Dr inż. Jacek Kropiwnicki WYDZIAŁ MECHANICZNY POLITECHNIKI GDAŃSKIEJ KATEDRA SILNIKÓW SPALINOWYCH I SPRĘŻAREK Kierownik katedry: prof. dr hab. inż. Andrzej Balcerski, prof. zw. PG LABORATORIUM PODSTAW SILNIKÓW I NAPĘDÓW SPALINOWYCH Ćwiczenie 6 DIAGNOSTYCZNE POMIARY TOKSYCZNYCH SKŁADNIKÓW SPALIN 1. Wprowadzenie Wzrost liczby eksploatowanych silników spalinowych spowodował konieczność ograniczenia szkodliwych dla środowiska oraz ludzi związków toksycznych emitowanych przez te źródła energii. Obecnie w większości krajów dąży się do redukcji szkodliwych skutków eksploatacji silników spalinowych. Wynikiem tych dążeń są coraz bardziej rygorystyczne przepisy dotyczące emisji zanieczyszczeń oraz wdrażanie konstrukcji spełniających wymogi tych przepisów. Do głównych toksycznych składników spalin zalicza się: tlenek węgla CO, węglowodory HC, tlenki azotu NO x, tlenki siarki SO x, cząstki stałe PM, związki ołowiu. Próby ograniczenia efektu cieplarnianego na naszej planecie doprowadziły do zwrócenia uwagi na jeszcze jeden składnik spalin, który nie jest związkiem toksycznym ale przyczynia się do intensyfikacji powyższego efektu. Tym związkiem jest ditlenek węgla CO 2. Ilość emitowanego CO 2 przez silniki zasilane paliwami kopalnianymi jest natomiast ściśle związana z ilością zużywanego przez nie paliwa. W przepisach regulujących dopuszczenie pojazdów do ruchu nie zostały jeszcze przyjęte limity emisji CO 2. Przygotowywane są natomiast projekty przepisów, które mogą doprowadzić do wprowadzenia tego limitu w najbliższych latach. 2. Oczyszczanie spalin W samochodowych silnikach spalinowych stosowanych jest kilka systemów oczyszczania spalin. Zadaniem tych systemów jest przemiana szkodliwych składników spalin w nieszkodliwe, w szczególności węglowodorów HC, tlenku węgla CO, tlenków azotu NO x w obecności katalizatora oraz ograniczenie emisji cząstek stałych PM za pomocą specjalnych filtrów. Katalizatorem nazywamy substancję, która bierze udział w procesie chemicznych innych substancji, przyspieszając go lub nadając właściwy kierunek, sama jednak nie ulega przemianie chemicznej. W silnikach ZI najbardziej wydajnym obecnie systemem oczyszczania spalin jest układ wyposażony w katalityczny trójfunkcyjny reaktor oraz system regulacji składu mieszanki w układzie sprzężenia zwrotnego (rys. 1). Rys. 1 Schemat systemu oczyszczania spalin: 1 układ zasilający, 2 silnik, 3 układ sterujący, 4 sonda lambda, 5 reaktor katalityczny.
