ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(87)/12 Stanisław W. Kruczyński 1, Marcin K. Wojs 2, Piotr Orliński 3 OCENA PRZEMIAN TLENKÓW AZOTU W UTLENIAJĄCYCH REAKTORACH KATALITYCZNYCH SYSTEMU FILTRÓW CZĄSTEK STAŁYCH 1. Wstęp Środki transportu napędzane silnikami spalinowymi emitują średnio od do 5% całkowitej ilości tlenków azotu przechodzących do atmosfery. Tlenek i dwutlenek azotu, znajdujące się w powietrzu atmosferycznym, powstają głównie w wyniku naturalnych zjawisk, jak: wybuchy wulkanów, wyładowania elektryczne, działalność bakterii. Z wymienionych źródeł roczna emisja tlenku i dwutlenku azotu wynosi około 11 mln ton, natomiast roczna emisja wymienionych tlenków, powstałych wskutek działalności człowieka, wynosi tylko 53 mln ton, jednakże emisja ta odbywa się głównie w aglomeracjach miejskich.. Oprócz udziału w tworzeniu smogu, tlenki azotu opadają w postaci kwaśnego deszczu, niszcząc roślinność, budowle i zatruwając wody podskórne [1]. 2. Stanowisko badawcze Stanowisko badawcze wyposażone w silnik o zapłonie samoczynnym typu 1.3 Multijet firmy Fiat o pojemności skokowej 1,3 dm 3, z wysokociśnieniowym wtryskiem paliwa typu Common Rail, osiągający maksymalny moment obrotowy M e = 145 N m przy n =15 obr/min, a maksymalną moc N e = 51.5 kw przy n = obr/min wyposażony w system filtra cząstek stałych o regeneracji pasywno-aktywnej składający się z utleniającego reaktora katalitycznego DOC z monolitem ceramicznym (kordieryt) oraz filtra cząstek stałych CDPF wykonanego z węglików krzemu z pokryciem katalitycznym. Silnik został zintegrowany z hamulcem elektrowirowym Schenck W 15 który posiada sterownie umożliwiające uzyskanie i pomiar stałej prędkości obrotowej oraz pomiar obciążenia silnika. Gazy spalinowe pobrane z układu wydechowego silnika kierowane były do skomputeryzowanego analizatora spalin AVL CEB II, Analizatora stężenia cząstek stałych Mexa 137 PM firmy Horiba, lub do analizatora stężeń cząstek stałych AVL 415. Do zasilania silnika podczas badań używano nisko siarkowego oleju napędowego o następujących właściwościach: liczba cetanowa: 55, 1 Prof. nzw. dr hab. inż., kierownik Zakładu Silników Spalinowych, Instytut Pojazdów Politechniki Warszawskiej. 2 Mgr inż. Marcin K. Wojs, Instytut Pojazdów Politechniki Warszawskiej. 3 Dr inż. Piotr Orliński, Zakładzie Silników Spalinowych, Instytut Pojazdów Politechniki Warszawskiej 5
gęstość:,83 kg/m 3 zawartość siarki: 1 mg/kg, całkowita zawartość węglowodorów aromatycznych ; 15% masy zawartość WWA: 2% masy, lepkość przy o C: 3mm 2 /s, skład frakcyjny: temperatura oddestylowania 9% obj.: 3 o C temperatura oddestylowania 95% obj.: 3 o C temperatura końca destylacji: 35 o C temperatura zapłonu: 6 o C zawartość FAME: 5 % obj. Schemat układu badawczego zamieszczono na rysunku 1, natomiast na rysunku 2, zamieszczono fotografię silnika badawczego typu 1.3 Multijet firmy Fiat, wyposażonego w system filtra cząstek stałych o regeneracji pasywno-aktywnej. wlot powietrza hamulec elektrowirowy SCHENCK W45 Pomiar ciśnienia p T T T DO DP wylot spalin REJESTRATOR AVL CEB II AVL 415 HORIBA Mexa Rys 1. Schemat układu badawczego z silnikiem Fiat Multijet 1,3 6
Konwersja NOx [%] Rys. 2. Silnik Fiat Multijet 1.3 wraz hamulcem elektrowirowym na stanowisku badawczym 3. Badania stężenia NO x na charakterystykach obciążeniowych Badania konwersji substancji toksycznych w standardowym systemie filtra cząstek stałych przeprowadzono na charakterystykach obciążeniowych silnika przy prędkości obrotowej wału korbowego odpowiednio, 3 i obr/min na stanowisku badawczym opisanym w punkcie 2. Dokonano obliczeń konwersji substancji toksycznych odpowiednio w utleniającym reaktorze katalitycznym (DOC), dokonując pomiarów stężeń przed i za DOC. I tak na rysunkach 3, 4, 5 przedstawiono wartości konwersji NO X obliczone w DOC, przy stałej prędkości obrotowej silnika dla trzech zakresów, 3 i obr/min w zależności od momentu obrotowego rozwijanego przez silnik. 1 8 6 Konwersja w DOC 5 1 15 Rys. 3. Zależność konwersji NO X od momentu obrotowego dla n = obr/min 7
