Analiza wyników badań weryfikacyjnych

Uzyskane wyniki badań zestawiono graficznie dla wszystkich przetestowanych fil-trów. Podobnie jak w poprzednim rozdziale, rezultaty przedstawiono jako emisję względną, gdzie emisyjność odniesienia – standardowego układu oczyszczania spalin wynosi 100%. Wyniki rozdzielono na obydwa badane obiekty i przedstawiono graficz-nie we wszystkich punktach pracy NRSC–PUT. Najpierw analizie poddano wyniki z ciągnika 2, rozpoczynając od zanieczyszczeń gazowych. Emisję CO przedstawiono na rysunku 8.14.

Analizując emisję względną CO w większości punktów pracy NRSC–PUT wyka-zano jej zmniejszenie w zakresie 14–50%. W stosunku do standardowego układu, naj-większe różnice dotyczą pracy na biegu jałowym. W tym obszarze działania silnika, emisja CO osiąga małe wartości i nawet niewielkie zmniejszenie wartości emisji daje duże wskaźniki w ujęciu względnym. Wszystkie badane filtry w punkcie pracy 3 uzy-skały około 1,5-krotne zwiększenie emisji względnej CO. Wynika z tego, że ich zasto-sowanie dla znacznych wartości prędkości obrotowej silnika, przy niewielkim obciąże-niu, generuje znaczne opory przepływu gazów i pogorszenie warunków spalania mie-szanki. Sumaryczna skuteczność zmniejszenia stężenia CO wynosi 16% dla filtra 1 oraz 6% dla filtrów 2 i 3. Rozbieżność uzyskanych wyników i największa skuteczność filtra 1, wskazują na znaczną rolę zwiększonej objętości nośnika w aspekcie zmniejszania CO.

Rys. 8.14. Względna emisja jednostkowa CO z ciągnika 2 po zastosowaniu filtrów 1, 2 i 3

Emisja HC ma zbliżone przyczyny powstawania i warunki utleniania jak CO, jednak w badaniach wykazano odmienne tendencje zarejestrowanych wyników (rys. 8.15). We wszystkich punktach pracy silnika, badane filtry uzyskują lepszą skuteczność niż stan-dardowy układ wylotowy. Odwrotnie niż w przypadku wcześniej rozpatrywanego związku toksycznego filtr 1 uzyskuje najmniejszą sprawność działania. W ramach cyklu badawczego zmierzono 24%, a dla rozwiązań 2 i 3 uzyskane wartości to odpowiednio 36% i 35%. Mimo zbliżonej sumarycznej skuteczności dla układów DPF 2 i 3, wyniki w poszczególnych punktach pracy znacznie różniły się od siebie, przy czym dla tego drugiego cechowały się mniejszą zmiennością. Uzyskane wartości nie potwierdzają jed-noznacznie pozytywnego wpływu objętości nośnika na możliwości utleniania HC.

Mimo zastosowania jedynie podłoża utleniającego jako katalizatorów, wpływ na ga-zowe składniki toksyczne jest niejednoznaczny. Sumaryczna skuteczność utleniania CO i HC jest niewielka, zaproponowany filtr przeznaczony do retrofittingu maszyn ma za-danie zmniejszenie emisji cząstek stałych w zakresie masowym i liczbowym. Wpływ układów oczyszczania spalin na emisję masy cząstek stałych w punktach NRSC–PUT zaprezentowano na rysunku 8.16.

Emisja jednostkowa cząstek stałych, we wszystkich badanych punktach pracy zmniejszyła się. Skuteczność waha się od 10% do 66% i jest związana z punktem pracy silnika. Obciążenie silnika spalinowego jest proporcjonalne do skuteczności zmniejsze-nia emisji rozważanego związku toksycznego. Największa wartość uzyskiwana jest w punkcie pracy 1, a najmniejsza w punkcie 7 (bieg jałowy). Wszystkie badane rozwią-zania filtrów charakteryzują się zbliżoną skutecznością działania, co wskazywałoby na brak bezpośredniego wpływu objętości nośnika na jego skuteczność. Wynosi ona śred-nio odpowiedśred-nio 34%, 32% i ponownie 34%. Wynik jest determinowany pracą na biegu jałowym, gdzie występuje największy udział wagowy, a skuteczność jest ograniczona (8–16%). Zmniejszenie emisji cząstek stałych nawet przy niewielkich obciążeniach może być także związana z większą zawartością tlenków azotu (IV) utleniających cząstki stałe w niższej temperaturze gazów wylotowych. Podobnie jak w badaniach la-boratoryjnych, przeanalizowano emisję względną liczby cząstek stałych (rys. 8.17) i rozkład wymiarowy cząstek stałych (rys. 8.18).

