Zastosowanie trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego spalin do benzynowego silnika HCCI

Hunicz Jacek 1, Gęca Michał 2 Politechnika Lubelska Zastosowanie trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego spalin do benzynowego silnika HCCI Wstęp System niskotemperaturowego spalania jednorodnej mieszanki paliwowo-powietrznej w silnikach HCCI (ang.: homogeneous charge compression ignition) jest nowatorskim rozwiązaniem w dziedzinie napędów pojazdów. Różni się znacząco od konwencjonalnych systemów spalania znanych z silników o zapłonie iskrowym (ZI) oraz silników z zapłonie samoczynnym (ZS). Paliwo wtryskiwane jest do komory spalania z dużym wyprzedzeniem, dzięki czemu uzyskuje się dokładną homogenizację. Czynnikiem inicjującym zapłon jest odpowiednia temperatura. Żeby uzyskać temperaturę samozapłonu przy stopniu sprężania typowym dla silników ZI, do komory spalania należy dostarczyć dodatkową energię. Można to zrobić wykorzystując entalpię spalin pozostałych z poprzedniego cyklu spalania. Dostarczenie spalin może odbyć się poprzez: zastosowanie zewnętrznej recyrkulacji spalin, zasysanie gorących spalin z układu wylotowego lub przez zatrzymanie spalin z poprzedniego cyklu w komorze spalania [14]. Najlepszym rozwiązaniem realizacji cyklu roboczego, jest ostatnia metoda, czyli wewnętrzna recyrkulacja spalin uzyskiwana dzięki tzw. ujemnemu współotwarciu zaworów. Metoda ta została opisana w pracach [5, 11, 13]. Ujemne współotwarcie zaworów polega na zamknięciu zaworu wylotowego jeszcze podczas suwu wylotu i zatrzymaniu w cylindrze części spalin z poprzedniego cyklu. Pozostałe w cylindrze gazy spalinowe są następnie sprężane. Na wykresie indykatorowym ciśnienia w przypadku pracy z ujemnym współotwarciem zaworów powstaje druga pętla sprężania, jednakże bez spalania (rys.1). Rys. 1. Zamknięty wykres indykatorowy silnika HCCI W odróżnieniu od konwencjonalnych systemów spalania w cylindrze silnika HCCI samozapłon występuje jednocześnie w wielu miejscach. W takim przypadku nie można wyróżnić stref świeżego i spalonego ładunku, a wartość temperatury w komorze spalania jest niższa niż w przypadku silników ZI oraz ZS [8, 9]. Cechą spalania objętościowego jest niska emisja składników toksycznych spalin. Dlatego poza trójfunkcyjnym reaktorem katalitycznym nie ma potrzeby stosowania skomplikowanych układów oczyszczania spalin takich jak filtry cząstek stałych czy też układy selektywnej redukcji katalitycznej [6]. Dodatkowo dzięki 1 Hunicz Jacek, Politechnika lubelska, Wydział Mechaniczny; 20-618 Lublin; ul. Nadbystrzycka 36. Tel.: +48 81 5384175, Fax: +48 81 5384258, j.hunicz@pollub.pl 2 Gęca Michał, Politechnika lubelska, Wydział Mechaniczny; 20-618 Lublin; ul. Nadbystrzycka 36. Tel.: +48 81 5384175, Fax: +48 81 5384258 Logistyka 5/2015 137

spalaniu objętościowemu proces spalania jest krótszy niż w silnikach ZS i ZI co wpływa na poprawę sprawności cieplnej [14]. Wtrysk paliwa w początkowym etapie sprężania spalin (podczas ujemnego współotwarcia zaworów) umożliwia pirolizę paliwa co powoduje powstawanie takich związków jak: etan, etylen, acetylen, formaldehyd, metanol [1, 2, 4]. Pojawienie się tych związków w mieszaninie palnej przyspiesza początek spalania o kilka stopni w stosunku do mieszanki przygotowanej poza cylindrem w tych samych warunkach termicznych [10]. Dzięki poprawie w ten sposób właściwości samozapłonowych mieszanki możliwe jest rozszerzenie zakresu pracy silnika. Pomimo wyżej wymienionych zalet, spalanie niskotemperaturowe może wpływać na zwiększenie