ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 5(96)/2013

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 5(96)/213 Andrzej Bieniek 1 STEROWANIE UKŁADEM RECYRKULACJI SPALIN SILNIKA POJAZDU POZADROGOWEGO A EMISJA NO x i PM 1. Wstęp Spełnienie coraz ostrzejszych kolejnych norm emisji spalin dotyczacych pojazdów pozadrogowych wymaga doskonalenia metod ograniczania emisji substancji gazowych i cząstek stałych zawartych w spalinach. Specyfika warunków eksploatacji pojazdów pozadrogowych wymaga odmiennego podejścia do probelmu związanego z wyborem sposobów ograniczenia emisji spalin. Wysokie wymagania stawia się systemom ograniczenia emisji spalin silników takich pojazdów szczególnie jeżeli chodzi o niewrażliwość na trudne warunki eksploatacyjne oraz trwałość i niezawodność działania. Wprowadzenie kolejnych norm nakłada również na producentów silników obowiązek uzyskania wysokich własności ekologicznych tj. spełnienie norm emisji spalin uwarunkowanych normami EURO Stage i TIER [7, 8, 11, 13]. Mając na uwadze przytoczone powyżej czynniki próbuje się z jednej strony ograniczyć skomplikowanie i liczbę dodatkowych elementów układu oczyszczania spalin, a z drugiej spełnić wymagania rygorystycznych najnowszych norm emisji spalin. Wśród sposobów pozwalajacych na redukcję emisji substancji gazowych i cząstek stałych można wyróżnić metody pierwotnego (silnikowego) i wtórnego (pozasilnikowego) ograniczenia emisji spalin Zastosowanie systemów wtórnego ograniczania emisji zazwyczaj staje się nieodzowne w przypadku najnowszych norm emisji. Jest to jednak związane ze znacznym wzrostem kosztów, zarówno eksploatacyjnych (potrzeba okresowej wymiany elementów układu, uzupełnienia płynów, zwiększenie zużycia paliwa, kosztów obsługi i serwisowania) jak i produkcji (katalizator, filtr cząstek stałych). W związku z tym próbuje się optymalizować działanie metod pierwotnego ograniczenia emisji spalin [1, 9, 1, 12, 14, 15]. Jednym z możliwych, a równocześnie bardzo efektywnych metod redukujących emisję głównie NO x, jest recyrkulacja spalin w silniku (EGR - Exhaust Gas Recirculation). Zwiększenie efektywności działania układu EGR przez wzrost stopnia recyrkulacji spalin może powodować znaczne zwiększenie emisji innych składników spalin takich jak cząstki stałe (PM Particulate Mater) [11, 15]. Zastosowanie chłodzenia spalin daje również wymierne efekty w postaci ograniczenia NO x [1, 11]. W związku z tym należy w taki sposób sterować zaworem EGR, aby możliwe było uzyskanie najbardziej korzystnej emisji uwzględniając kompromis pomiędzy emisją poszczególnych składników [2, 3, 5]. 2. Podstawowe uwarunkowania dotyczące emisji spalin pojazdów drogowych Przedmiotem norm emisji spalin są m. in. dopuszczalne poziomy emisji takich substancji jak NO x, HC CO i PM. Szczególną jednak uwagę w ostatnich edycjach norm zwraca się na emisję PM i NO x. Przyszłościowa norma EURO Stage IV, której wprowadzenie planuje się na rok 214 koncentruje się na ograniczeniu jednostkowej 1 dr inż. Andrzej Bieniek, adiunkt w Katedrze Pojazdów Drogowych i Rolniczych Politechniki Opolskiej 39

