Analiza parametrów szybkozmiennych i ekologicznych doładowanego silnika o zapłonie iskrowym w warunkach statycznych i podczas rzeczywistej eksploatacji

W

M

R

T

Praca doktorska

mgr inż. Piotr MOLIK

Analiza parametrów szybkozmiennych i ekologicznych doładowanego silnika

o zapłonie iskrowym w warunkach statycznych i podczas rzeczywistej eksploatacji

Promotor:

dr hab. inż. Paweł Fuć, prof. PP

Poznań 2017

Streszczenie ... 4

Wykaz skrótów i oznaczeń ... 5

1. Wstęp ... 8

1.1. Wprowadzenie ... 8

1.2. Cel i zakres pracy ... 11

2. Analiza możliwości zmniejszenia zanieczyszczeń z pojazdów w świetle nowych limitów emisji spalin ... 14

2.1. Analiza przepisów dotyczących emisji zanieczyszczeń pojazdów osobowych ... 14

2.2. Uwarunkowania emisyjnych badań drogowych... 18

2.3. Analiza rozwiązań konstrukcyjnych silników ZI DI w aspekcie poprawy parametrów ekologicznych ... 19

3. Analiza parametrów szybkozmiennych procesu spalania nowoczesnych silników ZI ... 27

3.1. Podstawy procesów spalania w silniku ZI ... 27

3.2. Badania indykatorowe w warunkach statycznych i dynamicznych silników ZI ... 32

3.3. Wykorzystanie analizy wykresu indykatorowego silnika ... 36

4. Metodyka badań ... 40

4.1. Wykorzystane obiekty badawcze ... 40

4.2. Aparatura badawcza ... 41

4.2.1. Systemy pomiarowe emisji spalin ... 41

4.2.2. Systemy pomiarowe temperatury i ciśnienia ... 47

4.2.3. Systemy pomiarowe procesów szybkozmiennych ... 47

4.3. Silnikowe stanowisko hamulcowe ... 50

4.4. Metodyka oceny zakresów pracy silnika... 51

5. Wyniki badań własnych i ich analiza ... 56

5.1. Badania emisji spalin w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego ... 56

5.1.1. Założenia wstępne do wykonywania badań drogowych ... 56

5.1.2. Analiza poprawności wykonania badań drogowych ... 59

5.1.3. Analiza parametrów ekologicznych silnika ZI DI ... 66

5.1.4. Analiza parametrów termodynamicznych silnika ZI DI ... 71

5.1.5. Wybór punktów pracy silnika na podstawie badań drogowych ... 79

5.2. Wybór parametrów filtra cząstek stałych silnika ZI DI przeznaczonego do dalszych badań ... 85

5.2.1. Wiadomości wstępne ... 85

5.2.2. Wybór konfiguracji filtra cząstek stałych ... 86

5.2.3. Wybór parametrów filtra cząstek stałych ... 87

5.3. Badania weryfikacyjne zmodyfikowanego zespołu silnik spalinowy–układ

wylotowy ... 89

5.3.1. Wstępne założenia do badań... 89

5.3.2. Analiza termodynamiczna wprowadzonych zmian ... 91

5.3.3. Analiza ekologiczna wprowadzonych zmian ... 100

5.4. Ocena środowiskowa proponowanej modyfikacji układu oczyszczania spalin ... 108

6. Podsumowanie i wnioski ... 118

6.1. Podsumowanie... 118

6.2. Wnioski ... 119

6.3. Kierunki dalszych prac ... 120

Literatura ... 121

Abstract ... 128

Głównym celem rozprawy doktorskiej jest analiza parametrów szybkozmiennych dołado- wanego silnika o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtryskiem paliwa i jego parametrów ekologicznych w badaniach statycznych i dynamicznych podczas rzeczywistej eksploatacji.

W dysertacji zawarto metodykę rozwiązania zagadnienia zmniejszenia wybranych zanie- czyszczeń z pojazdów zasilanych silnikami benzynowymi z bezpośrednim wtryskiem paliwa, dla których przewidywane są znaczne restrykcje w kolejnych wzorcach emisji spalin.

W pierwszej fazie analizy uwzględniono badania drogowe w rzeczywistych warunkach ru- chu według przyszłych procedur obwiązujących w Unii Europejskiej dla pojazdów osobo- wych. Wynikiem badań drogowych w rzeczywistych warunkach ruchu była ocena ekologicz- na pojazdu z silnikiem benzynowym z bezpośrednim wtryskiem paliwa. Z badań jednoznacz- nie wynika, że spełnione są dopuszczalne limity emisji gazowych składników spalin, nato- miast odnotowano znaczne przekroczenie dopuszczalnej emisji odnośnie liczby cząstek sta- łych.

W związku z tym kolejnym elementem pracy była próba poprawy właściwości ekologicz- nych obiektu badawczego, poprzez wykonanie badań stanowiskowych na hamowni silniko- wej w wybranych punktach pracy silnika, które określono na podstawie przeprowadzonych badań drogowych. Wybór punktów pracy silnika był ściśle powiązany z najczęściej występu- jącymi warunkami pracy silnika spalinowego podczas testów drogowych – zidentyfikowano siedem zakresów pracy silnika, które wykorzystano w dalszych pracach. Badania wykonane na stanowisku hamownianym były prowadzone na silniku benzynowym z bezpośrednim wtryskiem paliwa o tożsamych parametrach operacyjnych.

Przeprowadzona analiza parametrów szybkozmiennych procesu spalania oraz analiza do- datkowych parametrów termodynamicznych pozwoliła na wybór konfiguracji filtra cząstek stałych i jego parametrów technicznych. Zmodyfikowany system składający się z silnika spa- linowego i układu wylotowego z autorskim systemem oczyszczania spalin powinien wystar- czyć do spełnienia wymagań ekologicznych w postaci zmniejszenia emisji liczby cząstek sta- łych. Analizę emisji cząstek stałych dla układu bez filtra i z filtrem zamontowanego w ukła- dzie wylotowym silnika przeprowadzono dla masy, liczby i rozkładu wymiarowego cząstek stałych. Wynikiem tego była ocena skuteczności filtracji dla całego spektrum średnic cząstek stałych w zidentyfikowanych zakresach pracy silnika. W efekcie stwierdzono, że filtr cząstek stałych zastosowany w układzie wylotowym silnika znacznie skuteczniej zmniejsza masę cząstek stałych niż ich liczbę, z powodu większej skuteczności filtracji cząstek większych.

Podsumowaniem prac związanych z analizą parametrów ekologicznych silnika o zapłonie

iskrowym z bezpośrednim wtryskiem paliwa była symulacja badań drogowych pojazdu z za-

proponowanym zmodyfikowanym układem wylotowym pojazdu wyposażonym w filtr czą-

stek stałych. Dla takiej konfiguracji wykonana analiza emisji liczby cząstek stałych w spara-

metryzowanych obszarach pracy silnika wykazała, że spełnienie limitów odnośnie emisji

liczby cząstek stałych jest możliwe, a uzyskane wyniki emisji drogowej są w pełni akcepto-

walne w aspekcie uzyskanych wartości bezwzględnych.

AC alternating current – prąd zmienny

ANR all new registrations  wszystkie nowe rejestracje

C węgiel

CARB California Air Resources Board – Kalifornijska Rada ds. Zasobów Powietrza CAFE Clean Air For Europe – program czyste powietrze dla Europy

CAN control area network – sieć informatyczna w pojazdach

CCRT catalyst continuous regeneration trap – system z filtrem cząstek stałych pokrytym katalitycznie z regeneracją ciągłą

CF conformity factor – wskaźnik pogorszenie emisji spalin (dotyczy pomiarów emisji spalin w testach w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego)

CoV coefficient of variation – współczynnik zmienności CO tlenek węgla

CO

dwutlenek węgla

CPC condensation particle counter – licznik cząstek stałych

cpsi cells per square inch – ilość cel w nośniku katalitycznym na cal kwadratowy D średnica cząstki stałej

DC direct current – prąd stały

DI direct injection – wtrysk bezpośredni

DISI direct injection spark ignition – silnik benzynowy z wtryskiem bezpośrednim DOHC double overhead camshaft – podwójny wałek rozrządu w głowicy

EC European Community – Wspólnota Europejska

ECE Economic Commission for Europe – Europejska Komisja Gospodarcza (agenda ONZ)

