udziały objętościowe CO, CO2, NOx, O2, λ, zużycia paliwa, temperatury i atężeia przepływu zasysaego powietrza oraz mometu obrotowego w zakresie prędkości obrotowej od 1000 do 5000 obr/mi przy stopiu otwarcia przepusticy wyoszącym 50%. Przykładowe wyiki procetowych udziałów składików spali przedstawioo w tabeli 2. Tabela 2 Przykładowe wyiki badań Lp. [obr/mi] M [Nm] ge [g/s] CO [%] CO2 [%] NOx [ppm] O2 [%] λ ,1 0,46 14, ,62 1, ,32 0,44 14, ,60 1, ,32 0,51 14, ,60 1, ,58 0,53 14, ,60 1, ,83 0,52 14, ,60 1, ,04 0,50 14, ,60 1, ,07 0,52 14, ,60 1, ,28 0,53 14, ,59 1, ,27 0,37 14, ,71 1, ,41 0,33 14, ,71 1, ,64 0,19 14, ,99 1, ,74 0,16 14, ,79 1, ,01 0,22 14, ,96 1, ,29 0,60 14, ,48 1, ,44 0,54 14, ,41 0, ,74 1,32 14, ,22 0, ,83 1,32 14, ,28 0,974

7 Określaie poziomu emisji 173 Jako silik badawczy celowo wykorzystao silik wolossący ze zmodyfikowaym układem dolotowym. Modyfikacja polegała a zamotowaiu turbosprężarki zmieiającej waruki apełieia silika. Nie przeprowadzoo modyfikacji układu sterującego. W trakcie badań okazało się, że zmiaa waruków pracy silika ie miała istotego zaczeia a wartość współczyika λ. 5. ANALIZA PRZEPROWADZONYCH BADAŃ ORAZ WYNIKÓW OBLICZEŃ Przeprowadzoo obliczeia udziałów objętościowych składików spali dla zmierzoych wartości współczyika λ, jedostkowego zużycia paliwa i jedostkowego zużycia powietrza w różych warukach pracy opisaych wielkością obciążeia i prędkości obrotowej. Przykładowe wyiki obliczeń porówao z wartościami zmierzoymi zawartości poszczególych składików w spaliach. Zestawieie wyików przedstawioo a rysuku 1. Rys. 1. Przebieg mometu obrotowego oraz procetowej zawartości CO i CO 2 w spaliach Fig. 1. The torque ad the percetage amout of CO ad CO 2 i exhaust gases curve CO + CO2 wyiki badań wyiki obliczeń 15,26 12,84 15,24 12,84 15,41 12,88 15,23 12,89 15,32 12,88 15,30 12,90 15,32 12,88 15,33 12,88 15,17 12,75 15,13 12,74 14,79 12,51 14,26 12,06 14,82 12,58 15,40 12,95 15,34 13,00 15,82 13,34 15,72 13,31 Charakter przebiegu krzywych opisujących procetową zawartość CO2 i CO dla wartości zmierzoych i obliczoych jest podoby. Stała różica pomiędzy wartościami zmierzoymi i obliczeiowymi w całym zakresie przebiegu wyika z przyjętej szacukowej zawartości poszczególych pierwiastków w paliwie.

8 174 A. Kutrzyk, J. Filipczyk 6. PODSUMOWANIE Do obliczeń procetowej zawartości poszczególych składików w spaliach wykorzystao wzory reakcji chemiczych spalaia poszczególych składików paliwa i powietrza. Istote zaczeie dla dokładości szacukowych obliczeń ma przyjęty udział masowy poszczególych pierwiastków w paliwie i powietrzu. We współczesych silikach o zapłoie iskrowym współczyik składu mieszaki λ w miimalym stopiu zależy od waruków pracy silika. Moża przyjąć, że emisja spali i zawartość poszczególych składików zależą od składu i jedostkowego zużycia paliwa. Dla silików z zapłoem iskrowym z dużym przybliżeiem moża określić zawartość procetową składików spali wykorzystując przedstawioe zależości przy zaym składzie i jedostkowym zużyciu paliwa. Bibliografia 1. Filipczyk J, Kutrzyk A.: Wpływ rozwiązań kostrukcyjych i stau techiczego silika a poziom emisji zaieczyszczeń. Zeszyty Naukowe Politechiki Śląskiej, s. Trasport, z. 63, Gliwice Szargut J.: Termodyamika techicza. Wydawictwo Politechiki Śląskiej, Gliwice Wilk S.: Termodyamika techicza. WSiP, Warszawa Merkisz J.: Ekologicze problemy silików spaliowych. Wydawictwo Politechiki Pozańskiej, Pozań Rokosch U.: Układy oczyszczaia spali i pokładowe systemy diagostycze samochodów OBD. WKiŁ, Warszawa Wilk K.: Rówaia bilasu substacji zawartych w spaliach. Materiały iepublikowae. 7. Kowalewicz A.: Podstawy procesów spalaia. WNT, Warszawa Recezet: Prof. dr hab. iż. Broisław Sedyka Praca wykoaa w ramach BW-510/RT1/2008