2 Emisja g/kwh Emisja, g/kwh emisji NO x aż o 88%, przy równoczesnym pozostawieniu na poprzednim poziomie emisji jednostkowej PM (rys.1) [7, 13]. Należy zwrócić uwagę, że obowiązująca od 212 roku norma EURO Stage IIIb spowodowała ograniczenie emisji jednostkowej PM o prawie 92% w stosunku do poprzedniej normy EURO Stage IIIa wprowadzonej w roku 27, a obowiązującej dla popularnej grupy pojazdów pozadrogowych (w tym ciągników rolniczych) charakteryzującej się silnikami o mocy z zakresu 75 13kW ,2 6, 3,3-88%,4 Stage I Stage II Stage IIIb Stage IV EURO NOx,8,7,6,5,4,3,2,1,7,3 - %,25,25 Stage I Stage II Stage IIIb Stage IV EURO PM Rys. 1. Dopuszczalna emisja jednostkowa NO x i PM wg normy EURO Z tego względu wydaje się, że optymalizowanie działania systemów ograniczających głównie emisję NO x ma ogromne znaczenie. 3. Badania stanowiskowe 3.1. Obiekt i stanowisko badawcze W celu zbadania wpływu sterowania zaworem EGR na emisję NO x i PM przeprowadzono na stanowisku badawczym z wykorzystaniem silnika ZS (Z155) ciągnika rolniczego o mocy przekraczającej 75 kw wyposażonego turbosprężarkę, chłodzenie powietrza doładowanego oraz układ wtryskowy umożliwiający podział dawki paliwa na fazy (rys. 2). Rys. 2. Silnik Z155 zamontowany na stanowisku badawczym 4

3 EGR Valve position, mm System pierwotnej redukcji spalin oparto na zmodyfikowanym układzie recyrkulacji spalin wyposażonego w chłodnicę spalin typu ciecz-gaz Zaawansowany system recyrkulacji spalin W celu poprawy efektywności ograniczenia sumarycznej emisji NO x i PM zaproponowano modyfikację układu recyrkulacji spalin, której głównym celem jest umożliwienie elastycznego sterowania stopniem recyrkulacji spalin oraz możliwości monitorowania efektywności działania systemu. Założone cele starano się osiągnąć dzięki zastosowaniu proporcjonalnego elektrozaworu będącego jednym z głównych elementów systemu EGR oraz zastosowaniu zintegrowanego czujnika NO x /O 2 (rys. 3 i 4) [3, 16]. NO x /O 2 sensor Proporcjonalny zawór EGR Rys. 3. Układ EGR wyposażony w elektrozawór EGR oraz czujnik NO x /O 2 [17] 6 free programable EGR Valve opening steps 4 2 EGR OFF EGR ON control signal lenght, s Rys. 4. Sterowanie elektrozaworem EGR za pomocą aplikacji EGR Controler wykonanej w pakiecie LabView dzięki regulacji długości trwania sygnału sterującego [3, 4, 6] 41

4 Wprowadzenie do układu czujnika NO x /O 2 pozwala na takie sterowanie elektrozaworem, które umożliwia dzięki zastosowaniu proponowanych reguł sterowania uzyskanie korzystnej emisji zarówno NO x jak i PM Wskaźniki emisji Zastosowany zintegrowany czujnik NO x /O 2 pozwala na pomiar ilości resztkowego tlenu w spalinach. Obniżenie koncentracji tlenu sprzyja powstawaniu cząstek stałych PM, dlatego bardzo istotne jest sterownie stopniem recyrkulacji spalin EGR. Ma to na celu zachowanie korzystnego wskaźnika względnej emisji NO x [2, 3, 5]: NO x ENO (1) x m m NO max oraz równocześnie uzyskania niskiej wartości względnej emisji cząstek stałych PM: x E PM m m PM PM max, (2) gdzie: m NO X emisja jednostkowa NO x, g kwh -1, m PM emisja jednostkowa PM, g kwh -1, m NO X max maksymalna wartość emisji jednostkowej NO x, g kwh -1, m maksymalna wartość emisji jednostkowej PM, g kwh -1, PM max Przedstawienie emisji zarówno NO x jak i PM w postaci względnej i ujecie jej w sposób sumaryczny przedstawiono za pomocą wskaźnika emisji E r [2, 3, 5] wprowadzając równocześnie wagowy wskaźnik emisji w: E r we rnox ( 1 w) E rpm, (3) gdzie w - wagowy wskaźnik emisji, w ; 1 Zależność ta zawierająca wagowy wskaźnik emisji w pozwala dostosować wartość E r do zadanej strategii sterowania, pozwalając na uzyskanie najkorzystniejszego kompromisu jeżeli chodzi o emisję całkowitą. Opisywany wagowy wskaźnik emisji pozwala również na uwzględnienie zastosowania pozasilnikowych metod ograniczenia emisji (np. zastosowanie katalizatora zasobnikowego, bądź filtra cząstek stałych) stosownie do efektywności redukcji emisji zastosowanej metody Analiza wyników badań Uzyskane na stanowisku badawczym wyniki badań poddano analizie. Spośród serii badań przeprowadzonych przy różnych obciążeniach silnika pracującego w zakresie prędkości obrotowych od 8 do 22 obr/min w niniejszej publikacji przedstawiono rezultaty dotyczące pracy silnika z prędkością obrotową 12 obr/min oraz obciążeniach od do 19 Nm przy równoczesnym sterowaniu stopniem otwarcia zaworu w pełnym zakresie to jest od do 1%. Do pomiaru stężenia NO x wykorzystano umieszczony w układzie wylotowym zintegrowany czujnik NO x /O 2 firmy Drivven [16], zaś pomiar 42

