Wp³yw paliwa na emisjê szkdliwych sk³adników spalin przez samchód sbwy... Badania/Research Mi³s³aw KOZAK* Jerzy MERKISZ** Pitr BIELACZYC** Wp³yw w³aœciwœci paliwa na emisjê szkdliwych sk³adników spalin przez samchód sbwy napêdzany silnikiem zap³nie samczynnym W referacie przedstawin wyniki badañ wp³ywu zawartœci siarki i liczby cetanwej leju napêdweg na emisjê szkdliwych sk³adników spalin przez samchód sbwy napêdzany silnikiem zap³nie samczynnym klasy Eur III. Stwierdzn znaczny wp³yw bni enia zawartœci siarki na emisjê, szczególnie cz¹stek sta³ych. Przy zastswaniu paliw wy szej liczbie cetanwej uzyskan wyraÿn¹ redukcjê emisji CO i HC, a w mniejszym stpniu tak e emisji. S³wa kluczwe: silnik ZS, emisja szkdliwych sk³adników spalin, lej napêdwy, siarka, liczba cetanwa The effect f fuel prperties n exhaust emissins frm diesel passenger car The effect f diesel fuel sulphur cntent and cetane number n regulated emissins was investigated in a Eur III diesel passenger car. Experimental results indicated that fuel sulphur level had a significant impact n all regulated emissin, especially n PM. Testing fuels f different ignitin qualities shwed that HC and CO emissins f high cetane number fuels were significantly lwer than emissins f a lw cetane number fuel. We als bserved a little decrease in emissins with an increase in the cetane number. Key wrds: diesel engine, exhaust emissins, diesel fuel, sulphur, cetane number 1. Wprwadzenie Silniki spalinwe zasilane paliwami rppchdnymi s¹ pdstawwym Ÿród³em napêdu pjazdów l¹dwych, jednstek mrskich raz lekkich samltów. Z uwagi na ni szy kszt paliwa, craz szerzej d napêdu œrdków transprtu stswane s¹ silniki zap³nie samczynnym (ZS). Z klei wœród silników ZS dminuj¹ silniki wtrysku bezpœrednim (DI), jak najsprawniejsze pœród t³kwych silników spalinwych. Rzpwszechnienie silników ZS DI sprzyja graniczeniu efektu cieplarnianeg, bwiem ni sze zu ycie paliwa prwadzi d mniejszej emisji CO 2. Silniki ZS sptykane s¹ wspó³czeœnie praktycznie we wszystkich segmentach samchdów sbwych, chæ nasilenie teg zjawiska wykazuje du e gegraficzne zró nicwanie. W USA rzpwszechnienie silników ZS w samchdach sbwych jest wci¹ niewielkie, pdczas gdy w Unii Eurpejskiej udzia³ silników ZS w nwych samchdach sbwych, który w rku 1990 wynsi³ jeszcze pni ej 14%, w rku 2004 by³ na pzimie k³ 48,3% (rys. 1). Przewiduje siê, e w latach 2005 2010 udzia³ ten przekrczy 50%. Jednak bk licznych zalet silników ZS DI wystêpuj¹ równie cechy negatywne, przede wszystkim trudnœci w graniczeniu emisji PM i. Spe³nienie nwych, bardz niskich limitów emisji, np. EURO IV i V, US Tier 2, LEV II, ULEV II raz japñskich 2005 lng- 1. Intrductin Internal cmbustin engines, perating primarily n petrleum-based fuels, prevail as prpulsin units in land transprtatin. They als play a majr rle in marine and light aircraft prpulsin. Due t the lwer fuel csts assciated with diesel engines, these engines are used extensively in transprtatin systems. It is well knwn that the direct-injectin (DI) diesel engine is the mst effective amng internal cmbustin engines because f its excellent thermal efficiency and durability. Direct injectin diesel engines minimise the green huse effect because its lw fuel cnsumptin leads t lw CO 2 emissins. The use f diesel engines is cntinually increasing even in high speed passenger cars. Fr passenger cars, hwever, its applicatin differs gegraphically. As Figure 1 shws, the diesel car had a market share f 48,3 percent in 2004, up frm 32 percent in 2000 and belw 14 percent in 1990 and is expected t exceed 50 percent in 2005 2010 in Eurpe, while in the USA its penetratin int the market rising rather slwly. On the ther hand, a further significant reductin f particulate matter (PM) and nitrgen xides ( ) t meet stringent envirnment regulatins remains t be addressed. T meet new, unusually severe wrldwide emissin Rys. 1. Prcentwy udzia³ silników ZS w nwych samchdach sbwych w Unii Eurpejskiej [8, 11] Fig. 1. Percentage share f diesels in new passenger cars in Eurpean Unin [8, 11] limits: Eur IV and V, US Tier 2, Califrnian LEV II and ULEV II and 2005 Japanese lng term regulatins as well SILNIKI SPALINOWE, nr 1/2005 (120) 19
Badania/Research The effect f fuel prperties n exhaust emissins frm diesel passenger car term (rys. 2), nie jest m liwe za pmc¹ prstych œrdków i wymaga rzwi¹zañ kmplekswych bejmuj¹cych m.in.: ptymalizacje prcesu spalania przez dsknalenie knstrukcji silnika, aparatury wtryskwej i elektrniczneg sterwania, stswanie systemów graniczaj¹cych twrzenie substancji szkdliwych w prcesie rbczym silnika (np. recyrkulacja spalin), stswanie skutecznych katalitycznych uk³adów czyszczania spalin i niemniej wa ne dpwiednie kmpnwanie paliw [23, 37]. Sk³ad paliwa, jak równie jeg w³aœciwœci chemiczne i fizyczne maj¹ bk typu silnika i jeg stanu techniczneg decyduj¹cy wp³yw na jakœciwy i ilœciwy charakter emisji. Parametry paliwa mg¹ wp³ywaæ na emisjê na trzy g³ówne spsby [2]: przez wp³yw na przebieg prcesu wtrysku i frmwanie mieszanki palnej, przez wp³yw na frmwanie substancji tksycznych w prcesie rbczym silnika, przez wp³yw na skutecznœæ uk³adów czyszczania spalin. Emisja tksycznych sk³adników spalin zale y gólnie d jakœci przetwarzania paliwa na pracê u yteczn¹ w prcesie rbczym silnika. Jednak e jeœli pzim emisji silnika zstaje bni ny, wzrasta wra liwœæ emisji na w³aœciwœci paliwa. Wiele prac wskazuje (np. [10, 16, 26]), e w³aœciwœci paliwa mg¹ mieæ znaczny wp³yw na emisjê. W przypadku paliw d silników ZS za wp³ywaj¹ce w najwiêkszym stpniu parametry uznaje siê najczêœciej: liczbê cetanw¹ raz zawartœæ siarki (zw³aszcza dla nwczesnych silników) [17, 21, 25, 31] i wp³yw tych parametrów zstanie tutaj przeanalizwany. Wiêkszœæ prac pœwiêcnych badanim wp³ywu liczby cetanwej [16, 18, 20, 26, 27, 30, 32] wskazuje, e parametr ten jest pwi¹zany z emisj¹ wszystkich limitwanych tksycznych sk³adników spalin. Z klei zakres teg wp³ywu jest w znacznym stpniu zale ny d knstrukcji i warunków pracy silnika raz innych parametrów paliwa. Ogólnie, paliwa wy szej liczbie cetanwej charakteryzuj¹ siê krótsz¹ zw³k¹ samzap³nu i w rezultacie krótszym kresem spalania kinetyczneg i mniej gwa³twnym przebiegiem wydzielania ciep³a w tej fazie spalania. Przy zwiêkszeniu LC ilœæ paliwa spalana w fazie kinetycznej siê zmniejsza, zwiêksza natmiast ilœæ spalana w fazie dyfuzyjnej. Twrzenie determinwane jest przez ilœæ paliwa spalan¹ w fazie kinetycznej, dlateg zwiêkszaj¹c LC m na czekiwaæ zmniejszenia emisji. Znajduje t ptwierdzenie w wielu wczeœniejszych pracach badawczych [7, 10, 15, 19, 20, 26, 30, 31, 32]. Obserwwana redukcja emisji jest jednak zazwyczaj niewielka mniej ni 5% na ka de 10 jednstek liczby cetanwej, w zakresie LC = 40 65. Wyd³u ny kres spalania dyfuzyjneg, wystêpuj¹cy przy wy szych liczbach cetanwych sprzyja Rys. 2. Przewidziane dla rku 2005 limity emisji dla samchdów sbwych z silnikami ZS; uwaga: przedstawine limity nie s¹ ze sb¹ prównywalne z uwagi na dmienne cykle pmiarwe Fig. 2. Exhaust emissins regulatins fr diesel passenger cars in the year 2005; nte: the regulatins are nt cmparable because f varius test cycles (Fig. 2), single slutins