EDS

EEC European Economic Community – Europejska Wspólnota Gospodarcza

EEPS exhaust engine particulate sizer – analizator do pomiaru rozkładu wymiarowego cząstek stałych

EEV enhanced environmentally friendly vehicle – pojazd przyjazny środowisku (euro- pejska kategoria pojazdów o bardzo małej emisji związków toksycznych)

EFM exhaust flow meter – przepływomierz spalin

EOBD European on board diagnostics – pokładowy system diagnozowania, wersja euro- pejska

EOC end of combustion – koniec spalania

EPA Environment Protection Agency – Urząd Ochrony Środowiska w USA EUDC extra urban drive cycle – pozamiejski europejski test jezdny

Euro europejskie przepisy toksyczności spalin

FID flame ionization detector – analizator płomieniowo-jonizacyjny FR first registration – noworejestrowane pojazdy

FTP federal test procedure – federalny test jezdny USA GMP górny martwy punkt

GPF gasoline particulate filter – filtr cząstek stałych do silników o zapłonie iskrowym

HC węglowodory

IOF insoluble organic fraction – część nierozpuszczalna LDV light duty vehicle – lekki pojazd samochodowy

LEV low emission vehicle – pojazd o małej emisji spalin (USA) LPG liquid petroleum gas – ciekły gaz propan-butan

M

moment obrotowy silnika

MBF50 mass burnt fuel – wypalenie 50% dawki paliwa

MPI multi point injection – wielopunktowy wtrysk benzyny n prędkość obrotowa wału korbowego silnika

NIDR non-dispersive infrared – niedyspersyjny z wykorzystaniem promieniowania pod- czerwonego

NDUV non-dispersive ultraviolet – niedyspersyjny z wykorzystaniem promieniowania ultrafioletowego

N

moc silnika

NEDC new european driving cycle – nowy europejski cykl jezdny – zmodyfikowany ECE R83 (tzw. Eurotest) z natychmiastowym poborem gazów wylotowych

NG natural gas – gaz ziemny NH

amoniak

NMHC non methane hydrocarbons – węglowodory bez udziału metanu NMOG non methane organic gases – niespalone paliwo bez metanu NO tlenek azotu

NO

dwutlenek azotu NO

tlenki azotu

NTA new type approvals  zatwierdzenie nowego typu

OBD on board diagnostics – pokładowy system diagnozowania

OBDII on board (self) diagnostics standards for PC, LDV and MDV – pokładowy system diagnozowania dla pojazdów PC, LDV i MDV

p ciśnienie

PAH polycyclic aromatic hydrocarbons – wielopierścieniowe węglowodory aroma- tyczne

PC passenger car  samochód osobowy

PEMS portable emission measurement system – mobilne systemy pomiaru emisji zanie- czyszczeń przeznaczona do badań w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego PFT partial filter technology – filtr cząstek stałych z częściowym filtrowaniem

PM particulate matter – cząstka stała (określenie ogólne) PM particle mass – masa cząstki stałej

PMR power to mass ratio – wskaźnik mocy silnika do masy pojazdu PN particle number – liczba cząstek stałych

ppm parts per million – ilość części na milion R stała gazowa

RDE real driving emission – testy emisji spalin w rzeczywistych warunkach ruchu SPI single point injection – jednopunktowy wtrysk benzyny

SOC start of combustion – początek spalania

SULEV super ultra low emission vehicle – pojazd o bardzo małej emisji spalin (USA)

t czas

TA type approval – zatwierdzenie typu (homologacyjne)

TFSI turbo fuel stratified injection – turbodoładowany silnik ZI z bezpośrednim wtry- skiem benzyny koncernu Volkswagen

THC total hydrocarbons – całkowita (sumaryczna) emisja HC TWC three way catalyst – reaktor katalityczny potrójnego działania

u udział

UDC urban driving cycle – miejski europejski cykl jezdny UE Unia Europejska

ULEV ultra low emission vehicle – pojazd o bardzo małej emisji

V objętość

WHO World Health Organization – Międzynarodowa Organizacja Zdrowia

WLTC worldwide light duty test cycle – nowy europejski test jezdny zgodny z normą Euro 6c (obowiązujący od 2017 r.)

WLTP worldwide harmonized light vehicles test procedures – światowe ujednolicone procedury badawcze dla pojazdów lekkich

Z obciążenie procentowe silnika ZI silnik o zapłonie iskrowym

ZI DI silnik o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtryskiem paliwa ZS silnik o zapłonie samoczynnym

 kąt obrotu wału korbowego

p różnica ciśnienia (przed za filtrem cząstek stałych GPF)

 współczynnik nadmiaru powietrza

1.1. Wprowadzenie

Negatywny wpływ pojazdów spalinowych na jakość powietrza pozostaje nadal znaczący, pomimo wprowadzanych przez dziesięciolecia różnych rozwiązań w przemyśle motoryzacyj- nym. Priorytetem w polityce pro-środowiskowej jest uporanie się z zagadnieniem dotyczącym nadmiernej emisji gazów cieplarnianych z pojazdów spalinowych przeznaczonych do użytku drogowego. Uszczuplanie zasobów energii nieodnawialnej wpływa na rozwój przemysłu mo- toryzacyjnego. W ujęciu długoterminowym zapewnienie stałych dostaw ropy naftowej oraz kwestie zużycia energii stały się bardzo ważnym aspektem rozwoju motoryzacji. Nieustanie zwiększająca się liczba eksploatowanych pojazdów spalinowych na drogach publicznych po- tęguje obawy dotyczące nadmiernej emisji gazowych zanieczyszczeń, cząstek stałych oraz nanocząstek do atmosfery. Według Międzynarodowej Organizacji Zdrowia WHO [99] głów- nym zagrożeniem zdrowia ludzkiego przez silnikowe źródła transportu są nanocząstki przy- czyniające się do chorób nowotworowych. Aby temu zapobiegać, ustanawiane są różne akty prawne wprowadzające coraz bardziej rygorystyczne limity emisji zanieczyszczeń, a także systemy różnych kar lub zachęt i dopłat dotyczących zużycia paliwa i rodzaju zastosowanego paliwa. Obecnie przyjmuje się, że emisja zanieczyszczeń podczas rzeczywistego użytkowania pojazdu jest słabo odwzorowana w laboratoriach, w związku z tym zmieniają się metody ba- dawcze oraz wprowadzane są pomiary w warunkach drogowych [24, 60, 63]. Emisja w rze- czywistych warunkach zyska na znaczeniu w chwili, gdy pomiary takie staną się wymogiem prawnym.

Roczna emisja dwutlenku węgla wzrosła od 1960 (9 Gt) do 2015 roku (36 Gt) około 4-krotnie85% (rys. 1.1) [54]. W roku 2016 w Polsce udział emisji dwutlenku węgla wynosił 81% [52], przez co może być postrzegany, jako najważniejszy antropogeniczny gaz cieplar- niany. Sektor transportu przyczynia się do wzrostu emisji dwutlenku węgla, przez co ograni- czenie emisji i zmniejszenie użycia paliwa jest kluczową kwestią dla przemysłu samochodo- wego.

Rys. 1.1. Roczna emisja dwutlenku węgla ze spalania paliw i wylesiania w latach 1960–2015 [54]

Od roku 1990 emisja dwutlenku węgla z transportu wzrosła o około 29%, przy czym po- jazdy samochodowe są odpowiedzialne za 12% całkowitej emisji w Unii Europejskiej.

W ramach „Pakietu 2030” UE ustanowiła 30% cel redukcji emisji w stosunku do roku 2005, dla sektorów poza systemem handlu emisjami. Ogólne warunki ustanowione przez Unię Eu- ropejską dążyć będą do dalszych ograniczeń. Planuje się, że emisja zostanie obniżona do 95 g/km w 2020 roku oraz do 68–78 g/km w 2025 roku [21], podobne tendencje będą obowią- zywały również w Stanach Zjednoczonych i Japonii.

Rys. 1.2. Zmniejszenie emisji dwutlenku węgla w różnych regionach świata [90]

Pojazdy benzynowe mają duży potencjał, pozwalający na redukcję zużycia paliwa, a tym samym emisji dwutlenku węgla. Trendy, takie jak hybrydyzacja, bezpośredni wtrysk benzyny (ZI DI), są w centrum uwagi i częściowo zostały wprowadzone do obecnych pojazdów (rys.

1.3).