5 emisja względna NOx stężenie NOx, ppm stężenia PM przeprowadzono za pomocą urządzenia MAHA MPM-4. W rezultacie umożliwiło to analizę zależności pomiędzy stężeniem PM a NO x w spalinach. Jak pokazuje rys. 5 w zależności od stopnia otwarcia zaworu EGR można wyznaczyć krzywe, których przebieg jest zależny od stopnia otwarcia zaworu EGR % 3% 8% 11% 15% 18% 3% 1% stężenie PM, mg m(-3) Rys. 5. Zależność pomiędzy stężeniem NO x a PM w spalinach od stopnia otwarcia zaworu EGR dla prędkości obrotowej 12 obr/min Stosując zależności (1-3) przedstawiono wskaźniki emisji względnej od stopnia otwarcia zaworu EGR (rys. 6, 7). Wartości na osiach stopnia otwarcia zaworu EGR ograniczono do 4 % jako, że w dalszej części krzywe emisji względnej dążą asymptotycznie do wartości stałych (rys. 6) bądź też wartości 1 w przypadku emisji względnej PM (rys. 7). Największe wartości emisji względnej NO x zanotowano dla zamkniętego zaworu EGR (rys. 6). 1,9,8,7,6,5,4,3,2,1 Nm 4 Nm 8 Nm 12 Nm 16 Nm 19 Nm EGR, % Rys. 6. Przebieg emisji względnej NO x od stopnia otwarcia zaworu EGR Analizując przebieg krzywych emisji względnej cząstek stałych (rys. 7) widać jej wzrost wraz ze zwiększającym się stopniem otwarcia zaworu EGR. Mając na uwadze rożne kompletacje układów wtórnego ograniczenia emisji można dowolnie ustalać wartość wagowego wskaźnika emisji. Dla hipotetycznego przypadku 43

6 wskaźnik emisji względnej Er emisja względna PM zastosowania wydajnego układu redukcji cząstek stałych wyposażonego w filtr DPF zaproponowano przyjęcie wartości współczynnika wagi w =,6. 1,9,8,7,6,5,4,3,2, EGR, % Nm 4 Nm 8 Nm 12 Nm 16 Nm 19 Nm Rys. 7. Przebieg emisji względnej PM od stopnia otwarcia zaworu EGR Dla takiego przypadku dokonano dalszej analizy i na jej podstawie zaproponowano wytyczne do sterowania zaworem EGR w postaci linii sterowania zaworem EGR. Przedstawiono przebieg wskaźnika emisji względnej E r w zależności od stopnia otwarcia zaworu EGR (rys. 8). 1,9,8,7 Nm 4 Nm 8 Nm,6 12 Nm 16 Nm 19 Nm, EGR, % Rys. 8. Przebieg wskaźnika emisji względnej E r od stopnia otwarcia zaworu EGR Określenie najkorzystniejszego stopnia otwarcia zaworu EGR wymaga uwzględnienia minimalnej wartości wskaźnika emisji E r osobno dla każdego ustalonego obciążenia silnika. W związku z tym przedstawiono wykresy słupkowe wskaźnika emisji względnej E r w zależności od obciążenia silnika przy wybranych ustawieniach stopnia otwarcia zaworu EGR. Punkty odpowiadające minimalnej wartości E r przedstawiono następnie w układzie obciążenie silnika otwarcie zaworu EGR co jest bazą do wyznaczenia krzywej sterowania minimalnego wskaźnika emisji (rys. 9). 44