will n lnger be sufficient. Cmplex activities including: ptimisatin f the prcess f fuel cmbustin in the engine by imprvement f engine and fuel injectin system design, intrducing systems (e.g. EGR) restraining the frmatin f pllutants, use f effective catalytic after treatment systems fr emissin cntrl, mre and mre precise cntrlling by the ECU and finally apprpriate blending f fuels are necessary [23, 37]. Fuel cmpsitin as well as physical and chemical parameters have, apart frm the type f engine and its cnditin, a decisive influence n the quantity and cnstitutin f emissins. Each parameter f engine fuel affects emissins, in three key areas [2]: by influence n injectin parameters, by cnnectin with frmatin f pllutant matter in engine, by influence n efficiency f emissin cntrl systems. It has been demnstrated repeatedly that engine exhaust emissins are largely dependent n the characteristics f the engine and its ability t utilize the fuel ver the perating cycle. Hwever when engine emissins are reduced t lwer levels the effect f fuel prperties n engine emissins becmes significant. Many extensive studies have shwn (e.g. [10, 16, 26]), that fuel prperties have serius impact n engine exhaust emissins. Amng varius fuel prperties the nes that are frequently shwn t have significant effect n Diesel engine emissins are: sulphur cntent (especially fr mdern engines) and cetane number [17, 21, 25, 31] and these fuel parameters are the main tpic f this paper. In mst studies [16, 18, 20, 26, 27, 30, 32] cetane number has been fund t affect all engine emissins. The effect f cetane number n engine emissins is als fund t be bth fuel and engine dependent. In general, it can be expected that a fuel with a higher cetane number will characterize a shrter ignitin delay, therefre a shrter premixed burning perid and reduced peak f the heat release in the premixing burning perid. This leads t a smaller amunt f fuel being cnsumed in the premixed burning and a larger quantity being invlved in the mixing cntrlled burning. The frmatin f is affected by the amunt f fuel being xidized in the premixed burning, therefre, we shuld bserve decrease in when cetane number is increased. In mst f previus studies [7, 10, 15, 19, 20, 26, 30, 31, 32] this emissins behaviurs were cnfirmed.. The bserved reductins in emissins are generally small, less then abut 5% fr every 10 cetane units in the cetane number range f 40 t 65. A lnger mixing cntrlled burning, resulting frm higher cet- 20 SILNIKI SPALINOWE, nr 1/2005 (120)
Wp³yw paliwa na emisjê szkdliwych sk³adników spalin przez samchód sbwy... Badania/Research frmwaniu sadzy, c m e mieæ dbicie w wiêkszej emisji PM. Ogólnie wp³yw liczby cetanwej na emisjê PM zmienia siê znacznie dla ró nych typów silnika. Dla niektórych silników uzyskuje siê ze wzrstem LC zmniejszenie emisji PM [9, 10, 24, 30], dla innych natmiast wzrst tej emisji [7, 19, 20, 26]. Opisane w literaturze badania wp³ywu LC na emisjê CO i HC najczêœciej pkazuj¹ znaczne zmniejszenie emisji tych substancji wbec wzrstu zdlnœci paliwa d samzap³nu [10, 19, 20, 26, 33, 34]. Zjawisk t wyt³umaczyæ m na zmniejszn¹ intensywnœci¹ prcesów przedp³miennych prwadz¹cych d twrzenia prduktów niepe³neg spalania. Pnadt, wspó³czesne silniki nie s¹ regulwane pd k¹tem najni szej emisji CO i HC i st¹d równie nale y siê spdziewaæ znacznych zmian w emisji tych substancji przy zmianach liczby cetanwej paliwa. Siarka jest naturalnym sk³adnikiem rpy naftwej, gdzie wystêpuje w zwi¹zkach z wêglwdrami. W prcesie spalania w silniku, siarka zawarta w paliwie jest utleniana g³ównie d SO 2 i w znacznie mniejszym stpniu d SO 3. SO 2 i SO 3 s¹ emitwane w spalinach. Wprwadzenie katalitycznych uk³adów czyszczania spalin silnikwych wyw³a³ szereg niekrzystnych nastêpstw, zwi¹zanych z becn¹ w paliwie siark¹. Utlenienie w reaktrze katalitycznym SO 2 d SO 3 pwduje wzrst emisji cz¹stek sta³ych (siarczanów). Chemisrpcja SO 2 w centrach aktywnych katalizatra pwduje bni enie jeg aktywnœci. Pnadt becnœæ katalizatra sprzyja reakcjm SO 2 z innymi sk³adnikami spalin, c prwadzi d pwstania niekrzystnej emisji wtórnej [13, 16]. Opisane w literaturze badania dtycz¹ce wp³ywu zawartœci siarki na emisjê [1, 3, 4, 5, 13, 14, 22, 28, 35, 38, 39] ptwierdzaj¹ jej znacz¹cy wp³yw, przy czym charakterystyczne jest, e wp³yw siarki na emisjê cz¹stek sta³ych silnie zale y d innych parametrów paliwa i typu silnika. Dtychczas nie wyknywan w warunkach krajwych szerszych badañ wp³ywu pszczególnych parametrów leju napêdweg na emisjê z wykrzystaniem nwczesnych silników ZS typu light-duty. C wiêcej, w dniesieniu d teg typu silników, zagraniczne wyniki badañ s¹ nierzadk sprzeczne. W tej sytuacji trudn szacwaæ krzyœci eklgiczne zwi¹zane ze znaczn¹ ppraw¹ jakœci plskich lejów napêdwych. Prces dsknalenia paliw silnikwych jest zreszt¹ bserwwany na ca³ym œwiecie tabela 1. Wiele wczeœniejszych prac dtycz¹cych wp³ywu paliwa na emisjê nie traktwa³ zawartœci siarki jak niezale neg parametru i wp³yw siarki by³ zniekszta³cany przez inne parametry. W pisywanych w niniejszej pracy badaniach wp³ywu siarki, zastswan paliwa ró ni¹ce siê tylk zawartœci¹ siarki w zakresie d pni ej 5 ppm d 2000 ppm. W badaniach wp³ywu liczby cetanwej na emisjê stswan paliwa nie zawieraj¹ce ddatków przyspieszaj¹cych samzap³n. Jak e naturalna liczba cetanwa paliwa pwi¹zana jest równie z innymi parametrami paliwa, bardz trudne lub wrêcz niem liwe jest ca³kwite wyizlwanie wp³ywu liczby cetanwej d wp³ywu pzsta³ych parametrów. We wszystkich badaniach stswan wy³¹cznie paliwa z krajwych rafinerii. Badania pisane w niniejszej pracy zsta³y wyknane w Oœrdku Badawcz-Rzwjwym Samchdów Ma³litraane number, means als a lnger st frmatin perid. This can lead t higher particulate emissins. Hwever, the effect f cetane number n PM emissins is nt as cnsistent, and seems t be mre engine dependent. When the cetane number is increased, reductin in PM emissins is bserved in sme engines [9, 10, 24, 30] and increases in PM in sme ther engines [7, 19, 20, 26]. Fr CO and HC emissins, studies reprted typically substantial reductin n bth f them when the cetane number is increased [10, 19, 20, 26, 33, 34]. This phenmenn results frm the reductin f lw-temperature cmbustin fr fuels with gd ignitin quality. Mrever, since the engines are seldm fine-tuned fr these emissins, the change f the CO and HC emissins with change f ignitin quality shuld be expected. Sulphur is a natural cmpnent f il and is present in hydrcarbn cmpunds. In the internal cmbustin prcess, the sulphur in the fuel xidizes mainly t SO 2 and, t a lesser extent, t SO 3. SO 2 and SO 3 are emitted with the engine exhaust. With the intrductin f catalytic cnverters fr the aftertreatment f exhaust gases, a whle series f undesirable side effects have been caused by sulphur. Catalysts xidize SO 2 t SO 3, thereby causing the amunt f particulate matter (sulphates) in the exhaust t raise. The chemisrptin f SO 2 n the active centers f the catalyst reduce the activity f the catalytic cnverter. In additin, the catalytic activatin f reactin between SO 2 and ther cmpnents in the exhaust lead t the frmatin f undesirable secndary