WPŁYW CZYNNIKÓW KONSTRUKCYJNYCH I EKSPLOATACYJNYCH NA EMISJĘ CO HC NOX Z SILNIKÓW SPALINOWYCH
Źródła emisji zanieczyszczeń z pojazdu: Można wyróżnić kilka głównych źródeł emisji: 1. układ wylotowy silnika z którego emitujemy produkty spalania często niezupełnego i niecałkowitego, 2. układ zasilania z którego mogą się ulatniać pary paliwa, 3. skrzynia korbowa z której wydostają się pary oleju silnikowego, spaliny, i pary paliwa, 4. skrzynia biegów i przekłądnia główna emitujące również pary olejów, 5. układ chłodzenia, 6. układ klimatyzacji. Produkty spalania paliw węglowodorowych w silnikach spalinowych 1. Produkty spalania zupełnego Produktami spalania zupełnego są: - dwutlenek węgla CO 2 - woda H 2 O - trójtlenek siarki SO 3 2. Produkty spalania niezupełnego Produktami spalania niezupełnego są: - węglowodory HC, i ich pochodne, - tlenek węgla CO, - sadza C (odwodorniony węglowodór wielopierścieniowy), - tlenki siarki SO i SO 2
3. Produkty spalania niecałkowitego Produktami spalania niecałkowitego są: - węglowodory C n H m - pochodne węglowodorów Wpływ zanieczyszczeń powietrza na zdrowie człowieka Zanieczyszczenia powietrza mogą dotrzeć wszędzie, jednak największe ich stężenie odnotowuje się w rejonach przemysłowych. Tam też obserwuje się największy ich wpływ na zdrowie ludzi i zwierząt. 1. Dwutlenek siarki (SO 2 ) Atakuje najczęściej drogi oddechowe i struny głosowe. Po wniknięciu w ściany dróg oddechowych przenika do krwi i dalej do całego organizmu, kumuluje się w ściankach tchawicy i oskrzelach oraz w wątrobie, śledzionie, mózgu i węzłach chłonnych. Duże stężenie SO 2 w powietrzu może również prowadzić do zmian w rogówce oka. 2. Tlenek węgla (CO) Powstaje w wyniku niezupełnego spalania węgla. Jest niezwykle groźny, silnie toksyczny. Powoduje ciężkie zatrucia (zaczadzenie), a nawet śmierć organizmu. 3. Tlenek azotu (NO) Ma działania toksyczne. Obniża odporność organizmu na infekcje bakteryjne, działa drażniąco na oczy i drogi oddechowe, jest przyczyną zaburzeń w oddychaniu, powoduje choroby alergiczne (m.in. astmę). Tlenki azotu (NO X ) są prekursorami powstających w glebie związków rakotwórczych i mutagennych. W połączeniu z gazowymi węglowodorami tworzą w określonych warunkach atmosferycznych zjawisko smogu, znanego z Los Angeles, Londynu i Meksyku. Tlenki azotu, po utlenieniu w obecności pary wodnej, mają również udział w tworzeniu kwaśnych deszczów.
4. Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA) Powodują ostre i przewlekłe zatrucia. W grupie węglowodorów aromatycznych duże zagrożenie stanowi benzopiren, ze względu na właściwości rakotwórcze. 5. Metale ciężkie Odkładają się w szpiku kostnym, śledzionie i nerkach, uszkadzają układ nerwowy. Powodują anemię, zaburzenia snu, agresywność, mogą wywoływać zmiany nowotworowe. 6. Pyły Powodują podrażnienia naskórka i śluzówki. Niebezpieczne są pyły najdrobniejsze o wielkości cząstki do 5 µm, które z łatwością przenikają do organizmu wywołując jego zatrucie, zapalenia górnych dróg oddechowych, pylicę, nowotwory płuc, choroby alergiczne i astmę. Czynniki wpływające na poziom emisji składników toksycznych z silników spalinowych Jest wiele czynników wpływających na poziom emisji składników toksycznych w spalinach. Główne z nich to: 1. wymiary główne silnika 2. stopień sprężania ε 3. konstrukcja komory spalania 4. charakter zachowań ładunku przed spaleniem 5. parametry zapłonu 6. skład mieszanki 7. obciążenie i prędkość obrotowa 8. doładowanie
1. Wymiary główne silnika. Wpływ liczby cylindrów, skoku i średnicy tłoka jest trudny do jednoznacznego zdefiniowania. Zmiana tych parametrów powoduje zmianę wielu innych czynników. Istotny wpływ na proces spalania ma stosunek powierzchni ścianek komory spalania Fk do jej objętości Vk. Jeżeli pojemność skokowa Vss maleje to Fk / Vk rosnie. Wraz ze wzrostem Fk / Vk rosną straty ciepła a więc temperatura maleje. Powoduje to wzrost stężenia niespalonych HC i spadek emisji NOx. Zmianę pojemności skokowej można uzyskać zasadniczo na dwa sposoby, przez zmianę skoku przy stałej średnicy cylindra lub przez zmianę średnicy przy stałym skoku. Przy wzroście skoku Fk / Vk maleje a zatem wzrasta temperatura spalania oraz turbulencje w cylindrze. Maleje ilość niespalonych HC w pobliżu ścianek komory dzięki lepszemu wymieszaniu ich z gorącymi spalinami. Wzrost temperatury przyczynia się do dopalenia większej ilości HC w czasie rozprężania. Większa temperatura powoduje jednak wzrost emisji NOx. Gdy rośnie średnica cylindra to wydłuża się droga płomienia i czas spalania. Powoduje to potrzebę przyśpieszenia zapłonu i zmniejsza turbulencje ładunku. Stężenie HC wzrasta. Jednocześnie Fk / Vk maleje a więc podwyższa się temperatura spalania z powodu dłuższego czasu spalania. Mniejsze są straty ciepła. Emisja HC spada. Sumarycznie więc ilość HC maleje. Stężenie NOx wzrasta nieznacznie. 2. Stopień sprężania. W silniku ZI wzrost stopnia sprężania ε zwiększa sprawność indykowaną i teoretyczną, powoduje wzrost średniego ciśnienia indykowanego oraz maksymalnego ciśnienia spalania. Równocześnie sprawność mechaniczna maleje. Sprawność ogólna osiąga maksimum dla ε = 15 17.
Gdy ε rośnie to rośnie masowa prędkość spalania co powoduje spadek temperatury spalania. Można również opóźnić zapłon. Ze wzrostem ε maleje ilość resztek spalin w cylindrze. Rośnie Fk / Vk. Czynniki te powodują że emisja HC wzrasta ze wzrostem ε. Dla mieszanek o współczynniku nadmiaru powietrza λ > 1 (mieszanki ubogie) wzrost stężenia HC jest mniejszy ponieważ wyższe temperatury panujące w cylindrze zmniejszają grubość warstwy przyściennej. Wyższa temperatura przyczynia się do większego dopalenia HC w środkowej strefie komory. Dla mieszanek bogatych ( λ < 1 ) ze wzrostem ε spada emisja NOx a dla mieszanek ubogich ( λ >1 ) gdy ε wzrasta to NOx też wzrasta. 