WTÓRNE METODY OGRANICZANIA EMISJI SUBSTANCJI SZKODLIWYCH Z SILNIKÓW SPALINOWYCH

Politechnika Poznańska Wydział Elektryczny ul. Piotrowo 3A, 60-965 Poznań tel. 61-6652077, 6652077, fax. 61-6652548, 6652548, email: office_deef@put.poznan.pl www.ede.fee.put.poznan.pl projekt POKL-0002 0002-00-172/11-00 WTÓRNE METODY OGRANICZANIA EMISJI SUBSTANCJI SZKODLIWYCH Z SILNIKÓW SPALINOWYCH Zbigniew śmudka

Wprowadzenie silniki spalinowe jako maszyny cieplne (energetyczne) Oddziaływanie transportu na środowisko Klasyfikacja metod zmniejszania emisji substancji szkodliwych Technika katalitycznego oczyszczania spalin silnikowych Specyfika pracy reaktorów katalitycznych w silnikach ZI i ZS Techniki specjalne Filtry cząstek stałych w silnikach ZS Podsumowanie

WPROWADZENIE SILNIKI SPALINOWE JAKO MASZYNY CIEPLNE (ENERGETYCZNE) Wprowadzenie Maszyny cieplne urządzenia energetyczne pozwalające na realizację procesu konwersji energii Q d SILNIK CIEPLNY L > 0 pozyskiwana praca mechaniczna Q w MASZYNA ROBOCZA L > 0 doprowadzana praca mechaniczna

WPROWADZENIE SILNIKI SPALINOWE JAKO MASZYNY CIEPLNE (ENERGETYCZNE) Wprowadzenie Maszyny cieplne: (aspekty konstrukcyjne i zasada działania) maszyny wirnikowe (np. turbiny, spręŝarki) maszyny tłokowe (np. silniki spalinowe, spręŝarki tłokowe) CIEPLNE MASZYNY TŁOKOWE SILNIKI - tłokowe silniki spalinowe - silniki pneumatyczne MASZYNY ROBOCZE - spręŝarki tłokowe

ODDZIAŁYWANIE TRANSPORTU NA ŚRODOWISKO projekt POKL-0002-00-172/11-00 Oddziaływanie transportu na środowisko Etapy istnienia samochodu PRODUKCJA EKSPLOATACJA RECYKLING LIKWIDACJA Liczba samochodów eksploatowanych na świecie rok 2000: ~ 900 mln rok 2030: ~ 1600 mln

ODDZIAŁYWANIE TRANSPORTU NA ŚRODOWISKO Oddziaływanie transportu na środowisko Liczba samochodów w tysiącach Ogółem Samochody osobowe Samochody cięŝarowe + ciągniki siodłowe 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 5496 5261 2383 618 1980 9041 1045 1990 14106 14724 9991 1879 2000 10503 1979 2001 15525 11029 2163 2002 15899 11244 2313 2003 16701 11975 2392 2004 18035 16816 12339 2305 2005 13384 2393 2006 19472 14589 2521 2007 21337 16080 2710 2008 22025 23037 24189 16495 17240 18126 24876 25684 18744 19389 2797 2982 3131 3178 3242 2009 2010 2011 2012 2013 Dynamika wzrostu liczby samochodów w Polsce, od 1980 roku (liczba ogółem obejmuje: samochody osobowe, cięŝarowe i ciągniki siodłowe, autobusy, ciągniki rolnicze, motocykle i skutery)

ODDZIAŁYWANIE TRANSPORTU NA ŚRODOWISKO Oddziaływanie transportu na środowisko I. Negatywne oddziaływanie podczas ruchu samochodu: II. emisja substancji szkodliwych zawartych w spalinach zanieczyszczenie środowiska oparami i wyciekami paliwa oraz płynów eksploatacyjnych (oleju smarującego, płynu chłodzącego i hamulcowego itp.) emisja pyłów produktów zuŝycia tarcz ciernych sprzęgieł, klocków oraz szczęk hamulcowych, ogumienia, nawierzchni dróg itp. hałas i drgania, wypadki i katastrofy komunikacyjne Oddziaływanie związane z diagnostyką, naprawami oraz czynnościami obsługowo-naprawczymi pojazdów: zanieczyszczenie środowiska wymienianymi płynami eksploatacyjnymi, środkami ochronnymi, oparami lakierów i rozpuszczalników, środkami do mycia i konserwacji pojazdów, a takŝe zuŝytymi pojazdami oraz częściami zamienny-mi (np. wkłady filtrów, ogumienie, akumulatory, uszczelki itp.) III. Istnienie infrastruktury niezbędnej dla ruchu pojazdów: zajmowanie powierzchni przez drogi i urządzenia zaplecza technicznego (parkingi, stacje obsługi, stacje paliw itp.)