Rys. 8.15. Względna emisja jednostkowa HC z ciągnika 2 po zastosowaniu filtrów 1, 2 i 3

Na podstawie analizy wyników przedstawionych na rysunkach 8.17 i 8.18, można stwierdzić, że emisja PN jest zależna od PM. Potwierdza to różnice w gęstości cząstek stałych w zależności od ich średnicy aerodynamicznej. Uzyskane wyniki cechuje ta sama tendencja, co w przypadku PM, jednak maksymalna skuteczność jest większa i wynosi 85% dla pierwszego punktu pracy filtra 1. Minimalna skuteczność w porów-naniu do PM jest nieznacznie mniejsza i dotyczy punktu pracy 7 dla filtra 3 i wynosi 8%. Tylko dla punktu pracy 6 względne zmniejszenie emisji PN jest mniejsze niż dla pomiarów PM. Dowodzi to ograniczenia cząstek o małych średnicach. Sumarycznie liczba cząstek stałych zostaje zmniejszona niemal dwukrotnie dla wszystkich badanych filtrów, podobnie brak jest widocznego wpływu zwiększonej objętości filtra 1.

Rys. 8.16. Względna emisja jednostkowa PM z ciągnika 2 po zastosowaniu filtrów 1, 2 i 3

Rys. 8.17. Względna emisja jednostkowa PN z ciągnika 2 po zastosowaniu filtrów 1, 2 i 3

Rys. 8.18. PN w zależności od średnicy cząstek stałych z układu wylotowego ciągnika 2 z DOC 0

2000 4000 6000 8000 10000

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]

Wyniki rozkładu wymiarowego średnic cząstek stałych badano dla nieoczyszczo-nych spalin (rys. 8.18) oraz po zastosowaniu filtrów w układzie wylotowym (rys. 8.19–

8.22). Graficzne przedstawienie średnic cząstek stałych stanowi sumaryczny wynik z całego przeprowadzanego cyklu NRSC–PUT dla danego układu wylotowego. Ze względu na znaczną liczbę pomiarów i konieczność zachowania czytelności wyników, nie zamieszczono wyników dla poszczególnych punktów.

Rozkład wymiarowy cząstek zawartych w spalinach przy zastosowaniu DOC produ-centa cechuje się rozkładem zbliżonym do normalnego, posiadającym lokalne dodat-kowe maksimum w zakresie niewielkich średnic (6–9 nm). Na przebieg otrzymanego rozkładu wpływ miały głównie procesy agregacji i akumulacji cząstek opisanych w roz-dziale poświęconym związkom toksycznym. Cząstki o małych średnicach są trudne do wyeliminowania w rozwiązaniach filtrów bez przepływu przez ścianę porowatą. Dla badanych konstrukcji układów oczyszczania spalin, skuteczność zwiększono przez zwiększenie kontaktu cząstek z nagrzanymi ścianami nośnika (rys. 8.19–8.21). Na roz-kładzie wymiarowym widoczna jest także duża zawartość cząstek o średnicach 19 nm.

Przesunięcie w zakres średnic 19,1 nm może mieć związek z układem wtryskowym common rail starszej generacji. W czasie badań, zgodnie z informacjami z sieci CAN pompa paliwowa generowała maksymalne ciśnienie około 95 MPa, co jest wartością mniejszą niż rozwiązania obecne w nowoczesnych silnikach.

Rozkłady wymiarowe średnic cząstek stałych uzyskane dla filtrów 1, 2 i 3 są zbliżone do siebie. Niewielkie różnice dotyczą zakresu średnic do 34 nm, a dokładniej wartości 25,5 nm i 29,4 nm. Uzyskane wyniki wskazują na niewielki wpływ objętości, gdyż naj-większą skuteczność wykazano dla filtra 1, który miał najnaj-większą objętość.

Po zastosowaniu filtrów ponownie przebieg wyników jest zbliżony do rozkładu nor-malnego. Istotny brak jest cząstek o najmniejszych wymiarach, co potwierdza zasad-ność stosowania filtrów jako rozwiązania proekologicznego w silnikach NRMM.