Rys. 1.3. Tendencje rozwoju napędów w pojazdach samochodowych w latach 2010–2025 [18]

Turbodoładowany silnik ZI DI może być skutecznie wykorzystywany zgodnie z ideą downsizingu, zachowując tę samą wydajność pracy jednostki, przy znacznym zmniejszeniu zużycia paliwa. Jednakże, jako wadę silnika GDI można uznać kwestię emisji cząstek stałych w rozmiarze nanometrycznym [1, 12, 19, 40], której właściwy wymiar można stwierdzić

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

2010 2015 2020 2025

Udział pojazdów LDVna świecie [%]

Lata

Benzynowe MPI Benzynowe DI

Diesel

Paliwa alternatywne Mild & Full Hybrid Ogniwa paliwowe & elektryczne

głównie podczas eksploatacji. Wiążę się to głównie z bardzo dużą wartością ciśnienia wtrysku paliwa (osiągane są wartości do około 400 bar) i znacznym rozdrobnieniem paliwa. Firma Delphi już od roku 2015 oferowała urządzenia o ciśnieniu wtrysku paliwa rzędu 250 bar (rys.

1.4).

Rys. 1.4. Zmiany ciśnienia wtrysku paliwa dla silników ZI DI na przestrzeni lat [83]

Konieczność określania rzeczywistej emisji zanieczyszczeń z pojazdów (RDE – real driving emissions) została wprowadzona w wyniku starań o zmniejszenie rozbieżności mię- dzy wynikami badań laboratoryjnych a wynikami badań w ruchu rzeczywistym. Znaczna liczba badań naukowych świadczy o tym, że procedury badań laboratoryjnych, w szczególno- ści tzw. homologacji typu, nie stanowią najlepszego rozwiązania w zakresie badań emisji (w tym zużycia paliwa). Dają one znacznie zaniżone wartości w porównaniu do rezultatów osiąganych podczas rzeczywistej eksploatacji pojazdów (rys. 1.5) [23, 25, 50, 55].

Rys. 1.5. Wprowadzenie nowych przepisów i skutki dla pomiarów zużycia paliwa (emisji dwutlenku węgla) i testów drogowych [89]

Mobilne urządzenia do pomiarów emisji w warunkach rzeczywistych są już powszechnie dostępne i wkrótce będzie to wymóg prawny w UE. Jednakże wciąż pozostaje problem po- wiązania emisji rzeczywistej, a tą określaną w warunkach laboratoryjnych. Dodatkowo, po- mimo ostatnich zmian w ustawodawstwie, wiele elementów prawnych i technicznych doty- czących RDE pozostaje jeszcze nieuregulowanych [29, 34, 96].

Powyższe czynniki ukierunkowują badania i działania rozwojowe na pracę nad nowymi pojazdami o niskiej emisji, stosowanie paliw alternatywnych, wprowadzanie nowych, bar- dziej ekologicznych typów silników, a także modyfikacja pozasilnikowych układów oczysz- czania gazów wylotowych. Z powyższej analizy wynika, że jeszcze nigdy testy emisji, w któ- rych wykonywany jest pomiar wagowy i zliczanie cząstek stałych, pomiar ilości wytworzo- nego dwutlenku węgla, zużycia paliwa, a także badań sprawności podzespołów ograniczają- cych emisję, nie były tak istotne z punktu widzenia przemysłu i nauki.

Występujący w ostatnich latach rozwój przepisów dotyczących emisji szkodliwych skład- ników spalin zmusza producentów samochodów do dalszego usprawniania konstrukcji ukła- dów obniżania emisji. Z drugiej strony, ponieważ stężenie poszczególnych składników szko- dliwych w gazach spalinowych w nowoczesnych silnikach jest coraz mniejsze, niezbędny jest rozwój metod pomiaru tej emisji. W czasie pomiarów emisji z nowoczesnych silników zdarza się, że stężenie poszczególnych mierzonych składników spalin (rozcieńczonych powietrzem) jest podobne do stężenia tych składników w powietrzu z otoczenia, które było użyte do roz- cieńczenia spalin (lub takie samo) [32].

Emisja związków szkodliwych z silników samochodowych jest w sposób ciągły zmniej- szana przez wprowadzanie coraz lepszych rozwiązań konstrukcyjnych silników oraz układów wylotowych. Głównym powodem tych działań jest rozwój przepisów dotyczących dopusz- czalnej emisji z silników i samochodów, szczególnie w USA i Unii Europejskiej. Wprowa- dzenie od roku 2017 w Europie nowych limitów dotyczących emisji związków szkodliwych zawartych w spalinach – Euro 6c (oraz nowych metod badawczych) [14–17] spowoduje ko- nieczność opracowania nowej generacji silników i znaczny rozwój konstrukcji układów zmniejszających emisję szkodliwych składników spalin w każdych warunkach pracy silnika.

Coraz większą uwagę zwraca się również na dostosowanie proponowanych metod badaw- czych do wymagań związanych z rzeczywistymi warunkami eksploatacji silników i samocho- dów [33].

1.2. Cel i zakres pracy

Głównym celem rozprawy doktorskiej jest analiza parametrów ekologicznych doładowa-

nego silnika o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtryskiem paliwa. Przeprowadzone stu-

dium literatury oraz doświadczenia własne autora pozwoliły na stwierdzenie, że spełnienie

wymagań ekologicznych normy Euro 6c przez pojazdy zasilane silnikami ZI DI nie będzie

wymagało zmian odnośnie weryfikacji dopuszczalnych wartości emisji związków gazowych ,

natomiast konieczna będzie modyfikacja pod kątem spełnienia wymogów emisji liczby czą-

stek stałych, co będzie skutkowało zastosowania w ich układach wylotowych filtrów cząstek

stałych (GPF – gasoline particulate filter), podobnych do stosowanych już w silnikach ZS.

W związku z tym cel naukowy pracy określono następująco:

Określenie metodologii analizy parametrów ekologicznych i termodynamicznych zarejestrowanych w warunkach rzeczywistej eksploatacji pojazdu pod kątem mo- dyfikacji układu oczyszczania spalin silnika ZI DI do wymagań kolejnych norm ekologicznych.

Realizacja tak sformułowanego celu naukowego będzie wymagała określenia stanu ekolo- gicznego silników ZI DI, dla którego zakres pracy będzie następujący:

1. Wyznaczenie parametrów ekologicznych doładowanego silnika o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtryskiem paliwa w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego (zgodnie z przepisami, które zaczną obowiązywać od września 2017 roku).

2. Wyznaczenie wskaźników pogorszenia emisji (CF – conformity factor), określających krotność spełnienia (lub przekroczenia) norm ekologicznych dla pojazdów kategorii ekologicznej Euro 6c.

3. Określenie możliwości poprawy stanu ekologicznego silnika do poziomu kolejnych norm ekologicznych – głównie zwrócenie uwagi na emisję cząstek stałych.

4. Możliwości zastosowania układów oczyszczania spalin (filtrów cząstek stałych) z wy- korzystaniem termodynamicznej analizy parametrów szybkozmiennych w celu określe- nia temperatury spalin w układzie wylotowym silnika.

5. Wyznaczenie parametrów pracy silnika z rzeczywistych warunków ruchu (punktów pracy silnika – M

= f(n)) do badań silnika ZI DI na hamowni silnikowej z zastosowa- niem filtra cząstek stałych.

6. Analiza możliwości doboru parametrów funkcjonalnych filtra cząstek stałych do silnika o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtryskiem benzyny.

7. Określenie korzyści ekologicznych zastosowanego rozwiązania, polegającego na dopo- sażeniu standardowego układu oczyszczania silnika w filtr cząstek stałych, poprzez po- równanie wyników badań drogowych przed oraz po wprowadzonych modyfikacjach.

Badania będą przeprowadzone w warunkach dynamicznych podczas rzeczywistej eksploa- tacji pojazdu. Analiza zawierać będzie zestawienie badań parametrów ekologicznych i termo- dynamicznych podczas rzeczywistej eksploatacji. W badaniach będzie uwzględniona emisja związków gazowych, a w szczególności emisja masowa, liczbowa oraz rozkład wymiarowy cząstek stałych w aspekcie konieczności zastosowania filtra cząstek stałych w celu spełnienia nowych regulacji prawnych Unii Europejskiej.

Dla tak postawionego celu i zakresu badań opracowano schemat postępowania (rozwiąza- nia zagadnienia naukowego), z którego wynika zakres pracy (rys. 1.6).

