Czynniki kształtujące ocenę ekologiczną pracy silników samochodowych

JAKÓBIEC Janusz 1 MAZANEK Aleksander 2 Czynniki kształtujące ocenę ekologiczną pracy silników samochodowych WSTĘP Wymagania techniczno-eksploatacyjne dla paliw silnikowych zależą głównie od konstrukcji silników samochodowych, w tym układu zasilania - wielopunktowego systemu wtrysku paliwa, wielozaworowych głowic wielofunkcyjnych, układu oczyszczania spalin oraz warunków eksploatacji jednostek napędowych. Współczesne silniki samochodowe wymagają paliwa spełniającego kryteria zawarte w projekcie Światowej Karty Paliw [1]. W ostatnich latach obserwuje się wzrost liczby pojazdów samochodowych na świecie, głównie w krajach rozwijających się rys. 1. Rys. 1. Prognozowany światowy wzrost liczby pojazdów na tle liczby ludności [2] Rynek motoryzacyjny staje się coraz większy, a każdy z koncernów motoryzacyjnych stara się mieć na nim jak największy udział. Przy tak dużej ilości pojazdów samochodowych rośnie udział zużycia paliwa, a tym samym wzrost zanieczyszczenia środowiska naturalnego. Eksploatowane samochody przyczyniają się do wzrostu zanieczyszczenia atmosfery o około 30%, a w dużych miastach nawet o 90%. Ponadto szacuje się również, że pojazdy silnikowe są odpowiedzialne za emisję około 12% gazów cieplarnianych (GHG GreenhouseGgases) w Europie [3]. Współczesny świat zdał sobie sprawę, że stanął przed poważnym zagrożeniem ekologicznym wywołanym emisją CO 2 pochodzącym w znacznej mierze z transportu samochodowego. Prowadzone ustawicznie prace badawcze mają na celu nie tylko doskonalenie konstrukcji jednostek napędowych w aspekcie wzrostu niezawodności i sprawności, ale także proekologiczności. Są one ukierunkowane szczególnie na ograniczenie emisji zanieczyszczeń NOx i PM oraz hałasu [4]. Przemysł rafineryjny w kraju od kilkudziesięciu lat intensywnie rozwija swoja bazę produkcyjną, pozwalając sprostać wymaganiom jakości i ekologii, obowiązujących w krajach Unii Europejskiej. Wyznacznikiem postępu w dziedzinie technologii paliw silnikowych jest poprawa ich parametrów wpływających na zwiększenie odczuwalności zadowolenia kierowcy, który zauważa, że pojazd po 1 AGH Akademia Górniczo-Hutnicza Kraków, Wydział Energetyki i Paliw, Al. Mickiewicza 3, 30-059 Kraków, E-mail: jjakobie@agh.edu.pl 2 Instytut Nafty i Gazu PIB, ul. Lubicz 25A, 31-503 Kraków, e-mail: Aleksander.mazanek@inig.pl 4716

zatankowaniu danego produktu lepiej się prowadzi, mniej zanieczyszcza środowisko i w dodatku zużywa mniej paliwa. 1 ROLA I ZNACZENIE PALIW SILNIKOWYCH W OGRANICZENIU ZANIECZYSZCZENIA ŚRODOWISKA NATURALNEGO Dla producentów paliw silnikowych jednym z najistotniejszych aktów prawnych jest Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady z 2009/30/WE z dnia 23 kwietnia 2009r. zmieniająca dyrektywę 98/70/WE odnoszącą się do specyfikacji benzyny i olejów napędowych oraz wprowadzającą mechanizm monitorowania i ograniczania emisji gazów cieplarnianych oraz zmieniającą dyrektywę Rady 1999/32/WE odnoszącą się do specyfikacji paliw wykorzystywanych przez statki żeglugi śródlądowej oraz uchylająca dyrektywę 93/12/EWG [5]. Do najistotniejszych wprowadzonych zmian należy zwiększenie maksymalnej zawartości biokomponentów w paliwach silnikowych. Dyrektywa ta również wśród wielu zapisów, nakłada na dostawców paliw obowiązek ograniczania emisji gazów cieplarnianych w cyklu życia. Zgodnie z Dyrektywą od dostawców wymaga się raportowania intensywności emisji gazów cieplarnianych, ilości, pochodzenia i miejsca zakupu paliw i energii dostarczonej. Cykl życia produktu został zdefiniowany w normie PN EN ISO 14044 [6]. Państwa członkowskie Unii Europejskiej wymagają od dostawców możliwie stopniowego zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych w całym cyklu życia w przeliczeniu na jednostkę energii uzyskanej z paliw i energii dostarczonej o maksymalnie 10% do 31 grudnia 2020 roku w stosunku do podstawowej normy dla paliw, o której mowa w ust. 5 lit. b) dyrektywy FQD. W miarę postępu w doskonaleniu konstrukcji silników spalinowych oraz technologii układów oczyszczania spalin, wymagania co do jakości paliw, w tym oddziaływania na środowisko naturalne sukcesywnie się zaostrzają. Negatywnego oddziaływania silników samochodowych na środowisko naturalne nie da się całkowicie wyeliminować. Formuła chemiczna produktów finalnych, jakimi są paliwa silnikowe, środki smarowe i płyny eksploatacyjne, ulega ciągłej ewolucji ze względu na wymagania dotyczące ochrony środowiska naturalnego i rozwój konstrukcji jednostek napędowych. Działania te wymuszają na konstruktorach pojazdów samochodowych zmian w zakresie konstrukcji układów zasilania, komór spalania silnika, układów oczyszczania spalin, a na producentach paliw dostosowania ich formuły chemicznej do wymagań konstruktorów, aby w efekcie zminimalizować emisję szkodliwych substancji powstających podczas spalania paliwa. Kierunki rozwoju technologii paliw silnikowych determinuje wiele dokumentów i aktów prawnych. Na poziomie światowym jest to Światowa Karta Paliw (wydanie IV wrzesień 2006r.) jako wspólne ogólno wspólnotowe zalecenie dla globalnej harmonii jakości paliw [1]. Na poziomie europejskim są to: Dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady w sprawie norm Euro [7]; Dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady w sprawie jakości paliw ciekłych [4]; Dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady w sprawie energii ze źródeł odnawialnych w paliwach silnikowych stosowanych w transporcie [8]; Strategia Unii Europejskiej prowadząca do zmniejszenia CO 2 z samochodów[9]; Normy europejskie CEC będące technicznym wyznacznikiem jakości paliw [10, 11]. Na poziomie krajowym jest to: Implementacja prawa Unii Europejskiej w postaci ustaw i rozporządzeń w sprawie jakości paliw i biopaliw ciekłych w oparciu o normy europejskie i krajowe [12]. Wyrazem działań w dziedzinie ochrony środowiska naturalnego są wprowadzone w Unii Europejskiej w 1992 roku normy emisji spalin z samochodów osobowych. Normy te, w każdej kolejnej edycji zmniejszają dozwoloną ilość emitowanych w gazach spalinowych związków szkodliwych takich jak: tlenek węgla (CO), węglowodory (HC), tlenki azotu (NO x ) oraz cząstki stałe (PM). Obecne standardy emisji spalin dla samochodów osobowych wyznacza norma EURO 5 obowiązująca od 01.09.2009, a wprowadzenie wymagań EURO 6 przewidziane na koniec 2014 roku. 4717

