Emisja związków toksycznych jest jednym z głównych czynników wpływających na konstrukcje i rozwój układów napędowych maszyn. W ramach grupy non-road wyko-rzystuje się głównie silniki ZS, przede wszystkim ze względu na zmniejszone zużycie paliwa w stosunku do silników ZI oraz korzystniejszy przebieg momentu obrotowego.
Jak już stwierdzono, problemami tych konstrukcji jest nadmierna emisja cząstek stałych i tlenków azotu. Przepisy dotyczące emisji zanieczyszczeń z silników są stale uaktual-niane, a ze względu na różnorodność maszyn w rozważanej grupie, są także w znaczny sposób dywersyfikowane. Wprowadzane przepisy dotyczą wyłącznie nowych maszyn, co w powolny sposób wpływa na zmniejszenie negatywnego wpływu owych grup na środowisko naturalne. Z tego powodu autor proponuje przeprowadzanie procesu retro-fittingu jako niskokosztowej metody ograniczania emisji cząstek stałych z pojazdów i maszyn będących w eksploatacji. Dysertacja zawiera opis procesu projektowania, wy-tworzenia oraz weryfikacji działania autorskiego filtra cząstek stałych, przeznaczonego do grupy NRMM. Na tej podstawie sformułowano cel główny pracy, którym jest:
Opracowanie i wytworzenie filtra cząstek stałych przeznaczonego do retrofittingu maszyn non-road z oceną skuteczności jego działania.
Do osiągniecia założonego celu zaplanowano przeprowadzenie trzech głównych eta-pów:
1. Opracowanie konstrukcji filtra w środowisku CFD (Computational Fluid Dyna-mics) na podstawie badań w warunkach rzeczywistych pracy maszyn i wytwo-rzenie prototypów.
2. Badania weryfikacyjne obejmujące wpływ zastosowania autorskiego rozwiąza-nia na emisję związków toksycznych na stanowisku hamowrozwiąza-nianym.
3. Ocena oddziaływania filtrów zabudowanych na rzeczywistych pojazdach na emisję związków toksycznych oraz porównanie do rozwiązania producenc-kiego.
Etap pierwszy obejmuje przeprowadzenie badań symulacyjnych nośnika filtra w środowisku komputerowym na podstawie rzeczywistego składu spalin z NRMM.
Struktura projektowanego filtra składa się z pokrytej katalitycznie blachy stalowej. Sto-sowane do tej pory nośniki układów oczyszczania spalin wykonywane w takiej techno-logii cechują się niewielką skutecznością działania. W celu jej maksymalizacji zapro-ponowano utworzenie perforacji kierujących spaliny nie tylko w kierunku wzdłużnym, ale także poprzecznym nośnika. Zwiększa to kontakt ze spalinami i w efekcie zwiększa skuteczność utleniania PM. Dokładniejsze zależności geometryczne sprawdzono w śro-dowisku ANSYS przez symulacje przepływu przez niewielki wycinek nośnika. Symu-lowane spaliny składały się z tlenu, dwutlenku i tlenku węgla, tlenków azotu, cząstek stałych z uszczegółowieniem liczby oraz rozkładu wymiarowego, a także azotu i pary wodnej. Temperatura gazów wylotowych stanowiła średnią z przeprowadzonych badań w warunkach rzeczywistych, w której maszyny użytkowane były praktycznie bez pracy na biegu jałowym. Uzyskane wyniki stanowiły kompromis między skutecznością filtracji a zwiększaniem oporu przepływu. Aspektem branym pod uwagę przy symula-cjach była także maksymalizacja kontaktu spalin z nośnikiem, co powinno przełożyć się na zwiększoną skuteczność utleniania cząstek.
Typoszereg filtrów o strukturze uzyskanej w symulacjach wyprodukowano w przed-siębiorstwie zajmującym się produkcją układów oczyszczania spalin z nośnikami po-wstającymi z naprzemiennie zwijanej cienkościennej blachy stalowej. Otrzymane pro-totypy różniły się wymiarami wlotu i wylotu oraz średnicą i długością nośnika. Umoż-liwiło to zastosowanie ich w układach wylotowych silników o różnych objętościach skokowych oraz sprawdzenie wpływu objętości nośnika na jego skuteczność.