Opracowanie sprecyzowanego systemu – układu oczyszczania spalin, zawierającego filtr

cząstek stałych, przeznaczonego do pojazdów z doładowanym silnikiem o zapłonie iskrowym

z bezpośrednim wtryskiem paliwa oraz wykonanie badań ekologicznych, stwierdzających

poprawność przyjętego rozwiązania będzie jednocześnie potwierdzeniem osiągnięcia celu

naukowego niniejszej rozprawy.

Badania stanowiskowe – hamownia silnikowa

Badania drogowe – w rzeczywistych warunkach ruchu

Podsumowanie,

określenie osiągnięcia celu naukowego rozprawy, kierunki dalszych prac

Postawienie problemu, zdefiniowanie celu i zakresu pracy

Analiza możliwości zmniejszenia zanieczyszczeń z pojazdów w świetle nowych limitów emisji spalin

Badania procesów szybkozmiennych i parametrów ekologicznych w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego

Analiza teoretyczna i literaturowaGenezaBadania eksperymentalne Podsumo- wanie

1

2

4

5.1

5.2

5.3

5.4

6

Struktura pracy Rozdziały

Analiza parametrów ekologicznych samochodów z doładowanymi silnikami ZI DI

Analiza parametrów szybkozmiennych doładowanych silników ZI DI

Metodyka badań

3

Obiekty badawcze Aparatura pomiarowa

Stanowisko badawcze Opracowanie metodyki wyznaczania zakresów

pracy silnika spalinowego

Wybór zakresów pracy silnika do badań na hamowni silnikowej

Badania procesów szybkozmiennych i parametrów ekologicznych w określonych zakresach pracy silnika ZI DI

Określenie wymagań konstrukcyjnych i parametrów filtra cząstek stałych

Badanie skuteczności filtracji autorskiego układu wylotowego, wyposażonego w filtr cząstek stałych

Ocena środowiskowa rozwiązania

Weryfikacja zaproponowanego rozwiązania do poprawy stanu ekologicznego pojazdów z silnikami ZI DI

Rys. 1.6. Schemat rozwiązania postawionego celu naukowego pracy

z pojazdów w świetle nowych limitów emisji spalin

2.1. Analiza przepisów dotyczących emisji zanieczyszczeń pojazdów osobowych

Badania pojazdów prowadzi się na hamowni podwoziowej (na rolkowym stanowisku dy- namometrycznym – przykład, rys. 2.1). Przeważnie stosuje się hamownie z silnikiem prądu stałego (DC – direct current), a ponadto wprowadza się hamownie z asynchronicznym silni- kiem prądu zmiennego (AC – alternating current). W badaniach zawartości związków szko- dliwych w spalinach stosuje się powszechnie hamownie podwoziowe z podwójnymi rolkami o średnicy 20” (508 mm). Od kilku lat są w użyciu również hamownie z pojedynczą rolką o średnicy 48” (1200 mm). W Europie jednak w większości laboratoriów stosuje się hamownie z podwójnymi rolkami ze względu na spełnienie wymagań i wystarczającą dla tego typu ba- dań dokładność odwzorowania krzywej oporów ruchu pojazdu. Hamownie podwoziowe sto- sowane w badaniach pojazdów są przeznaczone do dokładnej symulacji ściśle określonych rzeczywistych warunków jazdy w testach kontrolnych, np. NEDC (new European driving cycle – nowy europejski test jezdny – zmodyfikowany ECE R83 z natychmiastowym pobo- rem spalin).

Rys. 2.1. Schemat laboratorium emisji z komorą klimatyczną, hamownią podwoziową, tunelem roz- cieńczającym spaliny powietrzem, workami na próbki spalin, analizatorami spalin wraz z zestawem

analizatorów do analizy modalnej spalin nierozcieńczonych [72]

W krajach Unii Europejskiej obowiązują obecnie dyrektywy 70/156/EC i 2007/46/EC oraz regulamin ECE R83.05. Określono w nich sposób prowadzenia badań emisji związków tok- sycznych przez pojazdy kategorii M1; badania te składają się z siedmiu typów prób (tabl.

2.1).

Tablica 2.1. Typy badań emisji wykonywanych dla pojazdów o masie całkowitej do 3500 kg [91]

Typ testu Silnik ZI Silnik ZS

I: test wykonywany na hamowni podwo- ziowej: – NEDC dla Euro 5,

Euro 6b (rys. 2.1),

– WLTC dla Euro 6c (rys. 2.2)

według standardów Euro – Euro 5, Euro 6b (rys. tabl. 2.2) – Euro 6c (brak ustalonych wartości) II: emisja podczas pracy na biegu luzem

0,5% CO (objętościowo) na minimalnej prędkości

obrotowej

zaczernienie spalin podczas przyspieszania:

2,5 m^–1– silniki niedoładowane, 3,0 m^–1 – silniki

doładowane III: wartość emisji ze skrzyni korbowej

silnika

w czasie próby I typu

zero 

IV: emisja parowania test parowania

2 g HC –

V: emisja (jak w I typie) po przebiegu 160 000 km / 5 lat

VI: test UDC w –7 ^oC CO = 15, HC = 1,8 g/km –

VII: kontrola działania systemu EOBD od 2001 r. od 2003 r.

Rys. 2.2. Obowiązujący test NEDC dla samochodów osobowych według normy Euro 4–Euro 6b [91]

0 20 40 60 80 100 120

0 200 400 600 800 1000 1200

t [s]

Elementarny test ECE R15

(UDC)

I część

(EUDC)

II część

V [km/h]

Tablica 2.2. Limity emisji drogowej składników toksycznych dla pojazdów samochodowych – normy Euro 5, oraz Euro 6 (dane dotyczą testu NEDC) [14, 15]

Norma Data wprowadzenia

CO HC HC + NOx NMHC NOx PM PN

[mg/km] [1/km]

Silniki ZI

Euro 5¹⁾ 1.09.2009 1000 100 – 68 60 5 –

Euro 6^{1), 2)} 1.09.2014 1000 100 – 68 60 5 6∙10¹¹

Silniki ZS

Euro 5a ¹⁾ 1.09.2009 500 – 230 – 180 5 –

Euro 5b ¹⁾ 1.09.2011 500 – 230 – 180 5 6∙10¹¹

Euro 6 ^{1), 3)} 1.09.2014 500 – 170 – 80 5 6∙10¹¹

Uwaga:

1) Wartość emisji drogowej masy cząstek stałych wynosi 4,5 mg/km z wykorzystaniem procedury PMP.

2) Wartość emisji drogowej liczby cząstek stałych dotyczy tylko silników z bezpośrednim wtryskiem paliwa.

3) Do 1.09.2017 limit liczby cząstek stałych wynosi 6∙10¹² 1/km.

Wraz z wprowadzeniem normy Euro 6c (od 1.09.2017 r.) zmianie ulega test homologacyj- ny: test NEDC zostaje zastąpiony testem WLTC (worldwide light duty test cycle) [92] (rys.

2.3). Test WLTC podzielono na 4 części:

 część 1 – z prędkością do 60 km/h (low phase),

 część 2 – z prędkością z przedziału 60–80 km/h (medium phase),

 część 3 – z prędkością z przedziału 80–110 km/h (high phase),

 część 4 – z prędkością ponad 110 km/h (extra high phase).

Rys. 2.3. Propozycja nowego testu homologacyjnego WLTC dla pojazdów kategorii PC wykonywa- nego na hamowni podwoziowej według normy Euro 6c [92]

0 20 40 60 80 100 120 140

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Prędkość pojazdu [km/h]

Czas [s]

mała prędkość

średnia prędkość

duża prędkość

bardzo duża prędkość

W nowej procedurze WLTP (worldwide light vehicles test procedure) na podstawie ilorazu mocy silnika N

[W] do masy pojazdu m [kg] zdefiniowano wskaźnik PMR (power to mass ratio) według którego podzielono pojazdy na 3 klasy:

 klasa I – PMR < 22 – głównie samochody na terenie Indii i Chin,

 klasa II – PMR z zakresu (22; 34 – głównie samochody na terenie Japonii,

 klasa III – PMR > 34 – głównie samochody europejskie.

Dla każdej z klas, zdefiniowano różne testy, np. dla pojazdów klasy III (odpowiadające po- jazdom europejskim) największa osiągana prędkość to 131,3 km/h. Różnice parametrów cha- rakterystycznych testu NEDC oraz testu WLTP pokazano w tabl. 2.3.

