6. Wyniki badań własnych i ich analiza
6.1. Wpływ fazy zimnego rozruchu i nagrzewania silnika na emisję
w temperaturze 0
oC i 20
oC
Oceny wpływu fazy zimnego rozruchu i nagrzewania silnika na emisję zanieczysz-czeń dokonano w warunkach laboratoryjnych, zachowując określoną temperaturę oto-czenia (0 oC i 20 oC). Dla rozruchu zimnego silnika wykorzystano obydwie wartości podanej temperatury, natomiast dla rozruchu gorącego – wyniki badań zaprezentowano tylko dla temperatury otoczenia 0 oC, gdyż stwierdzono bardzo znikomy wpływ tempe-ratury otoczenia na emisję związków szkodliwych dla gorącego silnika.
Pomiarów stężenia gazowych zanieczyszczeń dokonano podczas rozruchu silnika oraz w 6-minutowej fazie bezpośrednio po niej – podczas nagrzewania silnika. Jedno-cześnie mierzono natężenie przepływu spalin, aby w dalszej kolejności wyznaczyć na-tężenie emisji (emisję sekundową zanieczyszczeń). Dane na wykresach dotyczą okresu 360 s i zawierają różne etapy pracy silnika: rozruch, który odbywał sią na benzynie (zimny rozruch temp. 0 oC i 20 oC) oraz na CNG (rozruch gorący).
a) b)
c) d)
Rys. 6.1. Stężenie zanieczyszczeń podczas rozruchu zimnego i gorącego silnika oraz jego na-grzewania w temperaturze otoczenia 0 oC i 20 oC: a) dwutlenku węgla, b) tlenku węgla, c) wę-
glowodorów, d) tlenków azotu
Przebieg zmian stężenia dwutlenku węgla dla zimnego rozruchu w temperaturze 0 oC uwidacznia zwiększone wartości przez okres 150 s, co jest spowodowane wzbogaceniem mieszanki benzynowej podczas zimnego rozruchu silnika (rys. 6.1a). Po około 150 s
sil-0
nik zasilany jest CNG, co zmniejsza stężenie dwutlenku węgla. Sytuacja dla rozruchu zimnego w temperaturze 20 oC ma zmieniony charakter: rozruch odbywa się również na benzynie (jak w poprzednim przypadku), jednakże czas zwiększonej dawki paliwa jest znacznie krótszy, a przełączenie na zasilanie CNG następuje po okresie około 90 s.
Porównując stężenia pozostałych zanieczyszczeń gazowych stwierdzono zbliżony charakter do stężenia dwutlenku węgla. Stężenie tlenku węgla jest największe dla zim-nego rozruchu w temperaturze 0 oC i jest 8-krotnie większe niż podczas zimnego rozru-chu w temperaturze 20 oC (rys. 6.1b). Podczas gorącego rozruchu stężenie tlenku węgla jest pomijalnie małe w stosunku do rozruchu zimnego.
Stężenie węglowodorów wykazuje zbliżony charakter zmian do zmian stężenia tlen-ku węgla, jednakże stosunek wartości maksymalnego stężenia tego składnika dla rozru-chu zimnego w temperaturze 0 oC (1800 ppm) i 20 oC (400 ppm) jest znacznie mniejszy i wynosi około 4,5 (rys. 6.1c).
Wartość stężenia tlenków azotu jest największa dla zimnego rozruchu w temperatu-rze 0 oC, co prawdopodobnie jest związane ze zwiększoną dawką rozruchową silnika (zasilanie benzyną; rys. 6.1d). W pozostałych badaniach podczas rozruchu silnika war-tość stężenia tlenków azotu była minimalna: dla rozruchu zimnego w temperaturze 20 oC wynosiła maksymalnie 10 ppm, a dla gorącego rozruchu nie przekraczała 3 ppm – zwiększała się nieznacznie w trakcie pomiaru (wynikało to głównie z charakteru pracy silnika – chłodzenia reaktora katalitycznego podczas pracy silnika na biegu jałowym).
a) b)
c) d)
Rys. 6.2. Natężenie emisji zanieczyszczeń podczas rozruchu zimnego i gorącego silnika oraz jego nagrzewania w temperaturze otoczenia 0 oC i 20 oC: a) dwutlenku węgla, b) tlenku węgla,
c) węglowodorów, d) tlenków azotu
Rozpatrując natężenie emisji zanieczyszczeń podczas rozruchu i nagrzewania silnika w różnej temperaturze otoczenia (rys. 6.2) należy stwierdzić podobny charakter zmian – zbliżony do zmian stężenia odpowiednich związków szkodliwych. Niewielkie różnice w przebiegach wynikają z wartości prędkości obrotowej wału korbowego silnika (rys.