ODDZIAŁYWANIE TRANSPORTU NA ŚRODOWISKO Oddziaływanie transportu na środowisko Liczba wypadków drogowych i ich ofiar 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 Liczba wypadków Ranni Ofiary śmiertelne 63900 64661 63224 61191 59123 62097 56046 51078 51069 48100 49536 49054 48952 49501 46876 44196 45792 44059 38832 40065 37046 35847 5640 5712 5444 5243 5583 5437 4572 3907 4189 3571 3357 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 Liczba wypadków drogowych i ich ofiar w latach 2003-2013

ODDZIAŁYWANIE TRANSPORTU NA ŚRODOWISKO Oddziaływanie transportu na środowisko 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 2586 Polska: 35 847 3830 1497 1182 747 3764 4579 791 1807 738 2641 4529 1399 1621 2633 1503 Dolnośląskie Kujawsko-pomorskie Lubelskie Lubuskie Łódzkie Małopolskie Mazowieckie Opolskie Podkarpackie Podlaskie Pomorskie Śląskie Świętokrzyskie Warmińskomazurskie Wielkopolskie Zachodniopomorskie Liczba wypadków drogowych w Polsce (2013 r.)

ODDZIAŁYWANIE TRANSPORTU NA ŚRODOWISKO 6000 Polska: 44 056 5511 5506 Oddziaływanie transportu na środowisko 5000 4000 3000 2000 1000 0 3385 Dolnośląskie 1365 Kujawsko-pomorskie 1795 Lubelskie 1019 Lubuskie 4733 Łódzkie 4659 Małopolskie Mazowieckie 923 Opolskie 2251 Podkarpackie 874 Podlaskie 3405 Pomorskie Śląskie 1727 1968 Świętokrzyskie Warmińskomazurskie 3126 Wielkopolskie 1812 Zachodniopomorskie Liczba rannych w wypadkach drogowych w Polsce (2013 r.)

ODDZIAŁYWANIE TRANSPORTU NA ŚRODOWISKO 600 Polska: 3 357 562 Oddziaływanie transportu na środowisko 500 400 300 200 100 223 179 250 94 263 221 97 151 135 174 267 143 154 289 155 0 Dolnośląskie Kujawsko-pomorskie Lubelskie Lubuskie Łódzkie Małopolskie Mazowieckie Opolskie Podkarpackie Podlaskie Pomorskie Śląskie Świętokrzyskie Warmińskomazurskie Wielkopolskie Zachodniopomorskie Liczba ofiar śmiertelnych w wypadkach drogowych w Polsce (2013 r.)

ODDZIAŁYWANIE TRANSPORTU NA ŚRODOWISKO Oddziaływanie transportu na środowisko 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 9,4 POLSKA 8,6 Dolnośląskie 15,1 Kujawsko-pomorskie 16,7 Lubelskie 12,6 Lubuskie 6,9 5,9 Łódzkie Małopolskie 12,3 12,3 Mazowieckie Liczba ofiar śmiertelnych na 100 wypadków (Polska, 2013 r.) Opolskie 8,4 Podkarpackie 18,3 Podlaskie 6,6 Pomorskie 5,9 Śląskie 10,2 Świętokrzyskie 9,5 Warmińskomazurskie 11,0 10,3 Wielkopolskie Zachodniopomorskie

ODDZIAŁYWANIE TRANSPORTU NA ŚRODOWISKO Oddziaływanie transportu na środowisko SKŁAD SPALIN SILNIKOWYCH n o n Cm HnOo + m + O2 mco2 + H2O 4 2 2 I. Toksyczne produkty spalania niezupełnego i niecałkowitego tlenek węgla CO lotne związki organiczne (gł.: węglowodory HC oraz aldehydy R CHO) cząstki stałe (głównie: sadza i skondensowane węglowodory) niespalone cząstki oleju i paliwa (węglowodory) II. Produkty utleniania azotu oraz nieorganicznych domieszek (zanieczyszczeń) zawartych w paliwie i oleju smarującym tlenki azotu NO x (głównie NO i NO 2 oraz N 2 O) tlenki siarki SO y (SO 2 oraz SO 3 ) III. Składniki nietoksyczne oraz produkty spalania zupełnego i całkowitego azot N 2, tlen O 2 dwutlenek węgla CO 2, woda H 2 O wodór H 2

ODDZIAŁYWANIE TRANSPORTU NA ŚRODOWISKO 800 700 600 500 400 300 200 100 0 761,2 675,0 384,1 282,2 177,9 160,7 1,5 1,3 silniki ogółem transport drogowy CO 2 : 47 988 10 3 ton 47 001 10 3 ton 93,6 83,9 5,0 4,9 1,9 1,9 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1,87 1,87 0,59 0,49 4,61 4,03 7,68 6,72 15,91 15,91 3,21 3,20 2,67 2,66 CO NOx NLZO-a SO2 Cr Cd Cu Ni Pb WWA(4) BaP ton Pyły CH4 N2O 10 3 ton NLZO-a niemetanowe lotne związki organiczne ze źródeł antropogenicznych Pyły: PM (21 870 ton), zuŝycie opon, hamulców i nawierzchni dróg WWA (4): benzo(a)piren, benzo(b)fluoranten, benzo(k)fluoranten, indeno(1,2,3-cd)piren Emisja substancji szkodliwych z silników spalinowych (Polska, 2011 r.)