Tablica 2.3. Różnice parametrów testów NEDC i WLTC

Parametr Test NEDC Test WLTC Zmiana

Czas trwania testu 1180 s 1800 s +53%

Dystans 11,03 km 23,270 km +111%

Średnia prędkość jazdy 33,6 km/h 46,5 km/h +39%

Prędkość maksymalna 120 km/h 131,3 km/h +10%

Liczba zatrzymań 14 9 –36%

Czas:

– zatrzymania 280 s 226 s –20%

– stałej prędkości 475 s 66 s –86%

– przyspieszania 247 s 789 s +220%

– hamowania 178 s 719 s +304%

Udział:

– zatrzymania 23,7% 12,6% –47%

– stałej prędkości 40,3% 3,7% –91%

– przyspieszania 20,9% 43,8% +110%

– hamowania 15,1% 39,9% +164%

Wyniki emisji drogowej zanieczyszczeń osiągane w nowym teście (WLTC) mogą być o

około 10–20% większe niż w przypadku aktualnie obowiązującej procedury (NEDC); prze-

bieg testu WLTC jest bardziej dynamiczny, a pomiary rejestrowane są w niemal dwa razy

dłuższym dystansie jazdy. Jednocześnie średnia prędkość w nowym teście jest większa o oko-

ło 40%, a udział postoju zmalał o połowę. Przewiduje się, że pojazdy wyposażone w systemy

start/stop będą jedynie o 10% korzystniejsze niż w teście NEDC, a pojazdy hybrydowe po

wprowadzeniu testu WLTC będą emitowały o 10% więcej dwutlenku węgla niż w teście

NEDC. W nowym teście badaniu będą podlegały dwa egzemplarze jednego modelu – wersja

o najmniejszej masie (najmniejszych oporach ruchu) oraz największej masie (o największych

oporach ruchu).

2.2. Uwarunkowania emisyjnych badań drogowych

W styczniu 2011 r. Komisja powołała grupę roboczą z udziałem wszystkich zainteresowa- nych stron w celu opracowania procedury badania emisji w rzeczywistych warunkach jazdy, która lepiej odzwierciedlałaby wielkość emisji zanieczyszczeń mierzonych na drodze. W tym celu, po szczegółowych dyskusjach technicznych, przyjęto wariant przedstawiony w rozpo- rządzeniu (WE) nr 715/2007 [15], tj. zastosowanie przenośnych systemów pomiaru emisji (PEMS – portable emission measurement system) i nieprzekraczalnych limitów. Jak uzgod- niono z zainteresowanymi stronami w ramach procesu CARS 2020 procedury badań RDE należy wprowadzić w dwóch etapach: w pierwszym okresie przejściowym procedury badań powinny być stosowane tylko do celów monitorowania, a następnie należy je stosować wraz z wiążącymi ilościowymi wymogami RDE do wszystkich nowych homologacji typu i nowych pojazdów. Procedury badań RDE wprowadzono rozporządzeniem Komisji (UE) 2016/427 [16]. Obecnie ustanowiono ilościowe wymogi RDE w celu ograniczenia emisji z układów wylotowych we wszystkich warunkach użytkowania zgodnie z wartościami granicznymi emi- sji określonymi w rozporządzeniu (WE) nr 715/2007.

Aby umożliwić producentom stopniowe dostosowanie się do zasad RDE, ostateczne ilo- ściowe wymogi RDE powinny być wprowadzane w dwóch kolejnych etapach [39, 93].

W pierwszym etapie, który powinien zacząć obowiązywać po upływie 4 lat od terminów ob- owiązkowego stosowania normy Euro 6, należy stosować współczynnik zgodności 2,1. Drugi etap powinien nastąpić 1 rok i 4 miesiące po pierwszym etapie i powinien wymagać pełnego przestrzegania wartości granicznej emisji NO

wynoszącej 80 mg/km określonej w rozporzą- dzeniu (WE) nr 715/2007 [15] powiększonej o pewien margines, biorąc pod uwagę dodatko- we niepewności pomiaru związane ze stosowania przenośnych systemów pomiaru emisji (PEMS) (tabl. 2.4).

Tablica 2.4. Wymagania odnośnie badań RDE w Europie [16, 17]

2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022

Euro 6b Euro 6c Euro 6d

NEDC WLTC

Faza badań i koncepcji Wskaźnik emisji – conformity factor (CF)

CFNOx, PN = 2,1 CFNOx, PN = 1,5

Badania RDE powinny obejmować wszystkie możliwe sytuacje drogowe, należy unikać

sytuacji, w których badane pojazdy prowadzone są w sposób tendencyjny, tj. z zamiarem uzy-

skania pozytywnego lub negatywnego wyniku badania niewynikającego z parametrów tech-

nicznych pojazdu, ale z bardzo nietypowego stylu jazdy. Aby zapobiec takim sytuacjom,

wprowadza się zatem uzupełniające warunki brzegowe dla badań RDE. Ze względu na swój

charakter warunki jazdy występujące podczas poszczególnych przejazdów PEMS nie mogą w

pełni odpowiadać „normalnym warunkom użytkowania pojazdu”. Natężenie kontroli emisji

podczas takich przejazdów może się zatem różnić. W związku z tym i w celu uwzględnienia

niepewności statystycznych i technicznych procedur pomiarowych, w przyszłości można rozważyć odzwierciedlenie w limitach emisji mających zastosowanie do indywidualnych przejazdów PEMS właściwości tych przejazdów, określonych przez wymierne parametry, np.

związane z dynamiką jazdy lub obciążeniem. W przypadku zastosowania tej zasady nie może ona prowadzić do osłabienia wpływu na środowisko i skuteczności procedur badań RDE, co należy wykazać badaniem naukowym poddanym wzajemnej ocenie. Ponadto przy ocenie na- tężenia kontroli emisji podczas przejazdu PEMS należy uwzględniać jedynie parametry, które mogą być uzasadnione obiektywnymi względami naukowymi, a nie tylko kalibracją silnika, urządzeń kontroli zanieczyszczeń lub układów kontroli emisji.

Oceny głównych czynników technologicznych rozwoju silników spalinowych można dokonać w trzech aspektach:

 badania emisji spalin w rzeczywistych warunkach ruchu RDE (real driving emissions), co skutkuje rozszerzeniem powtarzalnych testów hamownianych na testy wykonywane w różnych warunkach drogowych [20, 26],

 zmniejszanie dopuszczalnych limitów emisji dwutlenku węgla będzie powodować elek- tryfikację napędów pojazdów, co wymusi na konwencjonalnych silnikach spalinowych zmniejszenie zużycia paliwa i zwiększenie ich sprawności,

 coraz mniejsze wartości limitów emisji związków szkodliwych skutkują dla silników ZS dalszą redukcją emisji tlenków azotu, natomiast dla silników ZI z bezpośrednim wtryskiem paliwa istotną kwestią jest zmniejszenie liczby cząstek stałych.

2.3. Analiza rozwiązań konstrukcyjnych silników ZI DI w aspekcie poprawy parametrów ekologicznych

Silniki DISI zostały wprowadzone jako zapotrzebowanie na nowoczesne rozwiązania eko- logicznych silników spalinowych. Obecnie najnowsze silniki MPI, choć bardzo zaawansowa- ne technologicznie, prawie osiągnęły szczyt ich potencjału jako systemu opartego na prze- pustnicy i wtrysku paliwa do kolektora dolotowego (MPI) [103]. Główne zalety silników ZI DI, takie jak mniejsze zużycie paliwa i większa wydajność cieplna, są możliwe przy zastoso- waniu bardziej złożonego układu wtryskowego oraz kilku strategii sterowania. Silniki te mo- gą pracować w dwóch trybach, zgodnie z dystrybucją paliwa: tryb jednorodny – jednorodną mieszaninę formuje się w cylindrze, i tryb warstwowy – uwarstwioną mieszaninę formuje się w cylindrze; w tym trybie pracy ogólny współczynnik λ ma wartość większą od 1,3 (λ ≥ 1,3).

Skomplikowane algorytmy sterowania i złożone układy zasilania wymuszają na inżynierach wyzwania w zakresie emisji, stabilności i kontroli spalania, zużycia paliwa, wydajności i trwałości silnika oraz złożoności systemu. Nowe algorytmy sterowania wymuszają znacznie większą liczbę zmiennych kalibracyjnych do prawidłowej optymalizacji systemu [45].

