Jacek Pielecha IDENTYFIKACJA PARAMETRÓW CZĄSTEK STAŁYCH Z SILNIKÓW SPALINOWYCH

Jacek Pielecha IDENTYFIKACJA PARAMETRÓW CZĄSTEK STAŁYCH Z SILNIKÓW SPALINOWYCH Poznań 2012

Recenzenci prof. dr hab. inż. ZDZISŁAW CHŁOPEK prof. dr hab. inż. JERZY MERKISZ Projekt okładki Redakcja KRYSTYNA BUBACZ Opracowanie komputerowe JACEK PIELECHA Utwór w całości ani we fragmentach nie może być powielany ani rozpowszechniany za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających i innych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich. ISSN ISBN Wydanie I Copyright by Politechnika Poznańska, Poznań 2012 WYDAWNICTWO POLITECHNIKI POZNAŃSKIEJ 60-965 Poznań, pl. M. Skłodowskiej-Curie 2 tel. (61) 6653516, faks (61) 6653583 e-mail: office_ed@put.poznan.pl www.ed.put.poznan.pl Sprzedaż publikacji: Poznańska Księgarnia Akademicka 61-138 Poznań, ul. Piotrowo 3 tel. (61) 6652324; faks (61) 6652326 e-mail: politechnik@politechnik.poznan.pl www.politechnik.poznan.pl Druk i oprawa:

Spis treści Streszczenie... 4 Wykaz ważniejszych oznaczeń... 5 1. Wstęp... 9 2. Właściwości cząstek stałych... 13 2.1. Mechanizmy tworzenia cząstek stałych w silniku spalinowym... 13 2.2. Określenie wymiarów cząstek stałych... 23 2.3. Wpływ cząstek stałych na zdrowie człowieka... 29 3. Możliwości identyfikacji cząstek stałych... 33 3.1. Normatywy dotyczące emisji cząstek stałych... 33 3.2. Syntetyczny opis podstawowych metod pomiarowych... 35 3.2.1. Ocena pomiaru masy cząstek stałych... 35 3.2.2. Ocena pomiaru liczby cząstek stałych... 41 3.3. Zastępcze metody pomiaru emisji cząstek stałych z silników spalinowych... 44 3.4. Istniejące modele emisji cząstek stałych... 47 4. Problem badawczy... 52 4.1. Istota problemu... 52 4.2. Cel i zakres badań... 53 5. Badania ekwiwalentu emisji cząstek stałych... 57 5.1. Pomiary na stanowiskach hamownianych... 57 5.1.1. Badania na hamowni silnikowej... 57 5.1.2. Badania na hamowni podwoziowej... 72 5.2. Pomiary w rzeczywistych warunkach drogowych... 76 6. Modelowanie emisji cząstek stałych... 101 6.1. Założenia wstępne... 101 6.2. Statyczne warunki pracy silników spalinowych... 107 6.2.1. Metodyka badań... 107 6.2.2. Struktura modeli... 108 6.2.3. Modele parametrów cząstek stałych w warunkach statycznych... 111 6.3. Dynamiczne warunki pracy silnika spalinowego... 117 6.3.1. Modele parametrów cząstek stałych dla pojazdów lekkich... 117 6.3.2. Modele parametrów cząstek stałych dla pojazdów ciężkich... 123 6.4. Weryfikacja uzyskanych modeli... 132 6.4.1. Ocena wyników modelowania dla pojazdów lekkich... 132 6.4.2. Ocena wyników modelowania dla pojazdów ciężkich... 136 7. Syntetyczne zależności między masą i liczbą cząstek stałych... 140 8. Podsumowanie... 150 Literatura... 154