ODDZIAŁYWANIE TRANSPORTU NA ŚRODOWISKO Oddziaływanie transportu na środowisko % 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 14,5 14,2 CO2 26,1 23,1 CO 45,1 NOx 33,2 27,3 NLZO-a 24,6 0,2 0,1 SO2 22,6 Pyły 20,3 0,3 0,3 CH4 2,1 N2O 4,1 4,1 Cr 1,4 1,2 Cd 1,3 1,1 Cu silniki ogółem transport drogowy 5,1 4,4 Ni 2,8 2,2 2,8 1,9 NLZO-a niemetanowe lotne związki organiczne ze źródeł antropogenicznych Pyły: PM, zuŝycie opon, hamulców i nawierzchni dróg WWA (4): benzo(a)piren, benzo(b)fluoranten, benzo(k)fluoranten, indeno(1,2,3-cd)piren Udział silników spalinowych w całkowitej emisji substancji szkodliwych (Polska, 2011 r.) Pb WWA(4) 7,4 6,1 BaP

KLASYFIKACJA METOD ZMNIEJSZANIA EMISJI SUBSTANCJI SZKODLIWYCH Klasyfikacja metod zmniejszania emisji substancji szkodliwych Sposoby regulacji obciąŝenia silnika spalinowego REGULACJA ILOŚCIOWA REGULACJA JAKOŚCIOWA silnik ZI λ idem η v = var GDI silnik ZS λ = var η v idem

KLASYFIKACJA METOD ZMNIEJSZANIA EMISJI SUBSTANCJI SZKODLIWYCH Silnik o zapłonie iskrowym (ZI) Silnik o zapłonie samoczynnym (ZS) [CO] % [HC] 10 2 ppm 12 10 8 6 4 granica zapalności [HC] [CO] [NO x ] granica zapalności 3600 [NOx ] 3000 2400 1800 1200 ppm [CO] [HC] [NO x ] ppm 1500 1250 1000 750 500 [NO x ] [HC] [CO] 6 5 4 3 2 D B 2 600 250 1 D B 0 0 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 λ wtrysk pośredni (MPI) 0 1 2 3 4 5 6 obciąŝenie pełne λ bieg jałowy 0 λ 1 (0,90 0,95 obc. max) λ = 1,2 10 (12) Udziały molowe podstawowych substancji szkodliwych w spalinach suchych, w zaleŝności od stosunku nadmiaru powietrza λ

KLASYFIKACJA METOD ZMNIEJSZANIA EMISJI SUBSTANCJI SZKODLIWYCH Klasyfikacja metod zmniejszania emisji substancji szkodliwych A przedsięwzięcia pierwotne (tzw. wewnątrzsilnikowe), polegające na wprowadzeniu odpowiednich zmian konstrukcyjnych lub regulacyjnych w układach silnika, które powodują, Ŝe juŝ spaliny opuszczające cylinder zawierają mniej substancji szkodliwych, np.: recyrkulacja spalin, optymalizacja faz rozrządu, optymalny dobór stopnia kompresji, doskonalenie kształtu komory spalania, zawirowanie ładunku w komorze spalania. B przedsięwzięcia wtórne (tzw. pozasilnikowe), w ramach których w układzie wylotowym silnika instaluje się specjalne układy oczyszczania spalin, np.: reaktory termiczne, reaktory katalityczne, układy selektywnej redukcji katalitycznej, filtry cząstek stałych.

TECHNIKA KATALITYCZNEGO OCZYSZCZANIA SPALIN SILNIKOWYCH Technika katalitycznego oczyszczania spalin silnikowych REAKTORY TERMICZNE REAKTORY KATALITYCZNE CO t d 700 C HC t d 600 C CO, HC, NO x t a 250 300 C

PODZIAŁ REAKTORÓW KATALITYCZNYCH Technika katalitycznego oczyszczania spalin silnikowych DWUFUNKCYJNY (UTLENIAJĄCY) REAKTOR KATALITYCZNY, SILNIK ZS Spaliny z silnika CO HC CO 2 H 2 O TRÓJFUNKCYJNY REAKTOR KATALITYCZNY, SILNIK ZI Spaliny z silnika CO HC NO x CO 2 H 2 O N 2 Spaliny oczyszczone 2CO + O2 2CO n n 2 Cm Hn + m + O2 mco2 + H2O 4 2 Spaliny oczyszczone 2 NO + + 2CO N2 2CO 2 2 NO2 + 2CO N2 + 2CO2 + O2 n n n 2 m + NO + CmHn m + N2 + H2O + mco 2 2 2 2

PODZIAŁ REAKTORÓW KATALITYCZNYCH Technika katalitycznego oczyszczania spalin silnikowych Kryterium podziału: Funkcja: Postać podłoŝa (nośnika): Materiał podłoŝa (nośnika): Substancja aktywna katalitycznie: Rodzaje reaktorów: utleniające (CO, HC) redukujące (NO x ) potrójnego działania (CO, HC, NO x ) ziarniste (granulat) monolit ceramiczne metalowe tlenki metali nieszlachetnych metale szlachetne