W Europie silniki o zapłonie samoczynnym przestały być konkurencyjne wobec silników

benzynowych (przyczyniła się do tego również opinia społeczeństw po publikacji danych na

temat zaniżonych pomiarów emisji spalin w silnikach ZS produkowanych przez firmę

Volkswagen) i zaczęły tracić rynek zbytu, nawet tam, gdzie ich pozycja nie była wcześniej

zagrożona (samochody osobowe). Skłoniło to producentów silników do intensywnych prac

rozwojowych, które zaowocowały wprowadzeniem w silnikach ZI wielu innowacji, o czym

świadczy na przykład fakt, że w rankingu „Engine of the year 2016” organizowanym przez magazyn Engine Technology International [42] wszystkie najwyżej punktowane miejsca zaję- ły właśnie silniki ZI (tabl. 2.5). Silnikiem roku wytypowano silnik Ferrari 3.9 V8 biturbo, który również zajął pierwsze miejsce w kategorii najlepszy nowy silnik. W roku 2015 w ple- biscycie „Engine of the year” zwyciężył 1,5-litrowy, trzycylindrowy silnik niemieckiego pro- ducenta (BMW).

Tablica 2.5. Silniki roku 2016 według magazynu Engine Technology International [42]

Silnik Roku 2016 w klasyfikacji ogólnej – Ferrari 3.9 V8 Biturbo^*)

ZI, Vss = 3,9 dm³

Ne = 492 kW przy 8000 obr/min Mo = 760 Nm przy 3000 obr/min

 = 12,0

8 cylindrów, widlasty

przyspieszenie 0–100 km/h: 3,0 s zużycie paliwa: 11,4 dm³/100 km

Silnik o objętości do 1 dm³– Ford1,0 EcoBoost

ZI, Vss = 1,0 dm³

Ne = 74 kW przy 6000 obr/min Mo = 170 Nm przy 1500 obr/min 3 cylindry, rzędowy

przyspieszenie 0–100 km/h: 7,9 s zużycie paliwa: 7,1 dm³/100 km

Silnik o objętości 1,8 – 2,0 dm³ – Mercedes AMG

ZI, Vss = 1,99 dm³

Ne = 280 kW przy 6000 obr/min Mo = 475 Nm od 2250 obr/min 4 cylindry, rzędowy

przyspieszenie 0–100 km/h: 4,2 s Vmax = 250 km/h

zużycie paliwa: 7,1 dm³/100 km

Podane rozwiązania są efektem m.in. ograniczenia objętości skokowej silników przy jed-

noczesnym zwiększeniu stopnia ich wysilenia – downsizingu, określanego jako statyczny

(dotyczący zmniejszenia pojemności skokowej silnika) lub dynamiczny (polegający na deak-

tywacji części cylindrów podczas pracy silnika). Przewiduje się, że tendencje do zmniejszenia liczby cylindrów będą coraz większe, gdyż prognozy zwiększenia produkcji silników 2- i 3- -cylindrowych wskazują na ich największą intensywność przyrostu (rys. 2.4) [79]. Ma to od- zwierciedlenie w liczbie pojawiających się na rynku dostępnych silników o zapłonie samo- czynnym (typowe już rozwiązania) i iskrowym z układami turbodoładowania. Zakłada się, że w ciągu najbliższych kilku lat roczny przyrost tych ostatnich rozwiązań wyniesie około 20%

(rys. 2.5).

Rys. 2.4. Trendy w rozwoju silników spalinowych [78]

Rys. 2.5. Liczba produkowanych silników ZS i ZI wyposażonych w układy turbodoładowania [62]

Stosowane we współczesnych pojazdach samochodowych silniki o zapłonie iskrowym nie stanowią tak jednolitej grupy pod względem rozwiązań systemu wtrysku i spalania, jak silniki o zapłonie samoczynnym. Konstrukcje systemów spalania silników ZI dzielą się na układy wtrysku pośredniego do kanału dolotowego – niskociśnieniowe i bezpośredniego do cylindra

+

–20%

+5%

+25%

+95% (!!!) +10%

6,4 12,4

63,3

79,7 7,8

7.9 2,9

2,4

0 20 40 60 80 100 120

2012 2017

[

8-, 10-cyl.

6-cyl.

4-cyl.

2-, 3-cyl.

inne -4%

1%

5%

19%

średnioroczny procentowy przyrost-

liczba silników [mln szt.]

5,0 0,8 8,4

2,3 0,8

1,2

1,2

2,9

0 5 10 15 20 25

2012 2017

liczba układów doładowania [mln szt.]

]

Chiny

Japonia/Korea USA

Europa 19%

24%

11%

średnioroczny procentowy przyrost

silniki ZI

8%

rok

przyrost o 90%

11,8 14,0

0,5 2,1 0,6 1,9 2,2 0,8 3,4

1.2

0 5 10 15 20 25

2012 2017

]

Chiny

Indie/Tajlandia Japonia/Korea USA

Europa 8%

12%

4%

4%

średnioroczny procentowy pr,yrost silniki ZS

1%

rok

przyrost o 25%

liczba układów doładowania [mln szt.]

– średniociśnieniowe [80]. Nieliczne konstrukcje będące połączeniem obu tych systemów nie znalazły szerokiego zastosowania (m.in. w silniku firmy Lexus 2GR-FSE oraz silniku Audi – EA888 3. generacji, wykorzystuje się pośredni i bezpośredni wtrysk paliwa do cylindra).

Liczne konstrukcje systemu bezpośredniego wtrysku benzyny wskazują na brak zadowalają- cych rozwiązań tego typu układu zarówno pod względem uzyskiwanych parametrów pracy, jak i emisji szkodliwych składników spalin. Wtrysk paliwa do cylindra powinien umożliwiać spalanie ładunku homogenicznego (wykorzystywane w układach wtrysku pośredniego, który powoduje jednak znaczne straty ładunku przed dostarczeniem go do zamkniętej objętości cy- lindra), a także – co obecnie jest głównym kierunkiem prac badawczych i rozwojowych – uzyskiwanie ładunku niejednorodnego (uwarstwionego), pozwalającego na spalanie miesza- nek ubogich. Pod tym względem systemy spalania silników o zapłonie iskrowym upodobniają się do systemów spalania stosowanych w silnikach o zapłonie samoczynnym (zastosowanie np. kontrolowanego samozapłonu w silniku ZI). Układy średniociśnieniowego, bezpośrednie- go, wieloczęściowego wtrysku benzyny są obecnie głównym przedmiotem badań w tych silni- kach, gdyż wtrysk taki pozwala na dowolne ilościowe i jakościowe kształtowanie charakteru ładunku i wpływa na sposób jego późniejszego spalania.

Bezpośredni wtrysk benzyny realizuje się wykorzystując boczne lub centralne usytuowanie wtryskiwacza (niezbyt często stosowane rozwiązanie ze względu na techniczne trudności rea- lizacji). Pierwsze rozwiązanie pozwala na uzyskanie odpowiedniego czasu na przygotowanie ładunku do spalania, gdyż wtrysk jest możliwy zanim tłok osiągnie górne martwe położenie (GMP). Czas ten jest wykorzystany na odpowiednie odparowanie paliwa i jego przygotowa- nie do spalania. Równocześnie jednak następuje rozrzedzanie tej strefy i utrata uwarstwienia, rozkład paliwa w cylindrze jest nierównomierny, co zmniejsza sprawność spalania.

Znacznie korzystniejsze pod tym względem jest centralne umieszczenie wtryskiwacza w komorze spalania. Problemem wtedy jest jednak skrócenie czasu przygotowania ładunku (wymieszanie i odparowanie kropel paliwa) oraz sposób umieszczenia świecy zapłonowej.

Trudno jest również uzyskać ładunek homogeniczny szczególnie przy dużym obciążeniu – wtrysk dużej dawki paliwa bez jej podziału. Nieprawidłowe umieszczenie świecy zapłonowej jest przyczyną powstawania nagaru na jej elektrodach, co uniemożliwia uzyskanie prawidło- wego wyładowania. Sposób ten jest jednak znacznie korzystniejszy przy stosowaniu ładunku uwarstwionego i pracy silnika ze znacznym nadmiarem powietrza (można osiągnąć wartości

 = 3–5 w zależności od sposobu podziału dawki paliwa i przygotowania ładunku). Na pod- stawie badań przeprowadzonych przez Petersena i in. [77] wykazano, że w silniku o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtryskiem paliwa brak spalania lub jego nieprawidłowy przebieg nie są uzależnione od braku wyładowania na świecy zapłonowej, lecz od nieprawidłowo przygotowanego ładunku do spalania.

