WPŁYW ZAWARTOŚCI ESTRU OLEJU RZEPAKOWEGO W MIESZANCE PALIWOWEJ NA POZIOM EMISJI WĘGLOWODORÓW

Transkrypt

1 Wesław PIEKARSKI Jacek WAWRZOSEK WPŁYW ZAWARTOŚCI ESTRU OLEJU RZEPAKOWEGO W MIESZANCE PALIWOWEJ NA POZIOM EMISJI WĘGLOWODORÓW An nfluence of rape ol ester content n fuel blend on hydrocarbon emsson levels Wstęp Olbrzymm zagroŝenem dla środowska naturalnego są zwązk toksyczne zawarte w emtowanych spalnach obecne uŝytkowanych pojazdów (70-80% ogólnych zaneczyszczeń w mastach). Do toksycznych składnków spaln zaneczyszczających środowsko naleŝy zalczyć mędzy nnym: tlenek węgla CO, węglowodory C n H m, tlenk azotu NO x, tlenk sark SO x, cząstk stałe PM (ang. partculate matter), sadza z osadzonym na nej węglowodoram, szczególne z grupy PAH cząsteczkam kwasu sarkowego, dwutlenek węgla CO, pyły zawesnowe tp.. Cągły wzrost emsj spaln powoduje degradację środowska przyrodnczego poprzez wzrost emsj CO, CH 4, podejrzewanych o wywoływane efektu ceplarnanego. Problem badawczy powstał mędzy nnym z szeregu ogranczeń wynkających z wprowadzana norm europejskch. Ogranczene ogólnej emsj spaln, a szczególne zmnejszene zawartośc składnków toksycznych spaln, dotyczy całego społeczeństwa. WaŜna jest tu moblzacja do tego celu zarówno producentów pojazdów, jak ch uŝytkownków. NaleŜy zaznaczyć, Ŝe najskutecznejszą metodą zmnejszana emsj szkodlwych składnków spaln, wydzelanych przez pojazdy, wydaje sę ogranczane ch powstawana przez właścwy dobór palwa (spalane są główne palwa ropopochodne). Stąd duŝą nadzeję wąŝe sę z wykorzystanem zamennków palw konwencjonalnych, tzn. bopalw, do zaslana slnków. Nowa poltyka rolna państw europejskch zmerza do wykorzystana ne przeznaczonych do konsumpcj nadwyŝek produkcyjnych rolnctwa, główne tłuszczów roślnnych, jako składnków bopalw. Jak dalej w pracy przedstawono, pozom emsj węglowodorów C n H m w spalnach slnków S-400 zaslanych meszankam palwowym mneralnego Prof. dr hab. nŝ. Wesław Pekarsk, Katedra Pojazdów Slnków, dr Jacek Wawrzosek Katedra Zastosowań Matematyk Akadem Rolnczej w Lublne.

