ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(87)/2012

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(87)/212 Andrzej Bieniek 1, Jarosław Mamala 2, Mariusz Graba 3 MOŻLIWOŚCI WSTĘPNEGO OGRANICZENIA EMISJI NO X I SILNIKA WYSOKOPRĘŻNEGO W ASPEKCIE PRZYSZŁOŚCIOWYCH NORM EMISJI POJAZDÓW POZADROGOWYCH l. Wstęp Rozwój zarówno metod silnikowych jak i sposobów wtórnego ograniczenia emisji substancji szkodliwych silników o zapłonie samoczynnym umożliwił spełnienie obowiazujących norm emisji spalin. Kolejne przyszłościowe regulacje ograniczające emisję substancji szkodliwych takich jak np., CO, HC oraz cząstek stałych (Particulate Mater) wymagają jednak ciągłego doskonalenia konstrukcji systemów pozwalających na redukcję emisji. Wśród dostępnych rozwiązań można wyróżnić metody pierwotnego (wstępnego) oraz wtórnego (pozasilnikowego) ograniczenia emisji. Metody pierwotnego ograniczenia emisji substancji szkodliwych bazują głównie na kształtowaniu przebiegu procesu spalania w taki sposób, aby minimalizować powstanie korzystnych warunków do powstania toksycznych związków spalin. Rozwój układów wtryskowych stosowanych do silników o zapłonie samoczynnym spowodował powstanie znacznych możliwości wpływania na przebieg procesu spalania przy równoczesnym uwzględnieniu ekologicznych właściwości jednostki napędowej. W przypadku pojazdów poruszających się poza drogami utwardzonymi, układy wtryskowe powinny charakteryzować się dodatkowo dużą niewrażliwością na niekorzystne czynniki występujące podczas ich pracy, wysoką niezawodnością i trwałością. Istotne są także właściwości ekologiczne, charakteryzujące emisję poszczególnych składników spalin silnika pojazdu pozadrogowego. Przyszłościowe regulacje odnośnie dopuszczalnych poziomów emisji poszczególnych składników spalin zawarte w normach TIER / EURO Stage stawiają znaczne wymagania dla systemów pierwotnego (wstępnego) i wtrórnego ograniczenia toksycznych składników spalin. Należy więc w dalszym ciągu doskonalić istniejące sposoby redukcji emisji poszczególnych związków szkodliwych spalin. Spełnienie przyszłościowych, bardzo rygorystycznych norm emisji spalin jest możliwe tylko dzięki równoczesnemu zaangażowaniu wielu dostępnych sposobów redukcji emisji, toteż wprowadzenie systemów wtórnego oczyszczania spalin złożonego z reaktora katalitycznego i filtra cząstek stałych wydaje się być nieodzowne. Ich zastosowanie jest jednak często związane z pewnymi problemami eksplatacyjnymi (np. okresowe oczyszczanie filtra cząstek stałych, uzupełnianie płynów eksploatacyjnych np. Adblue itp.). W związku z tym szczególnie w przypadku pojazdów pozadrogowych charakteryzujacych się tym, że 1 dr inż. Andrzej Bieniek adiunkt w Katedrze Pojazdów Drogowych i Rolniczych na Wydziale Mechanicznym Politechniki Opolskiej 2 dr inż. Jarosław Mamala adiunkt w Katedrze Pojazdów Drogowych i Rolniczych na Wydziale Mechanicznym Politechniki Opolskiej 3 mgr inż. Mariusz Graba doktorant na Wydziale Elektrotechniki, Informatyki i Automatyki Politechniki Opolskiej 75