2 System wyposażony w katalityczny reaktor trójfunkcyjny oraz system regulacji składu mieszanki w układzie sprzężenia zwrotnego składa się z układu wtrysku benzyny wyposażonego w czujnik tlenu oraz reaktora katalitycznego spełniającego funkcje redukujące (NO x do N 2 ) oraz utleniające (CO i HC do CO 2 i H 2 O). Zaletą tego układu jest praca w pętli sprzężenia zwrotnego czyli możliwość kontroli składu mieszanki na podstawie pomiaru występowania tlenu w spalinach (sonda lambda). Pozwala to na ustalenie składu mieszanki palnej bardzo zbliżonego do stechiometrycznego. Skład mieszanki palnej określany jest w silnikach spalinowych za pomocą współczynnika nadmiaru powietrza: gdzie: m pow m c L t mpow λ = (1) m L masa powietrza dostarczonego do cylindra, masa paliwa dostarczonego do cylindra, teoretyczne zapotrzebowanie na powietrze (14.7 kg/kg - w przypadku większości benzyn i olejów napędowych). W przypadku gdy λ przyjmuje wartość równą 1 skład mieszanki palnej jest stechiometryczny (wartości λ mniejsze od 1 odpowiadają mieszance bogatej w paliwo). Skład mieszanki palnej silnika ZI ma bardzo silny wpływ na emisję składników toksycznych (rys. 2). c t Rys. 2. Wpływ składu mieszanki na względne stężenie podstawowych składników toksycznych spalin. Przy stechiometrycznym składzie mieszanki trójfunkcyjny reaktor katalityczny wykazuje się najlepszymi właściwościami (rys. 3). Rys. 3 Zmiany stopnia konwersji w trójfunkcyjnym reaktorze katalitycznym w funkcji λ. W reaktorze katalitycznym wyróżnić można cztery główne elementy: obudowę, podłoże w postaci kształtek ceramicznych lub sztywnej konstrukcji o strukturze plastra miodu, wykonanej z metalu lub materiału ceramicznego,
3 warstwę nośnika katalitycznego osadzonego na podłożu: zadaniem tej warstwy jest rozwinięcie powierzchni kontaktu gazów z aktywnym czynnikiem katalitycznym, substancję aktywną katalitycznie, tj. platynę, rod lub pallad; metale te mogą być użyte osobno lub w różnych kombinacjach, często zawierają dodatkowe składniki, tzw. promotory, które zwiększają aktywność materiału katalitycznego. Budowa typowego trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego przedstawiona została na rys. 4. Rys. 4 Budowa trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego: 1 obudowa z blachy nierdzewnej, 2 elastyczny oplot z drutu, 3 czujnik tlenu, 4 ceramiczny monolit z warstwą katalizatora. Na rys. 5 przedstawiono wygląd i działanie pojedynczej celi reaktora katalitycznego oraz strukturę powierzchni ścianek monolitu. Rys. 5 Budowa i zasada działania pojedynczej celi reaktora katalitycznego oraz struktura powierzchni ścianek monolitu: 1 nośnik ceramiczny, 2 warstwa pośrednia zwierająca aktywatory, 3 warstwa substancji aktywnej katalitycznie. Dzięki zastosowaniu warstwy pośredniej o bardzo dużej powierzchni porowatej udało się uzyskać powierzchnię roboczą o wartości około 20 000 m 2 dla monolitu o objętości 1 dm 3 (powierzchnia robocza monolitu wynosi około 3 m 2 ). W silnikach ZS, ze względu na zakres stosowanych składów mieszanki palnej (λ = ~1.2 7) reaktor trójfunkcyjny nie jest stosowany. Silniki ZS wyposaża się natomiast w filtry cząstek stałych oraz katalizator utleniający CO oraz HC. 3. Badania diagnostyczne silników o zapłonie iskrowym W silnikach spalinowych o zapłonie iskrowym główne znaczenie dla celów diagnostycznych mają następujące składniki spalin: tlenek węgla CO, węglowodory HC oraz tlenki azotu NO x. Znajomość emisji tych składników pozwala na ustalenie składu mieszanki palnej, szczelności komory spalania oraz temperatury procesu spalania. W dawniejszych konstrukcjach silników spalinowych badanie składu spalin było związane z czynnościami regulacyjnymi układu zasilania. Obecnie konstrukcje wyposażone w