Wstęp 5 Streszczenie Praca dotyczy możliwości syntetycznego ujęcia parametrów cząstek stałych emitowanych z silników o zapłonie samoczynnym. Realizacja tego zagadnienia jest rezultatem pozytywnych wyników badań parametrów cząstek stałych w różnych warunkach pracy silników spalinowych. Dotyczyły one badań emisji zanieczyszczeń w testach statycznych na hamowni silnikowej, w testach dynamicznych na hamowni podwoziowej oraz badań w rzeczywistych warunkach ruchu. W pracy nie tylko zaprezentowano zależności między emisją cząstek stałych a parametrami określającymi stan pracy silnika (pojazdu), ale również podano propozycje szacunkowych metod oceny emisji cząstek stałych, z wykorzystaniem przyrządów do oceny m.in. masy części węglowej tych cząstek. Dokonano porównania wyników pomiarów masy i liczby cząstek stałych uzyskanych dzięki wykorzystaniu różnych przyrządów i wyznaczono zależności między udziałem cząstek w spalinach a mechanizmem ich powstawania. Prowadzone równolegle badania nad wykorzystaniem zastępczych metod pomiaru emisji cząstek stałych dowiodły, że opracowaną metodykę badawczą można zastosować w pokładowych procedurach diagnostycznych pojazdów, w których konieczne jest monitorowanie bieżącej emisji drogowej lub jednostkowej cząstek stałych w spalinach z uwzględnieniem ich masy i liczby. Rozwinięciem podjętej tematyki jest nowe ujęcie wykorzystania wartości charakteryzujących pracę silnika i warunki ruchu pojazdu do identyfikacji parametrów cząstek stałych w spalinach silników o zapłonie samoczynnym. Do opisu warunków pracy silnika i pojazdu wykorzystano dwuwymiarowe histogramy gęstości prawdopodobieństwa, które ujmują łącznie wartości prędkości obrotowej i obciążenia silnika (lub wartości prędkości i przyspieszenia pojazdu) oraz czasu jego pracy w tych warunkach. Wynikiem tych działań jest propozycja modeli matematycznych opisujących podstawowe właściwości cząstek stałych (ich masę, liczbę i średnicę) w różnych warunkach pracy silników spalinowych (statycznych i dynamicznych). Zaproponowane modele matematyczne, uzyskane przy wykorzystaniu planowania eksperymentu, posłużyły do identyfikacji cząstek stałych pod względem ich masy, liczby i średnicy; opracowano je na podstawie wyników pomiarów stężenia związków szkodliwych i parametrów pracy silnika w testach statycznych, wykonywanych np. na hamowni silnikowej i w warunkach dynamicznych. Tworzone modele parametrów cząstek stałych wykorzystujące parametry wejściowe uzyskane w warunkach dynamicznych potraktowano priorytetowo. Badania takie, niewykonywane dotychczas, podzielono na modele dla pojazdów lekkich i pojazdów ciężkich. Dowiedziono poprawności uzyskanych modeli parametrów cząstek stałych przez weryfikację, do której wykorzystano inne pojazdy niż użyte do tworzenia odpowiednich modeli.

Wykaz ważniejszych oznaczeń a przyspieszenie A pole powierzchni B20 paliwo będące mieszaniną estrów oleju rzepakowego (20% obj.) i oleju napędowego (80% obj.) B50 paliwo będące mieszaniną estrów oleju rzepakowego (50% obj.) i oleju napędowego (50% obj.) B100 paliwo złożone w 100% obj. z estrów oleju rzepakowego b PM emisja drogowa cząstek stałych b PN liczba drogowa cząstek stałych c stężenie c PM stężenie masowe cząstek stałych c PN stężenie liczbowe cząstek stałych c s stężenie masowe sadzy C wektor wielkości stałych C węgiel C s sadza CAFE cleaner air for Europe czyste powietrze dla Europy CARB California Air Resources Board Kalifornijska Rada ds. Zasobów Powietrza CNG compressed natural gas sprężony gaz ziemny CVS constant volume sample układ o stałym poborze próbki D średnica D A zadymienie spalin (metoda pomiaru opracowana przez firmę AVL) D B zadymienie spalin w skali Boscha DI direct injection wtrysk bezpośredni DPF diesel particulate filter filtr cząstek stałych e emisja jednostkowa e PM emisja jednostkowa cząstek stałych e PN liczba jednostkowa cząstek stałych e rzecz emisja jednostkowa w rzeczywistych warunkach ruchu E85 benzyna zawierająca (75 85)% obj. bioetanolu EPA Environmental Protection Agency Agencja Ochrony Środowiska E PM natężenie emisji cząstek stałych E PN natężenie liczby cząstek stałych ESC European stationary cycle europejski test statyczny Euro europejskie normy zanieczyszczeń środowiska FAME fatty acid methyl esters estry metylowe kwasów tłuszczowych FID flame ionization detector analizator płomieniowo-jonizacyjny FSN filter smoke number jednostka zadymienia spalin (dotyczy oznaczenia D A ; 0 idealnie białe, 10 idealnie czarne)