emissins [13, 16]. Described in literature [1, 3, 4, 5, 13, 14, 22, 28, 35 38, 39] research prgrams cncerning the influence f fuels n emissin levels, cnfirm the negative sulphur effect n exhaust emissins, hwever, it is als characteristic, that the sulphur effect n particulate emissins depends n ther parameters f diesel fuel prprieties and n the engine type. S far there has been n research in the field f influence f diesel fuel prperties n exhaust emissins, taking int accunt Plish cnditins e.g. specificatin f Plish vehicles fleet as well as Plish fuels. Mrever, available freign data in this field with regard t light-duty diesel vehicles (especially latest nes) are sparse. Therefre it was difficult t predict eclgical benefits btained due t quality imprvement f Plish diesel fuels. Cntinuus imprvement f diesel fuel quality is als bserved wrldwide Table 1. A number f previus studies have investigated the effect f diesel fuel prperties n steady-state and transient emissins, but the sulphur cntent was nt usually taken int accunt as an experimental variable and the sulphur effect was distrted by ther fuel prperties. In the present wrk sulphur cntent is the nly fuel design variable and is varied frm 2000 ppm dwn t sulphur free (less then 5 ppm). In the research test fuels withut ignitin imprver additives were used. The natural cetane number f a diesel fuel is crrelated with ther fuel prperties such as distillatin temperatures, density etc, hence it is a difficult task, if nt impssible, t cmpletely islate the cetane number effects frm the effects f ther fuel prperties n emissins. In the research, test fuels frm Plish refineries nly were used. SILNIKI SPALINOWE, nr 1/2005 (120) 21
Badania/Research The effect f fuel prperties n exhaust emissins frm diesel passenger car Tabela 1. Prównanie wymagañ stawianych lejm napêdwym [6, 12, 29, 36, 38] Table 1. Cmparisn f requirements fr diesel fuels [6, 12, 29, 36, 38] US EPA EURO III EURO IV Japan JIS K Japan US ASTM D WFC3) 1,2) 2) Federal ( 2000) ( 2005) 2204 (current) 2005 975 (current) Categry 4 (2006) Liczba cetanwa min 51 min 51 m in 50? m in 40? min 55 Siarka, ppm max 350 ax 50/10 4) 5) m m ax 500 ax 50 1) bwi¹zuje równie w Plsce, 2) Eurpejska Dyrektywa 98/70, 3) Wrldwide Fuel Charter Œwiatwa Karta Paliw, 4) lej napêdwy zawartœci siarki maksimum 10 ppm musi byæ równie dstêpny na rynku, 5) w metrplii Tkijskiej bwi¹zuje limit 50 ppm, 6) zale nie d bwi¹zuj¹cych regulacji emisyjnych. 1) valid als in Pland, 2) Eurpean Directive 98/70, 3) Wrldwide Fuel Charter, 4) diesel fuel with a maximum sulphur cntent f 10 ppm must be marketed and available, 5) 50 ppm sulphur fuel fr Tky Metrplis has already been launched, 6) depending n the applicable emissin standard. wych BOSMAL w Bielsku-Bia³ej przy wspó³pracy z Instytutem Silników Spalinwych i Transprtu Plitechniki Pznañskiej. 2. Metdyka badañ W badaniach wykrzystan samchód sbwy reprezentuj¹cy aktualny pzim zaawanswania technlgiczneg pjazdów, wypsa ny w turbd³adwany silnik ZS zasilany w systemie Cmmn Rail raz katalityczny uk³ad czyszczania spalin. Pdstawwe dane u yteg w badaniach pjazdu przedstawin w tabeli 2. Pmiar emisji spalin dbywa³ siê w cyklu jezdnym NEDC (New Eurpean Driving Cycle) kreœlnym w Dyrektywie Eurpejskiej 98/69/EC, sk³adaj¹cym siê z cyklu jazdy miejskiej Urban Driving Cycle UDC (zimny start) i cyklu dwzrwuj¹ceg jazdê pza bszarem miejskim Extra Urban Driving Cycle EUDC. Pmiar emisji dbywa³ siê ddzielnie w bu fazach, aby um liwiæ analizê wp³ywu paliwa w ró - nych warunkach eksplatacyjnych. Badania wp³ywu parametrów leju napêdweg na emisjê spalin wyknane zsta³y w Pracwni Badañ Tksyczn- Tabela 2. Parametry u yteg w badaniach pjazdu Table 2. Specificatins f the test vehicle m max 500 max 15 ax 5-10 The research presented in this paper, was carried ut in the labratries f the BOSMAL Autmtive R & D Centre in c-peratin t Institute f Internal Cmbustin Engines at Pznan University f Technlgy. 2. Research prgram 6) m Pliarmaty, % m/m max 11 max 11 -? -? max 2. 0 Gęstść @15, kg/ m Destylacja C 3 max 845 max 845 -? -? 820-840 T95 = max 360 C T95 = max 360 C T90 = max 360 C? T90 = 282-338 C Typ pjazdu Samchód sbwy Masa własna 1300 kg Typ silnika ZS, cztercylindrwy, rzędwy Objętść skkwa 3 1,9 dm U kład twrzenia mieszanki palnej Wtrysk bezpśredni w systemie Cmmn Rail, turbdładwanie z chłdzeniem pwietrza (intercler) Układ recyrkulacji spalin Układ czyszczania spalin Pzim emisji Sterwany elektrnicznie ze sprzężeniem zwrtny m Utleniający reaktr katalityczn y EURO III The tests were cnducted n a passenger car equipped with 2.0 litre direct injectin (Cmmn Rail) turbcharged cmpressin-ignitin (CI) engine, representing Eur 3 technlgy. Majr data n the vehicle are shwn in Table 2. The new vehicle hmlgatin prcedure intrduced in the Directive 98/69/EC, s-called New Eurpean Driving Cycle (NEDC) was selected as a representative test fr this study. The test was Urban Driving Cycle (UDC) (cld start), fllwed by the high-speed Extra Urban Drive Cycle (EUDC) (ht start). Tests were undertaken in rder t determine the influence f bth parts f NEDC n exhaust emissins. The tests were carried ut at the BOSMAL Autmtive R&D Centre s Emissin Testing Labratry using an emissin chassis dynammeter Schenck 500/GS60 (Fig. 3). The CVS AVL CEC system with full-flw dilutin tunnel AVL CET-? T95 = max 340 C LD/20 type and particulate sampling system AVL CEP-LD/100 PTS 60 l/min, cntrlling system CE- SAR and Sartrius micrbalance have been used t measure exhaust emissins. A test fuel matrix cnsisting f eight diesel fuels was designed t investigate the effect f sulphur and cetane number n exhaust emissins frm the 22 SILNIKI SPALINOWE, nr 1/2005 (120)
Wp³yw paliwa na emisjê szkdliwych sk³adników spalin przez samchód sbwy... Badania/Research œci Spalin Zak³adu Badañ Silników OBR SM BOSMAL w test vehicle. T evaluate the influence f sulphur cntained Bielsku-Bia³ej. Badania prwadzne by³y na hamwni pd- in diesel fuel n the exhaust emissins, fur different test wziwej Schenck 500/GS60 (rys. 3), wypsa nej m.in. w fuels with a sulphur cntent varying frm less than 5 ppm pe³nprzep³ywwy tunel rzcieñczaj¹cy spaliny typu AVL thrugh 50 ppm (EURO IV) and 350 ppm (EURO III) up t CET-LD/20 raz system pbru cz¹stek sta³ych typu AVL 2000 ppm were prepared. These fur test fuels were identical CEP-LD/100. D ceny wp³ywu zawartœci siarki na emisjê sprz¹dzn cztery paliwa testwe ró ni¹ce siê miêdzy sb¹ wy³¹cznie zawartœci¹ siarki. Bazê d sprz¹dzenia paliw testwych stanwi³ pchdz¹cy z krajwej rafinerii lej napêdwy typu sulphur-free (zawartœæ siarki pni ej 5 ppm). Wymagan¹ zawartœæ siarki w paliwach uzyskiwan przez ddatek dpwiedniej ilœci tifenu (C4H4S). Pdstawwe w³aœciwœci paliw testwych ró nej zawartœci siarki przedstawin w tabeli 3. Paliwa ró nej liczbie cetanwej uzyskiwan przez zmieszanie trzymanych z rafinerii frakcji bazwych ró nej wartœci teg parametru. Finalne paliwa by³y uzupe³nine wielfunkrys. 3. Hamwnia pdwziwa w OBR BOSMAL cyjny pakiet ddatków. Wa niejfig. 