CHARAKTERYSTYKA TRÓJFUNKCYJNEGO REAKTORA KATALITYCZNEGO Technika katalitycznego oczyszczania spalin silnikowych Biorąc pod uwagę funkcję konwertora katalitycznego oraz jego umiejscowienie w układzie wylotowym silnika szczególnie istotne są następujące jego cechy: duŝa powierzchnia właściwa (powierzchnia styku fazy stałej z fazą gazową) zdolność do szybkiego osiągania temperatury aktywacji (szybkie rozpoczęcie pracy) duŝa wytrzymałość mechaniczna i termiczna małe opory przepływu

CHARAKTERYSTYKA TRÓJFUNKCYJNEGO REAKTORA KATALITYCZNEGO 100 Technika katalitycznego oczyszczania spalin silnikowych Stopień konwersji, % 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 [HC] [CO] [NO x ] 0,9 0,92 0,94 0,96 0,98 1 1,02 1,04 1,06 1,08 1,1 Obszar pracy reaktora λ = 1 ± 0,003 stopień konwersji, % 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 λ Stopień konwersji substancji szkodliwych 50 0,990 0,992 0,994 0,996 0,998 1,000 1,002 1,004 1,006 1,008 1,010 [NO x ] λ [CO] [HC]

CHARAKTERYSTYKA TRÓJFUNKCYJNEGO REAKTORA KATALITYCZNEGO Technika katalitycznego oczyszczania spalin silnikowych η CO Skuteczność działania dwufunkcyjnego (utleniającego) reaktora katalitycznego wyznaczanie temperatury aktywacji % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 silnik ZS, 6C107 η CO = f(ts), r = idem 0 100 200 300 400 500 600 700 800 t s, o C 1200 obr/min 1600 obr/min 2000 obr/min temperatura aktywacji reaktora

projekt POKL-0002-00-172/11-00 BUDOWA REAKTORÓW KATALITYCZNYCH Makroskopowa budowa reaktorów katalitycznych Technika katalitycznego oczyszczania spalin silnikowych OBUDOWA (OSŁONA) ZEWNĘTRZNA USZCZELNIENIE WARSTWA IZOLACYJNA WKŁAD ROBOCZY (monolit ceramiczny) OBUDOWA WEWNĘTRZNA MATA DRUCIANA Projekt wspó współfinansowany przez Unię Unię Europejską Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społ Społecznego

BUDOWA REAKTORÓW KATALITYCZNYCH Technika katalitycznego oczyszczania spalin silnikowych NGK PodłoŜe ceramiczne 200 cpsi cm - monolit o strukturze plastra miodu, w którym komórki mają najczęściej przekrój kwadratowy Materiał: kordieryt (glinokrzemian magnezu 2Al 2 O 3 5SiO 2 2MgO) - odporny na szoki termiczne, - temperatura mięknięcia ~1300ºC, - temperatura topnienia ~1450ºC, alund (tlenek glinu Al 2 O 3 ), tialit (tytanian glinu Al 2 O 3 TiO 2 ) Zagęszczenie kanałów kanałów/cal 2 200 400 600 900 1200 (NGK) kanałów/cm 2 31 62 93 140 186 Grubość ścianki mm 0,30 0,09-0,165 0,076-0,10 0,05 400 cpsi powierzchnia właściwa: ~2,6 m 2 /dm 3

BUDOWA REAKTORÓW KATALITYCZNYCH Technika katalitycznego oczyszczania spalin silnikowych PodłoŜe metalowe (1989) uzyskanie odpowiedniej odporności na korozję tak cienkiej blachy przy zachowaniu akceptowalnej zwartości budowy i oporu przepływu, łączenia tych bardzo cienkich elementów uzyskując odpowiednią wytrzymałość na duŝe obciąŝenia cieplne i zmęczenie materiału Materiał - nierdzewna stal stopowa: Emicat (20% Cr, 5% Al, 0,05% Y) Aluchrom 7Al YHf Zagęszczenie kanałów kanałów/cal 2 400 600 800 1000 1600 kanałów/cm 2 62 93 124 155 248 Grubość ścianki mm 0,04-0,05 0,040 0,025 0,020 powierzchnia właściwa: 3,4 m 2 /dm 3

