THE INFLUENCE OF EXHAUST GAS RECIRCULATION RATE ON EMISSION AND THERMODYNAMICS PARAMETERS OF DI DIESEL ENGINE

Transkrypt

1 Journal of KONS Internal Combustion ngines 23, vol. 1, 3-4 TH INFLUNC OF XHAUST GAS RCIRCULATION RAT ON MISSION AND THRMODYNAMICS PARAMTRS OF DI DISL NGIN Władysław Kozak, Piotr Lijewski Jarosław Markowski, Krzysztof Wisłocki Politechnika Poznańska Instytut Silników Spalinowych i Podstaw Konstrukcji Maszyn Poznań ul. Piotrowo 3 Abstract An increase of the output parameters of modern DI Diesel engines correlates very closely with the incylinder parameters as pressure and temperature, which influence engine efficiency and emissions. The further development of this kind of engines is being restricted by NO x and PM limits, where the significant problem is, that the reduction of PM emission obtained by optimisation of thermodynamical parameters causes an increase of NO x emission and counter wise. Application of the controlled xhaust Gas Recirculation (GR) in low and middle load ranges could stand for an effective solution of this problem. The important question is, what an GR-rate in this engine operating range should be matched. Another words, how the GR-valve should be controlled and what kind of the controlling function should be evaluated and applied. For formulation of the optimal controlling function of the GR-valve the investigations on the 4-cyl. 8 kw DI Diesel engine have been carried out. Research stand, measuring equipment and methodology of the investigations by changing of the GR-mass flow have been presented in the paper. The obtained results, especially the sensitivity of engine parameters on changes in GR-rate, could be treated as being representative for DI Diesel engines of LDV (Light Duty Vehicle) application range. WPŁYW RCYRKULACJI SPALIN NA MISJĘ ZWIĄZKÓW SZKODLIWYCH SPALIN I PARAMTRY TRMODYNAMICZN SILNIKA O ZAPŁONI SAMOCZYNNYM 1. Wprowadzenie Zagadnienia tworzenia się w silnikach o zapłonie samoczynnym szkodliwych związków zawartych w spalinach emitowanych do atmosfery związane są nierozerwalnie z procesem spalania. Ograniczenie emisji toksycznych składników spalin, a zwłaszcza tlenków azotu i cząstek stałych przez silniki o zapłonie samoczynnym sprawia wiele trudności. Wynika to przede wszystkim ze specyfiki realizowanego w nich procesu spalania, charakteryzującego się bardzo dużą zmiennością lokalnego współczynnika nadmiaru powietrza, przyjmującego wartości: λ w powietrzu znajdującym się w komorze spalania, λ 1 w obszarze czoła płomienia i λ w rdzeniu strugi paliwa. Duże znaczenie ma również zmieniająca się w zależności od obciążenia wartość globalnego współczynnika nadmiaru powietrza. Stan ten definitywnie uniemożliwia zastosowanie trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego, który, w przypadku silników o zapłonie iskrowym, usuwa CO, HC i NO x z ponad 9-procentową skutecznością. Dodatkowo w spalinach silników ZS występują znaczne ilości cząstek stałych, które reaktor katalityczny neutralizuje w małym stopniu (nie więcej niż -3%). Zastosowanie bardziej skutecznych filtrów cząstek stałych związane jest z ograniczeniami wynikającymi ze wzrostu strat przepływu w układzie wylotowym silnika (wzrost zużycia paliwa, spadek mocy), wysoką emisję węglowodorów podczas regeneracji filtra, wysokimi wymaganiami serwisowymi.