3. Chassis dynammeter in BOSMAL Autmtive R&D Centre sze parametry paliw testwych ró nej liczbie cetanwej przedstawin w tabeli 4. Paliw except fr the sulphur cntent, which was varied. The test TF-2C by³ najbardziej zbli ne d leju napêdweg d- fuels were blended n the basis f sulphur free (<5 ppm S) stêpneg na krajwych stacjach paliwwych. diesel fuel. The expected level f sulphur cntent was being btained after additin f the right amunt f thiphene 3. Wyniki badañ i ich analiza (C4H4S). The prperties f test fuels with different sulphur 3.1. Wp³yw zawartœci siarki na emisjê cntent are shwn in Table 3. T evaluate the influence f cetane number n the exwp³yw zawartœci siarki w leju napêdwym na emisjê haust emissins, the next fur different test fuels with the CO, HC, NOx, PM i CO2 w teœcie NEDC i jeg pszczególcetane number varying frm 45 thrugh 50 and 55 up t 63 nych fazach przedstawin na rysunkach 4, 5, 6, 7 i 8. ppm were prepared. These test fuels were blended frm reemisja CO w teœcie NEDC (rys. 4), niezale nie d zawarfinery streams t match the desired cetane numbers. The tœci siarki w leju napêdwym, utrzymywa³a siê na zbli nym pzimie k³ Tabela 3. W³aœciwœci paliw testwych ró nej zawartœci siarki 0,570 0,590 g/km. W pierwszej fazie tetable 3. Prperties f test fuels with different sulphur cntent stu NEDC, t jest w fazie UDC, równie nie zantwan wiêkszych ró nic w emikd paliwa TF- 1S TF- 2S TF- 3S TF- 4S sji CO dla pszczególnych paliw testsiarka, ppm 2 0 00 35 0 50 <5 wych. WyraŸne zró nicwanie emisji CO w zale nœci d zawartœci siarki w paliliczba cetanwa 52 52 52 52 wie mia³ natmiast miejsce w drugiej fa 0, 8 15 0,815 0,815 0,815 Gęstść w temp. 15 C, g/ml zie testu NEDC, czyli w fazie EUDC. NajArmaty, % (v/v) 5,1 5,1 5,1 5,1 mniejsz¹ emisjê CO 0,043 g/km uzyska n dla paliwa typu sulfur-free. Emisja CO 17 2, 0 172,0 172,0 17 2, 0 IBP, C dla paliw pœrednich zawartœciach 255,9 255,9 255,9 255,9 T50, C siarki (50 i 350 ppm) by³a ju k³ 0,01 Destylacja 303,6 303,6 303,6 303,6 T90, C g/km wy sza. Natmiast dla paliwa zawartœci siarki 2000 ppm uzyskan emi340,5 340,5 340,5 340,5 FBP, C SILNIKI SPALINOWE, nr 1/2005 (120) 23
Badania/Research The effect f fuel prperties n exhaust emissins frm diesel passenger car Tabela 4. Parametry paliw testwych ró nej liczbie cetanwej Table 4. Prperties f test fuels with different cetane number Kd paliwa TF-1C TF-2C TF-3C TF-4C Liczba cetanwa 45 50 55 63 Gęstść w temp. 15 C, g/ml 0,8084 0,8282 0,8244 0 Siarka, ppm 300 300 200 0 IBP, C 164 174 172 1 T10, C 182 196 196 0 Destylacja T50, C 206 236 260 8 T90, C 242 313 344, 5 3 FBP, C 320 348 368 7 Rys. 4. Emisja CO w fazie UDC, EUDC i ca³ym teœcie NEDC w funkcji zawartœci siarki w paliwie Fig. 4. CO emissin during UDC, EUDC and the whle NEDC as a functin f diesel fuel sulphur cntent sjê CO na pzimie wy sz¹ ni dla paliwa najmniejszej zawartœci siarki. Wp³yw siarki w paliwie na emisjê CO ma miejsce przede wszystkim na drdze wp³ywu na sprawnœæ reaktra katalityczneg. Wyska emisja CO w fazie UDC wynika z jednej strny z pgrszneg przebiegu spalania w nierzgrzanym silniku, a z drugiej strny z braku dzia³ania reaktra. W fazie UDC, gdy reaktr katalityczny nie si¹gn¹³ jeszcze temperatury light-ff, dpalanie CO w reaktrze praktycznie nie zachdzi, dlateg nie dntwan tu wyraÿneg wp³ywu siarki na pzim emisji CO. W fazie EUDC silnik si¹ga ju stabilizacjê ciepln¹, c znacznie granicza frmwanie CO w prcesie spalania. Pdbnie reaktr katalityczny jest ju rzgrzany i CO jest tam utleniany z du ¹ sprawnœci¹. Oba te fakty pwduj¹, e emisja CO si¹ga niski, wzglêdnie sta³y pzim. W tym mmencie emisji CO decyduje g³ównie sprawnœæ reaktra katalityczneg, która zale y m.in. d zawartœci siarki w paliwie. Seryjny reaktr zastswany w samchdzie testwym, pmim krótkieg czasu testu, wykaza³ du ¹ wra liwœæ na zawartœæ siarki ró nica emisji CO w EUDC dla paliwa typu sulphur-free i paliw pœredniej zawartœci siarki wynsi³a k³ 20-30%, a w przypadku paliwa najwiêkszej zawartœci siarki (2000 ppm) dchdzi³a a d k³ 50%. Analizuj¹c emisjê CO w ca³ym teœcie NEDC widaæ wyraÿnie, e wp³yw siarki na emisjê CO jest zamaskwany przez prperties f test fuels with different cetane numbers are given in Table 4. Fuel TF-2C represents typical Plish cmmercial diesel fuel. 3. Test results and discussin 0,827 3.1. Influence f sulphur cntent <10 n emissins 20 The influence f the sulphur cntent 23 in diesel fuel n the CO, HC,, PM 30 and CO 2 emissin in the NEDC test and its individual phases is presented in Figures 4, 5, 6, 7 and 8. 36 37 The CO emissin in the NEDC test (Fig. 4), irrespective f the sulphur cntent in diesel fuel was kept at the similar level f 0.570 0.590 g/km. In the first phase f the NEDC test, i.e. UDC phase, any significant difference in the CO emissin fr the individual test fuels has nt been nted neither. Hwever, a distinct differentiatin f the CO emissin depending n the sulphur cntent in fuel in the secnd phase f the NEDC (i.e. EUDC phase) was nted. The smallest CO emissin f 0.043 g/km was btained fr diesel fuel f a sulphur free type. In case f fuels f intermediate sulphur cntent (50 and 350 ppm) the CO emissin was abut 0.01 g/km higher. Hwever, fr fuel with the sulphur cntent f 2000 ppm the CO emissin was in the regin f 0.063g/km, i.e. nearly 50% higher than fr the fuel with the smallest sulphur cntent. The influence f the sulphur cntent in fuel n CO emissin is experienced mainly by its effect n the efficiency f the catalyst. On the ne hand, the high CO emissin results frm the wrse cmbustin characteristics f a cld engine, and n the ther hand frm the lack f the peratin f the catalyst. In practice in the UDC phase, when the catalyst light-ff temperature has nt been reached yet, the xidatin f CO in the catalyst des nt ccur and therefre any significant effect f sulphur n the CO emissin level is nt recrded there. In the EUDC phase the engine reaches its thermal stability that significantly limits the frmatin f CO in the cmbustin prcess. Similarly the catalyst is already warmed-up and the highly efficient xidatin f CO ccurs there. Bth these effects result in lw and relatively steady level f the CO emissin. At this mment the CO emissin is mainly determined by the catalyst efficiency which depends, amng thers things, n the sulphur cntent in fuel. The serial catalyst f a test vehicle, despite the shrt time f the test, appeared t be very sensitive t the sulphur cntent the difference in the CO emissin in the EUDC phase fr the sulphur free fuel and the fuels with the intermediate sulphur cntent was f abut 20-30%, and in case f the fuel f the highest sulphur cntent (2000 ppm) reached up t abut 50%. When analysing the CO emissin in the whle NEDC test ne can see that the influence f sulphur n the CO emissin is masked by the high CO emissin in the first phase f the test, and the serius relative differences in the 24 SILNIKI SPALINOWE, nr 1/2005 (120)