Norma EURO 6 wymagać będzie stosowania nowych technologii i nowatorskich rozwiązań w zakresie konstrukcji jednostek napędowych, w tym zaawansowanych sposobów sterowania procesem spalania oraz wysokiej jakości paliw zastępczych i pakietów dodatków uszlachetniających te produkty. Nowe rozwiązania konstrukcyjne jednostek napędowych stawiają zwiększone wymagania w stosunku do materiałów eksploatacyjnych, a zwłaszcza dla paliw i olejów silnikowych. Szczególnie wysoka jakość paliw jest warunkiem wstępnym właściwej, stabilnej pracy silnika oraz jego niskiej szkodliwości dla środowiska w całym okresie eksploatacji [13]. Nieuniknionym skutkiem spalania paliw w silnikach pojazdów samochodowych są osady powstające na ściankach komory spalania i w układzie dolotowym, które powodują szereg negatywnych skutków w pracy silnika takich jak pogorszenie zdolności rozruchowej i przyśpieszeń pojazdu, spadek mocy, wzrost zużycia paliwa, wzrost emisji toksycznych składników spalin [14, 15]. Dobór właściwej formuły chemicznej paliwa połączony z doborem odpowiednich pakietów dodatków uszlachetniających i ich dozowania będzie przekładać się na pracę silnika samochodowego, w tym na ocenę ekologiczną oraz czas jego bezawaryjnej eksploatacji. Ograniczenie niekorzystnych zjawisk związanych z zanieczyszczeniem środowiska można uzyskać poprzez optymalizację składu chemicznego paliwa węglowodorowego w kierunku zmniejszenia zawartości węglowodorów o właściwościach osadotwórczych, takich jak węglowodory aromatyczne i olefinowate, optymalizację składu frakcyjnego, zastosowanie odpowiednich pakietów dodatków uszlachetniających. Normy przedmiotowe dla benzyn silnikowych podają limity dla kilkunastu właściwości fizykochemicznych, których spełnienie przez producentów paliw nie jest problematyczne. Światowa Karta Paliw podaje limity normatywne niektórych właściwości fizykochemicznych trudnych do spełnienia przez producentów paliw np. temperatura końca destylacji paliwa finalnego. Dodatkowe limity właściwości użytkowych ustalone przez ten dokument, jak czystość wtryskiwaczy paliwa, czystość zaworów dolotowych czy czystość komór spalania silnika, nie zawsze są osiągane i wymagają dalszych badań zarówno w zakresie formuły paliwa jak i formuły pakietu dodatków uszlachetniających. 2 MOŻLIWOŚCI OGRANICZENIA EMISJI TOKSYCZNYCH SKŁADNIKÓW SPALIN Z POJAZDÓW SAMOCHODOWYCH Wymagania jakościowe stawiane benzynom silnikowym muszą z jednej strony uwzględniać potrzeby silnika, z drugiej zaś ograniczenia stawiane przez przepisy o ochronie środowiska naturalnego. Wymagania stawiane współczesnym silnikom samochodowym są często przeciwstawne, co widać wyraźnie, jeśli weźmie się pod uwagę stale rosnącą liczbę samochodów i utrudnienia w ruchu z tym związane, a drugiej strony konieczność ograniczenia ilości zużywanego paliwa i wydalanych do otoczenia szkodliwych składników spalin. Ogólnie wymagania te są wypadkową wymagań stawianych przez konstruktorów silników, ekologów, producentów paliw oraz ich możliwości technologicznych. Jednym z pierwszych etapów postępu w zakresie technologii produkcji benzyn silnikowych w kraju było wyeliminowanie antydetonatorów ołowiowych i sukcesywne zaniechanie produkcji benzyn etylizowanych. W Polsce produkcję promocyjną paliw, jeszcze ołowiowych, z udziałem etanolu uruchomiono w 1991 roku na podstawie technologii i pod nadzorem OBR Płock oraz Instytutu Technologii Nafty w Krakowie [16]. W 1994 roku ogółem wyprodukowano około 500 tys. ton etyliny 94, zawierającej alkohol etylowy, co stanowiło około 12% ogólnej sprzedaży benzyn. Alkohol etanolowy dodany do benzyny etylizowanej 94, poprawił efektywność spalania paliwa w silniku, co przyczyniło się do obniżenia emisji tlenku węgla w spalinach, zaś dzięki wysokiej liczbie oktanowej zanotowano zmniejszenie takich toksycznych składników spalin, jak czteroetylek ołowiu i węglowodory aromatyczne. 4718