BUDOWA REAKTORÓW KATALITYCZNYCH Technika katalitycznego oczyszczania spalin silnikowych Porównanie parametrów typowego podłoŝa ceramicznego i metalowego Parametr Grubość ścianek, mm Zagęszczenie kanałów, kanały/cal 2 (kanały/cm 2 ) Względny, wolny przekrój poprzeczny, % 91,6 67,1 Powierzchnia właściwa 2), m 2 /dm 3 3,4 2,6 Współczynnik przewodzenia ciepła, W/(m K) Pojemność cieplna właściwa, kj/(kg K) 0,5 1,05 Gęstość materiału stałego, g/cm 3 7,4 2,2 2,7 Współczynnik rozszerzalności liniowej, L/L 10 6 K PodłoŜe metalowe 0,04 0,02 1) 400 (62) 1600 (248) 1) 14 22 15 PodłoŜe ceramiczne 0,10 0,15 0,05 1) 400 (62) 1200 (186) 1) 1 1,08 1 Zalety monolitów metalowych w porównaniu z ceramicznymi: zwarta budowa (brak maty stalowej) i mniejsze opory przepływu w układzie wylotowym, szybsze nagrzewanie do minimalnej temperatury pracy, wysoka trwałość nawet przy bardzo wysokich temperaturach i przy nagłych zmianach temperatur (szoki termiczne), mniejsza moŝliwość występowania lokalnych przegrzań.

BUDOWA REAKTORÓW KATALITYCZNYCH Technika katalitycznego oczyszczania spalin silnikowych Warstwa pośrednia: γ-al 2 O 3 (70 85%) podłoŝe ceramiczne γ-al 2 O 3 bardzo duŝa porowatość powierzchnia właściwa: 10 000 40 000 m 2 /dm 3 grubość: 10 50 µm rozmiary porów: 1 10 nm powierzchnia właściwa γ-al 2 O 3 : 100 250 m 2 /g INNE SKŁADNIKI: - CeO 2 - tlenki Zr, Ba, Mg, Ni, La, Fe, Si Rola dodatków: wzmocnienie katalitycznego działania metali szlachetnych, stabilizacja warstwy pośredniej, zapobieganie spiekania metali szlachetnych i warstwy pośredniej, La zapobiega powiększaniu kryształów platyny

BUDOWA REAKTORÓW KATALITYCZNYCH Technika katalitycznego oczyszczania spalin silnikowych Składniki aktywne katalitycznie (katalizatory) metale szlachetne w ilości 1 2 g/dm 3 platyna pallad rod reakcje utleniania CO i HC reakcje redukcji NO x Reaktory utleniające: Pt Pd = 2 1 4 1 Reaktory trójfunkcyjne: Pt Rh lub Pd Rh = 5 1 7 1

SPECYFIKA PRACY REAKTORÓW KATALITYCZNYCH W SILNIKACH ZI I ZS Specyfika pracy reaktorów katalitycznych w silnikach ZI i ZS 100 η 90 CO 80 70 % 60 50 40 30 20 10 0 100 η HC 90 80 % 70 60 50 40 30 20 10 0 silnik 170A046 84 silnik 170A046.. η CO= f(m o), r = idem 82 η NO= f(m o), r = idem 0 10 20 30 40 50 60 70 silnik 170A046. η HC= f(m o), r = idem M o Nm/rad 0 10 20 30 40 50 60 70 M o Nm/rad η NO % 100 98 96 94 92 90 88 86 80 4000 obr/min 3000 obr/min 2000 obr/min 0 10 20 30 40 50 60 70 M o Nm/rad Skuteczność działania 3-funkcyjnego reaktora katalitycznego zainstalowanego w układzie wylotowym silnika ZI, w zakresie konwersji substancji szkodliwych

SPECYFIKA PRACY REAKTORÓW KATALITYCZNYCH W SILNIKACH ZI I ZS Specyfika pracy reaktorów katalitycznych w silnikach ZI i ZS 1,04 λ 1,02 4000 obr/min 1,00 t s o C 0,98 0,96 0,94 0,92 0,90 900 800 700 600 silnik 170A046. λ = f(mo), r = idem 0 10 20 30 40 50 60 70 M o Nm/rad 3000 obr/min 2000 obr/min Stosunek nadmiaru powietrza Temperatura spalin napływających do reaktora 500 400 300 200 100 0 silnik 170A046. ts = f(mo), r = idem 0 10 20 30 40 50 60 70 M o Nm/rad ~ temperatura aktywacji reaktora

SPECYFIKA PRACY REAKTORÓW KATALITYCZNYCH W SILNIKACH ZI I ZS 100 Specyfika pracy reaktorów katalitycznych w silnikach ZI i ZS η CO % 90 80 70 60 50 40 30 20 10 silnik ZS, 6C107. η CO = f(m o), r = idem 1200 obr/min 1600 obr/min 2000 obr/min Skuteczność działania 2-funkcyjnego (utleniającego) reaktora katalitycznego zainstalowanego w układzie wylotowym silnika ZS, w zakresie konwersji CO t s o C 0 800 700 600 500 0 50 100 150 200 250 300 350 400 M o, Nm/rad silnik ZS, 6C107. ts = f(mo), r = idem Temperatura spalin napływających do reaktora 400 300 200 ~ temperatura aktywacji reaktora 100 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 M o, Nm/rad