Systemy oczyszczania spalin są integralną częścią silnika i muszą być projektowane wspólnie oraz razem poddawane badaniom. Dalszy rozwój konstrukcji silników spalinowych i systemów oczyszczania spalin (tabl. 2.6) wymaga intensywnych prac badawczych nad taki- mi problemami, jak emisja po rozruchu zimnego silnika, zmniejszanie wartości emisji innych składników spalin, obecnie nielimitowanych, zwiększenie zainteresowania paliwami alterna- tywnymi i gazowymi oraz badania ich wpływu na emisję związków szkodliwych w spalinach.

Trwają intensywne prace badawcze nad dostosowaniem filtrów cząstek stałych do pojazdów z

silnikami ZI DI. Pierwsze takie produkty charakteryzują się skutecznością 80% (w teście

FTP75), a jednocześnie zwiększeniem zużycia paliwa o około 5–10% w zależności od warun- ków ruchu.

Tablica 2.6. Analiza możliwości zmniejszenia emisji spalin z zastosowaniem różnych technologii

Struktura chemiczna cząstek stałych emitowanych z silnika ZI DI jest porównywalna do PM emitowanych z silników ZS. W trybie warstwowym PM są tworzone z organicznego wę- gla, sadzy i niespalonych oraz częściowo utlenionych węglowodorów. W trybie jednorodnym budowa cząstek jest prostsza – zawierają one głównie sadzę i związki lotne [88]. Różnicą między emisją z silników ZS i z silników ZI DI jest większy udział składników lotnych i zmienny udział składników węglowych. Struktura cząstek bardzo zależy od parametrów pracy silnika, takich jak obciążenie silnika, tryb pracy silnika oraz, wynikających ze stanu cieplnego silnika, temperatury i ciśnienia w cylindrze [82]. Ponadto morfologia cząstek jest silnie zwią- zana z rodzajem paliwa stosowanego do zasilania silnika. Także różne paliwa mogą prowa- dzić do różnych poziomów emisji [44]. Najważniejszymi przyczynami powstawania cząstek stałych w silnikach ZI DI są [47, 82, 103]:

 w trybie jednorodnym (λ = 1,0) – skraplanie paliwa, gdzie krople paliwa osadzają się na powierzchni cylindra,

 w trybie warstwowym (λ ≥ 1,3) – niepełne spalanie w wyniku powstawania lokalnych obszarów bogatej mieszanki paliwa,

 obecność cienkiej warstwy ciekłego paliwa na powierzchni tłoka – w tych obszarach prędkość spalania spada, co powoduje niecałkowite spalanie; problem ten jest charakte- rystyczny dla wtrysku paliwa typu wall-guided stosowanego do uzyskania uwarstwienia mieszanki [22],

 niewystarczające odparowanie paliwa – krople paliwa osadzają się na powierzchni cy- lindra, prowadząc w efekcie do zakłóceń procesu spalania, głównie podczas zimnego rozruchu silnika; problem ten jest charakterystyczny dla wtrysku paliwa typu spray- guided,

Wewnątrzsilnikowe NOx PM HC CO CO2

zwiększenie stopnia chłodzenia EGR zmniejszenie stopnia sprężania do 16,5 spalanie ze wstępnym mieszaniem ulepszony system wtrysku

4 zawory na cylinder

zmienne sterowanie zaworów

Pozasilnikowe NOx PM HC CO CO2

filtr cząstek stałych filtr NOx

selektywna redukcja katalityczna reaktor utleniający wstępny

 zaburzenie wtrysku paliwa – kształt strumienia wtryskiwanego paliwa, słabe rozpylenie oraz niewłaściwy moment wtrysku dawki,

 stan cieplny silnika – problemy z zimnym rozruchem, osiągnięcie temperatury pracy re- aktora katalitycznego itd.,

 właściwości paliwa – struktura chemiczna, zawartość WWA, naftalenu i alkenów.

Istnieje wiele strategii, aby zminimalizować proces powstawania cząstek w komorze spa- lania [82].

Pierwsza strategia zakłada kontrolę całego procesu spalania oraz warunków eksploatacji silnika. Przede wszystkim strategia ta zapewnia, że temperatura w komorze spalania jest wy- starczająca, aby umożliwić najbardziej kompletny proces spalania mieszanki powietrzno- paliwowej. Innym sposobem zapobiegania emisji cząstek jest zminimalizowanie warstwy oleju w komorze spalania. Jednak najbardziej efektywnym sposobem sterowania procesem spalania jest kontrola procesu nagrzewania silnika, po zimnym rozruchu, za pomocą inteli- gentnego systemu chłodzenia. Rozwiązanie to zastosowano w wielu pojazdach.

Druga strategia skupia się na kontroli całego procesu spalania, w celu zapewnienia opty- malnej wydajności. Uzyskuje się to dzięki zapewnieniu optymalnego zawirowania mieszanki paliwowej, optymalizacji prędkości ruchu mieszanki paliwowej i zapobieganiu tworzenia się obszarów o lokalnie bogatym składzie mieszanki. Ponadto zastosowanie i sterowanie opóź- nieniem zapłonu może spowodować wzrost temperatury gazów spalinowych, który ma zna- czący wpływ na sprawność systemu oczyszczania spalin.

Trzecia strategia ma na celu sterowanie warunkami dolotu powietrza. Może to być reali- zowane przez dostarczenie wystarczającej objętości powietrza, optymalizację przekrycia za- worów, wdrożenie systemu zmiennych faz rozrządu zaworów i optymalizacji systemu EGR.

Ostatecznie proces powstawania cząstek stałych jest silnie powiązany z procesem dostarcza- nia paliwa. Dlatego istnieje duże potrzeba wdrożenia optymalnych modeli wtrysku paliwa, zminimalizowania nadmiernego zwilżenia ścianek i poprawy całego układu wtrysku przez podniesienie ciśnienia wtryskiwanego paliwa, zapewnienie wysokiej temperatury paliwa i zastosowanie wielostopniowego wtrysku paliwa. W związku z tym niektóre innowacje kon- strukcyjne to hybrydowe układy wtryskowe, obejmujące jednoczesną pracę bezpośredniego (DI) i pośredniego (MPI) systemu wtrysku paliwa.

Jednoczesne wykorzystanie tych strategii może prowadzić do efektu synergicznego, powo- dując dalsze zmniejszenie natężenia wytwarzania cząstek. Jednak procesu formowania czą- stek nie można całkowicie uniknąć. W tym kontekście kluczową rolę odgrywa system oczyszczania spalin, który zmniejsza masę i liczbę cząstek stałych. Poprawę skuteczności systemu oczyszczania spalin można osiągnąć przez sprzyjanie procesom utleniania cząstek stałych w kolektorze wylotowym. Osiągnięcie tego jest możliwe dzięki regulacji parametrów pracy silnika, co zapewnia wysoką temperaturę spalin i dostarczenie odpowiedniej ilości tle- nu. Znaczenie ma również osiągnięcie temperatury pracy (T50) w stosunkowo krótkim czasie, który określa wydajność katalizatora.

Najgorszy scenariusz zakłada rozszerzenie ogólnego kształtu i złożoności systemu oczysz-

czania spalin przez dodanie filtrów cząstek stałych. Obecnie silniki ZS wyposażone są zazwy-

czaj w tego typu rozwiązania. Jednakże w odniesieniu do silników o zapłonie iskrowym z

bezpośrednim wtryskiem wciąż toczy się debata w kontekście politycznym i gospodarczym o

zasadności i konieczności wprowadzenia technologii filtrów GPF. Z jednej strony to rozwią-

zanie pozwoliłoby na zmniejszenie ogólnej emisji cząstek stałych do znikomych wartości, ale z drugiej strony jest obciążone wysokimi kosztami opracowywania i wprowadzenia na rynek.

Na razie producenci samochodów nie zdecydowali ostatecznie, czy używać systemów GPF, czy pozostawać przy innych rozwiązaniach. Podsumowując, istnieje wiele sposobów, o różnej skuteczności, zmniejszania emisji cząstek stałych. Jednak w kontekście przyszłości ważne jest, aby dokonać rozsądnego wyboru przy użyciu najbardziej skutecznej i możliwie najtań- szej strategii – oczywiście z punktu widzenia konsumenta.