Kolejny krok podjęty na rzecz motoryzacji i ekologii to wprowadzenie na rynek w 1996 roku benzyny bezołowiowej. Postępujący proces wyczerpywania się zasobów ropy naftowej i często nieprzewidywalne wahania cen tego surowca oraz próby ograniczenia efektu cieplarnianego wywołanego emisją CO 2 zmuszają do poszukiwania zastępczych w tym odnawialnych źródeł energii. Według [16] za paliwa odnawialne (zastępcze) uważa się paliwa otrzymywane z surowców pochodzących ze źródeł odnawialnych lub częściowo odnawialnych oraz paliwa otrzymane z bitumów i węgli według niekonwencjonalnych technologii. Wprowadzenie energii ze źródeł odnawialnych jest jednym z najważniejszych elementów zrównoważonego rozwoju gospodarki przynoszący zarówno efekty ekologiczne jak i energetyczne. Polska, jako państwo członkowskie Unii Europejskiej, jest zobowiązana do realizacji celów polityki unijnej w zakresie zastępowania energii ze źródeł odnawialnych. Realizacja tego zobowiązania może następować poprzez wprowadzanie na rynek różnych paliw zawierających biokomponenty. Paliwem takim jest benzyna węglowodorowa z dodatkiem 10% (V/V) etanolu. W roku 2010 Instytut Nafty i Gazu w Krakowie opracował normę zakładową dla bezołowiowej benzyny silnikowej zawierającej 10% (V/V) bioetanolu [17]. Bogate w tlen komponenty benzyn silnikowych, takie jak alkohole i etery MTBE (metylo-tertbutylowy) i ETBE (etylo-tert-butylowy) poprawiają proces tworzenia mieszanki palnej, jej spalanie w silniku oraz obniżkę emisji szkodliwych składników spalin. Zdaniem autorów wyznacznikiem postępu w dziedzinie technologii paliw etanolowych, jest poprawa ich parametrów mających implikacje ekologiczne oraz równoległa poprawa parametrów wpływających na wartość użytkową paliwa. Należy podkreślić, że wpływ na emisję spalin silników samochodowych zależy nie tylko od właściwości fizykochemicznych paliwa, ale również od konstrukcji silnika i technologii układu oczyszczania spalin. Ocenę ekologiczną silnika o ZI samochodów osobowych zasilanych benzyną węglowodorową 95 z dodatkiem 5% (v/v) etanolu wykonano według europejskiego cyklu jezdnego NEDC (UDC+EUDC) z wykorzystaniem hamowni podwoziowej Schenck typ 500GS60 [18]. Wyniki badań obejmujących pomiar emisji toksycznych składników spalin w funkcji przebiegu eksploatacyjnego samochodów osobowych spełniających wymagania ochrony środowiska EURO 3 przedstawiono na rys. 2-4. Rys. 2 Średnie stężenie emisji węglowodorów HC w teście NEDC (UDC+EUDC), silników samochodów osobowych napędzanych benzyną węglowodorową 95 i benzyną węglowodorową 95 z dodatkiem 5%(V/V) etanolu 4719

Rys. 3 Średnie stężenie emisji tlenku węgla CO w teście NEDC (UDC+EUDC), silników samochodów osobowych napędzanych benzyną węglowodorową 95 i benzyną węglowodorową 95 z dodatkiem 5%(V/V) etanolu Rys. 4 Średnie stężenie emisji tlenku azotu NO x w teście NEDC (UDC+EUDC), silników samochodów osobowych napędzanych benzyną węglowodorową 95 i benzyną węglowodorową 95 z dodatkiem 5%(V/V) etanolu Uzyskane wyniki badań pozwalają na stwierdzenie: emisja spalin z silnika samochodu napędzanego benzyną węglowodorową 95 spełniała wymagania EURO 3 w zakresie normatywnych stężeń węglowodorów, tlenku węgla i tlenków azotu; emisja spalin z silnika samochodu napędzanego benzyną węglowodorową z dodatkiem 5%(V/V) etanolu spełniała wymagania EURO 3 w zakresie normatywnych stężeń węglowodorów, tlenku węgla natomiast nie spełniała w/w przepisów odnośnie tlenków azotu. Ważną rolę w wykorzystaniu paliw zastępczych pochodzących ze źródeł odnawialnych upatrywano do niedawna w biopaliwach pierwszej generacji. Należy podkreślić, że stosowanie biopaliw pierwszej generacji wywołało wiele kontrowersji, głównie z powodu ich wpływu na globalny rynek żywności oraz jego ochronę, zwłaszcza odnośnie najwrażliwszych regionów gospodarki żywnościowej świata. Jego produkcja obecnie jest kontynuowana, jednak osiągnęła ona próg ekonomiczności, jeśli chodzi o poziom jej produkcji. Jedną z istotnych zalet biopaliwa B10 wykorzystywanego do zasilania silników o ZS, w odniesieniu do oleju napędowego jest mała szkodliwość dla środowiska naturalnego. Ocenę ekologiczną samochodów osobowych spełniających wymagania EURO 4 napędzanych ON i biopaliwem B10 wykonano podczas badań stanowiskowych według europejskiego cyklu jezdnego NEDC (UDC+EUDC) rys. 5. 4720