emisji tlenku węgla (CO) i niespalonych węglowodorów (HC). Ponadto piroliza paliwa zmienia skład niespalonych węglowodorów w spalinach, w tym tzw. trudno utleniających się w reaktorach katalitycznych. Dlatego też w niniejszej pracy przeanalizowano działanie reaktora katalitycznego spalin w silniku HCCI zasilanym wtryskiem paliwa podczas ujemnego współotwarcia zaworów. Stanowisko badawcze i metodyka badań Obiekt badań Do badań eksperymentalnych został wykorzystany jednocylindrowy silnik badawczy. Silnik zainstalowano na stanowisku do badań dynamometrycznych wyposażonym w hamulec prądu stałego Szczegółowe dane silnika umieszczono w tabeli 1. Wyposażenie silnika w hydrauliczny mechanizm umożliwia zmianę faz rozrządu. Dzięki temu możliwa jest niezależna regulacja faz rozrządu zaworu dolotowego i wydechowego. Takie rozwiązanie pozwala na uzyskanie wewnętrznej recyrkulacji spalin. W głowicy silnika umieszczono jednostrumieniowy, elektromagnetyczny wtryskiwacz zapewniający bezpośredni wtrysk do komory spalania. Podczas badań wykorzystano katalizator firmy BOSAL o numerze referencyjnym 099-886. Jest to trójfunkcyjny reaktor uniwersalny na podłożu metalowym oraz warstwą katalityczną z platyny i rodu. Tab. 1. Dane techniczne jednocylindrowego silnika badawczego Objętość skokowa 498,5 cm 3 Średnica cylindra 84 mm Skok tłoka 90 mm Stopień sprężania 11,7 Liczba zaworów 2 Profil krzywki zaworu dolotowego 9,4 mm; 235 OWK Profil krzywki zaworu wylotowego 9,2 mm; 235 OWK Wznios zaworu dolotowego 2,4 9,4 mm Wznios zaworu wylotowego 2,2 9,2 mm Wtryskiwacz paliwa Elektromagnetyczny generujący zawirowanie Ciśnienie paliwa 40 110 bar Paliwo Benzyna LOB 95 Paliwo Silnik zasilano paliwem o badawczej liczbie oktanowej 95. Paliwo pochodziło z jednej dostawy i zostało poddane analizie wg. normy ASTM D 5134 [15]. Skład paliwa przedstawiono w tabeli 2. Oprócz związków pokazanych w tabeli paliwo zawiera 4,6% eteru etylo-tert-butylowego oraz 5% etanolu. Ogólny masowy stosunek węgla do wodoru wynosi 6,43, a stosunek atomowy wodoru do węgla 1,85. Zastępczy wzór chemiczny paliwa przedstawia się następująco: C6,33H11,73O0,14. Teoretyczny, stechiometryczny stosunek powietrza do paliwa wynosi 14,22. 138 Logistyka 5/2015

Tab. 2. Skład paliwa Liczba atomów C [%] Alkany [%] Cykloalkany [%] Alkeny [%] Aromatyczne [ %] 4 0,35-0,32-5 11,53 0,52 5,3-6 12,1 2,81 2,04 0,89 7 4,71 1,35-8 8 3,7 2,35-11,67 9 0,32 0,18-9,29 10 0,12 - - 0,43 Inne 4,79 0,53-6,78 Suma 37,62 7,74 7,66 37,06 Urządzenia pomiarowe Skład spalin mierzony był za pomocą wieloskładnikowego systemu analitycznego typu FTIR (ang. Fourier Transform Infra-Red) firmy AVL. Analizator wykorzystuje do skanowania interferometr Michelsona. Widma podczerwieni pochłanianych przez próbkę gazu były rejestrowane w zakresie długości fal od 700 do 4000 cm -1 przy rozdzielczości optycznej 0,5 cm -1. Urządzenie to umożliwiło jednoczesne wykrycie 20 różnych składników spalin. Spaliny dostarczano do komory pomiarowej interferometru za pomocą grzanych kanałów. Otrzymane w ten sposób widma badanych próbek spalin porównywano z widmem powietrza pobranym z otoczenia. Współczynnik nadmiaru powietrza mierzono szerokopasmową sondą lambda firmy BOSCH typu LSU 4,2 umieszczoną w układzie wydechowym. Temperatura spalin została zmierzono za pomocą termopary umieszczonej w rurze wylotowej. Warunki przeprowadzenia doświadczenia Eksperyment wykonano przy prędkości obrotowej silnika 1500 obr/min i maksymalnym otwarciu przepustnicy. Silnik zasilany był powietrzem o ciśnieniu