Podsumowując, największą skutecznością działania wykazał się filtr 1, który cecho-wał się zdecydowanie największymi wymiarami i masą. Objętość filtra przy tej samej strukturze wewnętrznej nie wpływała jednak w istotny sposób na emisję względną ba-danych związków, a może powodować problemy w bezpiecznym dla użytkownika mo-cowaniu na pojeździe. Autor uznaje za bezzasadne montaż filtra o największej objętości nośnika.

Rys. 8.19. PN w zależności od średnicy cząstek stałych z układu wylotowego ciągnika 2 z DOC i DPF 1

Rys. 8.20. PN w zależności od średnicy cząstek stałych z układu wylotowego ciągnika 2 z DOC i DPF 2

Rys. 8.21. PN w zależności od średnicy cząstek stałych z układu wylotowego ciągnika 2 z DOC i DPF 3

Badanie emisji spalin w cyklu NRSC–PUT wykonano również dla koparki 2. Zasady przeprowadzania pomiarów były zbliżone a liczba i rodzaj analizowanych parametrów były takie same, jak w przypadku ciągnika rolniczego 2. Mniejsza moc maksymalna silnika oraz geometria jego układu wylotowego spowodowały, że w jej przypadku za-stosowano wyłącznie filtry 1 i 2. Analizę ponownie rozpoczęto od emisji związków ga-zowych, a za poziom odniesienia emisji uznano wartość 100% będący jednostkową emi-sją związków przy standardowym układzie oczyszczania spalin w postaci fabrycznego DPF. Wyniki emisji względnej CO przedstawiono na rysunku 8.22.

Podobnie jak dla ciągnika, wpływ na utlenianie CO jest niewielki i w przypadku filtra 2 w stosunku do emisji odniesienia, wynik w dwóch punktach pracy (3 i 4) zwiększony minimalnie (1–2%). Maksymalna uzyskana skuteczność to 25% i występuje ona dla filtra 2 przy pracy bez obciążenia. Obydwa rozwiązania prezentują zbliżoną tendencję, a średni wynik wynosi odpowiednio 12 i 10% zmniejszania emisji jednostkowej CO.

Przebieg wartości w poszczególnych punktach jest odmienny niż w przypadku pomia-rów ciągnika 2, gdzie maksymalne utlenianie CO odnotowano dla punktu pracy 3 cyklu NRSC–PUT. Wskazuje to na różnice w charakterystyce pracy układu napędowego

i emisji związków toksycznych, mimo spełnienia tej samej normy homologacyjnej i zbliżonych danych technicznych.

Rys. 8.22. Względna emisja jednostkowa CO z koparki 2 po zastosowaniu filtrów 1 i 2

We wszystkich badanych obszarach zmienności parametrów pracy silnika nastąpiło zmniejszenie emisji względnej HC (rys. 8.23). W punktach pracy 1–4 testu NRSC–PUT skuteczność zmniejszenia jednostkowej emisji wynosi od 39% do 28%. W punkcie pracy 5 filtry pracują z najmniejszą sprawnością, która zwiększa się w punkcie 6, mimo zmniejszania obciążenia silnika i temperatury spalin. Najlepszy wynik uzyskano dla biegu jałowego, gdzie skuteczność działania wynosi blisko 50% w obydwu przypad-kach. Średnia sprawność działania w cyklach badawczych wynosi odpowiednio 29%

i 32%. Tendencja panująca w wynikach jest taka sama jak dla ciągnika 2, jednak wyka-zują one mniejszą rozbieżność od uzyskanej średniej z testu.

Rys. 8.23. Względna emisja jednostkowa HC z koparki 2 po zastosowaniu filtrów 1 i 2

Zastosowane filtry wpłynęły korzystnie na ograniczenie emisji PM w teście NRSC–

PUT (rys. 8.24). Na przedstawionych charakterystykach widoczna jest zależność spraw-ności działania od punktu pracy i występowanie tych samych tendencji w obydwu roz-ważanych cyklach badań. Skuteczność zmniejszenia emisji jednostkowej w punktach

testu wynosi od 19% do 68%. Wartości maksymalne uzyskiwane są dla punktów pracy z największym obciążeniem (1 i 4). Najmniejsza wartość zmniejszenia emisji jednost-kowej w filtrze 1 występuje dla biegu jałowego, natomiast dla filtra 2 w punkcie 3, jednak wyniki dla punktów pracy 3, 6 i 7 są zbliżone. Średnia zmniejszenie PM po za-stosowaniu filtrów wynosi 40% i 41%. Pozwala to ponownie wnioskować o braku wpływu objętości nośnika na skuteczność ich działania, choć różnica emisji w poszcze-gólnych punktach pracy sięga nawet 8 punktów procentowych na korzyść większego rozwiązania. Ponownie, uzyskane tendencje są zbliżone dla wyników emisji względnej ciągnika 2, jednak sumaryczna sprawność działania okazuje się większa w przypadku koparki 2.