2 Emission, g/kwh pracują w specyficznych, trudnych warunkach, należy w miarę możliwości do minimum ograniczać zastosowanie metod, które wymagają większej uwagi jeżeli chodzi o ich obsługę i eksploatację. Nie należy tym samym zapominać o doskonaleniu systemów pierwotnego (wstępnego) ograniczenia emisji, których eksploatacja i obsługa jest zazwyczaj znacznie mniej wymagająca od użytkownika. 2. Regulacje dotyczące emisji substancji toksycznych pojazdów pozadrogowych Pojazdy pozadrogowe ze względu na specyfikę ich warunków eksploatacyjnych oraz wykonywanych zadań wymagały opracowania norm emisji spalin różniących się zarówno dopuszczalnymi poziomami emisji poszczególnych składników spalin jak i warunkami przeprowadzanych badań w cyklach testowych w stosunku do norm obowiązujących w przypadku pojazdów poruszających się głównie po drogach utwardzonych. Wśród norm emisji spalin dla pojazdów pozadrogowych w Europie obowiązują normy EURO, które w znacznej mierze nawiązują do norm TIER (EPA Nonroad Regulation, CFR 89; CFR139; CFR 168) obowiązujących m.in. w USA (rys. 1) [7, 8]. 6 6, , 3,5,3,5,3 Rys. 1. Dopuszczalne poziomy emisji substancji toksycznych wg norm EURO [7, 11, 12] 3,3,19,,25,19,25 Stage II Stage IIIa Stage IIIb Stage IV NOx HC Tabela1. Dopuszczalna emisja pojazdów nonroad wg. EU -97/68/EC [7, 11, 12] Zakres mocy P max, kw, g/kwh HC, g/kwh CO, g/kwh, g/kwh Data wprowadzenia +NMHC Stage IIIb 37 P max <56,7 5,, P max <75 3,3,19 5,, P max <13 3,3,19 5,, P max <56 2,,19 3,5, Stage IV 56 P max <13,,19 5,, P max <56,,19 3,5,25 21 Dotychczasowe normy emisji spalin pojazdów pozadrogowych wymagały pomiaru emisji jedynie w ustalonych stanach pracy silnika według testu NRSC 76

3 względny moment obrotowy, % (Non Road Stationary Cycle), bazując np. w przypadku ciągnika rolniczego na pomiarach emisji w 8 ustalonych punktach pracy silnika (rys. 2). Zarejestrowane rzeczywiste punkty pracy silnika ciągnika gąsienicowego, podczas pracy w nieznaczny sposób pokrywają się z fazami (punktami) cyklu NRSC (rys.2), toteż poszukiwano możliwości lepszego odwzorowania warunków pracy silników rozważanego rodzaju pojazdów. Punkty pracy silnika ciągnika gąsienicowego (rys. 2) jako jednego z rodzajów pojazdów pozadrogowych wykorzystano do stworzenia cyklu testowego NRTC (Non Road Transient Cycle) uwzględniającego stany nieustalone , fazy cyklu NRSC punkty cyklu składowego względna prędkość obrotowa, % Rys. 2. Porównanie rozmieszczenia faz cyklu stacjonarnego NRSC oraz punktów pomiarowych cyklu składowego ciągnika gąsienicowego Kolejne poziomy norm EURO (EURO Stage IIIb oraz Stage IV), które zostaną wprowadzone w najbliższym czasie (tab. 1) uwzględniają badanie emisji substancji szkodliwych w nieustalonych stanach pracy silnika według cyklu NRTC, który stosuje się do pomiaru emisji gazowych składników spalin oraz cząstek stałych [5, 6, 7, 8, 12]. Wprowadzenie cyklu uwzględniającego stany niestacjonarne wymaga zwrócenia większej uwagi na sterowanie pracą silnika w stanach przejściowych. 3. Systemy pierwotnego ograniczenia substancji szkodliwych 3.1. Układ wtrysku paliwa z mechatroniczną pompą sekcyjną W związku ze specyficznymi wymaganiami odnośnie układów wtryskowych pojazdów pozadrogowych (duża niewrażliwość na niewłaściwą obsługę i stosowanie paliwa o niższej jakości) zaproponowano wykorzystanie znanej klasycznej konstrukcji - sekcyjnej pompy wtryskowej, w której zastosowano szereg modyfikacji. Głównym celem przeprowadzonych zmian konstrukcyjnych było umożliwienie sterowania wtryskiem paliwa, a w szczególności uzyskania podziału 77