3. Komory spalania. Przebieg procesu spalania zależy od miejsca umieszczenia komory spalania, jej kształtu, Fk / Vk, umieszczenia świecy i zaworów. Komory mogą się znajdować w głowicy ( półkuliste, daszkowe, klinowe, itd. ) oraz w tłoku. Komory umieszczone w tłoku mają największy stosunek Fk / Vk. Położenie świecy ma wpływ na masową prędkość spalania. Zwiększając odległość elektrod świecy od środka komory powodujemy wydłużenie spalania a wtedy stężenie NOx maleje a HC rośnie. Gdy świeca zapłonowa znajduje się w pobliżu zaworu wylotowego to emisja NOx wzrasta bo cylinder opuszczają najpierw najgorętrze gazy spalinowe. Emisja HC maleje bo najdalej położone najchłodniejsze gazy pozostają częściowo w komorze i ulegają dopaleniu w następnym cyklu. 4. Charakter zachowań ładunku przed spaleniem. Aby uzyskać mieszankę homogeniczną musimy stosować wtrysk paliwa. Jakość rozpylenia paliwa zależy od: 1. warunków w kolektorze dolotowym * temperatura, gęstość i prędkość powietrza * temperatura paliwa
2. fizycznych i chemicznych właściwości paliwa 3. parametrów konstrukcyjnych wtryskiwaczy * pozycja zainstalowania * kierunek wtrysku 5. zmienne parametry wtrysku * ciśnienie * czas wtrysku Prawidłowe rozpylenie uzyskuje się przy dużej prędkości przepływu powietrza więc wtrysk powinien następować w czasie gdy otwarty jest zawór ssący. Dąży się do tego aby uzyskać mieszaninę paliwa z powietrzem bez warstwy paliwa w kolektorze dolotowym oraz do uzyskania dużego zawirowania mieszanki co korzystnie wpływa na prędkość spalania. Powstaje możliwość zastosowania większego ε i zasilania ubogą mieszanką. Duże zawirowanie mieszanki powoduje spadek emisji HC i wzrost emisji NOx. Dla mieszanek ubogich ( λ >1 ) następuje jednak spadek emisji NOx. 5. Parametry zapłonu. Kąt wyprzedzenia zapłonu różnie wpływa na poziom emisji zanieczyszczeń w zależności od współczynnika nadmiaru powietrza λ. Przy λ < 1 ( mieszanka bogata ) najwyższe temperatury powstają dla maksymalnych mocy natomiast dla λ > 1 (mieszanki ubogie ) najwyższa temperatura jest osiągana wcześniej. Kąt wyprzedzenia zapłonu praktycznie nie wpływa na zawartość CO w spalinach. Opóźniając zapłon powodujemy spadek ciśnienia maksymalnego i temperatury w komorze spalania oraz wzrost warstwy przyściennej. Jednocześnie rośnie temperatura w czasie rozprężania. Proces spalania kończy się gdy tłok jest w większej odległości od głowicy. W efekcie uzyskujemy spadek emisji HC. Stężenie NOx spada wraz z opóźnianiem zapłonu. Energia iskry nie ma większego znaczenia dla mieszanek bogatych. Mieszanki ubogie potrzebują jednak większej energii iskry. Położenie świecy blisko ścianki głowicy wpływa na wzrost emisji HC.
6. Skład mieszanki. Skład mieszanki jest głównym czynnikiem wpływającym na skład spalin. Przy wzbogacaniu mieszanki rośnie emisja CO. Jest to związane ze wzrostem niedoboru powietrza. Na stężenie HC wpływ mają grubość warstwy przyściennej zależnej od temperatury spalania i zawartość paliwa w warstwie przyściennej która rośnie ze spadkiem λ. Ilość NOx zależy od składu mieszanki w ten sposób że im λ mniejsza tym NOx mniejsze. Jest to spowodowane brakiem tlenu. Maksimum NOx osiągane jest dla λ = 1.05 1.15 z powodu największej temperatury spalania. Dla λ >> 1 spada temperatura spalania i stężenie NOx również spada. 7. Obciążenie i prędkość obrotowa silnika. Wzrost obciążenia powoduje wzrost temperatury i ciśnienia w komorze spalania. Wzrasta też prędkość wypływu spalin. Czynniki te powodują spadek zawartości HC w spalinach. Krótszy czas przepływu przez układ wylotowy przyczynia się do wzrostu emisji HC. Emisja NOx rośnie ze wzrostem obciążenia ponieważ rośnie temperatura. 8. Doładowanie. W wyniku doładowania w silniku ZI skład mieszanki nie ulega większym zmianom. Następuje jednak wzrost ciśnienia końca sprężania oraz ciśnienia i temperatury maksymalnej. Doładowanie zwiększa więc skłonność do samozapłonu. Trzeba więc zwiększyć LO paliwa lub zmniejszyć ε. Doładowanie nie wpływa istotnie na emisję CO natomiast przy zmniejszonych λ powoduje wzrost emisji HC. Wzrost temperatury powoduje dodatkowo wzrost emisji NOx.