atmosferycznym. Powietrze ogrzano przez płaszcz wody wokół rury wlotowej do temperatury około 40 C. Temperatura cieczy chłodzącej silnika utrzymywana była na stałym poziomie ok. 90 C. Tab. 3. Warunki badań Parametr λ [-] 1,32 1,15 1,01 Otwarcie zaworu dolotowego [ OWK] 83 83 89 Zamknięcie zaworu dolotowego [ OWK] 213 213 219 Otwarcie zaworu wylotowego [ OWK] 527 527 527 Zamknięcie zaworu wylotowego [ OWK] 646 646 646 Ujemne współotwarcie zaworów [ OWK] 157 157 157 Początek wtrysku [ OWK] -40-40 -40 Masa paliwa [mg] 10,68 13,6 16,55 Temperatura spalin [ C] 490 537 609 Badania przeprowadzono w trzech punktach obciążenia przy zmiennym współczynniku nadmiaru powietrza. Warunki badań przedstawiono w tabeli 3. W celu określenia sprawności katalizatora, pomiary wykonano przed oraz za katalizatorem. Fazy rozrządu nie były zmieniane podczas eksperymentu. Paliwo wtryskiwano dla każdej próby 40 OWK przed górnym zwrotnym położeniem tłoka w czasie ujemnego współotwarcia zaworów. Zastosowano taki kąt wtrysku, ponieważ w tym zakresie obserwowane są największe modyfikacje składu chemicznego paliwa. Logistyka 5/2015 139

Wyniki badań Emisja związków toksycznych Wartości emisji tak zwanych regulowanych składników toksycznych dla trzech badanych obciążeń silnika przedstawiono na rysunku 2. Całkowite stężenie niespalonych węglowodorów zostało obliczone jako suma ważona wszystkich oznaczanych węglowodorów i oznaczone jako THC. Oczywistym jest, że przy mniejszym obciążeniu stężenie węglowodorów zwiększa się co spowodowane jest niższą temperaturą spalania. W gazach wylotowych silników HCCI możemy zaobserwować dość wysokie stężenie tlenku węgla (CO). Wynika to z niskiej temperatury w cylindrze co prowadzi do zakończenia utleniania w drugim etapie procesu spalania. Podczas realizacji badań największe stężenie CO zaobserwowano przy mieszance stechiometrycznej. Było to efektem niedomiaru tlenu w strefie spalania. Rys. 2. Główne analizowane składniki spalin dla trzech różnych współczynników nadmiaru powietrza Pomimo tego, że system FTIR umożliwia pomiar różnych rodzajów tlenków azotu, nie będą one szczegółowo omawiane w tym opracowaniu. Najwyższe stężenia NOX podczas badań osiągnięto dla mieszanki stechiometrycznej, a więc przy największym obciążeniu. Takie stężenia są typowe dla spalin pochodzących z silników wysokoprężnych pracujących w podobnych warunkach. Należy zwrócić uwagę, że silnik diesla dla takich samych warunków będzie pracował przy uboższych mieszankach. Badany silnik pracował w warunkach bliskich stechiometrii, dzięki czemu można było uzyskać niższe emisje niż dla silników wysokoprężnych. Wzrost emisji tlenków azotu wraz z obciążeniem spowodowany jest coraz mniejszym rozrzedzeniem ładunku w cylindrze i tym samym większą temperaturą. 140 Logistyka 5/2015

Rys. 3. Węglowodorowe składniki spalin dla trzech różnych współczynników nadmiaru powietrza Podczas reakcji zachodzących w mieszance paliwa, powietrza oraz spalin węglowodory długołańcuchowe rozbijane są na metan, lekkie węglowodory nienasycone oraz aldehydy [12]. W związku z tym zmiana składu ładunku w cylindrze wpływa na skład frakcyjny węglowodorów w spalinach. Na rysunku 3 przedstawiono molowe frakcje węglowodorów. Znaczącym składnikiem niespalonych węglowodorów jest metan (CH4). Badania wykazały, że zwiększona produkcja metanu występuje przy małym obciążeniu. Spalanie mieszanki zbliżonej do stechiometrii wpływa na redukcję stężenia CH4 w spalinach. Podobnie jak w przypadku metanu, największe stężenia acetylenu (C2H2) oraz etylenu (C2H4) osiągane jest przy wyższym współczynniku nadmiaru powietrza. Acetylen jest związkiem wpływającym na poprawę właściwości samozapłonowych ładunku w cylindrze, w związku z tym jest istotnym produktem reakcji zachodzących w czasie ujemnego współotwarcia zaworów. Spośród przedstawionych związków jednym z najgroźniejszych dla ludzi jest 1,3-butadien (C4H6). Ten węglowodór nienasycony z grupy dienów jest związkiem rakotwórczym i jest jednym z najbardziej toksycznych związków emitowanych przez silniki pojazdów samochodowych [7]. Wpływ obciążenia na 1,3- butadien, jak można zobaczyć na rysunku 3 jest jednak nieznaczny. Emisja cięższych węglowodorów tj.: toluenu (C6H5CH3), izopentanu (i-c5h12) oraz n-pentanu (n-c5h12) jest największa podczas spalania mieszanki stechiometrycznej, a więc przy większych obciążeniach. Ostatnią grupą analizowanych składników spalin są węglowodory utlenione. Niewątpliwie najgroźniejszym z nich jest aldehyd mrówkowy (HCHO). Jednak jego stężenie w gazach wydechowych nie jest duże. Nie stwierdzono również znacznego wpływu obciążenia na stężenie tego składnika w gazach spalinowych. Sprawność trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego Podczas badań wykonano pomiary składu spalin przed oraz za katalizatorem. Wykorzystując te dane obliczono sprawność trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego, według następującej zależności. gdzie: α stopień konwersji; nprzed początkowe stężenie (przed katalizatorem); npo końcowe stężenie (za katalizatorem). = n przed n po n po 100% (1) Sprawność katalizatora została przedstawiona na rysunku 4. Konwersja węglowodorów niezależnie od obciążenia zawierała się w granicach 69 58%. Tak niska sprawność katalizatora wynikała z niskiej temperatury spalin (tabela 3). Można zauważyć, że wzrost temperatury wpływa na poprawę sprawności kataliza- Logistyka 5/2015 141

tora tylko w niewielkim stopniu. Niska wydajność katalizatorów odnośnie węglowodorów dotyczy wszystkich silników, w których spalanie przebiega w niskich temperaturach np. w silnikach wysokoprężnych. W silnikach benzynowych spalających mieszankę stechiometryczną temperatura spalin jest wyższa i stopień konwersji zwykle przekracza 90%. Rys. 4. Sprawność katalizatora w przypadku regulowanych związków toksycznych dla trzech różnych współczynników nadmiaru powietrza W przypadku CO dla każdego badanego obciążenia stopień konwersji przekracza 90%. Jest to spowodowane tym, że tlenek węgla ma niższą temperaturę utlenienia niż węglowodory. Najmniejszy stopień konwersji uzyskano dla tlenków azotu. W tym przypadku znaczny wpływ na redukcję NOX ma współczynnik nadmiaru powietrza. Przy mieszance stechiometrycznej udało się usunąć 54% tlenków azotu z gazów spalinowych. Natomiast przy ubogiej mieszance zaobserwowano produkcję tlenków azotu. Rys. 5. Sprawność katalizatora w przypadku związków węglowodorowych dla trzech różnych współczynników nadmiaru powietrza W zależności od rodzaju węglowodorów ich utlenianie przebiega w różnych temperaturach. Dlatego istotne jest określenie skuteczności katalizatora w zależności od rodzaju węglowodoru. Rysunek 5 przedstawia sprawność katalizatora w zależności od węglowodoru. Zdecydowanie najmniejsza sprawność katalityczna występuje w przypadku metanu. Wynika to z wysokiej temperatury ligh-off katalizatora dla metanu, która wynosi ok 530 C [3]. Podczas badań osiągano temperatury spalin na granicy 490 C oraz 537 142 Logistyka 5/2015