4 dawki paliwa na fazy. W ten sposób stworzono koncepcję mechatronicznej pompy wtryskowej, którą zrealizowano jako konstrukcję pompy o oznaczeniu EPP.M posiadającej zmodyfikowany zarys krzywek współpracujących z poszczególnymi tłoczkami sekcji pompy wtryskowej. Dodatkowo w głowicy tej pompy umieszczono elektrozawory regulujące ciśnienie w każdej sekcji tłoczącej, Całość systemu uzupełniono o dodatkowe sensory, w tym bardzo ważny dla prawidłowego działania układu czujnik położenia wałka krzywkowego pompy. Sterowanie całym układem wtrysku jest realizowane w oparciu o mapy sterowania zawarte w sterowniku silnika ECU współpracującego z elektrozaworami pompy wtryskowej oraz elektronicznym pedałem przyspieszenia (rys. 3). Pedał mocy (gazu) Czujnik prędkości obrotowej silnika Temperatura oleju SILNIK Z Temperatura powietrza Temperatura cieczy chłodzącej Temperatura paliwa ELEKTRONICZNA JEDNOSTKA STERUJĄCA Temperatura powietrza w kolektorze dolotowym Ciśnienie powietrza w kolektorze dolotowym Sygnał sterujący Zawory sterujące sekcjami PC EPP.M Czujnik położenia wału korbowego Rys. 3. Schemat sterowania mechatronicznej pompy wtryskowej [1] 3.2. Zawansowany układ recyrkulacji spalin W celu poprawy działania standardowego układu recyrkulacji spalin zaproponowano jego modyfikację. Standardowy zawór EGR typu ON/OFF sterowany głównie na podstawie sygnału prędkości obrotowej silnika zastąpiono proporcjonalnym zaworem EGR nowej generacji sterowanym za pomocą zaawansowanego algorytmu. Dodatkowo układ uzupełniono o czujnik działający w układzie sprzężenia zwrotnego opartego na mikrosterowniku ECU X EGR oraz pętli adaptacyjnej MIAC. Koncepcję systemu sterowania recyrkulacją spalin przedstawiono na rys.. 78

5 Rys.. Schemat bloku sterownika ECU X EGR z pętlą adaptacyjną MIAC [2] Zastosowano adaptacyjny algorytm sterujący, którego zadaniem jest takie sterowanie zaworem EGR, by ograniczyć możliwie jak najbardziej emisję tlenków azotu uwzględniając równocześnie emisję cząstek stałych i zachowanie korzystnych właściwości dynamicznych jednostki napędowej. Zastosowany zawór EGR posiada wewnętrzną pętlę sprzężenia zwrotnego umożliwiającą ciągłe monitorowanie stanu pracy zaworu, a w szczególności stopnia jego otwarcia. Daje to bardzo dobrą powtarzalność stopnia uchylenia zaworu niezależnie od warunków eksploatacyjnych. Zalety zaworu proporcjonalnego pozwalają również na zastosowanie sterowania adaptacyjnego uwzględniającego zmieniające się w ciągu eksploatacji wskaźniki pracy silnika i współpracujących z nim układów oraz zmienne warunki atmosferyczne i eksploatacyjne. Zastosowanie w pętli adaptacyjnej jako sprzężenia zwrotnego sygnału czujnika tlenków azotu pozwoli na uzyskanie niskiej emisji NO X podczas całej eksploatacji pojazdu. Istotnym z punktu widzenia utrzymania limitów emisji wszystkich składników spalin jest współpraca układu EGR z systemami ograniczenia cząstek stałych. Zastosowanie zaworu proporcjonalnego z adaptacyjnym sterowaniem również w tym względzie jest bardzo pożądane [1, 9].. Badania stanowiskowe.1. Obiekt badań Turbodoładowany Silnik badawczy Z 155 z chłodzeniem powietrza doładowującego, wyposażony dodatkowo w opisywane wyżej systemy, Rys. 5. Silnik Zetor Z155 na stanowisku badawczym 79