Etap drugi stanowił weryfikację działania nowoopracowanego filtra w aspekcie ograniczenia emisji cząstek stałych (w ujęciu masy PM i liczby PN) w spalinach silnika o objętości skokowej 1,3 dm3 fabrycznie niewyposażonego w DPF. Przy pomocy apa-ratury PEMS zmierzono emisję gazowych składników toksycznych oraz cząstek stałych w aspekcie masy, liczby i rozkładu wymiarowego. Dane z hamowni silnikowej o pręd-kości obrotowej i momencie obrotowym netto na wale silnika pozwoliły na wyznacze-nie jednostkowej emisji zawyznacze-nieczyszczeń. Silnik badano w teście NRSC–PUT, w którym punkty pracy silnika zmodyfikowano tak, by lepiej odwzorować rzeczywistą eksploat-ację NRMM. Wybór testu statycznego podyktowany był znaczną powtarzalnością wa-runków testowych, wymaganą do przeprowadzenia szczegółowych analiz weryfikacyj-nych. Uzupełnienie prac stanowiło ocenę zaproponowanego układu, stosując przed te-stem nagrzanie do temperatury zajścia regeneracji pasywnej. Skuteczność działania fil-tra potwierdzona podczas badań na hamowni miała potwierdzić zasadność przeprowa-dzenia weryfikacji w rzeczywistych NRMM.
Etap trzeci stanowiły badania emisji cząstek stałych i składników toksycznych z NRMM bez i z nowoopracowanym filtrem cząstek stałych. Badane maszyny: rolnicza i budowlana, wybrano jako przedstawiciele najpopularniejszych podgrup NRMM. Po-dobnie jak w teście na hamowni, wykorzystano zmodyfikowany cykl NRSC. Punkty pracy były zadawane przez zwiększanie obciążenia silnika, odpowiednio hamownią mobilną przez wał odbioru mocy oraz dławienie układu hydraulicznego. Metodyka uzy-skania wyników była taka sama jak w drugim etapie. Wykorzystanie dwóch obiektów badawczych pozwoliło na sprawdzenie wpływu zastosowania nowoopracowanej kon-strukcji na emisję z silników charakteryzujących się odmiennymi parametrami znamio-nowymi. Sprawdzono również wpływ objętości nośnika na jego skuteczność działania.
Weryfikacje rozszerzono o porównanie wyników emisji do maszyny spełniającej now-szą normę Stage IIIB i posiadającą fabryczny filtr cząstek stałych.
Temat retrofittingu stanowi główny nurt niniejszej pracy i jest niezmiernie ważny z punktu widzenia ochrony środowiska podczas eksploatacji pojazdów z grupy NRMM.
Na potrzeby pracy doktorskiej zaprojektowano i wykonano filtr służący do retroffitngu maszyn pozadrogowych. Głównym zamierzeniem było ograniczenie emisji jednostko-wej cząstek stałych. Podobnie jak w przypadku maszyn innych klas emisyjnych, liczne badania jednostek naukowych na świecie oraz autora, dowiodły różnic w warunkach pracy silników i związanej z tym emisji związków toksycznych, w stosunku do norm homologacyjnych [1, 14, 34–36, 47, 50, 51, 83, 95]. Z tego powodu praca obejmuje przeprowadzenie testów w urzeczywistnionych punktach pracy silników występujących podczas ich eksploatacji i nie odwołuje się jedynie do cykli badawczych z testów ho-mologacyjnych. Zebrany materiał dotyczący składu spalin umożliwił przeprowadzenie badań symulacyjnych w środowisku komputerowym, w którym przetestowano działa-nie innowacyjnej struktury wewnętrznej nośnika filtra cząstek stałych. Dobrana kon-strukcja posłużyła do budowy prototypów i sprawdzenia skuteczności działania w
wa-runkach laboratoryjnych. Ostatni etap pracy stanowiła weryfikacja stworzonego rozwią-zania w rzeczywistych pojazdach, przy użyciu aparatury do pomiaru związków toksycz-nych spalin. Na podstawie przeprowadzotoksycz-nych badań sformułowano wnioski i zapropo-nowano kierunki dalszych badań. Schemat realizacji rozprawy doktorskiej przedsta-wiono na rysunku 4.1.
Rys. 4.1. Schemat realizacji pracy doktorskiej Wprowadzenie
Wnioski i podsumowanie Obiekty badań
Ciągnik rolniczy
Koparka
Badanie emisji spalin w rzeczywistych warunkach eksploatacji
Cel i zakres pracy
Opracowanie testu statycznego
Opracowanie i wytworzenie filtrów Badania symulacyjne filtra
Badania i analiza na hamowni
Metodyka badań własnych
o Aparatura typu PEMS o Pomiary PM, PN, CO i HC o Pomiar punktów pracy silników
Badania i analiza NRMM Badania porównawcze
Uwarunkowania prawne i metodyka badań homologacyjnych maszyn pozadrogowych
Kierunki dalszych prac