SPECYFIKA PRACY REAKTORÓW KATALITYCZNYCH W SILNIKACH ZI I ZS Specyfika pracy reaktorów katalitycznych w silnikach ZI i ZS Porównanie charakteru pracy reaktora 2-funkcyjnego (utleniającego) w silniku ZS i reaktora 3-funkcyjnego w silniku ZI η CO % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 η CO = f(m o /M o,max ), r = r M 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 M M o o,max.. silnik ZS, 6C107 reaktor 2-funkcyjny silnik ZI, 170A046 reaktor 3-funkcyjny

TECHNIKI SPECJALNE Techniki specjalne Izolacja przewodów dolotowych Układ z rozruchowym reaktorem katalitycznym Reaktory nagrzewane elektrycznie Adsorbery węglowodorów Zasobnikowe reaktory katalityczne (redukcja NO x w silnikach ZI na mieszankę ubogą - GDI) Technika selektywnej redukcji katalitycznej (SCR) (redukcja NO x w silnikach ZS)

ZASOBNIKOWY REAKTOR KATALITYCZNY Techniki specjalne Zasobnikowe reaktory katalityczne Redukcja NO x w silnikach ZI na mieszankę ubogą (GDI) Reaktor z dodatkową funkcją akumulowania NO x. Oprócz typowych substancji aktywnych katalitycznie (platyna, pallad i rod) na warstwie pośredniej naniesione są związki wiąŝące NO x (np. tlenek baru, lantanu, cyrkonu, strontu, wapnia, potasu). Reaktor działa jak konwencjonalny, gdy silnik pracuje na mieszance stechiometrycznej. Podczas pracy na mieszance ubogiej redukcja NO x odbywa się w trzech fazach: I. Akumulowanie NO x najpierw tlenek azotu utleniany jest do NO 2 (na warstwie platyny i palladu), który następnie jest wiązany np. przez tlenek baru jako azotan baru, wg reakcji: 2 BaO + 4 NO 2 + O 2 2 Ba(NO 3 ) 2 II. Uwalnianie NO gdy reaktor zostanie nasycony tlenkami azotu następuje proces jego regeneracji i rozładowania NO x. Silnik zostaje przestawiony na krótkotrwałe zasilanie mieszanką bogatą (λ 0,8) i ponowne uwalnianie NO następuje wg reakcji: Ba(NO 3 ) 2 + 3 CO 3 CO 2 + BaO + 2 NO III. Redukcja NO substancją aktywną katalitycznie wspomagającą ostateczną redukcję NO jest rod, i proces ten odbywa się wg reakcji: 2 NO + 2 CO N 2 + 2 CO 2

FILTRY CZĄSTEK STAŁYCH W SILNIKACH ZS Filtry cząstek stałych w silnikach ZS W spalinach silnika ZS do 98% masy cząstek stałych moŝe mieć rozmiary w zakresie od 0,01 µm do 0,5 µm. Krzywa rozkładu wielkości cząstek stałych osiąga maksimum dla wartości około 100 nm. Ponad 90% masy CzS stanowi sadza i węglowodory. Koncentracja PM, mg/m 3 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0,015 0,03 0,063 0,125 0,25 0,5 1 2 4 8 16 Wielkość, µm Przykład masowej koncentracji cząstek stałych dla samochodowego silnika ZS (badanie wg amerykańskiego testu jazdy miejskiej FTP-75)

KLASYFIKACJA I BUDOWA FILTRÓW CZĄSTEK STAŁYCH Filtry cząstek stałych w silnikach ZS 1999 Pierwszy seryjnie produkowany samochód osobowy z filtrem cząstek stałych (Peugeot 607) NajwaŜniejsze wymagania, ze względów eksploatacyjnych, jakie muszą spełniać układy filtracji cząstek stałych: wysoka skuteczność filtracji i regeneracji, brak emisji wtórnej (która moŝe być efektem procesu regeneracji filtra), wysoka trwałość, niskie koszty obsługi serwisowej, niskie opory przepływu (duŝa powierzchnia przegrody filtracyjnej).

KLASYFIKACJA I BUDOWA FILTRÓW CZĄSTEK STAŁYCH Filtry cząstek stałych w silnikach ZS Biorąc materiał oraz konstrukcję przegrody filtracyjnej, które odgrywają główną rolę w spełnieniu wymagań, jako kryterium podziału, filtry cząstek stałych dzielimy następująco: filtry z monolitem ceramicznym, o strukturze plastra miodu, o strukturze spienionej, filtry ze spieków metali, filtry ze spienionych metali, filtry z włókna ceramicznego lub drutu stalowego (mata) nawiniętego na nośnik metalowy w postaci perforowanych rurek: spaliny zanieczyszczone PM spaliny oczyszczone B mata z włókna ceramicznego lub metalowego nośnik metalowy w postaci perforowanych rurek

KLASYFIKACJA I BUDOWA FILTRÓW CZĄSTEK STAŁYCH Filtry cząstek stałych w silnikach ZS Filtry z monolitem ceramicznym o strukturze plastra miodu spaliny zanieczyszczone PM A przepływ spalin przez monolit spaliny oczyszczone porowaty monolit ceramiczny