Zgodnie z wynikami przedstawionymi w [48] (rys. 2.6), wykorzystanie GPF znacznie zmniejsza emisję PN, do poziomu porównywalnego z poziomem dla silników PFI. Niestety, rozwiązanie to jest wciąż w fazie rozwoju, ze względu na problemy ekonomiczne i techniczne jego zastosowania. Szacowany koszt GPF wynosi 50–230 € [2]. Producenci biorą pod uwagę również aspekty techniczne, którymi są: rozmiar filtra, lokalizacja filtrów w systemu oczysz- czania spalin i struktura filtra.

Rys. 2.6. Mapa wyników emisji PM i PN dla przedstawionych wyników badań (opracowano na pod- stawie [7, 45, 48, 59, 72, 88])

Rozwój nowych silników DISI stwarza nowy problem w silnikach o zapłonie iskrowym – emisję cząstek stałych. Ze względu na ciągły rozwój silników spalinowych, zarówno ZS, jak i ZI, wiele państw wprowadziło bardziej rygorystyczne i skomplikowane normy emisji. W Eu- ropie jest ograniczona nie tylko masa cząstek stałych, ale także liczba cząstek, które są emi- towane z silników ZS i ZI DI. Problemem dla producentów jest przyszły standard PN Euro 6c, mający obowiązywać dla silników ZI DI. Silniki ZI z bezpośrednim wtryskiem paliwa, które są dostępne na rynku już obecnie, nie spełniają przyszłych wymogów ilościowej emisji cząstek stałych (PN). Producenci silników i pojazdów opracowali wiele strategii zmniejszania emisji. Dwie z tych strategii dają obiecujące wyniki w redukcji emisji PM i PN:

 Zastosowanie mieszanki etanolu jako paliwa – może to stać się najbardziej interesują-

cym kierunkiem rozwoju silników spalinowych [8, 9]. Mieszanki typu E50 skutecznie

zmniejszają emisję PM i PN, i są również znane jako paliwa alternatywne dla przy-

szłych silników ZI. Możliwość wykorzystania etanolu jest testowana na całym świecie,

z obiecującymi wynikami.

 Wykorzystanie GPF; to rozwiązanie zmusza producentów do wyposażania samocho- dów z silnikiem ZI DI w filtry cząstek stałych. Niestety, to rozwiązanie stwarza kilka problemów natury ekonomicznej i technicznej, które pozostają nierozwiązane. Należy zauważyć, że obecna metoda pomiaru emisji PN ustalona przez normy europejskie ma bardzo wąski zakres pomiaru. Metodologia polegająca na użyciu licznika cząstek umoż- liwia tylko pomiar cząstek o średnicy większej niż 23 nm.

Główna grupa cząstek, mająca bardzo negatywny wpływ na zdrowie ludzkie, to cząstki o

średnicy poniżej 23 nm. W związku z tym istnieje potrzeba przygotowania nowej metodologii

pomiaru dla przyszłych norm emisji, która może zawierać bardziej dokładne rozwiązania po-

miaru liczby cząstek stałych, a także zawierać pomiar rozkładu wielkości cząstek jako obo-

wiązkowego badania.

spalania nowoczesnych silników ZI

3.1. Podstawy procesów spalania w silniku ZI

Proces spalania w silniku ZI jest bardzo trudny do jednoznacznego opisu teoretycznego ze względu na bardzo dużą ilość wzajemnie powiązanych czynników, które go determinują.

Także wyniki badań eksperymentalnych nie zawsze można przenosić na rzeczywistą pracę silników.

W klasycznej literaturze opisującej procesy spalania w silnikach z ZI [51] wyróżnia się trzy okresy:

 powstawanie płomienia (wstępny),

 rozprzestrzeniania się płomienia (właściwego spalania),

 dopalania.

Za początek spalania przyjmuje się chwilę pojawienia się iskry między elektrodami świecy zapłonowej. Natomiast wg autorów [94, 95] utlenianie paliwa zaczyna się już wcześniej, gdy paliwo jest zmieszane w układzie dolotowym i w cylindrze silnika, zanim zostanie zapalone od iskry elektrycznej.

Po wejściu do cylindra mieszanka ogrzewa się od jego ścianek i od denka tłoka oraz w wyniku sprężania. W tym czasie, aż do chwili zapalenia w mieszance przebiegają reakcje utleniania niskotemperaturowego, których wynikiem są pośrednie produkty utleniania – alde- hydy, alkohole, ketony, kwasy, nadtlenki itp. Produkty utleniania mają większą prędkość spa- lania niż wyjściowe węglowodory, dlatego ich obecność w cylindrze powoduje przyspiesze- nie spalania. Szczególnie dużą zdolnością przyspieszenia spalania odznaczają się nadtlenki.

Wynika z tego, że istotny wpływ na przebieg procesu spalania po zainicjowaniu go iskrą elek- tryczną ma to, co wytworzyło się w mieszance przed zapłonem. W związku z tym proces spa- lania w silniku o ZI obejmuje cztery umowne okresy (rys. 3.1):

1. Okres wstępny – rozpoczyna się w kolektorze dolotowym silnika i przebiega z małą, ale rosnącą intensywnością przez cały czas sprężania mieszanki. W okresie tym niektóre składniki węglowodorowe paliwa ulegają rozkładowi, reagują z tlenem tworząc w niewielkiej ilości nadtlenki, aldehydy, alkohole i kwasy organiczne. Intensywność tych reakcji zależy m.in. od właściwości paliwa i czasu stykania się jego par z powietrzem. Im czas ten jest krót- szy, np. przy zasilaniu wtryskowym tym ilość produktów reakcji okresu wstępnego jest mniejsza.

2. Okres powstawania płomienia (spalania utajonego) – rozpoczyna się w chwili poja- wienia się iskry pomiędzy elektrodami świecy zapłonowej, a kończy się (umownie) w chwili wystąpienia gwałtownego wzrostu ciśnienia spowodowanego spalaniem. W okresie tym cha- rakterystyka wzrostu ciśnienia dla mieszanki zapalonej i niezapalonej jest taka sama. Obejmu- je on czas opóźnienia zapłonu i wytworzenia się krytycznego obszaru objętego płomieniem.

Od tego czasu płomień może się rozprzestrzeniać bez żadnego dopływu energii z zewnątrz.

Pod koniec tego okresu szybkość wywiązywania się ciepła jest zbliżona do maksymalnej.

Czas trwania okresu powstawania płomienia jest zdeterminowany właściwościami paliwa

(mieszanki), energią iskry i stopniem sprężania.

3. Okres rozprzestrzeniania się płomienia (spalania właściwego) – trwa od chwili przy- rostu ciśnienia spowodowanego spalaniem do chwili wystąpienia maksymalnej wartości ci- śnienia. W okresie tym czoło płomienia rozprzestrzenia się od obszaru początkowego przez całą objętość mieszanki i następuje bardzo szybkie wywiązywanie się ciepła, któremu towa- rzyszy gwałtowny przyrost ciśnienia. Okres ten kończy się wtedy, gdy czoło płomienia do- chodzi do najodleglejszej ścianki komory spalania, czemu towarzyszy maksymalna wartość ciśnienia. Czas trwania tego okresu zależy m.in. od ukształtowania i wymiarów komory spa- lania, umiejscowienia świecy zapłonowej, stopnia zawirowania mieszanki, kąta wyprzedzenia zapłonu oraz prędkości obrotowej i właściwości paliwa.

Rys. 3.1. Przebieg zmian ciśnienia p i temperatury T w cylindrze silnika o ZI z zaznaczonymi okresa- mi spalania: I – okres wstępny, II – okres powstawania płomienia, III – okres spalania właściwego, IV – okres dopalania, 1 – wystąpienie iskry elektrycznej, 2 – początek spalania, 3 – koniec spalania

właściwego

4. Okres dopalania – trwa od chwili wystąpienia maksymalnej wartości ciśnienia do za-

kończenia wydzielania się ciepła. W okresie tym dopalają się resztki mieszanki w objętości

komory spalania, a temperatura osiąga największą wartość. Ciśnienie zmniejsza się w wyniku

wzrostu objętości zajmowanej przez ładunek i zmniejszenia doprowadzenia ciepła. Okres

dopalania kończy proces spalania.