Analiza wyników badań na hamowni silnikowej

Weryfikację zaproponowanego filtra przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych na silnikowym stanowisku hamulcowym (rys. 8.1). Badaniom poddano silnik ZS o ob-jętości skokowej 1,3 dm³ (tabl. 8.1) wyposażony w układ wtryskowy common rail. Sil-nika fabrycznie nie wyposażono w filtr cząstek stałych, przez co możliwe było prowa-dzanie badań weryfikacyjnych proponowanego rozwiązania przeznaczonego do oczysz-czania spalin.

Rys. 8.1. Widok stanowiska hamulcowego podczas badań

Tablica 8.1. Dane techniczne zastosowanego silnika [40]

Objętość skokowa [dm³] 1,3

Liczba cylindrów/zaworów 4/16

Moc maksymalna [kW] 52 przy 4000 obr/min

Maksymalny moment obrotowy [Nm] 170 przy 1750–2500 obr/min

Stopień sprężania [–] 18,1

Norma emisji spalin Euro 4

Układy oczyszczania spalin DOC

Badana jednostka spełniała normę emisji spalin Euro 4, do której wystarczały silni-kowe metody ograniczenia emisji PM oraz reaktor DOC. W sterowniku silnika nie było procedur służących do regeneracji filtra, które wpływałyby na charakterystykę pracy jednostki. Standardowy DOC wymieniono na nowy przed badaniami, a jego strukturę stanowiła specjalnie wyprofilowana blacha stalowa, zwiększająca kontakt spalin z

no-śnikiem i w konsekwencji skuteczność utleniania związków toksycznych. Po zainstalo-waniu układów oczyszczania spalin sprawdzono przy pomocy dedykowanego testera diagnostycznego usterki i stwierdzono brak błędnych odczytów z czujników silnika.

Silnik obciążany był hamulcem elektrowirowym firmy Automex chłodzonym cieczą (tabl. 8.2). Wartość momentu obrotowego odczytywanego z hamulca silnikowego, od-powiadała momentowi obrotowemu netto, czyli bez oporów własnych silnika. W ten sam sposób wyznaczany jest moment przy pomiarach silników NRMM podczas badań homologacyjnych emisji.

Tablica 8.2. Dane hamulca wykorzystanego do badań

Typ hamulca AMX-210/100

Moc maksymalna [kW] 100

Maksymalna prędkość obrotowa [obr/min] 10000

Maksymalny moment obrotowy [Nm] 240

Kierunek obrotu dowolny

Do badań wykorzystano te same analizatory składników toksycznych spalin, które opisano już w rozdziale 2. Punkty pracy wyznaczono zgodnie z NRSC–PUT na podsta-wie rzeczywistej charakterystyki zewnętrznej silnika, zmierzonej przed przystąpieniem do badań (tabl. 8.3). Pomiary przeprowadzono trzykrotnie, w różnych konfiguracjach układu wylotowego. Pierwszy przedmiot badań, nazwany „odniesienie”, stanowił sam silnik bez układów oczyszczania spalin. Następnie badany był układ zimny, składający się z DOC i nowoopracowanego filtra DPF, tj. przed rozpoczęciem badań układ znaj-dował się w temperaturze otoczenia przez okres 24 h. Trzeci cykl pomiarowy obejmo-wał układ nagrzany, tj. tuż przed badaniami uzyskano temperaturę nośnika, wymaganą do zajścia reakcji regeneracji pasywnej filtra (ok. 400°C). Proces ten był odczytywany jako znaczne zmniejszenie stężenia PM w spalinach (rys. 8.2). W każdym z punktów pracy silnik pracował przez okres 30 s, po ustabilizowaniu się stężeń skład-ników szkodliwych, a wynik pracy w punkcie stanowił średnią arytmetyczną pomiarów przeprowadzonych z częstotliwością 1 Hz.

Tablica 8.3. Punkty pracy silnika spalinowego wykorzystane w badaniach obliczone zgodnie z NRSC–PUT

Punkt pracy 1 2 3 4 5 6 7

Prędkość obrotowa wału korbowego [obr/min] 2400 2400 2400 3600 3600 3600 770

Obciążenie [Nm] 148 107 66 98 67 37 brak

W pracy skupiono się na badaniu ograniczenia masy i liczby cząstek stałych, jednak zastosowanie proponowanego układu oczyszczania spalin miało wpływ na zanieczysz-czenia gazowe znajdujące się w spalinach.

Filtr cząstek stałych DPF umieszczono tuż za DOC, całość uszczelniono i podłą-czono do instalacji wylotowej na stanowisku hamulcowym (rys. 8.3). Układ znalazł się możliwie blisko silnika ze względu na temperaturę spalin, której większe wartości po-zytywnie wpływają na sprawność oczyszczania spalin. Za badanymi układami oczysz-czania spalin znalazł się przepływomierz masowy analizatora SEMTECH DS o średnicy 2 cali. Z niego pobierano próbki gazów oraz wyznaczano chwilowy strumień gazów

wylotowych. Do pomieszczenia, w którym pracował silnik, dostarczano powietrze oto-czenia przez nadmuch pracujący w sposób ciągły. Cały cykl badawczy odbył się tego samego dnia by zachować te same warunki otoczenia, które mogłyby wpływać na uzy-skiwane wyniki.