KLASYFIKACJA I BUDOWA FILTRÓW CZĄSTEK STAŁYCH Filtry cząstek stałych w silnikach ZS Filtry z monolitem ceramicznym o strukturze spienionej

KLASYFIKACJA I BUDOWA FILTRÓW CZĄSTEK STAŁYCH Filtry cząstek stałych w silnikach ZS Filtry z monolitem ceramicznym cm Materiał: kordieryt (glinokrzemian magnezu 2Al 2 O 3 5SiO 2 2MgO), powszechnie stosowany w reaktorach katalitycznych, węglik krzemu SiC

KLASYFIKACJA I BUDOWA FILTRÓW CZĄSTEK STAŁYCH Filtry cząstek stałych w silnikach ZS Filtry ze spieków metali spaliny zanieczyszczone PM C spaliny oczyszczone płyty ze spieków metali

REGENERACJA FILTRÓW CZĄSTEK STAŁYCH Filtry cząstek stałych w silnikach ZS Trudności w realizacji procesu regeneracji: temperatura zapłonu sadzy: ~ 600ºC, odpowiednio efektywne jej utlenianie odbywa się przy temperaturze około 700ºC. Systemy regeneracji filtrów cząstek stałych ze względu na temperaturę zapłonu CzS Dopalanie termiczne - realizowane przez okresowe podniesienie temperatury spalin. Utlenianie katalityczne - realizowane okresowo lub w sposób ciągły (temp. ~400ºC): substancja katalityczna w bardzo małej ilości dodawana jest do paliwa i zatrzymywana wraz z substancją stałą gromadzoną na filtrze, aktywna katalitycznie warstwa platyny naniesiona jest na ściankach porowatego wkładu filtracyjnego.

REGENERACJA FILTRÓW CZĄSTEK STAŁYCH Filtry cząstek stałych w silnikach ZS Systemy regeneracji filtrów ze względu sposób osiągania temperatury utleniania CzS Regeneracja pasywna temperatura spalin jest wystarczająco wysoka aby rozgrzać filtr do temperatury, w której następuje utlenianie sadzy oraz frakcji organicznej CzS. Regeneracja aktywna wymaga doprowadzenia do filtra dodatkowej energii (gdy temperatura spalin jest zbyt niska) w celu przeprowadzenia procesu jego regeneracji.

REGENERACJA FILTRÓW CZĄSTEK STAŁYCH Filtry cząstek stałych w silnikach ZS Systemy regeneracji filtrów ze względu rodzaj utleniacza Utlenianie za pomocą tlenu O 2 tlen niezbędny do procesu zawarty jest w spalinach (λ>1), wymagana temperatura dopalania to około 600ºC w systemie bez substancji katalitycznej oraz ok. 400ºC przy obecności katalizatora. Utlenianie z wykorzystaniem NO 2 NO 2 uzyskuje się z NO w utleniającym reaktorze katalitycznym instalowanym przed filtrem, minimalna temperatura niezbędna, aby zachodziła reakcja utleniania węgla w obecności NO 2, a tym samym proces regeneracji, wynosi ok. 250ºC (technika moŝliwa do zastosowania w systemach ciągłej regeneracji filtrów CzS).

REGENERACJA FILTRÓW CZĄSTEK STAŁYCH Filtry cząstek stałych w silnikach ZS powietrze (z filtra) Schemat systemu aktywnej regeneracji termicznej filtra cząstek stałych zawór elektromagnetyczny dmuchawa zanieczyszczone spaliny z silnika filtr cząstek stałych palnik spaliny oczyszczone pompa dozująca czujnik ciśnienia paliwo (olej napędowy)

REGENERACJA FILTRÓW CZĄSTEK STAŁYCH Filtry cząstek stałych w silnikach ZS powietrze Schemat systemu aktywnej regeneracji termicznej filtra cząstek stałych paliwo (olej napędowy) komora spalania spaliny z silnika zawór czterodroŝny filtr cząstek stałych (dwa monolity) czujniki ciśnienia spaliny oczyszczone

REGENERACJA FILTRÓW CZĄSTEK STAŁYCH Filtry cząstek stałych w silnikach ZS Filtr cząstek stałych z ciągłą regeneracją pasywną utleniający reaktor katalityczny CO HC NO x PM spaliny z silnika czujnik temperatury filtr cząstek stałych CO 2 H 2 O NO spaliny oczyszczone CO 2 H 2 O NO 2 PM czujniki róŝnicy ciśnień Reakcje zachodzące w obrębie reaktora: CO + 1/2O 2 CO 2 C m H n + (m + 1/4)O 2 m CO 2 + n/2h 2 O NO + 1/2O 2 NO 2 Reakcja zachodząca w obrębie filtra: C + 2NO 2 CO 2 + 2NO NO + 1/2O 2 NO 2 (w CCRT z Pt) Warunek efektywnego działania: utrzymanie temperatury co najmniej 250ºC przez 50% czasu eksploatacji silnika (dla CCRT: temp. >210ºC przez 40% czasu eksploatacji). Konwersja: CO i HC > 90%, PM > 99% dla 20-300 nm; ZS do 560 kw