6 stężenie, ppm stężenie O 2, % zamontowano na stanowisku badawczym (rys. 5). Stanowisko to zawiera aparaturę do pomiaru emisji toksycznych związków spalin (pomiar emisji cząstek stałych - MAHA M-, pomiar pozostałych składników gazowych - Motorscan oraz zintegrowany czujnik /O 2 umieszczony w kolektorze wylotowym)..2. Analiza wyników badań W pierwszej kolejności zbadano wpływu sterownia podziałem dawki na fazy na emisję substancji szkodliwych. Badania przeprowadzone w szerokim zakresie zmian prędkości obrotowej silnika oraz jego obciążenia pokazały, że emisja takich składników spalin jak węglowodory oraz tlenek węgla jest nieznaczna. Stężenie HC zazwyczaj nie przekraczało 15 ppm, a w większości przypadków wynosi znacznie poniżej 1 ppm, również emisja CO zmierzona podczas przeprowadzonych badań zawiera się w przedziale,1,5%. Równocześnie ilość tych składników spalin zmienia się nieznacznie w stanach ustalonych mimo dużych zmian obciążenia, prędkości oraz parametrów sterujących wtryskiem paliwa. W związku z tym skoncentrowano się na analizie wpływu parametrów sterowania wtryskiem paliwa na emisję oraz cząstek stałych. Jak pokazują badania wstępne, możliwy jest znaczący wpływ na emisję (rys. 6) emisja O 2 2-faz 3 O 2 2-faz prędkość obrotowa, obr/min Rys. 6. Wpływ zastosowania podziału dawki paliwa na dwie fazy na emisję składników gazowych dla silnika nieobciążonego [3] Zastosowanie wtrysku wielofazowego pozwala na ograniczenie emisji (rys. 6 - linia ciągła). Należy jednak zwrócić uwagę na fakt, że wielofazowy wtrysk paliwa stosuje się głównie przy niepełnym obciążeniu oraz prędkościach obrotowych znacznie mniejszych od znamionowych. W dalszej części badań zastosowano proporcjonalny zawór EGR z programowalnymi stopniami otwarcia. Badania przeprowadzone dla wybranych stanów stacjonarnych i różnych stopni otwarcia zaworu EGR pokazują zależność pomiędzy emisją oraz (rys. 7 i 8). 8

7 emisja, ppm emisja, ppm emisja, ppm a) b) emisja approx otwarcie zaworu EGR, mm emisja, mg/m emisja approx otwarcie zaworu EGR, mm emisja, mg/m -3 Rys. 7. Wpływ otwarcia zaworu EGR na emisję and a) prędkość obrotowa 9 obr min -1, obciążenie 1Nm, b) prędkość obrotowa 11 obr min -1, obciążenie1nm [] emisja approx emisja, mg/m otwarcie zaworu EGR, mm Rys. 8. Wpływ otwarcia zaworu EGR na emisję and (1 obr min -1, 1Nm) [] W porównaniu ze standardową konfiguracją układu recyrkulacji spalin obejmującą zawór EGR typu ON/OFF wyposażony w kanał obejściowy bez możliwości wpływu na przepływ spalin tym kanałem, nowa konstrukcja zaworu EGR umożliwia znacznie większy wpływ na kształtowanie emisji oraz cząstek stałych. Dzięki sterowaniu zorientowanemu tylko na ograniczenie emisji tlenków azotu można uzyskać bardzo dobre efekty (rys. 9a). Uzyskane wyniki pokazują znaczny potencjał proponowanego układu EGR z możliwością ograniczenia emisji o maksymalnie ponad 8% Również mając na uwadze jedynie emisję można uzyskać redukcję o maksymalnie 8 % (rys. 9b). Należy jednak zwrócić uwagę, że równoczesna redukcja obu rozpatrywanych składników spalin o tak 81