2 Dlatego też w silnikach wysokoprężnych bardzo duży nacisk kładzie się na ograniczenie emisji środkami, które wpływają na zmniejszenie szybkości tworzenia się wymienionych związków podczas spalania, w obrębie komory spalania. Między innymi środkiem takim, powszechnie stosowanym we współczesnych silnikach, jest recyrkulacja spalin (GR). GR-u używa się głównie w celu obniżenia emisji NO x. Jednak jego działanie nie jest jednokierunkowo pozytywne. Obniżeniu emisji NO x towarzyszy, na ogół, wzrost emisji CO i PM oraz w niektórych obszarach pracy wzrost emisji HC. Zatem przystępując do projektowania układu GR, a jeszcze bardziej ustalając funkcję sterującą natężeniem GR-u, odpowiednią do warunków pracy silnika, postępować należy ostrożnie. Jeżeli działanie GR-u wywołuje takie skutki, to powstaje pytanie, jak kształtować (dobierać) jego wartość w dowolnie wybranym punkcie pracy silnika. Pytanie to dotyczy ustalenia kryterium, w oparciu o które problem będzie rozwiązywany. Dla udzielenia odpowiedzi na postawione pytanie autorzy referatu przeprowadzili badania, wykorzystując dysponowany silnik (turbodoładowany silnik wysokoprężny z wtryskiem bezpośrednim, wyposażony w chłodnicę powietrza i układ recyrkulacji spalin). Badania ograniczono do punktów pracy silnika zawartych w teście 13-fazowym, pokazanych na rysynku1. W punktach tych sporządzono charakterystyki regulacyjne wpływu wartości GR na parametry pracy silnika i emisję. Ne [kw] Ne 1% 75% 5% % M n [obr/min] M o [Nm] Rys. 1. Warunki pracy silnika z zaznaczonymi kolejno punktami pomiarowymi testu SC [1] Fig. 1. ngine work conditions and phases of SC cycle [1] 2. Stanowisko badawcze i aparatura Badania przeprowadzono przy wykorzystaniu nastawnego zaworu GR, montowanego w miejsce fabrycznego, który umożliwił kontrolę otwarcia zaworu (wartość strumienia spalin wykorzystanych do potrzeb recyrkulacji ustalano metodą dławieniową). Zmiany nastaw otwarcia dokonywano skokowo z krokiem równym 2 mm. Ilość spalin wykorzystanych do potrzeb recyrkulacji określano na podstawie ubytku powietrza zużywanego przez silnik. W każdym punkcie otwarcia zaworu GR zmierzoną wartość zużycia powietrza odnoszono do wartości zmierzonej w takich samych warunkach pracy silnika przy zamkniętym zaworze. Pomiaru stężeń gazowych składników spalin (CO, CO 2, HC, NO x ) dokonano analizatorem Horiba Mexa 71D (HC oznaczane jest jako THC), którego parametry zamieszczono w tablicy 1. Ponadto do pomiaru zadymienia wykorzystano Opacimetr pomiar stopnia zaczernienia spalin N (%). Jednocześnie mierzono przebiegi ciśnień: w cylindrze silnika i w przewodzie wysokiego ciśnienia bezpośrednio przed wtryskiwaczem.

3 Tablica 1. Charakterystyka analizatora spalin systemu Parameters of Horiba Mexa 71D analyser Model Składnik Ilość zakresów Droga pomiarowa AIA CO(L) 4 NDIR non-dispersive infrared AIA CO(H)/CO 2 4 NDIR MPA-72- O 2 9 MPA Paramagnetic-analizator FIA-7A THC 9 HFID heated flame ionisation detector CLA-756 NO/NO x 9 HCLD heated chemiluminescent detector 3. Wyniki badań i ich analiza Otrzymane w wyniku badań charakterystyki regulacyjne wpływu strumienia spalin, wykorzystanych w recyrkulacji, wyrażonego wzniosem zaworu h GR przedstawiono na rysunkach 2, 3 i 4. NOx [ppm] n=22 obr/min NOx-127Nm NOx-192Nm NOx-64Nm GR-192Nm GR-127Nm GR-64Nm GR [%] N [%] N-127Nm N-64Nm THC-127Nm n=22 obr/min N-192Nm THC-192Nm THC-64Nm THC [ppm] NOx [ppm] n=28 obr/min NOx-1Nm NOx-188Nm NOx-63Nm GR-188Nm G GR [%] N [%] 5 N-1Nm N-63Nm THC-1Nm n=28 obr/min N-188Nm THC-188Nm THC-63Nm THC [ppm] NOx [ppm] n=34 obr/min NOx-112Nm NOx-57Nm GR-112Nm NOx-169Nm GR-169Nm GR-57Nm Rys. 2. misja NOx w fazach testu SC Fig. 2. NO x emission in each phase of SC cycle 3 GR [%] N [%] 34 obr/min N-112Nm N-169Nm N-57Nm THC-169Nm THC-112Nm THC-57Nm Rys. 3. misja THC i N w fazach testu SC Fig. 3. THC and N emission in each phase of SC cycle THC [ppm]