Prędkość jazdy [km/h] CYKL NEDC (UDC+EUDC) 120 Część pierwsza (UDC) - 780 s Część druga (EUDC) - 400 s 100 80 60 40 20 0 0 1180 Czas jazdy [s] Rys. 5. Europejski cykl jezdny NEDC (UDC+EUDC) Stanowisko do pomiaru emisji toksycznych składników spalin z samochodów osobowych podczas badań stanowiskowych hamownia podwoziowa Schenck typ 500GS60 przedstawiono na rys. 6. Rys. 6. Samochód osobowy podczas badań stanowiskowych hamownia Schenck typ 500GS60 [24]. Wyniki pomiaru stężenia normatywnych składników spalin zamieszczono na rys. 7-10. Rys. 7. Średnie stężenie emisji tlenku węgla CO w teście europejskim NEDC (UDC+EUDC) samochodów osobowych napędzanych olejem napędowym Ekodiesel Ultra i biopaliwem B10 w okresie eksploatacji 4721

Rys. 8. Średnie stężenie emisji HC + NOx w teście europejskim NEDC (UDC+EUDC) samochodów osobowych napędzanych olejem napędowym Ekodiesel Ultra i biopaliwem B10 w okresie eksploatacji Rys. 9. Średnie stężenie emisji tlenków azotu NOx w teście europejskim NEDC (UDC+EUDC) samochodów osobowych napędzanych olejem napędowym Ekodiesel Ultra i biopaliwem B10 w okresie eksploatacji Rys. 10. Średnie stężenie emisji cząstek stałych PM w teście europejskim NEDC (UDC+EUDC) samochodów osobowych napędzanych olejem napędowym Ekodiesel Ultra i biopaliwem B10 w okresie eksploatacji 4722

W pracy zamieszczono również ocenę sprawności katalizatora układu oczyszczania spalin z pojazdów osobowych napędzanych olejem napędowym i biopaliwem B10, wykorzystując wyniki stężenia normatywnych składników spalin zmierzonych przed i za katalizatorem. Uzyskane wyniki badań pozwoliły na sformułowanie wniosków: średnie stężenie badanych składników spalin jak: tlenek węgla (CO), tlenki azotu (NO x ) i suma węglowodorów (HC + NO x ) samochodów napędzanych ON i biopaliwem B10 kształtowała się na zróżnicowanym poziomie; średnie stężenie tlenku węgla (CO) nie przekraczało limitów Euro 4, w samochodach napędzanych przedmiotowymi paliwami; emisja stężenia tlenków azotu (NO x ) była minimalnie wyższa dla biopaliwa B10 w porównaniu do ON (oba paliwa przekroczyły wymagania Euro 4); emisja cząstek stałych była porównywalna dla obydwu paliw i kształtowała się na poziomie dolnej granicy wymagań Euro 4; zanotowano pogorszenie skuteczności pracy reaktora katalitycznego w zakresie tlenków azotu (NOx) dla obu badanych paliw, w tym około 46,65% dla ON i 34,81% dla biopaliwa B10; sprawność filtra cząstek stałych była porównywalna dla obydwu paliw i kształtowała się na poziomie powyżej 95%. Obecnie duże nadzieje wiąże się z biopaliwami kolejnych generacji, których bazę surowcową stanowi materia roślinna wytworzona z upraw roślin energetycznych lub pozostałości rolnej. 3 OLEJ SILNIKOWY JAKO ŹRÓDŁO EMISJI CZĄSTEK STAŁYCH (PM) Od kilki lat emisja cząstek stałych (PM- Particular Matter) wzbudza duże zainteresowanie, znajdujące odzwierciedlenie w progresywnie zwiększającej się ilości prowadzonych na całym świecie prac naukowo-badawczych, dotyczących wyżej wymienionego zjawiska. Intensywne prace zmierzają w kierunku poznania mechanizmów powstawania, a następnie ograniczania emisji cząstek stałych. Jednym z istotnych czynników kształtujących emisję cząstek stałych w silnikach spalinowych o zapłonie samoczynnym jest wpływ oleju smarującego na ten aspekt, zwłaszcza zagadnień związanych z ich powstawaniem i składem. Wieloletnie badania i obserwacje pozwalają na stwierdzenie, że określone parametry pracy silnika, jego stan techniczny, jakość oleju smarującego, w tym zmiany jego właściwości fizykochemicznych w okresie eksploatacji mają, oprócz paliwa, istotny wpływ na poziom emisji cząstek stałych [20]. Współczesne silniki o zapłonie samoczynnym emitują około 25-30 razy więcej cząstek stałych (PM) i około 3 razy więcej tlenków azotu NOx w porównaniu z silnikami o zapłonie iskrowym [21]. Ograniczenie emisji PM z silników o zapłonie samoczynnym jest jednym z najpoważniejszych, a zarazem najtrudniejszych problemów, jaki musi zostać rozwiązany dla spełnienia przyszłych, stopniowo coraz bardziej zaostrzonych przepisów dotyczących ochrony środowiska naturalnego i zdrowia człowieka. Intensywne prace badawcze zmierzają w kierunku poznania mechanizmów powstawania emisji cząstek stałych, jak również jej ograniczenia. Za cząstki stałe PM powszechnie uważa się produkty wydostające się z układu wylotowego silnika, o konsystencji ciekłej lub stałej, a więc zawierające między innymi pewną ilość cząstek węgla, związków siarki i azotu, metali oraz ciężkich węglowodorów. Typową cząstkę emisji PM przedstawiono na rys. 11. 4723