Wp³yw paliwa na emisjê szkdliwych sk³adników spalin przez samchód sbwy... Badania/Research jeg wysk¹ emisjê w pierwszej fazie testu, a du e ró nice wzglêdne w drugiej fazie NEDC, charakteryzuj¹cej siê nisk¹ emisj¹ bezwzglêdn¹ nie maj¹ wiêkszeg znaczenia. W zakresie HC (rys. 5) trudn wskazaæ jednznaczny wp³yw siarki zawartej w paliwie na uzyskany pzim emisji. W fazie UDC ró nice w emisji HC pmiêdzy paliwami testwymi nie przekracza³y kilku prcent, pnadt najni sz¹ emisjê uzyskan dla paliwa najwiêkszej zawartœci siarki. Œwiadczy t braku lub niewielkim wp³ywie siarki w pierwszej fazie testu NEDC na emisjê HC, pdbnie jak w przypadku CO. Niec wiêksze ró nice w emisji HC wyst¹pi³y w fazie EUDC. Najni sz¹ emisjê uzyskan dla najni szej zawartœci siarki, przy czym dla pzsta³ych paliw testwych emisja HC by³a wy sza k³ 15% i utrzymywa³a siê na praktycznie takim samym pzimie 0,041 0,042 g/km. Dla ca³eg testu NEDC trzyman zbli ne wyniki jak dla jeg pierwszej fazy. secnd phase f the NEDC test, due t lw abslute CO emissin during EUDC, are f little imprtance. With regard t the HC emissin (Fig. 5) it is difficult t indicate a clear-cut effect f the sulphur cntent in fuel n the nted emissin levels. In the UDC phase the differences in the HC emissin frm test fuels have nt exceeded the values f a few percent, and mrever, the lwest emissin was btained frm the fuel with the highest sulphur cntent. It gives evidence f a lack r a small influence f sulphur n the emissin levels in the first phase f the NEDC test, as in case f CO. Slightly higher differences fr HC emissin were recrded in the EUDC phase. The lwest emissin was recrded fr the lwest sulphur cntent, hwever, fr ther fuels the HC emissin was higher (by abut 15%), and in practice it was kept at the level f 0.041 0.042 g/km. In the whle NEDC test the btained results were clse t the nes btained in its first phase. Rys. 5. Emisja HC w fazie UDC, EUDC i ca³ym teœcie NEDC w funkcji zawartœci siarki w paliwie Fig. 5. HC emissin during UDC, EUDC and the whle NEDC as a functin f diesel fuel sulphur cntent W zakresie HC, pdbnie jak dla CO najbardziej wyraÿny wp³yw siarki mia³ miejsce w fazie EUDC, c nale y tak jak pprzedni wyt³umaczyæ ddzia³ywaniem siarki na sprawnœæ reaktra katalityczneg. Nale y zwróciæ uwagê na wyraÿnie inny charakter wp³ywu siarki na emisjê HC ni w przypadku CO. Dla HC ró nice w emisji miêdzy paliwami skrajnej zawartœci siarki s¹ znacznie mniejsze, nie stwierdzn równie wp³ywu na emisjê przy zmianach zawartœci siarki w zakresie 50 2000 ppm. Na rysunku 6 przedstawin wp³yw zawartœci siarki w leju napêdwym na emisjê. Zarówn dla pierwszej, jak i dla drugiej fazy testu NEDC najni sz¹ emisjê uzyskan dla leju napêdweg najni szej zawartœci siarki. W gólnœci emisja wzrasta³a ze wzrstem zawartœci siarki. Ró - nice miêdzy skrajnymi wartœciami emisji najwiêksze by³y w fazie EUDC i wynsi³y k³ 10%, w fazie UDC i ca³ym teœcie NEDC by³y k³ dwa razy mniejsze. Jakklwiek w badaniach stwierdzn negatywny wp³yw siarki na emisjê, a tak e ewidentny wzrst teg wp³ywu w drugiej fazie NEDC, t jednak trudn jednznacznie stwierdziæ czeg by³ n wynikiem. Pjazd testwy nie by³ wypsa ny by³ w reaktr katalityczny redukuj¹cy. Byæ m e zawartœæ siarki wp³ywa³a na emisjê na drdze ddzia³ywania na pracê uk³adu recyrkulacji spalin. Rys. 6. Emisja w fazie UDC, EUDC i ca³ym teœcie NEDC w funkcji zawartœci siarki w paliwie Fig. 6. emissin during UDC, EUDC and the whle NEDC as a functin f diesel fuel sulphur cntent In the case f the HC emissin, as is the case fr CO emissin, the mst evident effect f sulphur ccurred in the EUDC phase, which is explained in the same way as abve by the influence f sulphur n the catalyst efficiency. Hwever, ne shuld nte the nature f the sulphur influence n the HC emissin is different than in the case f CO. Fr HC the differences f emissin fr fuels with the extreme sulphur cntent are much lwer and als there is n influence n the emissins in case f sulphur cntent changes in the range f 50 2000 ppm. The influence f the sulphur cntent in diesel fuel n emissin is presented in Figure 6. Bth in the first phase and in the secnd phase f the NEDC test the lwest emissin was recrded fr a fuel with the lwest sulphur cntent. In general, the emissin intensified as the sulphur cntent increased. The differences in emissin fr the fuels with the extreme values f sulphur cntent were mst significant in the EUDC phase and f abut 10% value. In the UDC phase and in the whle NEDC they were smaller by factr 2. Althugh the results f the tests prved the negative effect f sulphur n the emissins, and the evident increase f this effect in the secnd phase f the NEDC as well, it is difficult t state definitely the principle causes. The SILNIKI SPALINOWE, nr 1/2005 (120) 25
Badania/Research The effect f fuel prperties n exhaust emissins frm diesel passenger car Dla ca³eg testu NEDC najwiêksza emisja PM mia³a miejsce przy zastswaniu paliwa najwiêkszej zawartœci siarki (rys. 7). Dla pzsta³ych paliw emisja cz¹stek sta³ych si¹gnê³a zbli ne wartœci, k³ 20% mniejsze ni dla leju napêdweg zawartœci 2000 ppm siarki. Dla paliw zawartœci siarki 350 i 50 ppm uzyskan identyczne wartœci emisji PM, wy sze jedynie k³ 4% d uzyskanych przy paliwie typu sulphur-free. Rys. 7. Emisja PM w fazie UDC, EUDC i ca³ym teœcie NEDC w funkcji zawartœci siarki w paliwie Fig. 7. PM emissin during UDC, EUDC and the whle NEDC as a functin f diesel fuel sulphur cntent Analizuj¹c emisjê PM w teœcie UDC, który stanwi pierwsz¹ czêœæ NEDC, zauwa n, e ró nice w emisji pmiêdzy paliwami skrajnej zawartœci siarki s¹ ni sze ni dla ca³eg NEDC. Jest t zapewne wynikiem niskiej temperatury spalin i reaktra katalityczneg, zwi¹zanych z zimnym rzruchem i niskimi bci¹ eniami silnika w tej fazie testu jezdneg. Warunki te nie sprzyjaj¹ twrzeniu siarczanów w z³ u katalitycznym, c pwduje graniczenie wp³ywu zawartej w paliwie siarki na gólny pzim emisji cz¹stek sta³ych. W drugiej czêœci testu NEDC, a wiêc w EUDC uzyskan liniw¹ zale nœæ emisji PM i zawartœci siarki w paliwie. Nale y s¹dziæ, i zadecydwa³a tym wy sza ni w UDC temperatura spalin i reaktra katalityczneg (gr¹cy start, wy sze bci¹ enie) i w rezultacie wiêksza intensywnœæ frmwania siarczanów. Wp³yw zawartœci siarki na emisjê CO 2 przedstawin na rysunku 8. Widaæ wyraÿnie, ze emisja CO 2 przyjmuje w pszczególnych fazach testu sta³¹ wartœæ, niezale nie d zawartœci siarki w paliwie. 3.2. Wp³yw liczby cetanwej na emisjê Wp³yw liczby cetanwej leju napêdweg na emisjê CO, HC, i PM przedstawin na rysunkach 9, 10, 11, 12 i 13. Wp³yw zwiêkszenia liczby cetanwej leju napêdweg na emisjê CO jest jednznacznie krzystny (rys. 9). W pierwszej fazie NEDC wyraÿna redukcja emisji CO rzpczê³a siê pwy ej liczby cetanwej LC=50, ró nica emisji miêdzy paliwami skrajnych wartœciach LC wynis³a 0,522 g/km, czyli k³ 26%. Redukcja emisji CO w fazie UDC jest szczególne krzystna, gdy ze wzglêdu na niedgrzanie silnika trudn jest w tej fazie graniczaæ emisjê za pmc¹ reaktra katalityczneg, bni enie emisji CO, szczególnie na pcz¹tku UDC m liwe jest w zasadzie jedynie na drdze zmniejszenia intest vehicle was nt equipped with a reductin catalyst. It was pssible that the sulphur cntent influence n the emissins was cnnected with the peratin f the exhaust gas recirculatin system. The highest PM emissin during whle NEDC (Fig. 7) was btained at the highest sulphur cntent in diesel fuel. Fr ther fuels the PM emissins were f a similar value and abut 20% lwer than fr the case with 2000 ppm sulphur cntent. Fr fuels with