C. Przy tych temperaturach odnotowano produkcje metanu w reaktorze katalitycznym. Spalanie mieszanki stechiometrycznej oraz uzyskanie temperatury spalin powyżej 600 C spowodowało utlenianie metanu lecz w bardzo małym zakresie. Dosyć niską konwersję uzyskano w przypadku pentanów. N-pentan, izopentan oraz metan były jedynymi związkami węglowodorowymi w przypadku których zaobserwowano wyraźny wpływ składu mieszanki palnej na stopień konwersji. Utlenianie innych związków węglowodorowych zachodziło ze sprawnością w granicach 68 91%. Wnioski W niniejszym opracowaniu badania prowadzone były na silniku HCCI zasilanym benzyną. Uzyskanie samozapłonu mieszanki benzynowo-powietrznej możliwe było dzięki ujemnemu współotwarciu zaworów polegającemu na zatrzymaniu części spalin w cylindrze z poprzedniego cyklu pracy silnika. Badania przeprowadzono podczas pracy silnika przy trzech różnych obciążeniach. Podczas badań zmierzono stężenia składników gazów spalinowych przed i za trójfunkcyjnym reaktorem katalitycznym oraz obliczono sprawność stosowanego katalizatora. Pomiar odbywał się przy wykorzystaniu wieloskładnikowego systemu analitycznego typu FTIR. Badania wykazały, że skład ładunku znajdującego się w komorze spalania ma znaczny wpływ na frakcje niespalonych węglowodorów. Dodatkowo trójfunkcyjny reaktor katalityczny wykazuje niską skuteczność w stosunku do niektórych węglowodorów, co wynika z niskiej temperatury spalin, typowej dla silników HCCI. Wysoki poziom emisji metanu w gazach spalinowych może być problematyczny z punktu widzenia trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego. Metan ma wysoką temperaturę light-off, dlatego można było zaobserwować praktyczny brak konwersji. Uzyskane wyniki ukazały również małą efektywność w zakresie utleniania pentanów. Szczególnie toksyczne związki takie jak 1,3-butadien i aldehyd mrówkowy redukowane były ze spalin w ok 90% niezależnie od składu mieszanki znajdującej się w cylindrze. Streszczenie W pracy przedstawiono szczegółową analizę składu spalin silnika HCCI (ang.: homogeneous charge compression ignition) zasilanego bezpośrednim wtryskiem benzyny, współpracującego z trójfunkcyjnym reaktorem katalitycznym spalin. Proces spalania HCCI uzyskano z wykorzystaniem ujemnego współotwarcia zaworów i wewnętrznej recyrkulacji spalin. Pomiary składu spalin prowadzono przed i za reaktorem katalitycznym za pomocą systemu analitycznego FTIR. Podczas badań zmieniano obciążenie silnika poprzez zmianę ilości paliwa wtryskiwanego do komory spalania. Wyniki badań pokazały znaczący wpływ obciążenia silnika na skład frakcyjny niespalonych węglowodorów. Wśród analizowanych związków na szczególną uwagę zasługuje metan, gdyż związek ten charakteryzuje się wysoką temperaturą utleniania w reaktorze katalitycznym. Pomiary składu spalin za reaktorem potwierdziły nie tylko małą skuteczność utleniania metanu, ale w pewnych warunkach jego produkcję przez układ oczyszczania spalin. Pomimo obniżenia emisji głównych związków toksycznych, emisja poszczególnych węglowodorów może być kłopotliwa dla zastosowań systemów spalania HCCI w świetle przyszłych norm emisyjnych. APPLICATION OF THREE-WAY CATALYTIC CONVERTER TO GASOLINE HCCI ENGINE Abstract In this study a detailed exhaust analysis was performed for homogeneous charge compression ignition (HCCI) engine fuelled with a direct gasoline injection and equipped with a three-way catalytic converter. HCCI combustion was achieved using a negative valve overlap technique resulting in internal gas re-circulation. Exhaust gases compositions were measured upstream and downstream the catalytic converter using FTIR analytical system. Experimental matrix covered different engine loads achieved via variable amount of fuel injected. Obtained results showed significant effect of the engine load on fractional composition of unburned hydrocarbons. Among analyzed species, methane is one of most important, because it exhibits relatively high oxidation temperature in the catalytic converter. Measurements of exhaust compositions Logistyka 5/2015 143