Wykaz ważniejszych oznaczeń 7 GDI gasoline direct injection silnik benzynowy o wtrysku bezpośrednim g e jednostkowe zużycie paliwa G e natężenie przepływu paliwa H wilgotność względna HDV heavy duty vehicles pojazdy ciężkie z silnikami ZS k współczynnik ekstynkcji k j wskaźnik emisji k r stała szybkości reakcji K współczynnik koagulacji L długość komory pomiarowej LPG liquid petroleum gas ciekły propan butan m masa M o moment obrotowy silnika n prędkość obrotowa silnika NC znormalizowane stężenie liczbowe cząstek stałych N e moc użyteczna N z zaczernienie spalin NDIR non-dispersive infrared niedyspersyjny na podczerwień NDUV non-dispersive ultraviolet niedyspersyjny na ultrafiolet NEDC new european driving cycle europejski cykl jezdny p ciśnienie p sp ciśnienie spalin PAH polycyclic aromatic hydrocarbons wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne PM particulate matter cząstki stałe (dotyczy masy) PM particle mass masa cząstek stałych PM C część węglowa cząstki stałej PMP particle measurement programme program pomiaru cząstek stałych PM2,5 cząstki stałe o średnicy mniejszej niż 2,5 m PM10 cząstki stałe o średnicy mniejszej niż 10 m PN particle number liczba cząstek stałych q współczynnik rozcieńczenia Q g objętość dawki głównej paliwa R współczynnik korelacji liniowej Pearsona RME rapsed methyl esters estry oleju rzepakowego R g stała gazowa s liczba stopni swobody S droga S * odchylenie standardowe SOF soluble organic fraction organiczna frakcja rozpuszczalna SOL insoluble fraction frakcja nierozpuszczalna St liczba Stokesa

8 Wykaz ważniejszych oznaczeń t czas t u wartość statystyki t-studenta T temperatura TDI turbo direct injection doładowany silnik ZS o wtrysku bezpośrednim TPM total partiulate matter całkowita masa cząstek stałych u udział czasu pracy W objętościowy wskaźnik emisji W e praca WHSC world harmonized stationary cycle ujednolicony światowy test statyczny WHTC world harmonized transient cycle ujednolicony światowy test dynamiczny X wektor wielkości wejściowych Y wektor wielkości wyjściowych y D wielkość wyjściowa modelu (dotyczy średnicy cząstki stałej) y PM wielkość wyjściowa modelu (dotyczy masy cząstek stałych) y PN wielkość wyjściowa modelu (dotyczy liczby cząstek stałych) v prędkość V objętość z liczba pomiarów Z wektor wielkości zakłócających Z współczynnik obciążenia silnika (definiowany jako M o rzecz /M o max przy danej prędkości obrotowej) ZEV zero emission vehicles pojazdy o zerowej emisji zanieczyszczeń ZI zapłon iskrowy ZS zapłon samoczynny p kąt wtrysku paliwa p kąt wtrysku dawki głównej współczynnik istotności współczynnik nadmiaru powietrza gęstość czas relaksacji