2 6 WIESŁAW PIEKARSKI, JACEK WAWRZOSEK oleju napędowego ON z dodatkem estru oleju rzepakowego RME zmnejsza sę o stałą welkość, wynkającą z welkośc tego dodatku. Natomast wzrasta wraz ze spadkem mocy slnka zaleŝy od rozwjanej przez slnk prędkośc obrotowej. Cel zakres pracy Celem pracy jest statystyczne porównane pozomu sumarycznej lośc nespalonych węglowodorów C n H m w emtowanych spalnach wydzelanych przez slnk S-400 zaslany meszankam palwowym, składającym sę z mneralnego oleju napędowego ON estru oleju rzepakowego RME, zestawonych w sześcu róŝnych proporcjach. Badana obejmowały pomar parametrów energetycznych ekologcznych, dotyczących wskaźnków pracy składnków spaln slnka S-400 zaslanego RME jego meszannam z olejem napędowym (ON). Pomar składnków spaln realzowano podczas sporządzana charakterystyk obcąŝenowej przy prędkoścach momentu maksymalnego n Momax (600 obr/mn) mocy maksymalnej n Nemax (000 obr/mn). W nnejszych badanach wykorzystano sześć rodzajów meszann RME ON, zawerających odpowedno: 0, 0, 40, 60, 80, 00% RME, zaś pomary wykonywano dla dzesęcu pozomów obcąŝeń slnka (- kw). Do opracowana statystycznego zebranych wynków pomarów posłuŝono sę analzą kowarancj. Nezbędnych oblczeń dokonano z wykorzystanem programu Excel 000. Zastosowane klku model analzy kowarancj w klasyfkacj pojedynczej ZauwaŜmy, Ŝe pozom emsj węglowodorów zaleŝy od dwu zmennych: rozwjanej mocy N e [kw] oraz procentowego udzału RME w meszance RME ON. Tę statystyczną zaleŝność C n H m od N e oraz RME przedstawają na rys. (oraz odpowedno na rys. ) punkty uzyskane z 60 pomarów przy prędkośc 600 obr/mn ( 60 pomarów przy prędkośc odpowedno 000 obr/mn). RME w legendze rysunków oznacza zmenną określającą udzał estru oleju rzepakowego w palwe. Z analzy rysunków wynka, Ŝe występuje wyraźna zaleŝność mędzy pozomem sumarycznej lośc nespalonych węglowodorów C n H m w emtowanych spalnach mocą efektywną N e, dlatego teŝ znaczna część zmennośc C n H m jest wyjaśnona przez zmenną N e. Z tego względu dla zbadana statystycznego wpływu zawartośc estru RME w palwe na pozom węglowodorów zdecydowano sę na wykorzystane metody statystycznej, zwanej analzą

3 WPŁYW ZAWARTOŚCI ESTRU OLEJU RZEPAKOWEGO W MIESZANCE PALIWOWEJ 7 kowarancj. W modelu tym zmenną nezaleŝną (grupującą) jest udzał procentowy RME w palwe, zmenną zaleŝną pozom węglowodorów, zaś zmenną towarzyszącą moc efektywna N e []. Ta analza pozwala usunąć znane źródło zmennośc (N e ), tak aby uwdocznć wpływ czynnka (RME) na zmenną zaleŝną C n H m C n H m [ppm] Emsja węglowodorów dla 600 obr/mn RME 0% RME 0% RME 40% RME 60% RME 80% RME 00% N e [kw} Rys.. ZaleŜność pozomu emsj C nh m od mocy przy 600 obr/mn C n H m [ppm] Emsja węglowodorów dla RME 000 0% obr/mn RME 0% RME 40% RME 60% RME 80% RME 00% N e [kw] Rys.. ZaleŜność pozomu emsj C nh m od mocy przy 000 obr/mn Wstępna analza statystyczna wykazała, Ŝe w analze kowarancj naleŝy uwzględnć zmenną towarzyszącą N e wraz z jej kwadratem N e sześcanem N e. Budowa właścwego modelu analzy kowarancj w klasyfkacj pojedynczej wymaga, aby oddzelne dla prędkośc obrotowej600 obr/mn oddzelne dla prędkośc 000 obr/mn, czyl gdy k =,, w obu modelach (k =, ) rozwaŝanych w perwszym kroku: n H mj ekj ekj ekj C = α + β N + β N + β N + e () dla -tej grupy ( =,,..., 6), oprócz ndywdualnego α -efektu obektowego, występowała teŝ ndywdualna regresja postac: j