4 We wszystkich punktach testu zwiększanie recyrkulacji spalin powoduje obniżanie emisji NO x i jednoczesny wzrost emisji pozostałych zmierzonych związków toksycznych (THC, CO, N). Największą efektywność w redukcji emisji NO x uzyskano przy niewielkich otwarciach zaworu GR. Wraz ze wzrostem otwarcia zaworu (zwiększanie recyrkulacji) asymptotycznie maleje efektywność redukcji tlenków azotu i zwiększanie GR do wartości ponad 45% nie wpływa na wielkość emisji NO x. Zwiększanie udziału recyrkulacji spalin wywołuje największe zmiany (wzrost) w emisji CO, w drugiej kolejności w zadymieniu spalin (również wzrost), a dopiero w trzeciej kolejności w emisji NO x (obniżenie). Tendencje wpływu GR na emisję w warunkach testu (rys. 5) prawie w pełni pokrywają się z obserwowanymi tendencjami wpływu w poszczególnych punktach (rys. 2, 3, 4). Mimo stosunkowo dużego otwarcia zaworu GR (udział spalin ponad 4%) poziom emisji NO x badanego silnika, w stosunku do uro III, pozostaje w dalszym ciągu przekroczony o około 5%. Należy zauważyć, że zwiększenie GR do około 4% spowodowało obniżenie emisji NO x o około 33%. Oceny parametrów procesu spalania dla każdego punktu testu i każdej nastawy zaworu GR dokonano na podstawie wartości ciśnień w cylindrze dla uśrednionych dziesieciu przebiegów. Zgodnie z oczekiwaniami największą wartość ciśnienia w cylindrze uzyskano przy zamkniętym zaworze GR. CO, NOx [g/km] CO NOx CO-limit NOx-limit HC PM HC-limit PM-limit 5, NOx 2,1 CO,7,66 HC,6,13 PM,1, Rys. 5. misja poszczególnych związków w teście SC Fig. 5. mission in SC cycle,5,4,3,2 HC, PM [g/km] CO [ppm] CO [ppm] CO [ppm] CO-192Nm CO-64Nm n=22 obr/min CO-127Nm n=28 obr/min CO-188Nm CO-1Nm CO-63Nm n=34 obr/min CO-169Nm CO-57Nm CO-112Nm Rys. 4. misja CO w fazach testu SC Fig. 4. CO emission in each phase of SC cycle Stopniowe zwiększanie recyrkulacji spalin powodowało obniżanie wartości maksymalnego ciśnienia w cylindrze. Podobne zmiany zaobserwowano dla przebiegu szybkości przyrostu ciśnienia w cylindrze. Tutaj największe wartości odnotowano również dla spalania przy zamkniętym zaworze GR. Na rysunkach 6 i 7 przedstawione są przykładowe przebiegi omawianych wielkości dla siódmego punktu testu SC przy różnych ustawieniach zaworu GR. Podobne tendencje zaobserwowano rónież dla pozostałych badanych punktów pracy silnika