7 otwarcie zaworu EGR, % wskaźnik emisji względnej Er, 1,9,8,7,6,5,4,3,2, obciążenie silnika, Nm % 3% 8% 11% 15% 18% 3% 1% Rys. 9. Wskaźnik emisji względnej E r od obciążenia silnika przy wybranych ustawieniach otwarcia zaworu EGR Krzywa sterowania zaworem EGR dla Er=min %EGR = 884,22*M -,992 R 2 =, obciążenie silnika M, Nm Rys. 1. Krzywa sterowania stopniem otwarcia zaworu EGR dla minimalnej wartości wskaźnika emisji względnej E r Linię sterowania zaproponowano jako krzywą potęgową, zaś jej przebieg i zapis matematyczny zamieszczono na rys. 1. Postępując podobnie dla innych prędkości obrotowych silnika można wyznaczyć pęk takich krzywych tworzących trójwymiarową mapę sterownia zaworem EGR. 4. Podsumowanie Najnowsze normy dopuszczalnej normy emisji spalin wymagają doskonalenia metod ograniczenia emisji spalin. Jak pokazują przeprowadzone badania optymalizacja metod silnikowych opartych na recyrkulacji spalin może opierać się o poprawę sterowania układem EGR dzięki zastosowaniu proporcjonalnego zaworu EGR oraz zastosowania sprzężenia zwrotnego z sygnału zintegrowanego czujnika NO x /O 2. Pomiar stężenia NO x w spalinach pozwala na dostosowanie stopnia recyrkulacji spalin do aktualnych zmiennych warunków pracy silnika uwzględniając podstawową mapę sterowania stopniem otwarcia zaworu EGR. Zmienne warunki pracy silnika, wpływ 45

8 czynników eksploatacyjnych, niesprawności działania układu EGR, mogą wobec tego zostać uwzględnione w sterowaniu systemem EGR dzięki zastosowaniu zintegrowanego czujnika NO x /O 2 ciągle monitorującego poziom emisji NO x. Sterowanie zaworem EGR powinno również uwzględniać zarówno zastosowaną konfigurację jak i możliwości pozasilnikowych metod ograniczenia emisji spalin. Zastosowanie sprzężenia zwrotnego pozwala na dokonanie korekt stopnia otwarcia zaworu i wykorzystanie możliwości autoadaptacji układu EGR. Dzięki wprowadzeniu wagowego wskaźnika emisji można wstępnie uwzględnić konfigurację i skompletowanie pozasilnikowych systemów ograniczenia emisji wpływając tym samym na kształt podstawowej mapy sterowania zaworem EGR i uwzględniając założony kompromis pomiędzy emisją NO x i PM. Literatura: [1] Baumgard K., Cooke S., Exhaust Aftertreatment and Low Pressure LOP EGR applied to off-higway engine, Jon Deere Power Systems, 25 [2] Bieniek A., Mamala J. Graba M.: Możliwości wstępnego ograniczenia emisji NO x i PM silnika wysokoprężnego w aspekcie przyszłościowych norm emisji pojazdów pozadrogowych, Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów 1(87)/212 r., s [3] Bieniek A., Mamala J., Augustynowicz A., Graba M., Brol S., Lenc-Brol A., Lechowicz A.: Zasilanie silników wysokoprężnych pojazdów pozadrogowych, Monografia Oficyna Wydawnicza Politechniki Opolskiej, 212 [4] 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. 4, 211, s [5] 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 211, SAE India M2166, s. 1 6 [6] Graba M., Bieniek A., Mamala J., Lechowicz A.: Sterowanie adaptacyjne zaworu recyrkulacji spalin w silniku o zapłonie samoczynnym w aspekcie obniżenia emisji substancji szkodliwych, Inżynieria Rolnicza Nr 5 (13), 211, s [7] Dieselnet- Emission Test Cycle, [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 4/28, s [9] Kopiński D., Jackson C., Nonroad Diesel PM Control, US EPA, Washington 1997, s. 1-2 [1] Lejda K., Elimination of NO x Emission In Diesel Engine by EGR Metod, Western Sciientific Centra of Ukrainian Transport Academy, Logos, 2 [11] Merkisz J., Ekologiczne problemy silników spalinowych, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, 1998 [12] Tonetti M., EGR Control System, United States Patent Aplication Publication US 29/25617 A1, 29, s. 1-8 [13] VDMA, Exhaust Emission Legislation Diesel and Gas engines, 28 [14] Yokomura H., Kohketsu S., Mori K, EGR System in a Turbocharged and Intercooled Heavy-Duty Diesel Engine Expansion of EGR Area with Venturi EGR System, Technical Review,