Rys. 8.24. Względna emisja jednostkowa PM z koparki 2 po zastosowaniu filtrów 1 i 2

Oceniając wpływ filtrów na emisję PN, tak jak miało to miejsce dla wcześniej anali-zowanych związków toksycznych, dla wszystkich punktów odnotowano znaczne zmniejszenie uzyskanych wartości emisji jednostkowej (rys. 8.25). Zawiera się ono w zakresie 35–89%. Nie występuje tu jednak, aż tak widoczny wpływ obciążenia silnika na sprawność działania, jak w analizie wykonanej dla PM. Tendencje uzyskanych wy-ników różnią się w porównaniu do analiz wykonanych dla ciągnika 2, jednak w koparce 2 prototypowe DPF skuteczniej oczyszczały spaliny z PN. Średnia różnica waha się od 10 do 12 punktów procentowych. Sumarycznie jednostkowe zmniejszenie emisji jed-nostkowej PN po zastosowaniu filtrów wyniosło odpowiednio 58% i 61%, z czego wy-nik większy uzyskano dla mniejszego nośwy-nika.

Rozkład wymiarowy średnic cząstek stałych bez filtra w układzie wylotowym różni się od wyników uzyskanych dla ciągnika (rys. 8.26). Niewiele jest cząstek o najmniej-szych średnicach, natomiast w zakresie cząstek o średnicach kilkudziesięciu nm zauwa-żyć można wpływ procesu nukleacji. Charakter krzywej jest zbliżony do rozkładu nor-malnego. Zastosowanie filtrów znacznie wpływa na charakter uzyskiwanych wartości, a sumaryczny wynik jest mniejszy niż w przypadku odniesienia (rys. 8.27–8.28). Liczba cząstek o średnicach większych niż 39,2 nm zostaje istotnie zmniejszona. Przez to mak-simum wykresu przemieszcza się w stronę mniejszych średnic. Taka tendencja wska-zuje na silne utlenianie cząstek o większych średnicach (powyżej 39,2 nm). Liczba czą-stek dla średnic o wartości do 10 nm zostaje także wyraźnie zmniejszona po zastosowa-niu obydwu filtrów. Tak jak dla poprzedniego obiektu badawczego, ponownie brak jest widocznego wpływu objętości nośnika na rozkład wymiarowy.

Rys. 8.25. Względna emisja jednostkowa PN z koparki 2 po zastosowaniu filtrów 1 i 2

Rys. 8.26. PN w zależności od średnicy cząstek z układu bez filtra

Rys. 8.27. PN w zależności od średnicy cząstek z układu z DPF 1

Ze względu na różnice w punktach pracy zastosowanego cyklu NRSC–PUT oraz pa-rametrach znamionowych silników badanych pojazdów, uzyskane wyniki nie mogą być bezpośrednio porównywane ze sobą. Sumaryczna skuteczność działania filtrów dla róż-nych związków toksyczróż-nych zestawiono na rysunku 8.29.

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000

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]

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000

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]

Rys. 8.28. PN w zależności od średnicy cząstek z układu z DPF 2

Rys. 8.29. Uśredniona emisja jednostkowa względna związków toskycznych dla ciągnika rol-niczego 2 i koparki 2

Średnia skuteczność filtrów w obydwu cyklach badawczych jest zbliżona, Wpływ na CO jest stosunkowo niewielki (4% i 11%), a na HC większy (około 30%). W najważ-niejszym aspekcie, czyli ograniczania cząstek stałych, filtry przyczyniają się do około 38% zmniejszenia PM oraz około 52% dla PN. Ponownie, uzyskana w cyklu NRSC–

PUT skuteczność jest większa od wyników uzyskiwanych dla standardowych układów oczyszczania spalin z nośnikami metalowymi. Pozwala to wnioskować o skuteczności zaimplementowanej geometrii nośnika i możliwości zmniejszenia emisji PM i PN z ma-szyn NRMM będących w użytku bez konieczności wymiany mama-szyn na nowsze jednostki.

8.3. Analiza emisji PM i PN w odniesieniu do maszyny spełniającej normę