8 Emisja względna, % NOx reduction, % reduction/ incrase znaczne wartości w tym przypadku jest niemożliwa, gdyż ograniczenie jednego ze składników może spowodować wzrost emisji drugiego składnika. a) b) load, Nm rotational speed, rpm 22 Rys. 9. Maksymalne możliwości redukcji emisji: a) oraz b) cząstek stałych dzięki zastosowaniu zoptymalizowanego zaworu EGR Dzięki zaawansowanemu sterowaniu zaworem EGR można poszukiwać kompromisu pomiędzy emisją i, a w związku z tym uzyskać zmniejszenie całkowitej emisji rozważanych składników w niektórych stanach pracy silnika. Przykładowy kompromis uzyskany dla wybranego punktu pracy silnika pokazuje, że możliwe jest uzyskanie ograniczenia emisji o ok. 33 % przy równoczesnym niewielkim ograniczeniu emisji cząstek stałych. (rys. 1) load, Nm rotational speed, rpm EGR standard EGR zaawansowany NOx Rys. 1. Porównanie efektów sterowania zmodyfikowanym zaworem EGR z rozwiązaniem tradycyjnym w postaci emisji względnej i (11 obr/min, 1 Nm) Uwzględnienie podczas sterowania niestacjonarnych stanów pracy silnika wymaga zintensyfikowania działań mających na celu poprawę algorytmów sterowania odpowiednimi systemami wtrysku i recyrkulacji spalin. Analiza 82

9 położenie pedału, % przebiegu emisji podczas testu dynamicznego obciążenia silnika (rys. 11) pokazuje, że następuje przesunięcie maksymalnych względnych wartości emisji poszczególnych składników w czasie, co pozwala twierdzić, że jest możliwa wielokryterialna optymalizacja całkowitej emisji dzięki zaawansowanemu sterowaniu np. stopniem recyrkulacji spalin przez zmianę otwarcia zaworu EGR w stanach niestacjonarnych. emisja względna / emisja względna NOx max NOx 1.5 s czas, s zakres sterowania 3,5 s Rys. 11. Emisja względna oraz podczas dynamicznej próby obciążenia silnika Przedstawienie przebiegu emisji w sposób względny (rys. 11) jako ilorazu emisji chwilowej do maksymalnych wartości w danym teście dynamicznym pozwala na łatwiejszą analizę zachodzących zmian. W podobny sposób proponuje się uwzględniać emisję w algorytmie sterowania, nad którego dopracowaniem autorzy intensyfikują prace badawcze. 5. Podsumowanie i wnioski Zaproponowane modyfikacje dotyczące układu wtrysku paliwa oraz systemu recyrkulacji spalin spełniają podstawowe wymogi w przypadku zastosowania w pojazdach pozadrogowych. Koncepcja układu wtrysku oparta na zmodyfikowanej sekcyjnej pompie wtryskowej pozwala na uzyskanie podziału dawki paliwa na fazy, a tym samym wpływu na przebieg procesu spalania przy równoczesnym uwzględnieniu znacznej trwałości i niewrażliwości takiego rozwiązania na trudne warunki eksploatacyjne. Uzupełnienie systemu o zaawansowany układ recyrkulacji spalin pracujący ze sprzężeniem zwrotnym wykorzystującym zintegrowany czujnik /O 2 pozwala na uzyskanie pierwotnego ograniczenia emisji tlenków azotu i cząstek stałych. Opracowanie odpowiedniego algorytmu opartego na sterowaniu adaptacyjnym pozwala na uzyskanie kompromisu pomiędzy emisją a. W rezultacie cały system obejmujący układy wtrysku paliwa i recyrkulacji spalin zaproponowany w niniejszym opracowaniu posiada potencjał rozwojowy 83 max emisja względna: położenie pedału