5 P cyl [bar] mm GR 2mm GR 4mm GR 6mm GR 8mm GR 1mm GR Kąt OWK [ o ] Rys. 6. Przebieg ciśnienia w cylindrze w siódmej fazie testu SC z i bez GR Fig. 6. Cylinder Pressure in seventh phase of SC test with and without GR 1 dp/dα [bar/owk ] dp/dalfa [ bar/owk ] mm GR 2mm GR 6mm GR 8mm GR 1mm GR Kąt OW K [ o ] Rys. 7. Wartości przyrostów ciśnień w siódmej fazie testu SC z i bez GR Fig. 7. Cylinder pressure rise in seventh phase of SC test with and without GR W badanym silniku sytuacja jest bardzo niekorzystna, bowiem przekroczenie limitu emisji CO przy zamkniętym zaworze GR uniemożliwia praktycznie otwieranie zaworu. GR. Nie mniej otrzymane wyniki są interesujące z punktu widzenia poszukiwania wspomnianej we wstępie funkcji sterującej natężeniem GR-u. 4. Propozycja kryterium wyboru wartości GR Z matematycznego punktu widzenia funkcja kryterialna, w oparciu o którą ustalana będzie wartość GR-u, powinna mieć postać ułatwiającą stosowanie metod optymalizacyjnych. Przy właściwej wartości GR-u powinna posiadać jedno, silne ekstremum. Z fizycznego punktu widzenia powinna uwzględnić co najmniej trzy czynniki. Jeżeli przy GR= nastąpi przekroczenie emisji NO x natomiast w emisji pozostałych składników spalin występuje zapas, to czynnikami tymi powinny być:

6 zmiany w emisji każdego składnika, wywołane wprowadzeniem GR, szkodliwość analizowanego związku, zapas względem wartości dopuszczalnej (lub jej przekroczenie). Z matematycznego punktu widzenia najwygodniej jest powiązać te czynniki sumą lub iloczynem. Zmiany emisji w punkcie pracy silnika (określonym przez parę: n, M o ) najprościej wyrazić jest w postaci różnicy w emisji i wywołanej wprowadzeniem recyrkulacji, odniesionej do przypadku GR=, tj.,i. Ze względu na znaczne różnice liczbowe wartości emisji dopuszczalnej, najlepiej wyrazić ją w postaci unormowanej, gdzie normą może być wartość,i. W ten sposób zmiany w emisji mogą być opisane wyrażeniem: i,i,i. W potocznym języku pojęcie szkodliwość rozumiane jest jednoznacznie. W odniesieniu do analizowanych składników spalin ich obecność w powietrzu negatywnie działa na zdrowie, pogarsza widoczność, itp. Do wyznaczenia miary szkodliwości poszczególnych składników spalin można wykorzystać istniejące normy. Niezależnie od przesłanek, którymi kierował się ustawodawca przyjmując wartości dopuszczalne emisji, interpretować je należy jako granicę, przekroczenie której wywołuje niekorzystne zmiany, np. zdrowotne. Znaczne różnice w wartościach dopuszczalnych świadczą o ich zróżnicowanej szkodliwości. Związek, którego wartość dopuszczalna jest najmniejsza musi być zarazem najbardziej szkodliwy, gdyż jego mała ilość wywołuje taki sam skutek zdrowotny jak związek o dużej wartości dopuszczalnej. Fakt ten powinien być uwzględniony w kryterium, np. poprzez wprowadzenie swego rodzaju współczynnika szkodliwości, czy też ważności, oznaczanego dalej prze x w. Kierując się tylko intuicją można żądać, aby współczynnik ten miał charakter względny tzn., aby jego wartości mieściły się w przedziale 1. Jeżeli obliczyć sumę wartości dopuszczalnych emisji w teście wszystkich związków S L i od niej odjąć wartość limitu emisji analizowanego, i-tego związku, to otrzymana różnica musi przypadać na pozostałe związki. Ponieważ analizowane są wartości graniczne (mimo różnic w wartościach dopuszczalnych wywołują taki sam skutek) różnicę tą należy rozdzielić równomiernie na pozostałe związki, tzn. podzielić przez (I-1) gdzie I ilość analizowanych składników szkodliwych (w tym przypadku I=4), jednak nie przez wartość bezwzględną, lecz względną, unormowaną do wartości S L. Opisaną operację ujmuje wyrażenie: x w,i S,i 1 =. S I 1 Suma wartości wszystkich współczynników powinna być równa 1. Fakt przekroczenia emisji dopuszczalnej i-tego składnika można łatwo wyrazić ilorazem o,i postaci: x p,i =. Ma on charakter względny i jest współczynnikiem przekroczenia dopuszczalnego normą limitu. Zapas emisji można zapisać jako: o,i. Wyrażenie to przyjmuje wartość ujemną, gdy emisja w teście przy GR= jest mniejsza od wartości dopuszczalnej. Kierując się nieco intuicją oraz metodą prób omówione wyżej składniki połączono w postać iloczynu a następnie utworzono sumę, łączącą związki zawarte w spalinach, o postaci:

7 u,i i i,i f (GR) = x w,i, x gdzie dodatkowo wprowadzono udziały wagowe u i. i p,i, i punkt 1, -,2 -,4 -,6 -, punkt 3, -,1 -,2 -,3 -, punkt 4, -,2 -,4 -, punkt 5, -,2 -,4 -,6 -,8 -, , -,1 -,2 -,3 punkt 6 -, , -,5 -,1 -, punkt punkt 7, -,5 -, punkt 11, -,2 -,4 -, punkt 12,,1,5, punkt 13, -,2 -,4 -,6 -, Rys. 8. Przebieg proponowanej funkcji w punktach testu SC Fig. 8. Propose controlling function in each phase of SC cycle Dopuszczalne wartości emisji wymienionych związków, zawarte w normach, np. URO III, obejmują warunki pracy silnika określone odpowiednimi regulaminami, np. test jezdny,

8 13-fazowy wg C R83. Do analizy przyjęto URO III, której wartości dopuszczalne zamieszczono w kolumnie Limit tablicy 2. W tablicy tej zamieszczono również wartości współczynników występujących w funkcji kryterialnej, obliczone w oparciu o uzyskane wyniki badań. Wykorzystano je do obliczenia funkcji f(gr) w każdym punkcie testu (poza punktami z charakterystyki zewnętrznej, w których RGR=). Jej kształt zamieszczono na rysunku 8. Tablica 2. Wartości współczynników funkcji kryterialnej wyznaczone w oparciu o wyniki badań Coefficient amount controlling function enumerate from research Limit Udział wagowy Współczynnik ważności Współczynnik przekroczenia g/km u i x w,i x p,i CO 2,1,266,245 1, HC,66,84,35,13651 NO x 5,,634,122 1,82917 PM,13,16,328,9753 Suma 7, W uwagach dotyczących przebiegu funkcji autorzy chcą podkreślić dwa aspekty: matematyczny i silnikowy. W aspekcie matematycznym należy podkreślić, że we wszystkich punktach testu funkcja ma przebieg zbliżony bardzo do monotonicznego. Odchylenia od takiego przebiegu, obserwowane w punktach 4, 5, i 6 są niewielkie i nie powinny zakłócać wyznaczania ekstremum metodami matematycznymi. Po drugie funkcja ta posiada jedno, wyraźne ekstremum. Wprawdzie w niektórych punktach nie zostało ono osiągnięte, jednak zapewne dlatego, że podczas eksperymentu nie zrealizowano tak dużego otwarcia zaworu GR. Patrząc na przedstawione przebiegi w aspekcie silnikowym należy podkreślić ich poprawność. Układ wartości GR, przy których funkcja osiąga ekstremum (minimum) odpowiada temu, co realizowane jest w praktyce. Generalnie jest tak, że wraz ze zmniejszaniem obciążenia silnika ekstremum pojawia się przy coraz to większych wartościach GR. Jedyne odstępstwo obserwuje się w punkcie 12-tym testu. Funkcja, zamiast monotonicznie maleć jak we wszystkich pozostałych punktach, monotonicznie rośnie. Fakt ten nie musi oznaczać jakiegoś błędu. Punkt 12-sty leży najbliżej charakterystyki zewnętrznej i w obszarze tym recyrkulacja spalin nie jest już wymagana (jest wręcz niepożądana). Zaprezentowane wyniki dotyczą jednego silnika, jednego przypadku eksperymentalnego i w związku z tym nie muszą zawierać uogólnienia. Jednak wyglądają bardzo zachęcająco i dlatego autorzy przedstawiają ją jako propozycję do dyskusji nad kryterium, w oparciu o które wyznaczany będzie wymagany strumień recyrkulacji spalin. Literatura [1] [1] Merkisz J.: kologiczne problemy silników spalinowych, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1999.