A N N A L E S
U N I V E R . S I T A T I S M A R I A E C U R I E - S K L 0 D 0 YV S K A L U B L I N — P O L O N I A
VOL. XLVI/XLVII, 22 SECTIO AAA 1991/1992
Katedra Fizyki Akademii Rolniczej w Lublinie
K. K O R N A R Z Y N S K I , R. K O P E R , E. K R A S O W S K I * , J. W A S I L E W S K I * , T. Ć W I K Ł A * , R. M A R K O *
P om iar zaw artości tlenków azotu i tlen k u w ęgla w spalinach silnika w ysok oprężn ego za p o m o cą sp ek tro m etru m asow ego
WPROWADZENIE
Rozwój motoryzacji sprawia, że emisja do atmosfery szkodliwych dla otoczenia składników spalin daje się coraz dotkliwiej odczuć. Powoduje to wprowadzanie ostrzejszych ograniczeń źródeł tej emisji. Analiza składników spalin może umożliwić dobór optymalnych wskaźników eksploatacyjnych silnika oraz ocenę jego stanu technicznego i parametrów pracy. *
Badania prowadzono we współpracy z Zakładem Pojazdów i Silników IMR w ramach tematu TMR/DS-2 za pomocą spektrometru masowego podwójnie ogniskującego, będącego w posiadaniu Katedry Fizyki Akademii Rolniczej.
Przedmiotem badań byl silnik S-4002, zainstalowany na stanowisku dynamome
trycznym, skąd pobierano próbki gazu do analizy. Próbki te pobierano do szklanego zbiornika (poj. ok. 0,3 1), który został wcześniej odpompowany do wysokiej próżni i wygrzany. Następnie wprowadzano je do źródła jonów spektrometru mas za po
mocą układu dozującego.
POMIARY
Tlenki azotu powstają w obszarach o dużym nadmiarze powietrza i wysokiej temperaturze [2,4]. W takich warunkach najbardziej prawdopodobny jest mecha
nizm opisany reakcjami Zeldowicza rozszerzony o reakcje azotu atomowego z rod
nikiem wodorotlenowym:
1. O + N2 —► NO 4- N I reakcja Zeldowicza
Zakład Pojazdów i Silników IMR AR w Lublinie
2. 0'_> -f- N —► NO + 0 II reakcja Zeldowicza. (1) 3. N + Oli — NO + H.
Powyższy mechanizm obowiązuje dla mieszanek ubogich w paliwo. W przypadku mieszanek bardzo bogatych uwzględnia się reakcje
OH + N 2 — H C N + N C> + N 2 — 2CN C + No — ON + N gdzie dalej
CN + 0 2 - NO + CO CN + 2 0 — NO + CO
(2)
(3) CN + H2 — HCN + li
CN + ICO — II CN + OH HCN + O — IIC + NO
(4) w których mechanizmie tworzenia uwzględnia się pośrednią obecność cząsteczek HCN, CH i CN [1,2]. Dwutlenek azotu w analizowanych próbkach pochodzi z reakcji tlenku azotu z tlenem obecnym w próbce. Powstawanie NO2 opisują przedstawione poniżej reakcje: [3]
2 NO —> (NO)o
(NO)2 +
02
— 2 N 0 2J
NO + 0 2 - N 03 1 . ..
NO + N O 3— 2 N 0 2
J (0)
Zawartość NO2 w próbce została zmierzona po ustaleniu się warunków rów
nowagi. Zawartość tlenków azotu w spalinach w funkcji zmiany mocy i tempera
tury spalin została przedstawiona na rye. 1, 2, 3. Temperaturę spalin mierzono za pomocą termopary. Prędkość obrotowa silnika wynosiła 1500 obr./min. Moc efek
tywna Ne silnika wyraża się wzorem:
N e — P n k , (7).
gdzie: P — siła obciążająca wał silnika; n — liczba obrotów na minutę; k — stała hamulca (k = 2ni = 4,49); / — długość ramienia hamulca (/ =0,7 m).
Tlenek węgla powstaje na skutek niezupełnego spalania węgla w warunkach niedoboru tlenu. Spalanie węglowodorów z niedoborem tlenu możemy przedstawić ogólnym równaniem:
C*Hm + (n/ 2 ) 0 2 - nCO + (m /2)H2. (8) Powstawaniu CO sprzyja również niedostateczne rozpylenie paliwa, złe wymie
szanie z powietrzem (zavvirowanie) oraz niska temperatura procesu spalania. Tlenek węgla może powstać również w wyniku rozpadu aldehydów, które są produktem
Rye. 1. Zmiana zawartości dwutlenku azotu w funkcji mocy efektywnej silnika fila różnych kątów wtrysku paliwa
Ryc. 2. Zmiana zawarł ości t lenku azotu w funkcji temperatury spalin dla różnych kątów wtrysku paliwa
Ryc. 3. Zmiana zawartości NO2 w funkcji temperatury spalin dla różnych kątów wtrysku paliwa
M O C S I L N I K A [KW]
Ryc. 4. Zawartość tlenku węgla w spal i naci 1 w funkcji mocy efektywnej silnika dla kąta wtrysku paliwa 18°
przejściowym spalania paliwa oraz na skutek dysocjacji CO2 w wysokich tempera
turach [1,2,5]. Zmianę zawartości CO w spalinach w funkcji mocy efektywnej silnika przedstawia ryc. 4. Zawartość NO2, NO i CO w badanych próbkach spalin została oszacowana w stosunku do zawartości argonu w powietrzu, po uwzględnieniu prze
krojów czynnych na jonizację tych molekuł elektronami [6,7,8,9].
PODSUMOWANIE
Przedstawione w niniejszej pracy wyniki pomiarów zawartości tlenków azotu i tlenków węgla w spalinach emitowanych przez silnik wysokoprężny wskazują na przydatność metod spektrometrii mas w tego typu pomiarach, a wyniki badań są pomocne w ocenie sposobów eksploatacji i systemów pracy silników wysoko
prężnych.
LITERATURA
[1] K o w a l e w i c z A., Syst emy spalania szybkoobrotowych tłokowych silników spalinowych, WKL, Warszawa 1990, 55-114.
[2] W aj a n d J. A., Silniki o zapłonie samoc zy nny m, WKL, Warszawa 1987, 25-148.
[3] M c E w a n M. J., P h i l l i p s L. F., Chemistry oj the At mosphere, Edw. Arnold Publ., 1990, 276-278 .
[4] C l i o ni i a k J., Podstawowe problemy spalania, PWN, Warszawa 1977, 150-167.
[5] K r a s o w s k i E., P i e k a r s k i W. , O y u d o E. Z., Masz. ciągn. roln., 1 (1988), 13.
[6] A d a m c z y k B. , S h r a m B. L., B o e r b o o m A. J. H., K i s t e m a k e r J., J. Chem. Phy s., 44 (1966), 4610.
[7] A d a m c z y k B . , B e d c r s k i K., W ó j c i k L., S t a ń s k i T., Folia Soc. Scint. Lublin. Mat.- - Fi z . - Che m., 2, 18 (1976), 163-166.
[8] A d a m c z y k B., B e d e r s k i K., W ó j c i k L., Biomed. Env. Mass Spectrom., 16 (1988), 415 -417 .
[9] S t e p h a n K., H e l m H., K i in Y. B., S e y k o r a G., J. Chem. Phys., 73 (1980), 303-308.