the 350 and 50 ppm sulphur cntent the same PM emissin levels were recrded which were higher by nly less than 4% than fr diesel fuel f a sulphur-free type. When analysing the PM emissins during the UDC, which cnstitutes the first part f the NEDC test, it shuld be stated that the PM emissin differences btained here fr the fuels with the extreme values f sulphur cntent are lwer than fr the cmplete NEDC test. It is prbably due t a lw temperature f the catalyst and exhaust gas in this test, resulting frm the cld start and small engine lads. It fllws that the frmatin f the sulphates ccurs with reduced intensity and effects the ttal PM emissin level t a smaller extent. In the secnd part f the NEDC test, namely during the EUDC, the linear relatin between the PM emissin and the sulphur cntent in fuel was btained. It shuld be cncluded that the exhaust gas and catalyst temperatures were higher (ht start, higher lad) than during the UDC phase and as a result the increased frmatin f the sulphates were decisive. The influence f the sulphur cntent n the CO 2 emissin is presented in Figure 8. It can be clearly seen that the CO 2 emissin fr individual test phases is cnstant, regardless f the fuel sulphur cntent. Rys. 8. Emisja CO 2 w fazie UDC, EUDC i ca³ym teœcie NEDC w funkcji zawartœci siarki w paliwie Fig. 8. CO 2 emissin during UDC, EUDC and the whle NEDC as a functin f diesel fuel sulphur cntent 3.2. Influence f cetane number n emissins The influence f the cetane number (CN) f diesel fuel n the CO, HC, and PM emissin is presented in Figures 9, 10, 11, 12 and 13. The effect f the increasing f the cetane number f diesel fuel n the CO emissin is definitely advantageus (Fig. 9). In the first phase f the NEDC the significant reductin f the CO emissin started abve the cetane number f 50; the 26 SILNIKI SPALINOWE, nr 1/2005 (120)
Wp³yw paliwa na emisjê szkdliwych sk³adników spalin przez samchód sbwy... Badania/Research tensywnœci jeg frmwania w prcesie rbczym silnika. W fazie EUDC wp³yw LC na emisjê CO by³ w przybli eniu liniwy, wzglêdna ró nica emisji miêdzy paliwami LC=45 i LC=63 by³a jeszcze wiêksza ni w UDC i wynsi³a k³ 41%. Œwiadczy t mniejszej ilœci CO twrzneg pdczas spalania paliwa wy szej LC. Rys. 9. Emisja CO w fazie UDC, EUDC i ca³ym teœcie NEDC w funkcji liczby cetanwej paliwa Fig. 9. CO emissin during UDC, EUDC and the whle NEDC as a functin f cetane number f diesel fuel Przebieg krzywej emisji HC w fazie UDC w funkcji liczby cetanwej paliwa (rys. 10) wykazuje du e pdbieñstw d mawianeg wy ej przebiegu krzywej emisji CO. Tu równie wyraÿna redukcja emisji wystêpuje pwy ej LC=50. WyraŸnie inny jest natmiast przebieg krzywej emisji HC w fazie EUDC. Jakklwiek najni sz¹ wartœæ emisji HC uzyskan dla najwy szej liczby cetanwej, t najwy sz¹ emisjê trzyman dla paliw pœredniej wartœci teg parametru (LC=50 i 55). W ca³ym teœcie NEDC najwy sz¹ emisjê HC trzyman dla LC=50, zwiêkszaj¹c LC d 63 uzyskan redukcjê HC 25%. Wp³yw liczby cetanwej leju napêdweg na emisjê przedstawin na rysunku 11. W fazie UDC, w zakresie LC d 45 d 55 emisja zmniejsza siê nieznacznie ze wzrstem LC. Zwiêkszenie LC d z 55 d 63 pwduje ju wyraÿne ( 6%) bni enie emisji. W fazie EUDC zwiêkszenie LC z 45 d 50 i 55 pwduje niewielki (2%) wzrst emisji, dalszy wzrst LC d 63 nie wp³ywa ju na emisjê. W ca³ym teœcie NEDC najni sz¹ emisjê uzyskan dla paliwa liczbie cetanwej 63; przy pzsta³ych paliwach emisja by³a 3-4% wy sza i przyjmwa³a zbli ne wartœci. difference f the emissin fr fuels with the extreme values f cetane number was 0.522 g/km, i.e. abut 26%. The reductin f the CO emissin in the UDC phase is f a special advantage, since due t the cld engine in this phase it is difficult t decrease the CO emissin by use f the catalyst; the reductin f the CO emissin, especially at the very beginning f the UDC phase, is pssible t be achieved nly by reducing the intensity f CO frmatin in the engine wrking cycle. In the EUDC phase the influence f the cetane number n the CO emissin was nearly linear, the relative emissin difference fr fuels with cetane numbers f 45 and 63 was even higher than in UDC and was f abut 41%. It gives evidence f the smaller amunt f CO being frmed during the cmbustin f fuel with the higher cetane number. The characteristics f the HC emissin in the UDC phase as a functin f the cetane number f fuel (Fig. 10) shws great similarity t the characteristics f the CO emissin discussed abve. The significant reductin f the emissin is als seen here abve the CN = 50, whereas the characteristics f the HC emissin in the EUDC phase is quite different. Despite the lwest HC emissin value which was recrded fr the highest cetane number, the highest emissin was btained fr fuels with the intermediate value f this parameter (CN = 50 and 55). The highest HC emissin in the whle NEDC test was btained fr CN = 50, when increasing CN up t 63 the HC reductin by 25% was btained. The influence f the cetane number f diesel fuel n the emissin is presented in Figure 11. In the UDC phase fr the CN range frm 45 t 55, the emissin slightly decreases as CN increases. The increase f CN frm 55 t 63 results in the quite substantial (by 6%) reductin f the emissin. In the EUDC phase the increase f CN frm 45 t 50 and 55 results in a slight (by 2%) increase f the emissin; the further increase f CN up t 63 n lnger influences n the emissin. In the whle NEDC test the lwest emissin was btained fr the fuel with CN = 63, fr ther fuels the emissin was by 3-4% higher and the recrded values were similar. The influence f the cetane number n the PM emissin is presented in Figure 12. In the UDC and EUDC identical PM emissin values were recrded fr fuels with CN = 45 and 50. In case f thse fuels the PM emissin was lwer Rys. 10. Emisja HC w fazie UDC, EUDC i ca³ym teœcie NEDC w funkcji liczby cetanwej paliwa Fig. 10. HC emissin during UDC, EUDC and the whle NEDC as a functin f cetane number f diesel fuel Rys. 11. Emisja w fazie UDC, EUDC i ca³ym teœcie NEDC w funkcji liczby cetanwej paliwa Fig. 11. emissin during UDC, EUDC and the whle NEDC as a functin f cetane number f diesel fuel SILNIKI SPALINOWE, nr 1/2005 (120) 27