Rys. 8.2. Stężenie PM w spalinach podczas zajścia procesu regeneracji prototypowego filtra cząstek stałych

Rys. 8.3. Widok układu oczyszczania spalin badanego na hamowni silnikowej

W ramach analizy ekologicznej wyznaczono zarówno zmianę jednostkowej emisji gazowych związków toksycznych, jak i cząstek stałych. Te pierwsze zaprezentowano jako wartości względne (rys. 8.4–8.8). W opisie wykresów jako skuteczność działania uznawana jest różnica emisji względnej odniesienia wynosząca 100% i zmierzona w badaniach po zastosowaniu różnych układów oczyszczania spalin. W prawym górnym narożniku umieszczono legendę obrazującą położenie danego punktu pracy we współ-rzędnych obciążenia i prędkości obrotowej silnika.

Głównym celem pracy jest wytworzenie rozwiązania w którym nastąpi filtracja i utlenianie cząstek stałych. Pierwszym analizowanym parametrem jest emisja jednost-kowa PM (rys. 8.4). W przypadku emisji masy cząstek stałych, we wszystkich punktach uzyskane wartości są mniejsze, jednak brak jest widocznych tendencji uwzględniają-cych warunki pracy silnika. Dla obydwu badań układów w cyklu NRSC–PUT zaobser-wować można takie same tendencje, tj. lokalne minima i maksima w tych samych punk-tach pracy dla układu zimnego jak i nagrzanego, choć w 1 punkcie pracy różnica sięga 27 punktom procentowym. Dla nagrzanego układu wylotowego we wszystkich uzyska-nych wynikach emisja PM jest mniejsza niż w układzie zimnym, a największe zmiany dotyczą trzech pierwszych punktów, gdzie skuteczność wynosi odpowiednio 45%, 48%

0 5 10 15

0 5 10 15 20 25 30 35

Stężenie PM [mg/m3]

Czas [s]

i 50% w stosunku do układu odniesienia. Układ wykazuje minimalną sprawność pod-czas pracy na biegu jałowym, co jest związane z najmniejszą temperaturą spalin. Suma-ryczne, uśredniona skuteczność zmniejszenia jednostkowej emisji PM układu DOC+DPF wynosi 23% i 35% w zależności od temperatury początkowej. Skuteczność działania filtrów typu flow-through w literaturze oceniana jest na ok. 30% [11, 48], więc w przypadku nagrzanego układu uzyskano wartość większą. Z przedstawionych zależ-ności wynika także, że zbliżenie układów do kolektora wylotowego zwiększy skutecz-ność działania rozwiązania. Dalsza analiza dotyczyła emisji PN (rys. 8.5).

Rys. 8.4. Względna jednostkowa emisja PM dla zimnego i nagrzanego układu DOC+DPF

Rys. 8.5. Względna jednostkowa emisja PN dla zimnego i nagrzanego układu DOC+DPF

Dla PN skuteczność stosowanych układów oczyszczania spalin jest większa niż dla PM. Dwa badane stany cieplne układów wykazują te same tendencje w emisji składni-ków gazowych i cząstek stałych. Ich przebieg jednak odróżnia uzyskane wyniki od po-miarów PM. Skuteczność zmniejszania PN badanego układu DOC+DPF wynosi 42%

i jest o 3 punkty procentowe większa w przypadku układu nagrzanego. Należy jednak

podkreślić, że biorąc pod uwagę maksymalne wartości skuteczności, różnice są niewiel-kie. Uzyskano je dla punktu pracy 5 oraz 6, gdzie skuteczność działania wynosi odpo-wiednio dla układu zimnego 72% i 73% oraz nagrzanego 69% i 71%. Zmniejszenie jednostkowej emisji dla punktu 4 jest niewielkie, mimo znacznego obciążenia silnika i temperatury spalin. Analizę oparto o ocenę rozkładu wymiarowego średnic w objętości 1 cm³ spalin (rys. 8.6–8.8).