REGENERACJA FILTRÓW CZĄSTEK STAŁYCH Filtry cząstek stałych w silnikach ZS Filtry z aktywną regeneracją katalityczną Substancja katalityczna dodawana do paliwa. Aktywna katalitycznie warstwa platyny naniesiona na przegrodę filtracyjną. Osiąganie temperatury regeneracji (~ 400 C): nagrzewanie elektryczne (filtry ze spieków metalowych), dodatkowy wtrysk paliwa, realizowany pod koniec suwu pracy

REGENERACJA FILTRÓW CZĄSTEK STAŁYCH Filtr z okresową, aktywną regeneracją katalityczną Wskaźnik pracy układu Czujnik róŝnicy ciśnień Filtr ze spieku metalowego Silnik ZS Elektryczne elementy grzewcze Zbiornik paliwa z czujnikiem ilości Pompa dawkująca Filtr Zbiornik dodatku katalitycznego Jednostka sterująca

REGENERACJA FILTRÓW CZĄSTEK STAŁYCH Filtry cząstek stałych w silnikach ZS Filtr z aktywną regeneracją katalityczną Reaktor katalityczny, utleniający Filtr cząstek stałych (ceramiczny lub spiek metalowy) dodatkowy wtrysk paliwa, realizowany pod koniec suwu pracy (zapłon dodatkowej dawki paliwa następuje od gorących spalin, jeszcze przed otwarciem zaworu wylotowego przyczyniając się do podwyŝszenia temperatury spalin w kolektorze wylotowym), kolejne podwyŝszenie temperatury spalin następuje równieŝ w utleniającym reaktorze katalitycznym, umieszczonym bezpośrednio przed filtrem, w wyniku utleniania HC i CO, które nie zostały spalone w fazie dodatkowego wtrysku.

REGENERACJA FILTRÓW CZĄSTEK STAŁYCH Filtry cząstek stałych w silnikach ZS Filtr z warstwą Pt (VW) Platyna Pt Warstwa pośrednia, Al 2 O 3 Monolit, SiC Regeneracja pasywna z wykorzystaniem NO 2, gdy temperatura spalin wynosi 250-450 C. Regeneracja aktywna O 2 : system utrzymuje temperaturę spalin 600-650 C, czas trwania pełnej regeneracji ok. 10 min

REGENERACJA FILTRÓW CZĄSTEK STAŁYCH Filtry cząstek stałych w silnikach ZS Filtr z warstwą Pt (VW) Sterowanie silnikiem podczas regeneracji aktywnej: zostaje wyłączony układ recyrkulacji spalin, aby zwiększyć temperaturę spalania, po zmniejszeniu dawki głównego wtrysku, przy kącie połoŝenia wału korbowego wynoszącym 35 za GPZ tłoka, następuje wtrysk uzupełniający w celu podwyŝszenia temperatury spalin. Przy długotrwałych jazdach na krótkich odcinkach nie jest moŝliwe podniesienie temperatury spalin w wystarczającym wymiarze. Regeneracja wtedy nie moŝe odbywać się prawidłowo. Po uaktywnieniu lampki kontrolnej wymaga się od kierowcy jazdy przez ok. 15 min ze zwiększoną prędkością w celu podwyŝszenia temperatury spalin do wartości koniecznej dla regeneracji filtra cząstek stałych. Stosowanie filtrów czasami moŝe być uciąŝliwe ale jest konieczne.

PODSUMOWANIE 0,05 EURO 3 Badania wg NEDC Podsumowanie Emisja PM, g/km 0,04 0,03 0,02 0,01 maksymalna wartość emisji minimalna wartość emisji EURO 4 EURO 5 i 6 0,00 A B C D E A silnik ZS z układem paliwowym commonrail i wtryskiem bezpośrednim, bez filtra cząstek stałych, B silnik ZS z układem paliwowym commonrail i wtryskiem bezpośrednim, wyposaŝony w filtr cząstek stałych, C typowy silnik ZI z wielopunktowym wtryskiem paliwa, D silnik benzynowy z bezpośrednim wtryskiem paliwa (GDI), E pomiary przeprowadzone dla powietrza pobieranego z otoczenia

PODSUMOWANIE Podsumowanie NORMY EMISJI DLA SAMOCHODÓW OSOBOWYCH Z SILNIKIEM ZI (wg testu NEDC) HC+NO x g km 0,97 0,50 0,35 0,18 E4 0,16 EURO 5, 6 EURO 2 EURO 3 EURO 1 1,0 2,2 2,3 2,72 CO, g/km

PODSUMOWANIE Podsumowanie Normy emisji dla samochodów osobowych z silnikiem ZS (wg testu NEDC) HC+NO x g km 0,97 0,70 0,56 EURO 3 EURO 2 EURO 1 EURO 5 EURO 6 0,30 0,23 0,17 0,005 E 4 0,025 0,05 0,08 0,14 PM, g/km