Badania/Research The effect f fuel prperties n exhaust emissins frm diesel passenger car Wp³yw liczby cetanwej leju napêdweg na emisjê PM przedstawin na rysunku 12. W fazie UDC i EUDC uzyskan jednakwe wartœci emisji PM dla paliw LC = 45 i 50. Emisja PM dla tych paliw by³a ni sza ni dla paliw wy - szych LC (55 i 63), szczególnie w fazie UDC, gdzie ró nica wynsi³a k³ 25%. W fazie EUDC (a tak e w ca³ym NEDC), wyraÿnie najwy sz¹ emisjê PM uzyskan dla paliwa LC = 55, dla pzsta³ych paliw zarówn wy szej, jak i ni szej LC, emisja PM by³a k³ 15% mniejsza. than fr fuels with higher cetane numbers (CN = 55 and 63), especially in the phase UDC where the difference was f abut 25%. In the EUDC phase (and als in the whle NEDC test) definitely the highest PM emissin was btained fr fuel with the CN = 55, whereas fr ther fuels f bth higher and lwer cetane numbers the PM emissin was by abut 15% lwer. Rys. 12. Emisja PM w fazie UDC, EUDC i ca³ym teœcie NEDC w funkcji liczby cetanwej paliwa Fig. 12. PM emissin during UDC, EUDC and whle NEDC as a functin f cetane number f diesel fuel Wp³yw zawartœci siarki na emisjê CO 2 przedstawin na rysunku 13. Nie stwierdzn wiêkszych ró nic w emisji dla paliw ró nej zdlnœci d samzap³nu. Nieznacznie ni sza emisja CO 2 dla paliw ni szych liczbach cetanwych pwi¹zana jest z wiêksz¹ emisj¹ CO i HC. 4. Wniski Wyniki badañ przeprwadznych na samchdzie napêdzanym przez silnik zap³nie samczynnym ptwierdzi³y du y wp³yw zawartœci siarki w paliwie na pzim emisji PM. Bir¹c pd uwagê ca³y NEDC, bni enie zawartœci siarki w leju napêdwym mia³ najwiêkszy wp³yw na redukcjê emisji PM, w mniejszym stpniu wp³ywa³ równie na bni enie emisji. Dla emisji CO i HC w ca³ym NEDC nie zantwan wyraÿnej krelacji z zawartœci¹ siarki w paliwie, emisja CO i HC utrzymywa³a siê na zbli nym pzimie niezale nie d ilœci siarki. Analiza wyników uzyskanych w bu czêœciach testu NEDC wskazuje na t, e wp³yw zawartœci siarki w leju napêdwym na emisjê PM w spalinach uwidacznia siê bardziej w drugiej czêœci testu fazie EUDC. Zagadnienie t wi¹ e siê z si¹gniêciem nminalnej temperatury pracy reaktra katalityczneg raz z wystêpwaniem wiêkszeg bci¹- enia silnika w tej fazie testu tksycznœci. W fazie EUDC zantwan silny wp³yw zawartœci siarki na emisjê CO, ró nica emisji CO miêdzy paliwami skrajnej zawartœci siarki (<5 i 2000 ppm) wynis³a blisk 50%. W fazie tej CO jest skutecznie dpalany przez reaktr katalityczny, znaczne ró nice jeg emisji œwiadcz¹ du ym negatywnym wp³ywie siarki na zdlnœæ reaktra d utleniania CO (zw³aszcza bir¹c pd uwagê krótki czas ddzia³ywania paliwa na reaktr katalityczny). Ró nice w emisji CO dla paliw Rys. 13. Emisja CO 2 w fazie UDC, EUDC i ca³ym teœcie NEDC w funkcji liczby cetanwej paliwa Fig. 13. CO 2 emissin during UDC, EUDC and whle NEDC as a functin f cetane number f diesel fuel The influence f the cetane number n the CO 2 emissin is presented in Figure 13. N significant differences fr varius ignitin qualities were detected. Slightly lwer CO 2 emissin fr lw-cetane fuels is cnnected with higher emissins f CO and HC. 4. Cnclusins The results frm the diesel vehicle cnfirmed the fuel sulphur significant effect n PM emissins. Cnsidering the NEDC test as a whle it shuld be nted that the lwering f the sulphur cntent in diesel fuel was f the greatest influence n the reductin f the PM emissin, and t smaller extent resulted in the reductin f the emissin. N serius crrelatin between the sulphur cntent in diesel fuel and the CO and HC emissin in the whle NEDC test was fund; the CO and HC emissin was kept at the similar level irrespective f the sulphur cntent. When cnsidering the tw phases f the NEDC test the secnd phase the EUDC is mre sensitive t the diesel fuel sulphur cntent. Within the EUDC test the catalyst reaches its nminal wrk temperature and the engine lads are higher. In the EUDC phase fr all txic substances (CO, HC, and PM) the highest emissin was btained in case f the fuel with the highest sulphur cntent. In the EUDC phase a significant influence f the sulphur cntent n the CO emissin was recrded; fr fuels with the extreme values f sulphur cntent (<5 and 2000 ppm) CO emissin difference f nearly 50% was recrded. In this phase CO is efficiently cmbusted in the catalyst; the significant differences f its emissin prve the high disadvantageus influence f the sulphur cntent n the CO xidizing ability f the catalyst (especially when cnsidering the fact that fuel affected the catalyst fr shrt time nly). The abve mentined differences f the CO emissin d nt apply t 28 SILNIKI SPALINOWE, nr 1/2005 (120)
Wp³yw paliwa na emisjê szkdliwych sk³adników spalin przez samchód sbwy... Badania/Research ró nej zawartœci siarki w fazie EUDC nie przek³adaj¹ siê na ca³y test NEDC, pniewa emisji w NEDC decyduje faza UDC, pdczas której emisja CO przyjmuje wartœci k³ 30 razy wy sze ni pdczas EUDC. Szczególnie cenne jest, e uzyskanej przez zmniejszenie zawartœci siarki redukcji emisji tksycznych sk³adników spalin nie twarzyszy wzrst zu ycia paliwa lub emisji innych zwi¹zków tksycznych. Zwiêkszenie zdlnœci paliwa d samzap³nu (liczby cetanwej) mia³ najwiêkszy wp³yw na redukcjê emisji CO. Dtyczy t zarówn fazy UDC, jak i EUDC, c œwiadczy mniejszej intensywnœci frmwania CO w kmrze spalania przy wy szej liczbie cetanwej paliwa. Redukcja emisji CO by³a szczególnie wyska przy liczbie cetanwej pwy ej 50. Pdbny charakter przebiegu d emisji CO w funkcji liczby cetanwej mia³a emisja HC. Dla ca³eg testu NEDC ró nice emisji dla paliw skrajnej LC (45 i 63) wynsi³y dpwiedni: dla CO 27%, dla HC 25%. Szczególnie cenne jest zmniejszenie emisji CO i HC w fazie UDC, gdy ze wzglêdu na nisk¹ temperaturê reaktra katalityczneg, CO i HC nie s¹ ju w zasadzie dpalane p puszczeniu silnika. Krzystny wp³yw wy szej LC na emisjê przejawia³ siê jedynie w fazie UDC. W fazie EUDC emisja by³a prawie jednakwa dla wszystkich paliw. Dla ca³eg NEDC najni sz¹ emisjê uzyskan dla paliwa LC=63, dla pzsta³ych by³a na 3-4% wy sza. W badaniach nie stwierdzn prstej krelacji miêdzy liczb¹ cetanw¹ paliwa a emisj¹ PM. Zarówn zawartœæ siarki jak i liczba cetanwa mia³y niewielki wp³yw na pzim emisji CO 2. Artyku³ recenzwany the whle NEDC test, because during the UDC phase the average CO emissin is mre than 30 times higher than the ne f the EUDC phase, which determines the ttal emissin in whle NEDC test. The fact that the reductin f the emissins by the reductin f the diesel fuel sulphur cntent is nt accmpanied by an increase f ther regulated emissin cmpnents and fuel cnsumptin is f great imprtance. The increase f the self-ignitin ability f fuel (increasing the cetane number) was f the greatest influence n the reductin f the CO emissin. It applies bth t the UDC phase and t the EUDC ne, and prves that the intensity a f the CO frmatin in the cmbustin chamber is smaller at the higher cetane number f fuel. The reductin f the CO emissin was especially significant at the cetane number values abve 50. The characteristics f the HC emissin as a functin f the cetane number was similar t the ne f the CO emissin. In the whle NEDC test the differences f the emissin frm the fuels with the cetane number extreme values (CN = 45 and 63) were f 27% and 25% fr CO and HC respectively. The reductin f the CO and HC emissin in the UDC phase is f special imprtance, as in fact CO and HC are nt any lnger cmbusted after leaving the engine due t a lw temperature f the catalyst. The advantageus effect f higher CN values n the emissin ccurred nly in the UDC phase. In the EUDC the emissin was almst identical fr all fuels. Fr the whle NEDC test the lwest emissin was recrded fr the fuel with CN=63; fr ther fuels the emissin was higher by 3-4%. N direct crrelatin between the cetane number values and the PM emissin was fund. Fuel sulphur cntent as well as cetane number had less influence n CO 2 emissin level. Literatura/Bibligraphy [1] ACEA data f the sulphur effect n advanced emissin cntrl technlgies. Reprt July 2000. [2] Bielaczyc P., Merkisz J., Kzak M.: Analysis f the Influence f Fuel Sulphur Cntent n Diesel Engine Particulate Emissins. SAE Paper 2002-01-2219. [3] Clark W., Sverdrup G.M., Gguen