Rys. 8.6. PN w zależności od średnic cząstek stałych bez układu oczyszczania spalin

Rys. 8.7. PN w zależności od średnic cząstek stałych z zimnym układem DOC+DPF

Rys. 8.8. PN w zależności od średnic cząstek stałych z nagrzanym układem DOC+DPF

Wykresy rozkładu wymiarowego średnic cząstek stałych przedstawiają charaktery-stykę działania układów oczyszczania spalin. Ich zastosowanie wiąże się ze zmniejsze-niem emisji cząstek w większości badanego zakresu pomiarowego w stosunku do układu odniesienia. Zmniejszenie jest szczególnie widoczna dla średnic 6,98 nm i 8 nm oraz 29 nm i więcej. Redukcja cząstek o najmniejszych średnicach jest szczególnie

6,04 6,98 8,06 9,31 10,8 12,4 14,3 16,5 19,1 22,1 25,5 29,4 34 39,2 45,3 52,3 60,4 69,8 80,6 93,1 107,5 124,1 143,3 165,5 191,1 220,7 254,8 294,3 339,8 392,4 453,2 523,3

PN [#/cm3]

6,04 6,98 8,06 9,31 10,8 12,4 14,3 16,5 19,1 22,1 25,5 29,4 34 39,2 45,3 52,3 60,4 69,8 80,6 93,1 107,5 124,1 143,3 165,5 191,1 220,7 254,8 294,3 339,8 392,4 453,2 523,3

PN [#/cm3]

6,04 6,98 8,06 9,31 10,8 12,4 14,3 16,5 19,1 22,1 25,5 29,4 34 39,2 45,3 52,3 60,4 69,8 80,6 93,1 107,5 124,1 143,3 165,5 191,1 220,7 254,8 294,3 339,8 392,4 453,2 523,3

PN [#/cm3]

Średnica [nm]

istotna pod względem oddziaływania na życie i zdrowie ludzi. Dla wyników badań filtra nagrzanego (rys. 8.8) na wykresie widoczny jest znaczne zwiększenie liczby cząstek stałych w zakresie średnic 19,1 nm (większa wartość niż wyznaczona dla odniesienia), co wskazuje na akumulację mniejszych cząstek w większe aglomeraty. Nagrzanie filtra przed badaniami prowadzi do wyrównania wartości stężenia liczby cząstek w zakresie średnic 29,4 nm do 93,1 nm. Wyniki świadczą o tym, że cząstki te ulegają częściowemu utlenieniu i zmniejszeniu, zwiększając liczbę cząstek o średnicy 19 nm.

Dla CO (rys. 8.9) zauważyć można zależność skuteczności działania układów od obciążenia silnika. Temperatura spalin podgrzewając reaktor utleniający i filtr zwiększa efektywność utleniania związków toksycznych [40, 63]. Maksymalna skuteczność oczyszczania wyniosła 76%, a najmniejsza 36%. Ogólna skuteczność układów wyniosła 56% dla układu zimnego i 59% dla nagrzanego. Niewielka różnica między cyklami (zimnym i ciepłym) wskazuje na szybkie nagrzewanie się reaktora w czasie przeprowa-dzania badań. Badany układ wykazuje zmniejszenie PM i PN także podczas pracy na biegu jałowym (punkt 7) w obydwu przypadkach, potwierdza to skuteczność działania dobranej warstwy porowatej. Podobne tendencje wystąpiły dla badań jednostkowej emi-sji HC (rys. 8.10).

Rys. 8.9. Względna emisja jednostkowa emisja CO dla zimnego i nagrzanego układu DOC+DPF

Dla HC wpływ układów oczyszczania jest inny niż ma to miejsce w przypadku CO.

Uzyskane wyniki wskazują na korzystny wpływ wcześniejszego nagrzania układu.

W punkcie pracy 2 zmniejszenie emisji jest niemal dziesięciokrotne w stosunku do od-niesienia. W obydwu przypadkach dla punktu pracy 5 wykazano dość niewielką sku-teczność, mimo większego obciążenia silnika niż dla punktu 6. Od punktu pacy 4 róż-nice między układem zimnym, a nagrzanym zaczynają zanikać. Przy utlenianiu HC za-leżność temperaturowa jest zdecydowanie większa niż ma to miejsce w przypadku CO.

Ogólna skuteczność układu DOC+DPF wynosi odpowiednio 29% i 43% zmniejszenia emisji.

Przeprowadzona na hamowni silnikowej analiza emisji zanieczyszczeń przy zasto-sowaniu układów oczyszczania spalin dowiodła skuteczności ich działania oraz korzyst-nego wpływu wcześniejszego nagrzania silnika w cyklu NRSC–PUT. W zakresie czą-stek stałych odnotowano zmniejszenie PM i PN w stopniu większym niż standardowe filtry typu flow-through. Sumaryczne wartości skuteczności badanych układów zesta-wiono w tablicy 8.4.

Rys. 8.10. Względna emisja jednostkowa emisja HC dla zimnego i nagrzanego układu DOC+DPF

Tablica 8.4. Zestawienie zmniejszenia emisji jednostkowej zależności od związku w stosunku do odniesienia

Stan układu/różnica emisji PM PN CO HC

Układ zimny [%] –23 –39 –58 –29

Układ nagrzany [%] –36 –42 –62 –43

Nie porównano wyników emisji jednostkowej uzyskanych w cyklu NRSC–PUT do norm, gdyż różnią się one od cyklu używanego w homologacji, a wynik emisji stanowi średnią ważoną z cyklu statycznego i dynamicznego, którego metodyka jest ściśle okre-ślona i przeprowadzana w inny sposób.