Konwersja NOx [%] Konwersja NOx [%] 1 8 Konwersja w DOC 6 5 1 15 Rys. 4. Zależność konwersji NO x od momentu obrotowego dla n = 3 [obr/min] 1 8 Konwersja w DOC 6 5 1 15 Rys. 5. Zależność konwersji NO X od momentu obrotowego dla n = obr/min 8
[%] [%] Rysunki 6 i 7 odnoszą się do procentowego udziału NO i NO 2 do całkowitej liczy tlenków azotu NO x zmierzonych przed i za DOC przy stałej prędkości obrotowej silnika wynoszącej n = obr/min. 1 8 6 5 1 15 Rys.6. Względny stosunek NO/NOx dla n = [obr/min] przed i za DOC 1 8 6 5 1 15 Rys. 7. Względny stosunek NO 2 / NO x dla n = [obr/min] przed i za DOC 9
[%] [%] Rysunki 8 i 9 obrazują procentowy udział NO i NO 2 do całkowitej liczy tlenków azotu NO x zmierzonych przed i za DOC przy stałej prędkości obrotowej silnika wynoszącej n = 3 obr/min. 1 8 6 5 1 15 Rys. 8. Względny stosunek NO/ NO x dla n = 3 [obr/min] przed i za DOC 1 8 6 5 1 15 Rys. 9. Względny stosunek NO 2 /NO x dla n = 3 [obr/min] przed i za DOC 21
[%] [%] Rysunki 1 i 11 odnoszą się do procentowego udziału NO i NO 2 do całkowitej liczy tlenków azotu NO x zmierzonych przed i za DOC przy stałej prędkości obrotowej silnika wynoszącej n = obr/min. 1 8 6 5 1 15 Rys. 1. Względny stosunek NO/NO x dla n = [obr/min] przed i za DOC 1 8 6 5 1 15 Rys. 11. Względny stosunek NO 2 /NO x dla n = [obr/min] przed i za DOC 211
4. Wnioski Zebrane w trakcie badań dane eksperymentalne pozwoliły na przedstawienie następujących wniosków: w reaktorze utleniającym zachodzą reakcje utleniania NO do NO 2, natomiast całkowita konwersja NO x wynosi około 1% w całkowitym zakresie badanych obciążeń i prędkości obrotowych silnika, w zależności od obciążenia i prędkości obrotowej silnika ( a zatem od temperatury pracy reaktora) uzyskuje się różne stopnie utlenienia NO do NO 2 przy prędkościach obrotowych i 3 obr/min maksymalne uzyskane wartości NO 2 w NO x dochodziły ~ 6%, najlepsze warunki w aspekcie uzyskania wysokiej ilości utleniacza sadzy gromadzonej w filtrze (udział NO 2 w NO x ~ 55%) uzyskuje się przy średnich obciążeniach silnika dla prędkości obrotowej obr/min, a zatem w warunkach pracy silnika w cyklu jazdy po za miejskiej, kiedy to układ filtra cząstek stałych może być w pełni zregenerowany. Literatura: [1] J. Merkisz: Ekologiczne problemy silników spalinowych. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej. Poznań 1998. [2] Kawanami M., Okamura A., Horiuchi M., Schäfer-Sindlinger A., Zerafa K. Advanced Catalyst Studies of Diesel NOx Reduction for Heavy-Duty Dieasel Trucks Society of Automotive Engineers: 961129 (1996). [3] W. Ufnalski, K. Mądry.: Excel dla chemików i nie tylko. Wydawnictwa Naukowo Techniczne.. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badania konwersji NO do NO 2 w reaktorze utleniającym silnika o zapłonie samoczynnym. Przedstawiono wykresy konwersji NO x dla trzech prędkości obrotowych silnika n =, 3 i obr/min. Dla tych samych warunków zaprezentowano wykresy względnego stosunku NO do NO x i NO 2 do NO x przed i za reaktorem utleniającym. Słowa kluczowe: Tlenki azotu, filtr cząstek stałych ASSESSMENT OF CHANGE OF NITROGEN OXIDES IN OXIDIZING CATALYTIC REACTORS SYSTEM PARTICULATE FILTERS Summery The article presents the results of the conversion of NO to NO 2 oxidation reactor in diesel engine. NO x conversion charts are presented for the three engine speeds n =, 3 and rev / min. For the same conditions presented graphs of the relative ratio of NO to NO x and NO 2 to NO x before and after the oxidation reactor. Keywords: nitrogen oxides, particulate filter 212