0
6.3a), która wpływa na wartość natężenia przepływu spalin (rys. 6.3b). Dla rozruchu zimnego w temperaturze otoczenia 0 oC obserwuje się wzrost prędkości obrotowej do wartości 1300 obr/min przez początkowe 80 s od uruchomienia silnika. W pozostałych badaniach (dla rozruchu zimnego w temperaturze 20 oC i rozruchu gorącego wzrost ten jest dużo mniejszy – maksymalnie o 100 obr/min z tendencją malejącą).
a) b)
Rys. 6.3. Zmiany prędkości obrotowej wału korbowego sinika (a) i natężenia przepływu spalin (b) podczas rozruchu zimnego i gorącego silnika oraz jego nagrzewania w temperaturze
oto-czenia 0 oC i 20 oC
Do pełnej analizy procesu rozruchu i nagrzewania silnika i oceny szybkości nagrze-wania silnika wykorzystano również przebieg zmian temperatury cieczy chłodzącej (rys. 6.4a) oraz temperatury spalin (rys. 6.4b). Analiza przebiegu wartości temperatury cieczy chłodzącej podczas rozruchu silnika i jego nagrzewania pozwala na stwierdzenie, że czas potrzebny do osiągnięcia stabilnej temperatury pracy silnika (92 oC – takiej, jak w przypadku silnika w pełni nagrzanego) przekroczył zakładany czas wykonywania próby (10 min). Po okresie 10 minut od uruchomienia zimnego silnika temperatura cie-czy chłodzącej osiągnęła 72 oC i 78 oC, odpowiednio, dla rozruchu w temperaturze oto-czenia 0 oC i 20 oC. Natomiast warte odnotowania jest to, że po czasie 120 s od uru-chomienia silnika, temperatura cieczy chłodzącej wzrosła o 20 oC i 30 oC, odpowiednio, dla zimnego rozruchu w temperaturze otoczenia 0 oC i 20 oC. Przebieg zmian tempera-tury spalin wykazuje zdecydowanie odmienny charakter w zależności od rodzaju rozru-chu silnika. Dla gorącego rozrurozru-chu silnika temperatura cieczy chłodzącej po czasie oko-ło 120 s osiąga wartość ustaloną (mierzoną na końcu układu wylotowego pojazdu),
a) b)
Rys. 6.4. Zmiany temperatury cieczy chłodzącej (a) i spalin (b) podczas rozruchu zimnego
i gorącego silnika oraz jego nagrzewania w temperaturze otoczenia 0 oC i 20 oC
0
a dla zimnego rozruchu w temperaturze otoczenia 20 oC wartość ta jest osiągnięta po czasie 360 s. W skrajnym przypadku zimnego rozruchu silnika w temperaturze 0 oC temperatura spalin nie osiągnęła w czasie 600 s wartości ustalonej (ze względu na iner-cję zimnego układu wylotowego).
Wyznaczając masę związków szkodliwych spalin (przy sumowaniu w czasie pomia-rów natężenia emisji danego składnika spalin) w poszczególnych przedziałach czasu próby (z interwałem 60 s) można porównać tę wielkość dla rozruchu silnika w różnych wartościach temperatury otoczenia (rys. 6.5).
W przypadku dwutlenku węgla masa tego związku podczas rozruchu gorącego pozo-stawała na stałym poziomie i wynosiła około 75 g w każdych 60 sekundach testu (rys.
6.5a). Większe wartości masy dwutlenku węgla uzyskano podczas rozruchu zimnego silnika: dla temperatury 0 oC w pierwszych trzech 60-sekundowych okresach zareje-strowano wartości ponad 150 g, natomiast w kolejnych okresach te wartości zdecydo-wanie były mniejsze. Dla zimnego rozruchu w temperaturze otoczenia 20 oC otrzymano wartości masy dwutlenku węgla z przedziału 100–120 g.