1. Wstęp Rozwój techniki we wszystkich dziedzinach przemysłu powoduje konieczność ograniczania jego negatywnego wpływu na środowisko naturalne. Stosowanie zaawansowanych technik i ich rozwój zmuszają do ciągłej weryfikacji warunków pracy maszyn i urządzeń oraz analizy skutków ich oddziaływania na środowisko naturalne i cywilizacyjne człowieka. Motoryzacja jest uznawana za dziedzinę rozwijającą się bardzo dynamicznie; to powoduje konieczność ograniczania przede wszystkim emisji szkodliwych składników spalin. Istotnym zagrożeniem dla ludzi jest emisja cząstek stałych, stanowiąca barierę rozwoju współczesnych silników spalinowych, w szczególności silników o bezpośrednim wtrysku paliwa (silniki o zapłonie samoczynnym ZS i o zapłonie iskrowym ZI). Ważnym wyzwaniem dla producentów samochodów są projekty kolejnych norm toksyczności, według których poziom emisji cząstek stałych powinien być wielokrotnie mniejszy od dotychczasowego. Poza doskonaleniem klasycznego napędu (silnik spalinowy) prace badawcze prowadzi się również w kierunku poszukiwania napędów niekonwencjonalnych. Opierając się jednak na dotychczasowych analizach, można stwierdzić, że do roku 2050 będą nadal dominować silniki spalinowe (rys. 1.1). 2500 Liczba samochodów [mln] 2000 1500 1000 500 0 2001 2010 2020 2030 2040 2050 Lata Małe samochody z silnikami ZI Duże samochody z silnikami ZI Małe samochody z silnikami ZS Duże samochody z silnikami ZS Samochody elektryczne Samochody z ogniwami paliwowymi (H 2) Samochody hybrydowe ZI Samochody hybrydowe ZS Samochody ze spalinowymi silnikami gazowymi (CH 4, H 2) Rys. 1.1. Przewidywana struktura samochodów osobowych na świecie do roku 2050 [142] Ze względu na coraz szersze wprowadzanie silników ZS do samochodów osobowych i ich całkowitą dominację w pojazdach ciężkich HDV (heavy duty vehicles) oraz w zastosowaniu pozadrogowym (off-road), należy zwrócić uwagę na za-

10 1. Wstęp gadnienie emisji cząstek stałych dla tego typu silników. W Europie udział samochodów z silnikami ZS wzrósł w roku 2010 do 52% [127], co odpowiada w przybliżeniu 35 mln pojazdów (rys. 1.2). Tylko w Niemczech sprzedaż samochodów osobowych z silnikami ZS zwiększyła się w roku 2010 o prawie 40% w stosunku do roku poprzedniego, podczas gdy liczba samochodów nowo zarejestrowanych wzrosła zaledwie o 10%. Przyczyną tego jest przede wszystkim wprowadzenie na rynek silników ZS o bezpośrednim wtrysku paliwa (na początku ostatniej dekady silniki te stanowiły kilka procent wszystkich silników ZS, obecnie w niektórych państwach Unii Europejskiej stanowią ponad 75% całkowitej ich produkcji rys. 1.3). Udział silników ZS [%] 60 40 20 0 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 Lata Rys. 1.2. Udział silników ZS w nowo rejestrowanych pojazdach w Unii Europejskiej w latach 1994-2010 [134] Udział silników ZS [%] 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Belgia Luxemburg Norwegia Francja Hiszpania Portugalia Irlandia Unia Europejska Austria Szwecja Dania Wielka Brytania Włochy Finlandia Polska Niemcy Szwajcaria Holandia Islandia Grecja Rys. 1.3. Udział silników ZS w nowo rejestrowanych pojazdach w wybranych krajach Unii Europejskiej w roku 2010 [134]