Rys. 11 Typowa cząstka stała emisji PM Jednym z istotnych zagadnień związanych z genezą powstawania, budową, składem oraz szkodliwością emisji cząstek stałych (PM) jest określenie wpływu oddziaływania oleju smarującego i warunków pracy silnika na jego emisję zarówno ilościową jak i jakościową. Rodzaj bazy olejowej to główny czynnik, oprócz stanu technicznego i warunków pracy silnika, wielkości zużycia oleju, typu dodatków uszlachetniających olej i rodzaju paliwa, który ma zasadniczy wpływ na ilość emitowanych PM i skład tworzących je w części nierozpuszczalnej (IOF Insoluble Organic Fraction) i rozpuszczalnej (SOF - Soluble Organic Fraction). Fazę nierozpuszczalną organiczną (IOF) tworzą: węgiel w postaci sadzy, produkty niepełnego spalania dodatków do paliwa czy oleju smarowego, natomiast część nierozpuszczalną nieorganiczną (INSINOF Insolouble Inorganic Fraction) stanowią popioły, siarczany, śladowe ilości żelaza, fosforu, wapnia, krzemu, chromu itp. a także zanieczyszczenia mechaniczne przedostające się do silnika z otoczenia. Fazę rozpuszczalną, w tym część rozpuszczalną organiczną (SOF), której głównymi składnikami są substancje organiczne adsorbowane na cząsteczkach sadzy, stanowiące produkty niepełnego spalania paliwa i oleju smarującego silnik, głównie węglowodory. Część rozpuszczalna nieorganiczna (SINOF Soluble Inorganic Fraction) powstaje głównie w przypadku obecności w paliwie związków siarki, których produkty spalania tworzą z parą wodną kwas siarkowy. Zasadniczy składnik fazy nierozpuszczalnej stanowią cząstki sadzy. Charakteryzuje się ona bardzo dużą zdolnością adsorbowania produktów niepełnego spalania paliwa i oleju smarującego silnik. Sadza po zaadsorbowaniu tych produktów, których znaczna ilość wykazuje działanie rakotwórcze, staje się szczególnie groźnym zanieczyszczeniem środowiska. Dotyczy to zwłaszcza cząstek najdrobniejszych, których rozmiary wyrażane są w nanometrach, powszechnie nazywanych nanocząsteczkami. Na rys. 12 przedstawiono średni skład cząstek stałych PM uzyskany w oparciu o badania różnej wielkości i typów silników o zapłonie samoczynnym. Rys. 12 Procentowy udział różnych składników tworzących emisję PM Według [22] im większe zużycie oleju smarowego w silniku o zapłonie samoczynnym, tym większa emisja cząstek stałych (PM). Cząstki stałe zawarte w spalinach silnika o zapłonie 4724

samoczynnym to nie tylko skupiska atomów węgla, ale również niespalone węglowodory pochodzące z paliwa i oleju smarującego, związki siarki i azotu, metali oraz skondensowana para wodna. Strukturę chemiczną cząstki stałej, w tym rodzaj substancji składowych przedstawiono na rys. 13. Rys. 13 Struktura chemiczna cząstki stałej rodzaje substancji składowych Ważną rolę w procentowym udziale części rozpuszczalnej (SOF) w emisji cząstek stałych (PM) odgrywają warunki pracy silnika, zwłaszcza podczas małego obciążenia (olej nie ulega spaleniu). W miarę wzrostu obciążenia silnika następuje wzrost temperatury komory spalania, co powoduje pełniejsze utlenianie oleju, a zatem zwiększony udział PM w części nierozpuszczalnej (ISOF). Istotny wpływ ma tutaj również prędkość obrotowa silnika, rys. 14. Rys. 14 Skład emisji cząstek stałych dla parametrów pracy silnika o ZS: n=1800 obr/min, obciążenie 15% Wzrost prędkości obrotowej silnika skraca pozostawanie oleju w strefie intensywnego utleniania komory spalania silnika, co powoduje niecałkowite jego spalanie i zwiększenie udziału części rozpuszczalnej (SOF) w tworzącej się emisji PM [23]. Wysokie zużycie oleju z dużą zawartością dodatków uszlachetniających przez silnik o ZS, sprzyja powstawaniu dużych ilości popiołów, które stanowią poważny problem dla efektywności pracy filtrów cząstek stałych oraz ich regeneracji. Problem wynika między innymi z powstawania na powierzchni ścianek filtra PM, niespalonych osadów, sformowanych w postaci tzw. gipsów, na tworzenie których duży wpływ ma wapień pochodzący z pakietów dodatków uszlachetniających olej silnikowy i obecność siarki w oleju napędowym. 4 ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNE JEDNOSTEK NAPĘDOWYCH W ZAKRESIE POPRAWY EKOLOGICZNOŚCI PRACY Pod względem ekologiczności pracy silników samochodowych, nie wystarczające są już pojedyncze środki do osiągnięcia zamierzonego celu, lecz oczekuje się działań kompleksowych. Zmusiło to konstruktorów do modyfikacji istniejących konstrukcji silników samochodowych i wdrażania nowych technologii, w tym układów oczyszczania spalin. Producenci pojazdów samochodowych na całym świecie stale doskonalą różne sposoby ograniczenia uciążliwości eksploatacyjnej swoich produktów w aspekcie oddziaływania na środowisko naturalne. We współczesnych silnikach samochodowych stosuje się wiele rozwiązań technicznych i technologicznych, pozwalających na polepszenie ich właściwości ekologicznych. W silnikach o 4725