9 [15] Jung S., Ishida M., Yamamoto S., Ueki H., Sakaguchi D., Enhancement of NO x - PM trade off a diesel engine adopting bio-ethanol and EGR, International Journal of Automotive Technology, Vol. 11, No. 5, 21, pp [16] DRIVVEN Information and Serviceof NO x /O 2 sensor kit, 21 [17] 21 Streszczenie Opracowanie pokazuje możliwości ograniczenia emisji substancji szkodliwych silnika spalinowego z wykorzystaniem zmodyfikowanego układu recyrkulacji spalin wyposażeonego w zaawansowane sterowanie. Proponowany układ oprócz chłodzenia spalin wyposażono w proporcjonalny zawór EGR sterowany sterowany algorytmem uwzględniającym konfigurację całego systemu ograniczenia emisji spalin. Dzięki doborze odpowiednich parametrów sterowania można dowolnie ustalać priorytet ograniczenia wybranego składnika spalin. Zastosowanie zintegrowanego czujnika NO x /O 2 pozwala na monitorowanie działania całego układu z możliwością autoadaptacji układu do zmieniających się warunków pracy silnika. W publikacji zaproponowano reguły sterowania zaworem oparte na uzyskaniu najkorzytsniejszego kompromisu pomiędzy emisją cząstek stałych a emisją tlenków azotu zależnie od zastosowanej konfiguracji układu oczyszczania spalin. W tym celu zaproponowano przedstawienie emisji w sposób względny w postaci wskaźnika emisji względnej. Praca zawiera analizę wybranych wyników badań emisji NO x i PM. Słowa kluczowe: recyrkulacja spalin EGR, emisja NO x i PM, zintegrowany czujnik NO x /O 2 CONTROL OF EXHAUST RECIRCULATION SYSTEM AT NONROAD VEHICLE ENGINE AND THEIR NO x AND PM EMISSION Abstract This paper describe possibilities to reduction of harmful substances emission of combustion engine with modified exhaust gas recirculation system equipped with advances control system. Proposed EGR system besides of exhaust gases cooling system is equipped with proportional EGR valve controlled thru algorithm that take into consideration a configuration of whole exhaust gases reduction system. Thanks to control parameters its possible to determine priority of chosen exhaust gas ingredient reduction. Application of integrated NO x /O 2 sensor allow to monitoring of whole system with possibilities to automatically system adaptation due to changes in engine operating conditions. This paper propose simple EGR valve control principles based on favorable compromise between NO x and PM emission depends of configuration of exhaust gas reduction system. To hit this target relative emission indexes a is proposed. In this paper an analysis of chosen NO x and PM emission as experiment results are included. Keywords: exhaust gas recirculation EGR, NO x and PM emission, integrated NO x /O 2 sensor 47

10 48