1.Wstęp 11 Dla silników ZS w pomiarach toksyczności określa się emisję drogową i jednostkową związków gazowych oraz cząstek stałych. Do roku 1992 badanie cząstek stałych ograniczone było do samochodów osobowych w Europie i do samochodów osobowych oraz ciężarowych w Stanach Zjednoczonych Ameryki. Obecnie wyznaczanie emisji jednostkowej cząstek stałych dla silników samochodów ciężarowych jest również wymagane do ich homologacji w Europie, a także rozszerzone do wszelkich zastosowań silników ZS. Sukcesywne zmniejszanie dopuszczalnych limitów emisji drogowej i jednostkowej cząstek stałych (odpowiednio dla samochodów osobowych oraz ciężarowych) doprowadziło do bardzo małej ich emisji (o około 99% mniejszej niż w roku 1999 rys. 1.4). PM (PC, LDV) [g/km] 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 Euro 2 HDD LDV 1251 1700 kg PC Euro 3 Test ETC 33% Test ESC 33% 50% 50% 50% Euro 4 81% Euro 5 50% 43% Euro 6 60% 0,18 0,15 0,12 0,09 0,06 0,03 0,00 PM (HDD) [g/kwh] 0,02 50% 50% 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 Lata Rys. 1.4. Europejskie zmiany przepisów emisji drogowej i jednostkowej cząstek stałych [81] Pojazdy i silniki od dawna odgrywają ważną rolę w codziennym życiu człowieka. Obecnie następuje zwiększenie wykorzystania silników spalinowych do różnych zastosowań; wzrastająca liczba pojazdów i silników jest nie tylko czynnikiem rozwoju, ale również zagrożeniem spalanie paliw negatywnie oddziałuje na zdrowie ludzkie, a także powoduje zanieczyszczenie środowiska, powstawanie smogu oraz efektu cieplarnianego. W końcu lat dziewięćdziesiątych XX wieku na całym świecie wzrosło zainteresowanie negatywnym oddziaływaniem cząstek stałych na zdrowie człowieka [128, 144]. Pierwszy dokument stwierdzający wzrost śmiertelności na skutek toksycznego działania cząstek stałych opublikowano w roku 1993, w wyniku badań przeprowadzonych pod kierownictwem Dockery ego i in. [30]. Wyniki tych

12 1. Wstęp badań znalazły potwierdzenie również w innych badaniach [139]. Wcześniejsze badania, np. prowadzone przez Georgiusa Agricole i opublikowane w De re metallica (ok. 1530 r.), dotyczyły wpływu pyłu powstającego przy wydobyciu węgla na zdrowie górników. O randze i aktualności zagadnienia identyfikacji parametrów cząstek stałych z silników ZS świadczy wzrastająca w każdym roku liczba publikacji na ten temat. W literaturze prezentuje się zarówno teoretyczne, jak i praktyczne podejście do wyznaczania masy i liczby cząstek stałych emitowanych z silników ZS, a ponadto omawia się problemy eksploatacji silników wyposażonych w nowoczesne układy oczyszczania spalin. W bazie danych o czasopismach technicznych, dostępnej pod adresem www.sceincedirect.com [149], wyszukano hasłowo liczbę publikacji dotyczących tematyki cząstek stałych z lat 1993-2011, co przedstawiono na rys. 1.5. 800 700 600 publikacje dotyczące masy cząstek stałych publikacje dotyczące liczby cząstek stałych publikacje dotyczące masy i liczby cząstek stałych Liczba publikacji 500 400 300 200 100 0 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 Lata Rys. 1.5. Liczba publikacji na temat cząstek stałych (na podstawie www.sciencedirect.com) Uzyskane dane odnoszą się tylko do tytułów, streszczeń oraz słów kluczowych najważniejszych światowych publikacji. Jak widać, zainteresowanie emisją cząstek stałych jest w ostatnich latach bardzo duże: ponad 500 publikacji dotyczących masy cząstek stałych oraz ponad 100 dotyczących liczby cząstek stałych. Dysproporcja ta oznacza, że zagadnienia dotyczące liczby cząstek stałych w spalinach emitowanych z silników są wciąż mało rozpoznane i konieczne są dalsze prace w tym temacie. Publikacji dotyczących jednocześnie masy i liczby cząstek stałych odnaleziono w wymienionej bazie danych tylko kilkanaście. Potwierdza to, że tematyka niniejszej pracy należy do obszaru, który wciąż nie jest dobrze rozpoznany.