zapłonie iskrowym zmianom podlega przede wszystkim sterowanie silnikiem. Wprowadza się także sterowanie układem chłodzenia, a ponadto eliminuje się przepustnicę, stosuje się bezpośredni wtrysk benzyny do cylindrów oraz różnego rodzaju doładowanie. Duże zainteresowanie w przemyśle motoryzacyjnym zyskuje tzw. downspeeding [24]. Trend ten polega na odpowiednich zmianach w konstrukcji silnika, w celu umożliwienia uzyskania mniejszych prędkości obrotowych. Obie te technologie mają na celu spowodowanie by praca silnika odbywała się w bardziej korzystnych warunkach, pod względem emisji spalin i zużycia paliwa, obszarach jego charakterystyk. Możliwości zmniejszenia emisji CO 2 na przykładzie zmian konstrukcyjnych, wprowadzonych w silnikach o zapłonie iskrowym przedstawiono na rys. 15. Rys. 15 Możliwości zmniejszenia emisji CO2 na przykładzie zmian konstrukcyjnych, wprowadzonych w silnikach o zapłonie iskrowym [25] W przypadku współczesnych konwencjonalnych silników o zapłonie samoczynnym producenci tych jednostek napędowych pracują nad polepszeniem sprawności redukcji tlenków azotu (NOx) i cząstek stałych (PM). Obecnie zaznacza się rozwój badań nad procesem katalizy spalin silników wraz z doskonaleniem konstrukcji filtrów cząstek stałych DPF (Diesel Particulate Filter) na tle optymalizacji pakietów uszlachetniających paliwa [26]. Ograniczenie emisji cząstek stałych (PM) z silników o zapłonie samoczynnym jest jednym z najtrudniejszych problemów ukierunkowanych pod kątem optymalizacji pracy filtra cząstek stałych (DPF)[22]. Poczyniono znaczne postępy w zakresie doskonalenia rozwiązań konstrukcyjnych, na różnych płaszczyznach procesów regeneracji DPF dzięki zastosowanym systemom wtrysku paliwa Common Rail, a także poprzez opracowanie i rozpowszechnienie nowych materiałów dla monolitów filtracyjnych takich jak: węglik krzemu, spieki metaliczne (w tym filtry aluminiowo-tytanowe) wraz z rozwojem dodatków do paliw typu FBC [27]. Najpopularniejszym rozwiązaniem pasywnej regeneracji filtra DPF jest elektroniczne sterownie wtryskiem paliwa wg systemu Common Rail [28]. Pojęcie regeneracji naturalnej (bez wspomagania katalitycznego) filtra cząstek stałych (DPF) może być przeprowadzone w zakresie temperatur od 600-700 o C zainicjowania procesu utleniania sadzy. Wspomaganie regeneracji za pomocą pokrycia ścianek monolitu filtrującego warstwą katalizatora zazwyczaj platynowego obniża temperaturę utleniania sadzy do ok. 400 o C, natomiast przez stosowanie dodatków FBC można zredukować temperaturę do ok. 300-350 o C. Katalityczny wpływ dodatków popiołowych (zwłaszcza organicznych) na utlenianie, dopalanie cząstek stałych (PM) jest dobrze udokumentowany w literaturze [29]. Doskonalenie tych rozwiązań wymaga różnorodnych badań, zarówno na etapie powstawania i modyfikacji konstrukcji paliw i nowych formulacji olejów silnikowych. Konieczne jest dalsze prowadzenie badań nad zagadnieniami modyfikacji procesu spalania jak również w zakresie poprawy właściwości fizykochemicznych biopaliw. Pod tym względem obiecujące są systemy polepszające sterownie składu mieszanki palnej wraz z kontrolą procesu spalania z udziałem systemów recyrkulacji spalin EGR (Exhaust Gas Reciclation) powodując 4726

obniżenie prędkości spalania w fazie spalania wybuchowego przyczyniając się tym samym do spadku poziomu tlenków azotu (NOx) [30]. W wyniku tego procesu zostaje obniżona maksymalna temperatura spalania i następuje ograniczenie maksymalnej ilości tlenu w ładunku dostarczonym do cylindra. Jednak nadmierny udział spalin w całym ładunku dostarczonym do cylindra może spowodować spadek mocy oraz znaczny wzrost emisji cząstek stałych (PM), a przez to uzyskanie niekorzystnych wartości innych wskaźników pracy silnika. Biorąc pod uwagę upowszechnienie systemów DPF oraz konwerterów katalitycznych w układzie wylotowym silników o ZS stan wadliwego działania EGR należy uznać za niedopuszczalny [31]. Alternatywą jest wprowadzenie układu SCR (Selective Catalytic Reduction) z wykorzystaniem reduktora AdBlue, gdzie czynnikiem powodującym rozpad tlenku węgla (CO) i tlenków azotu (NO x ), na parę wodną i dwutlenek węgla (CO 2 ) jest roztwór mocznika. Emisja cząstek stałych (PM) jest nierozłącznie związana ze spalaniem paliw węglowodorowych, ale i biopaliw FAME w zróżnicowanych warunkach wyznaczonych procesem wtrysku i fazami spalania paliwa [32]. WNIOSKI Ograniczenie zanieczyszczenia środowiska naturalnego powodowanego przez motoryzacje wymaga podjęcia współpracy pomiędzy specjalistami z różnych gałęzi przemysłu, w tym przemysłu motoryzacyjnego i naftowego. Przemysł rafineryjny w kraju od kilkunastu lat intensywnie rozwija swoją bazę produkcyjną, pozwalając sprostać wymaganiom jakości i ekologii, obowiązujących w krajach Unii Europejskiej. Wyznacznikiem postępu w dziedzinie technologii paliw silnikowych jest poprawa ich parametrów mających implikacje ekologiczne i równoległa poprawa parametrów wpływających na zwiększenie odczucia zadowolenia kierowcy, który zauważa, że pojazd po zatankowaniu danego produktu lepiej się prowadzi i w dodatku zużywa mniej paliwa. Spełnienie nadchodzących wymagań EURO 6 wymagać będzie stosowania nowych technologii i nowoczesnych rozwiązań w zakresie konstrukcji jednostek napędowych, w tym zaawansowanych sposobów sterowania procesem spalania oraz wysokiej jakości paliw zastępczych i pakietów dodatków uszlachetniających te produkty. Skład chemiczny paliwa oraz oleju silnikowego, a co za tym idzie ich właściwości fizykochemiczne, mają, obok cech konstrukcyjnych silnika samochodowego i jego stanu technicznego, zasadniczy wpływ na jakościowy i ilościowy charakter emisji toksycznych związków w spalinach. Współczesne silniki samochodowe wymagają paliw spełniających kryteria zawarte w Światowej Karcie Paliw, gdzie istotną rolę odgrywają biopaliwa. Bioetanol ze względu na swoje walory użytkowe (wysoka liczba oktanowa, wzrost mocy silnika, poprawa efektów spalania i obniżenie emisji spalin) spełnia ważną rolę jako komponent benzyn silnikowych. Istotną rolę w zastąpieniu paliw ropopochodnych przeznaczonych do zasilania silników o zapłonie samoczynnym odgrywają paliwa pochodzenia roślinnego, w tym biopaliwa FAME jako komponent oleju napędowego. Posiadają one niektóre parametry fizykochemiczne zbliżone lub niewiele różniące się od wymagań oleju napędowego, a niektóre nawet lepsze, np. bardzo mała zawartość siarki, wyższa temperatura zapłonu oraz dobre właściwości smarujące, ponadto bardzo dobrze mieszają się z olejem napędowym w każdym stosunku. Uzyskanie wysokiej jakości estrów metylowych kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego (FAME) zależy przede wszystkim od użytego surowca, wstępnego oczyszczenia, przebiegu procesu transestryfikacji oraz zastosowanego pakietu dodatków uszlachetniających, takich jak np. depresatory, antyoksydanty, biocydy. Istotnym zagadnieniem, często pomijanym w ocenie źródła emisji cząstek stałych (PM) jest olej silnikowy, w tym rodzaj bazy olejowej i jakość dodatków uszlachetniających ten produkt oraz stopień przepracowania oleju. 4727