4 układy wtrysku benzyny nie posiadają możliwości regulacji a pomiar składu spalin może być traktowany tylko jako kontrola poprawności działania układu zasilania oraz reaktora katalitycznego. Analizę składu spalin można przeprowadzić metodami chemicznymi i fizycznymi. Urządzenia umożliwiające analizę składu spalin budowane są często jako wielofunkcyjne, a w praktyce wykorzystuje się następujące typu analizatorów: Analizatory niedyspersyjne na podczerwień NDIR służą do określania zawartości w spalinach CO, CO 2, HC. Analizatory te wykorzystują metody spektrometryczne, polegające na pomiarze fotometrem całkowitej absorpcji promieniowania w dość wąskim paśmie długości fal, charakterystycznych dla danego związku. Analizatory płomienno-jonizujące FID służą do oznaczania w spalinach i powietrzu sumarycznej ilości HC oraz metanu (CH4). Zasada działania analizatora FID polega na jonizacji płomienia (zmiana oporności miedzy zimną a gorącą elektrodą), która jest proporcjonalna do liczy atomów węgla wprowadzonych w jednostce czasu. Do wyznaczania sumarycznej zawartości wszystkich węglowodorów znajdujących się w spalinach (zwłaszcza w silnikach ZS) należy stosować analizatory o grzanej drodze gazów w temperaturze 180-200 o. Analizatory chemiluminescencyjne CLD służą do określania stężenia w spalinach NO oraz NO 2. Istota jego działania polega na wykorzystaniu zjawiska emisji promieniowania elektromagnetycznego, które towarzyszy reakcji tlenku azotu (NO) z ozonem (O 3 ) wytwarzanym przez wytwornicę ozonu. Reakcja ta zachodzi jedynie w warunkach zbliżonych do absolutnej próżni, która jest wywoływana za pomocą pompy próżniowej. Dla określenia ilości NO 2, który jest w stosunku do O 3 obojętny przeprowadza się w termicznym konwertorze o temperaturze 650 o rozkład na NO oraz O 2. Przy zastosowaniu konwertora można określać ilość NO x w przeliczeniu na NO. Analizatory polarograficzne (cele elektrochemiczne) wykorzystuje się do określenia zawartości O 2 w spalinach. Najczęściej istota ich działania polega na dyfundowaniu tlenu przez membranę do odpowiedniego elektrolitu, tym samym zmienia się natężenie prądu przepływającego między elektrodami, proporcjonalnie do ilości dyfundującego przez membranę tlenu. Badanie składu spalin wykonywane jest w związku z okresową oceną stanu technicznego pojazdu w stacjach kontroli pojazdów. Badanie diagnostyczne polega na kontroli wymienionych w tabeli 1 składników spalin w trakcie pracy nieobciążonego i rozgrzanego silnika. Tabela 1. Dopuszczalne zawartości związków toksycznych w spalinach oraz zakres zmian współczynnika λ. Data pierwszej przed po 30.09.1986 i po 30.06.1995 i po 30.04.2004 rejestracji 01.10.1986 przed 01.07.1995 przed 01.05.2004 Prędkość obrotowa silnika bieg jałowy bieg jałowy bieg jałowy 2000-3000 obr/min bieg jałowy 2000-3000 obr/min CO [%] 4.5 3.5 0.5 0.3 0.3 0.2 HC [ppm] - - 100 100 - - λ [ - ] - - - 0.97 1.03-0.97 1.03 4. Badania diagnostyczne silników o zapłonie samoczynnym W silnikach spalinowych o zapłonie samoczynnym w ramach okresowej oceny stanu technicznego pojazdu mierzona jest zawartość tylko jednego składnika spalin cząstek stałych PM, których podstawowym składnikiem jest sadza (węgiel). Pomiar ten nazywa się kontrolą zadymienia spalin, a najczęściej stosuje się następujące metody: Metoda optyczna (typu Hartridge a) polega na pomiarze pochłaniania światła przepuszczanego przez spaliny. Im większy jest stopień zadymiania spalin, tym większe jest pochłanianie światła. Miernik jest wyskalowany w stopniach Hartridge a lub wynik jest podawany w jednostkach współczynnika absorpcji (pochłaniania) światła k [m -1 ]. Metoda filtracyjna (typu Boscha) polega na przepuszczeniu próbki spalin przez filtr (najczęściej jest to bibułka filtracyjna) i pomiarze stopnia zaczernienia wkładu filtrującego. Służące do tych badań dymomierze Boscha składają się z pompy zasysającej i miernika zaczernienia bibułki. Natężenie światła odbitego od badanej bibułki filtracyjne jest mierzone za pomocą pierścieniowego fotoogniwa.