4 8 WIESŁAW PIEKARSKI, JACEK WAWRZOSEK β N + β N + β N () ekj ekj ekj Dla lepszej orentacj podajemy sposób ndeksowana zastosowany w ponŝszych modelach: C H = C n m s,k,j n H m nr modelu, nr prędkośc nr % RME,nr obserwacj Przyjęto dalej, Ŝe = dla 0% zawartośc RME, = dla 0% zawartośc RME,..., = 6 dla 00% zawartośc RME. Dla k =, oraz w kaŝdej -tej grupe ( =,,.., 6) dokonano 0 pomarów dla róŝnych pozomów mocy efektywnej N e kj, co oznacza, Ŝe mamy j =,,..., 0. Kolejno dla k =, stawamy hpotezę zerową, Ŝe współczynnk regresyjne β, β β są wspólne dla wszystkch 6 grup (wartośc RME), tj.:, H 0 : β = Κ = β, 6 β = Κ = β 6 β = Κ = β () 6 Hpoteza H 0 oznacza równoległość sześcu ln regresj () przecnających oś rzędnych w punktach α. Tabela. Wynk testowana równoległośc 6 ln regresj przy prędkośc obrotowej 600 obr./mn Sumy kwadratów Stopne swobody Średne kwadraty F p Równoległość 774, ,6 0,8576 0,65 Błąd 4966, ,958 Oddzelne dla prędkośc obrotowej 600 obr/mn oddzelne dla prędkośc 000 obr/mn, czyl gdy k =,, hpoteza H 0 ne została odrzucona. Tabela przedstawa wynk testowana tej hpotezy przy 600 obr./mn. zaś tabela przy 000 obr./mn. Tabela. Wynk testowana równoległośc 6 ln regresj przy prędkośc obrotowej 000 obr./mn Sumy kwadratów Stopne swobody Średne kwadraty F p Równoległość 60, ,6747 0,6659 0,7990 Błąd 00, ,4 Zatem oddzelne dla prędkośc obrotowej 600 obr/mn oddzelne dla prędkośc 000 obr/mn (czyl gdy k =, ) w modelach rozwaŝanych w drugm kroku (s = ): C n H mj = α + β N + β N + β N + e (4) ekj ekj ekj j dla =,,.., 6, oprócz ndywdualnego α efektu obektowego -tej grupy, występuje teŝ wspólna dla wszystkch grup regresja postac: β N + β N + β N (5) ekj ekj ekj

5 WPŁYW ZAWARTOŚCI ESTRU OLEJU RZEPAKOWEGO W MIESZANCE PALIWOWEJ 9 Oddzelne dla k =, stawamy hpotezę zerową, Ŝe efekty wszystkch 6 grup są dentyczne, tj.: α dla H 0 : α = α Κ = (6) α 6 W modelu (4) oddzelne dla prędkośc 600 obr./mn oddzelne dla prędkośc 000 obr/mn, czyl gdy k =,, hpoteza H 0 została odrzucona z powodu braku statystycznych podstaw. Tabela przedstawa wynk testowana tej hpotezy przy 600 obr./mn, zaś tabela 4 przy 000 obr./mn. Tabela. Wynk testowana hpotezy (6) w modelu (4) (o braku jakegokolwek przesunęca 6 ln regresj względem sebe) przy prędkośc obrotowej 600 obr./mn Sumy kwadratów Stopne swobody kwadraty Średne F p Grupy 058, ,605 6,6079 0,0000 Błąd 777, ,587 Tabela 4. Wynk testowana hpotezy (6) w modelu (4) (o braku jakegokolwek przesunęca 6 ln regresj względem sebe) przy prędkośc obrotowej 000 obr./mn Sumy kwadratów Stopne swobody kwadraty Średne F p Grupy 688, ,7907 7,8507 0,0000 Błąd 859, ,9876 Odrzucene oddzelne dla rozpatrywanej lczby obrotów (dla k =, ) hpotez H 0 oznacza równoległość sześcu ln regresj pozostawa nas w obrębe modelu drugego (4) (s = ) z jego zróŝncowaną postacą dla poszczególnych pozomów RME. Dostępną w Excelu procedurą analzy regresj metodą najmnejszych kwadratów wyznacza sę estymatory parametrów model (4) (dla k =, ) oraz wykazuje β, tj. prawdzwość hpotezy H 0 : β 0 sę nestotność parametru, gdyŝ odpowedna funkcja testowa t =.6 z 5 stopnam swobody ma p-wartość równą 0.. Powoduje to, Ŝe dla k = (tj. prędkośc obrotowej 000 obr./mn) następuje uproszczene modelu (4) do modelu trzecego (s = ), bowem dla =,,..., 6 mamy: = C n H mj ej e j j = α + β N + β N + e (7) Na zakończene zestawamy odpowedne parametry dwu równoległych rodzn krzywych. stopna w tabelach 5 6. Dla ustalonego k odległość pomędzy tym krzywym moŝna odczytać z tabel 6 poprzez wyznaczene róŝnc mędzy sk sk efektam grupowym ˆ α ˆ α ', odpowadającym jednakowym prędkoścom. Welkośc tych róŝnc umeszczono w tabel 7, gdze górne wartośc odpowadają prędkośc obrotowej 600 obr./mn, a dolne prędkośc obrotowej 000 obr./mn.