Streszczenie Perspektywy rozwoju transportu kołowego wskazują, że tłokowy silnik spalinowy będzie w dalszym ciągu powszechnie stosowanym źródłem napędu pojazdów samochodowych, gdzie podstawowym źródłem napędu są paliwa ropopochodne. Stały wzrost liczby pojazdów mechanicznych poruszających się po drogach w kraju stwarza określone zagrożenia dla otaczającego środowiska naturalnego. Wiąże się to z sukcesywnym zużyciem paliw silnikowych, środków smarowych i płynów eksploatacyjnych, czemu w praktyce próbuje się przeciwdziałać, poprzez ostrzejsze wymagania dotyczące ochrony środowiska naturalnego oraz wprowadzanie nowych, zastępczych paliw (alternatywnych) do napędu pojazdów samochodowych. Transport drogowy w Unii Europejskiej jest odpowiedzialny za 20% emisji szkodliwych substancji do atmosfery, pozostając pod względem emisji gazów cieplarnianych drugim co do wielkości sektorem gospodarki. Formuła chemiczna finalnych produktów, jakimi są paliwa silnikowe lub oleje smarowe, ulega ewolucji za względu na wymagania dotyczące ochrony środowiska naturalnego i rozwój konstrukcji silników spalinowych. Wprowadzenie nowoczesnych rozwiązań konstrukcji silników spalinowych umieszczonych pod aerodynamicznymi maskami pojazdów samochodowych, zajmujących coraz mniej miejsca, o bardzo wysilonych warunkach pracy, tj. wysokich temperaturach i dużych mocach z jednostki, pojemności skokowej, wymaga stosowania wysokiej jakości paliw, olejów smarujących i płynów eksploatacyjnych. Przemysł rafineryjny w kraju od kilkunastu lat intensywnie rozwija swoją bazę produkcyjną, pozwalając sprostać wymaganiom jakości i ekologii, obowiązujących w krajach Unii Europejskiej. Praca jest oparta na własnym doświadczeniu z zakresu badań paliw silnikowych i olejów smarowych pod kątem efektywności i aspektów ekologicznych pracy jednostek napędowych. Factors influencing the ecological evaluation of car engines operation Abstract Prospects for development of road transport indicate, that the piston internal combustion engine will continue to be widely used as a source of propulsion in motor vehicles, where the primary power source is fossil fuel. The constant increase in the number of vehicles on the roads in the Poland makes specific risks to the surrounding environment. This involves the gradual consumption of motor fuels, lubricants and fluids, which is counteracted by stricter requirements for environmental protection and the introduction of new, alternative fuels for the vehicles. Road transport in the European Union is responsible for 20% of emissions of harmful substances into the atmosphere, remaining in terms of greenhouse gas emissions the second largest sector of the economy. Chemical Formulas of the final products, like motor fuels or lubricating oils, are evolving because of the requirements for environmental protection and development of the internal combustion engines. Introduction of modern design solutions for internal combustion engines placed under aerodynamic vehicle hoods, which occupy less and less space, with very extensive operating conditions, ie. high temperatures and high power from the unit cylinder capacity, requires the use of high-quality fuels, lubricating oils and fluids. Refineries in the country for several years are intensively developing their production base, to meet the quality and ecological requirements applied in European Union countries. The work is based on own experience in the field of research on motor fuels and lubricating oils in terms of efficiency and environmental aspects of the engine operation. BIBLIOGRAFIA 1. Worldwide Fuel Charter, Fourth Edition, wrzesień 2006r., opracowanie ACEA, ALLIANCE, EMA, JAMA. 2. U.S. Census Bureau, International Database 3. www.ecodrive.org (z dnia 15.12.2011) 4. Stanik W.; Jakóbiec J.: Proekologiczny rozwój technologii silników o zapłonie samoczynnym; Autobusy-Technika-Eksploatatcja-Systemy Transportowe, Nr 7-8/2013, str. 191-196 5. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady z 2009/30/WE z dnia 23 kwietnia 2009r. zmieniająca dyrektywę 98/70/WE odnoszącą się do specyfikacji benzyny i olejów napędowych oraz wprowadzającą mechanizm monitorowania i ograniczania emisji gazów cieplarnianych oraz zmieniającą dyrektywę Rady 1999/32/WE odnoszącą się do specyfikacji paliw wykorzystywanych przez statki żeglugi śródlądowej oraz uchylająca dyrektywę 93/12/EWG 4728