S.J., Keller G., McKinnn D., Quinn M., Graves R.L.: Overview f Diesel Emissin Cntrl-Sulphur Effects Prgram. SAE Paper 2000-01-1879. [4] Diesel Emissin Cntrl Sulphur Effects (DECSE) Prgram. Final Reprt: Diesel Oxidatin Catalysts and Lean-NOx Catalysts, June 2001. [5] Diesel Emissin Cntrl Sulphur Effects (DECSE) Prgram. Phase I Interim Data Reprt N. 3: Diesel Fuel Sulphur Effects n Particulate Matter Emissins, Nvember 1999. [6] Directive 2003/17/EC f the Eurpean Parliament and f the Cuncil f 3 March 2003 amending Directive 98/70/EC relating t quality f petrl and diesel fuels. [7] Gerini A., Mntagne X.: Autmtive Direct-Injectin Diesel Engine Sensitivity t Diesel Fuel Characteristics. SAE Paper 972963. [8] Grebe U.D., Imarisi R.: Gasline r Diesel Engine the Race Is On. FISITA 2004 Wrld Autmtive Cngress, Barcelna, 23-27.05.2004, F2004V097. [9] Hara H., Ith Y., Henein N., Bryzik W.: Effect f Cetane Number with and withut Additive n Cld Startability and White Smke Emissins in a Diesel Engine. SAE Paper 1999-01- 1476. [10] Hnkanen M. i in.: The Perfrmance f Refrmulated Diesel Fuels in a DI Passenger Car. FISITA Wrld Autmtive Cngress, Helsinki 2002. F02E213. [11] http://www.acea.be/acea/aut_data.html. [12] http://www.chevrn.cm/prdserv/fuels/bulletin/diesel. [13] Influence f the sulphur cntent in fuel n the fuel cnsumptin and pllutant emissins f vehicle with gasline and diesel engines. FEV Reprt, 02.11.1999. [14] Ingram G., Surnilla G.: On-line Estimatin f Sulfatin Levels in a Lean NOx Trap. SAE Paper 2002-01-0731. [15] Kenney T.E. i in.: Overall Results: Phase I Ad Hc Diesel Fuel Test Prgram. SAE Paper 2001-01-0151. [16] Kzak M.: Wp³yw wybranych parametrów paliwa na emisjê tksycznych sk³adników spalin z silników zap³nie samczynnym. Praca dktrska, Plitechnika Pznañska, 2003. SILNIKI SPALINOWE, nr 1/2005 (120) 29
Badania/Research The effect f fuel prperties n exhaust emissins frm diesel passenger car [17] Köenig A.: Fuel Effect n Lw Emissin Cncept. 2nd Internatinal Cllquium FUELS 1999, Technische Akademie Esslingen 20-21. 01. 1999. [18] Kwn Y., Mann N., Rickeard D.J., Haugland R.: Fuel effect n Diesel Emissins A New Understanding. SAE Paper 2001-01-3522. [19] Lange W.W. i in.: Influence f Fuel Prperties n Exhaust Emissins frm Advanced Heavy-Duty Engines Cnsidering the Effect f Natural and Additive Enhanced Cetane Number. SAE Paper 972894. [20] Li X., Chippir W., Gulder O.: Effects f Cetane Enhancing Additives and Ignitin Quality n Diesel Exhaust Emissins. SAE Paper 972968. [21] Li X., Chippir W., Gulder O.: Effects f Fuel Prperties n Exhaust Emissins f a Single Cylinder DI Diesel Engine. SAE Paper 962116. [22] McKinnn D: The impact f Sulfur in Diesel Fuel n Catalyst Emissin Cntrl Technlgy. Manufactures f Emissin Cntrls Assciatin, 1999. [23] Merkisz J., Kzak M.: The Influence f Fuel Sulphur Cntent n Diesel Engine Particulate Emissins and Cmpsitin. EAEC Cngress, Bratislava 18-29.06.2001, SAITS 01148. [24] Ogawa T. i in.: Fuel Effect n Particulate Emissins frm DI Engine Relatinships amng Diesel Fuel, Exhaust Gas and Particulates. SAE Paper 971605. [25] Oyama K., Kakegawa T.: Japan Clean Air Prgram Step 1 Study f Diesel Vehicle and Fuel Influence n Emissins. SAE Paper 2000-01-1973. [26] Rickeard D.J., Bnett R., Singer M.: Eurpean Prgramme n Emissins, Fuels and Engine Technlgy (EPEFE) Cmparisn f Light and Heavy Duty Diesel Studies. SAE Paper 961075. [27] Sher E.: Handbk f Air Pllutin frm Internal Cmbustin Engines; Pllutant Frmatin and Cntrl. Academic Press, San Dieg USA, 1998. [28] Shuxian R.: Diesel Fuel Sulfur Effects n the Perfrmance f Lean NOx Catalysts. 6 th Diesel Engine Emissins Reductin Wrkshp, San Dieg (USA), 20-24.08.2000. [29] Shuz N.: Status f Fuels and Lubricants fr Diesel Engines in Japan. Japan Clear Air Prgram, Jint Meeting APBF-DEC, CAFE, JCAP, Octber 9-10, 2002. [30] Singal S.K., Singh I.P., Pandey D.C., Runda M.K., Semwal P.B., Gandhi K.K.: Fuel Quality Requirements fr Reductin f Diesel Emissins. SAE Paper 1999-01-3592. [31] Szymkwicz P.G., French D.T., Crellin C.C.: Effects f Advanced Fuels n the Particulate and Emissins frm an Optimized Light-Duty CIDI Engine. SAE Paper 2001-01- 0148. [32] Tamanuchi M. and thers: Effect f Fuel Prperties n Exhaust Emissins fr Diesel Engines with and withut Oxidatin Catalyst and High Pressure Injectin. SAE Paper 970758. [33] Terry L., Ullman T. L., Spreen K.B., Masn R.L.: Effects f Cetane Number n Emissins Frm a Prttype 1998 Heavy- Duty Diesel Engine. SAE Paper 950251. [34] Terry L., Ullman T. L., Spreen K.B., Masn R.L.: Effects f Cetane Number, Armatics and Oxygenates n Emissins Frm a 1994 Heavy-Duty Diesel Engine With Exhaust Catalyst. SAE Paper 950250. [35] Truex T.J.: Interactin f Sulfur with Autmtive Catalysts and the Impact n Vehicle Emissin A Review. SAE Paper 1999-01-1543. [36] US Federal Register Vl. 66, N. 12. January 18, 2001. [37] Walsh M.: Glbal Trends in Mtr Vehicle Pllutin Cntrl a 2004 Update. FISITA 2004 Wrld Autmtive Cngress, Barcelna, 23-27.05.2004. F2004V023. [38] Wrldwide Fuel Charter, December 2002. [39] YungKee Y., SekJae K., GwnK Y., TaeHun Y., HyunSik H.: A develpment f Diesel Oxidatin Catalyst and the Evaluatin f its Perfrmance Characteristic. FISITA Wrld Autmtive Cngress, Seul 2000. F2000H179. Skróty i znaczenia/nmenclature CO carbn xide tlenek wêgla CO 2 carbn dixide dwutlenek wêgla CN cetane number liczba cetanwa CVS cnstant vlume sampler uk³ad rzcieñczaj¹cy spaliny pwietrzem sta³ym natê eniu przep³ywu DI direct injectin bezpœredni wtrysk paliwa E250 (E350) percentage v/v f a fuel distilled at 250 C (350 C) ilœæ paliwa w % (v/v) ddestylwuj¹ca d temperatury dpwiedni 250 C (350 C) EGR exhaust gas recirculatin recyrkulacja spalin EUDC Extra Urban Driving Cycle pzamiejski eurpejski test jezdny (druga czeœæ testu NEDC) FBP final biling pint temperatura kñca destylacji paliwa HC hydrcarbns wêglwdry IBP initial biling pint temperatura pcz¹tku destylacji paliwa LEV lw emissin vehicles pjazdy niskiej emisji LC liczba cetanwa * Dr in. Mi³s³aw Kzak adiunkt na Wydziale Maszyn Rbczych i Transprtu Plitechniki Pznañskiej. Mr Mi³s³aw Kzak Ph.D., M.E. Dctr in the Faculty f Wrking Machines and Transprtatin at Pznañ University f Technlgy. NEDC New Eurpean Driving Cycle nwy eurpejski cykl jezdny zmdyfikwany cykl ECE R83 z natychmiastwym pbrem spalin nitrgen xides tlenki aztu PM particulate matter cz¹stki sta³e T50 (T90) temperature at which 50 (90) % v/v f the fuel distills UDC temperatura ddestylwania 50 (90)% (v/v) paliwa Urban Driving Cycle miejski eurpejski cykl jezdny (pierwsza czêœæ testu NEDC) ULEV ultra lw emissin vehicles pjazdy bardz niskiej emisji ** Prf. dr hab. in. Jerzy Merkisz prfesr na Wydziale Maszyn Rbczych i Transprtu Plitechniki Pznañskiej. Prf. Jerzy Merkisz D.Sc., Ph.D., M.E. Prfessr in the Faculty f Wrking Machines and Transprtatin at Pznañ University f Technlgy. *** Dr in. Pitr Bielaczyc kierwnik Zak³adu Badañ Silników w OBR SM BOSMAL w Bielsku- -Bia³ej. Mr Pitr Bielaczyc, Ph.D., M.E. Head f Engine Research Department at the BOSMAL Autmtive Research & Develpment Centre in Bielsk-Biala. 30 SILNIKI SPALINOWE, nr 1/2005 (120)