10 i możliwości ograniczenia emisji substancji toksycznych w aspekcie przyszłościowych norm emisji dla pojazdów pozadrogowych. Literatura: [1] Bamgard K., Cooke S.: Exhaust Aftertreatment and Low Pressure LOP EGR applied to off-higway engine, Jon Deere Power Systems 25 [2] Bieniek A., Graba M., Lechowicz A.: Adaptive control of exhaust gas recirculation at nonroad vehicle diesel engine, Journal of Kones, Powertrain and Transport, Vol 18. no, s , 211r [3] Bieniek A., Graba M., Lechowicz A.: Control of agricultural engine injection system in aspect of ecological property improvement, Combustion Engines 211, s. 1-8 [] Bieniek A., Mamala J., Graba M., Lechowicz A.: Control of advanced EGR system at nonroad diesel engine, 16 th Asia Pacific Automotive Engineering Conference - APAC Chennai India 211r, SAE India M2166, s. 1 6 [5] Dieselnet- Emission Test Cycle : [6] Dz.U. z 25 nr 22 poz 1681 [7] EPA: Nonroad diesel emission standards Staff technical paper, United States Environmental Protection Agency 21, s. 1- [8] Gromadko J., Hong V., Miler P.: Applications of NRTC Cycle to determine a different fuel consumption and harmful emissions caused by changes of engines technical conditions, Maintaince and Reliability /28, s [9] Lejda K.: Elimination of Emission In Diesel Engine by EGR Metod, Western Sciientific Centra of Ukrainian Transport Academy, Logos 2 [1] Motopal products catalogue 29, [11] Merkisz J.: Ekologiczne problemy silników spalinowych, Tom II, Politechnika Poznańska 1999 [12] VDMA: Exhaust Emission Legislation Diesel and Gas Engines, 28 Streszczenie W opracowaniu skoncentrowano się na możliwości wstępnego (pierwotnego) ograniczenia emisji substancji szkodliwych w silniku pojazdu pozadrogowego. Skoncentrowano się na możliwości sterowania wielofazowym wtryskiem paliwa oraz sterowaniu zaawansowanym układem recyrkulacji spalin. W publikacji przedstawiono prototypowe rozwiązanie sterowania zmodyfikowaną sekcyjną pompą wtryskową umożliwiające uzyskanie wtrysku wielofazowego. Dopełnieniem zaproponowanych modyfikacji układów ograniczających emisję jest przedstawione rozwiązanie zaawansowanego sterowania układem recyrkulacji spalin oparte na zaworze EGR, który jest konstrukcją prototypową zawierającą zintegrowane elektroniczne sterowanie recyrkulacją spalin. Stopień otwarcia zaworu EGR jest programowalny i sterowany adaptacyjnym algorytmem. Jako sprzężenie zwrotne zastosowano sygnał zintegrowanego czujnika stężenia /O 2 umieszczonego w kolektorze wylotowym. Opracowanie zawiera analizę wyników badań emisji szkodliwych składników spalin silnika pojazdu pozadrogowego ( i ). Słowa kluczowe: pojazdy pozadrogowe, emisja, sekcyjna pompa wtryskowa, recyrkulacja spalin 8

11 POSSIBILITIES TO PRIMARY REDUCING OF NO X AND EMISSION OF HIGH COMPRESSION ENGINE IN ASPECT OF FURTHER NONROAD VEHICLES EMISSION REGULATIONS Abstract In this paper possibilities of primary reduction of harmful substances in nonroad vehicles engine are presented. The paper focuses on possibilities to control of multiphase fuel injection and also control of advanced exhaust gas recirculation system. Publication presents prototyping solution of modified sectional fuel injection pump which enable to achieve multipfase injection. To complete of proposed modification also advanced control of EGR system based on proporctional EGR valve with included integrated control system was presented. Opening level of described EGR valve is free programmable and controlled with adaptive algorithm. As feedback an signal of integrated concentration of /O 2 sensor mounted in exhaust system was choosen. This study contain also analysis of research results of harmful substances emission (, ) in case of introduction of proposed solutions. Keywords: nonroad vehicles, emission, sectional injection pump, exhaust gas recirculation 85