Analiza wartości dotyczących masy tlenku węgla (rys. 6.5b) podczas rozruchu gorą-cego była niemal niezauważalna (gorący układ oczyszczania spalin). Większe wartości masy tlenku węgla uzyskano podczas rozruchu zimnego silnika: dla temperatury 0 oC w pierwszych trzech 60-sekundowych okresach zarejestrowano wartości 8 g, 18 g oraz 8 g, odpowiednio, w pierwszym, drugim i trzecim okresie; w kolejnych okresach po-miarowych wartości były bliskie zeru. Dla zimnego rozruchu w temperaturze otoczenia 20 oC otrzymano znaczące wartości masy tlenku węgla tylko w pierwszym przedziale pomiarowym.
a) b)
c) d)
Rys. 6.5. Masa zanieczyszczeń w okresach 60-sekundowych podczas rozruchu zimnego i gorą-cego silnika oraz jego nagrzewania w temperaturze otoczenia 0 oC i 20 oC: a) dwutlenku węgla,
b) tlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu
0
Zmiana masy węglowodorów (rys. 6.5c) była zbliżona do charakteru zmian masy tlenku węgla. Podczas rozruchu gorącego była niemal niezauważalna (jedynie w póź-niejszym okresie zanotowano niewielki wzrost masy do poziomu około 0,1 g). Większe wartości masy węglowodorów uzyskano podczas rozruchu zimnego silnika: dla tempe-ratury 0 oC w pierwszych trzech 60-sekundowych okresach zarejestrowano wartości około 0,8 g, 1,0 g oraz 0,6 g, odpowiednio, w pierwszym, drugim i trzecim okresie;
w kolejnych okresach pomiarowych wartości były bliskie wartości 0,1 g. Dla zimnego rozruchu w temperaturze otoczenia 20 oC otrzymano znaczącą wartość masy węglowo-dorów tylko w pierwszym przedziale pomiarowym i wynosiła ona około 0,15 g.
W odniesieniu do masy tlenków azotu, stwierdzono jej niewielkie wartości we wszystkich próbach, natomiast należy odnotować duże wartości podczas zimnego roz-ruchu w temperaturze 0 oC, które wynikały z dużej dawki paliwa w początkowym okre-sie uruchomienia silnika (rys. 6.5d).
Kolejne wyniki opracowano dla narastającej wartości emisji zanieczyszczeń, które odniesiono do bieżącej masy zanieczyszczeń uzyskanych podczas gorącego rozruchu silnika (rys. 6.6). Przykładowo dla czasu pomiaru 60 s wartości oznaczają zwiększenie 2,3-krotne dla zimnego rozruchu w stosunku do rozruchu gorącego, natomiast dla czasu pomiaru 120 s oznaczają, że analizowanym okresem był okres 120 s. Wartość dla 360 s oznacza porównanie z całej fazy rozruchu i nagrzewania silnika – są to wartości koń-cowe mogące być przedmiotem końkoń-cowej analizy wykonanych badań.
Porównując wartości względnej zmiany masy poszczególnych związków szkodli-wych odnotowano około 2-krotny średni wzrost masy dwutlenku węgla podczas zimne-go rozruchu silnika w temperaturze otoczenia 0 oC, oraz 1,5-krotny wzrost masy tego
a) b)
c) d)
Rys. 6.6. Względne zmiany masy zanieczyszczeń w okresach 60-sekundowych podczas rozru-chu zimnego i gorącego silnika oraz jego nagrzewania w temperaturze otoczenia 0 oC i 20 oC:
a) dwutlenku węgla, b) tlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu
0,0
związku dla badań przeprowadzonych podczas rozruchu zimnego silnika w temperatu-rze 20 oC (rys. 6.6a). W odniesieniu do masy tlenku węgla, w pierwszych 60. sekundach zimnego rozruchu w temperaturze 0 oC odnotowano kilkusetkrotny jej wzrost w stosun-ku do masy tlenstosun-ku węgla podczas rozruchu gorącego (rys. 6.6b). Podobne zależności wystąpiły podczas porównania masy węglowodorów – z tym, że zwiększenie masy było kilkudziesięciokrotne (rys. 6.6c). Zwiększenie masy tlenków azotu spowodowane było znacznie większą dawką rozruchową w niskiej temperaturze otoczenia (rys. 6.6d).
Porównując wartości końcowe uzyskane w tym etapie badań stwierdzono, że:
a) zimny rozruch w temperaturze 0 oC powoduje (w analizowanym okresie 6 minut w stosunku do gorącego rozruchu):
– zwiększenie masy dwutlenku węgla o 75%, – zwiększenie masy tlenku węgla około 130 razy, – zwiększenie masy węglowodorów około 12 razy, – zwiększenie masy tlenków azotu około 11 razy.
a) zimny rozruch w temperaturze 20 oC powoduje (w analizowanym okresie 6 mi-nut w stosunku do gorącego rozruchu):
– zwiększenie masy dwutlenku węgla o 45%, – zwiększenie masy tlenku węgla około 5 razy, – zwiększenie masy tlenków azotu około 2 razy.