6 40 WIESŁAW PIEKARSKI, JACEK WAWRZOSEK RóŜnce te opsują zmanę pozomu emsj węglowodorów C n H m w spalnach, wywołaną bezpośredno przez zastosowane nnego palwa z udzałem RME. Przykładowo, zastąpene 0% RME przez 00% RME przy 000 obr./mn daje spadek o około 98 jednostek. Tabela 5. Porównane oszacowanych parametrów regresj w modelu (4) (s = dla k =, tj. przy prędkośc obrotowej 600 obr./mn) w modelu (9) (s = dla k =, tj. przy prędkośc obrotowej 000 obr./mn) sk sk sk ˆβ ˆβ ˆβ k = -77,597 4,8004-0,097 k = -4, ,077 Tabela 6. Estymatory efektów grupowych α w modelu (4) dla s =, k = w modelu (7) dla s =, k = R M E p rędkośc obrotow e 600 p rędkośc obrotow e 000 sk , ,80 674,97 680, , ,7 776,6 74,46 7, ,97 685,7 678,94 W tabel 7 róŝnce stotne na pozome stotnośc 0,05 oznaczono gwazdką (*). Stwerdzony brak stotnośc pewnych róŝnc przy prędkośc obrotowej 000 obr/mn moŝe wązać sę z występującym w tym przypadku wększym pozomam C n H m oraz z prostotą modelu (7) pozbawonego kwadratu N e. Zasadność rozwaŝana tych pozostałych róŝnc moŝna będze stwerdzć po zwększenu lczebnośc obserwacj. Tabela 7. RóŜncę mędzy efektam grupowym: sk sk ˆ α ˆ α odpowadającym jednakowym prędkoścom k ' oraz róŝnym grupom:, =,,..., 6 RóŜnce k = k = ,795 0 *-58,4565 *-4,084 *-7,48 *-7,40 *-,44 776,6 0 *-4,07 *-5,6565 *-70,5 *-90,65 *-97, ,8 *58, *5,48 *,07 *,0464 *7,4 74,46 *4,07 0-8,694-6,064-56,65-6, ,97 *4,084 *-5,48 0 5,8746 *5,898 *,660 7,7067 *5,6565 8, ,567-7, ,5 680,8457 *7,48 *-,07-5, ,07 *6,94 706,97 *70,5 6,064 7, ,486-7, ,8694 *7,40 *-,0464 *-5,898-0,07 0 6, ,7 *90,65 56,65 7,9956 0, ,97 697,7 *,44 *-7,4 *-,660 *-6,94-6, ,94 *97,978 6, ,5 7,748 7,97 0 Istotność krzywych z model (7) zweryfkowano testem F (por. tab. 8 9).