downstream the converter not only proved low performance in terms of methane oxidation, but also production of this compound by exhaust aftertreatment system under some operating conditions. The results revealed that besides reduction of main exhaust toxic components, excessive emission of methane could pose a challenge for application of HCCI engines in the light of future emission standards. Bibliografia 1. Aroonsrisopon T., Nitz D., Waldman J., Foster D., A computational analysis of direct fuel injection during the negative valve overlap period in an iso-octane fueled HCCI engine. SAE Technical Paper 2007-01-0227, 2007. 2. Fitzgerald R., Steeper R.R., Thermal and chemical effects of NVO fuel injection on HCCI combustion. SAE Int J Engines 2010,3(1):46-64, 2010. 3. Gélin P., Primet M., Complete oxidation of methane at low temperature over noble metal based catalysts: a review. Appl Catal B-Environ 2002, 39:1-37, 2002. 4. Hunicz J., An Experimental Study of Negative Valve Overlap Injection Effects and their Impact on Combustion in a Gasoline HCCI Engine. Fuel 2014,117:236-50, 2014. 5. Koopmans L., Ogink R., Denbratt D., Direct Gasoline Injection in the Negative Valve Overlap of a Homogeneous Charge Compression Ignition Engine. SAE Technical Paper 2003-01-1854, 2003. 6. Lavy J., Dabadie J.Ch., Angelberger Ch., Duret P., Innovative ultra-low NOX controlled auto-ignition combustion process for gasoline engines: the 4-SPACE project. SAE Technical Paper 2000-01- 1837, 2000. 7. Loh M.M., Levy J. L., Spengler J. D., Houseman E. A., Bennett D.H., Ranking cancer risks of organic hazardous air pollutants in the United States. Environ Health Persp 2007,115:1160-8, 2007. 8. Najt P.M., Foster D.E., Compression-ignited homogeneous charge combustion. SAE Technical Paper 830264, 1983. 9. Onishi S., Jo S., Shoda K., Jo P., Kato S., Active Thermo-Atmosphere Combustion (ATAC) a New Combustion Process for Internal Combustion Engines. SAE Technical Paper 790501, 1979. 10. Puranam S.V., Steeper R.R., The effect of acetylene on iso-octane combustion in an HCCI engine with NVO. SAE Int J Engines 2012,5(4);1551-60, 2012. 11. Shen Y., King E., Pfahl U., Krile R., Slone E., Orban J., Wright K., Fuel Chemistry Impacts on Gasoline HCCI Combustion with Negative Valve Overlap and Direct Injection. SAE Technical Paper 2007-01-4105, 2007. 12. Steeper R., Davisson, M., Analysis of gasoline negative-valve-overlap fueling via dump sampling. SAE Int J Engines 2014,7(2):762-71, 2014. 13. Urushihara T., Hiraya K., Kakuhou A., Itoh T.: Expansion of HCCI Operating Region by the Combination of Direct Fuel Injection, Negative Valve Overlap and Internal Fuel Reformation. SAE Technical Paper 2003-01-0749, 2003. 14. Yao M., Zheng Z., Liu H., Progress and recent trends in homogeneous charge compression ignition (HCCI) engines. Progress in Energy and Combustion Science, nr. 35, s. 398 437, 2009. 15. ASTM International standard. Standard test method for detailed analysis of petroleum naphthas through n-nonane by capillary gas chromatography. ASTM Standard D 5134; 2013. 144 Logistyka 5/2015