5 Prąd w obwodzie fotoogniwa odczytuje się na miliamperomierzu wyskalowanym w jednostkach Boscha. Badanie diagnostyczne silnika ZS polega na ustaleniu współczynnika absorpcji k dla silnika rozgrzanego, poddanego wcześniejszemu przedmuchaniu poprzez kilkukrotne naciśnięcie pedału przyspieszenia i pracę przez ok. 1 min przy podwyższonej prędkości obrotowej. W czasie pomiaru należy szybko, lecz niegwałtownie nacisnąć pedał przyspieszenia, tak aby uzyskać pełny wydatek pompy wtryskowej. Pozycję pełnego wydatku należy utrzymać do momentu uzyskania przez silnik maksymalnej prędkości obrotowej i zadziałania regulatora obrotów, jednak nie krócej niż przez 1.5 sek. Następnie należy zwolnić pedał przyspieszenia. Należy wykonać co najmniej trzy pomiary następujące po sobie, z tym że po każdym pojedynczym pomiarze przerwa powinna wynosić około 15 sek. Pod uwagę bierze się tylko te zmierzone wartości, które zostały uzyskane z trzech następujących po sobie pomiarów, nie różniące się od siebie o więcej niż 0.5 m -1 i nie tworzące sekwencji malejącej. Jako wynik końcowy pomiaru należy przyjąć średnią arytmetyczną z pomiarów z dokładnością do 0.01 m -1. Pojazd może być dopuszczony do ruchu jeżeli wartość współczynnika absorpcji k nie przekracza 2.0 m -1, zaś w przypadku silników z turboładowaniem 2.5 m -1. Na rys. 6 przedstawione zostały zależności między stężeniem sadzy i współczynnikiem absorpcji k a dymieniem wg Boscha D B i Hartridge a D H. Na rys. 6 Zależności między stężeniem sadzy i współczynnikiem absorpcji k a dymieniem wg Boscha D B i Hartridge a D H. Sposób pomiaru emisji zanieczyszczeń gazowych oraz zadymiania spalin reguluje szczegółowo Dziennik Ustaw Rzeczypospolitej Polskiej Nr 81, Poz. 917. Literatura [1] GRONOWICZ J.: Ochrona środowiska w transporcie lądowym. Politechnika Poznańska, Instytut Technologii Eksploatacji w Radomiu, Poznań Radom 2003. [2] MERKISZ J.: Ekologiczne problemy silników spalinowych. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1998. [3] RYCHTER T., TEODORCZYK A.: Teoria silników tłokowych. WKiŁ, Warszawa 2006. [4] KNEBA Z., MAKOWSKI S.: Zasilanie i sterowanie silników. WKiŁ, Warszawa 2004.
6 KATEDRA SILNIKÓW SPALINOWYCH I SPRĘŻAREK LABORATORIUM PODSTAW SILNIKÓW I NAPĘDÓW SPALINOWYCH Nazwisko i imię:... Grupa:... Data:... Ćwiczenie 6 Diagnostyczne pomiary toksycznych składników spalin 1. Wynik badania diagnostycznego silnika ZI Dane techniczne: Typ:... Pojemność skokowa:... cm 3 Liczba cylindrów:... Rok produkcji:... Pomiary: - bieg jałowy CO:... % CO 2 :... % HC:... ppm NO x :... ppm - prędkość obrotowa n =... obr/min CO:... % CO 2 :... % HC:... ppm NO x :... ppm 2. Wynik badania diagnostycznego silnika ZS Dane techniczne: Typ:... Pojemność skokowa:... cm 3 Liczba cylindrów:... Rok produkcji:... Pomiary: zadymienie w skali Boscha:... zadymienie wyrażone współczynnikiem absorpcji k:... m -1 3. Wnioski