7 WPŁYW ZAWARTOŚCI ESTRU OLEJU RZEPAKOWEGO W MIESZANCE PALIWOWEJ 4 Tabela 8. Test F dla modelu (4) przy prędkośc obrotowej 600 obr./mn Składnk Stopne swobody Sumy kwadratów Średne kwadraty F p Regresja 9 97,0 6569,66 4,54 0,0000 Resztkowy 5 777,5 5,5 Razem ,4 Tabela 9. Test F dla modelu (7) przy prędkośc obrotowej 000 obr./mn Składnk Stopne swobody Sumy kwadratów Średne kwadraty F p Regresja 8 554,5 6977,8 86,705 0,000 Resztkowy 5 994,8 7,05 Razem , Wnosk wynk badań Wyprowadzone modele (4) (7) z parametram opsanym w tabelach 5 6 pozwalają stwerdzć, Ŝe gdy k = dla R = 0,988 zmenność pozomu węglowodorów C n H m w spalnach moŝe być w 95% wyjaśnona zmennoścą mocy N e [kw] rozwjanej przez slnk oraz rodzajem meszank RME. Dla k = współczynnk determnacj wynos nawet R = 0,966. Jak pokazano w tabel 6, przy prędkośc obrotowej 000 obr./mn pozom emsj węglowodorów C n H m w spalnach slnków S-400 zaslanych meszankam palwowym mneralnego oleju napędowego ON z dodatkem estru oleju rzepakowego RME zmnejsza sę o stałą welkość wraz ze wzrostem welkośc tego dodatku. Przy prędkośc obrotowej 600 obr./mn w przedzale od 0% RME do 0% RME obserwuje sę tendencję spadkową zgodną z wyŝej opsaną, a na całym pozostałym przedzale % RME wdoczną tendencją przecwną. Dla prędkośc obrotowej 600 obr./mn 0% RME zaobserwowano najmnejsze emsje C n H m. Pozom emsj węglowodorów gwałtowne wzrasta wraz ze spadkem mocy efektywnej ponŝej 7 kw. Badane wpływu bopalw na zaneczyszczane środowska pozostałym toksycznym składnkam spaln stanow główny przedmot dalszych docekań naukowych [,, 4, 5]. Pśmennctwo. Mllken G. A., Johnson D. E.: Analyss of messy data. Vol. III: Analyss of covarance. Chapman & Hall/CRC, New York, 00.. Mysłowsk J.: Uwag na temat zaslana palwem pochodzena rzepakowego slnka doładowanego Pojazd a środowsko. Poltechnka Radomska, Radom Pekarsk W.: Analza oddzaływana agregatów cągnkowych na środowsko przyrodncze. Rozprawy naukowe. Wyd. Akadem Rolnczej w Lublne, Wawrzosek J., Pekarsk W.: The toxcty level of exhaust gases n tractor engnes fed wth bofuels. Teka Koms. Mot. Energ. Rol., 64-7, 00.

8 4 WIESŁAW PIEKARSKI, JACEK WAWRZOSEK 5. Wawrzosek J., Pekarsk W.: Wpływ zawartośc estru oleju rzepakowego w meszance palwowej na pozom emsj dwutlenku węgla (w recenzj). Streszczene Pozom emsj węglowodorów C nh m w spalnach slnków S-400 zaslanych meszankam palwowym mneralnego oleju napędowego ON z dodatkem estru oleju rzepakowego RME zmnejsza sę o stałą welkość, wynkającą z welkośc tego dodatku. Natomast wzrasta on wraz ze spadkem mocy slnk, a takŝe zaleŝy od rozwjanej przez slnk prędkośc obrotowej. Summary Emsson level of hydrocarbons CnHm n combuston fumes of the S-400 engnes fed wth fuel mxes of mneral engne ol ON wth an addton of rape ol ester RME drops by a constant value dependent on the quantty of the addton. It rses, however, when an engne s power drops; t s also dependent on an engne s rotaton speed. Recenzent: Prof. dr hab. nŝ. Eugenusz Krasowsk