6. PN-EN ISO 14044:2009 Zarządzanie środowiska Ocena cyklu życia Wymagania i wytyczne 7. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2007/715/EC z dnia 20 czerwca 2007r., w sprawie homologacji typu pojazdów silnikowych w odniesieniu do emisji zanieczyszczeń pochodzących z lekkich pojazdów pasażerskich i użytkowych (Euro 5 i Euro 6) 8. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE z dnia 29 kwietnia 2009r., w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych zmieniająca i w następstwie uchylająca dyrektywy 2001/77/WE oraz 2003/30/WE 9. Komunikat Komisji Europejskiej w sprawie strategii na rzecz zmniejszenia emisji dwutlenku węgla pochodzących z nowych samochodów osobowych i lekkich pojazdów dostawczych COM(2007)19 z dnia 7 lutego 2007, 139 10. Projekt Normy Europejskiej EN 228:2009; Automotive fuels Unleaded petrol Requirements and test methods 11. Norma Europejska EN 15376:2011; Automotive fuels Ethanol as a blending component for petrol Requirements and test methods 12. Ustawa o biokomponentach i biopaliwach ciekłych z dnia 25 sierpnia 2006 (Dz. U. Nr 169, poz. 1199) 13. Janik R.; Jakóbiec J.: Kierunki rozwoju współczesnych benzyn silnikowych możliwości techniczno-eksploatacyjne paliw, a oczekiwania użytkowników; XXIV Międzynarodowa Konferencja Naukowa Silników Spalinowych KONES 99 Zakopane 1999 14. Jakóbiec J.; Wądrzyk M.; Mazanek A.: Wpływ składu komponentowego benzyn na proces tworzenia osadów a efektywność pracy silnika o zapłonie iskrowym; Przegląd chemiczny (artykuł w druku) 15. Jakóbiec J.: Rola i znaczenie badań eksploatacyjnych w ocenie paliw silnikowych i środków smarowych, Nafta Gaz, Nr 4/2004, str. 6-9 16. Jakóbiec J.; Marchut A.: Emisja spalin silników o ZI zasilanych benzyną z dodatkiem bioetanolu; Nafta Gaz, Nr 6/2000, str. 341-348 17. Norma Zakładowa NZ/INiG-02/2010; Paliwa do pojazdów samochodowych Benzyna bezołowiowa E10 18. Jakóbiec J.; Ambrozik A.; Janik R.: Ocena eksploatacyjna benzyny silnikowej 95 z dodatkiem 5%(v/v) etanolu; Materiały Konferencji Naukowej Badania Symulacyjne w Technice Samochodów; Politechnika Lubelska, Susiec 2008, str. 58-79 19. Jakóbiec J.; Pałuchowska M.; Giżyński P.: Wymagania dla benzyn silnikowych z dodatkiem etanolu oraz ocena właściwości eksploatacyjnych tych paliw; Międzynarodowa Konferencja Naukowa 31 th International Scientific Conference on Combustion Engines KONES 2005; Wrocław Polanica 2005r., str. 111-119 20. Jakóbiec J.; Konstantynowicz L.: Olej silnikowy jako źródło emisji cząstek stałych; Nowoczesny Warsztat Nr 11/2013, str. 32-37 21. Krasodomski M.; Stępień Z.; Mazur-Badura X.: Badanie emisji cząstek stałych; Biuletyn ITN Nr 3/2004, str. 188-195 22. Burtsher H.; Matter U.: Particle Formation Due to Fuel Additives, SAE Paper 2000-01-1883, 2000 23. Taylor GR.: The Effect of Lubricating Oil Volatility on Diesel Emissions; SAE Paper 2001-01- 1261 24. Wetzel P.; Kezdel S.; Birckett: Downspeeding a heavy-duty pickup track with a combined supercharger and turbocharger boosting system to improve drive cycle fuel economy; 2012 DOE DEER Conference Dearbon, Michigan, 18 th October 2012 25. Merkisz J.: Tendencje rozwojowe silników. Silniki spalinowe/combustion Engines, Nr 1/2004(118), str. 28-39 26. Cieślikowski B.; Jakóbiec J.: Modyfikacja właściwości użytkowych biopaliw w aspekcie zagadnień eksploatacyjnych pojazdów rolniczych, Inżynieria Rolnicza, Nr 19(88), 2010 27. Mayer A.: Verified particulate trap systems for Diesel engines. Version 1/2001 28. Rokosch U.: Układy oczyszczania spalin i pokładowe systemy diagnostyczne samochodów OBD. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 2008 4729

29. Novel-Cattin F.; Rincon F.; Trohel O.: Evaluation Method for Diesel Particulate Regeneration Additives: Application to Fire Additives. SAE Paper 2000-01-1914 30. Lejda K.: Emination of NOx Emission in Diesel Engine by EGR Method, Western Scientific Centre of Ukrainian Transport Academy, Logos 2000 31. Cieślikowski B.: Monitorowanie układu EGR silnika TDI; Technika Eksploatacja Systemy Transportowe Autobusy Nr 10/2011, ISSN 1509-5878 32. Jakóbiec J.; Wądrzyk M.; Cieślikowski B.: Czynniki wpływające na emisję cząstek stałych oraz metody ich ograniczenia; Inżynieria Rolnicza 2014 (materiały w druku) 4730