Politechnika Poznańska
Wydział Inżynierii Lądowej i Transportu
mgr inż. Maciej Siedlecki
Emisja cząstek stałych z silników pojazdów pozadrogowych z użyciem retrofittingu w rzeczywistych warunkach
eksploatacji
Rozprawa doktorska
Promotor: prof. dr hab. inż. Jerzy Merkisz Promotor pomocniczy: dr inż. Łukasz Rymaniak
Poznań 2020
Spis treści
Streszczenie ... 4
Abstract ... 6
Wykaz ważniejszych skrótów i symboli ... 8
1. Wprowadzenie ... 10
2. Emisja składników szkodliwych spalin z pojazdów o zastosowaniu pozadrogowym ... 16
2.1. Charakterystyka emisji zanieczyszczeń ... 16
2.2. Metody ograniczania emisji związków toksycznych ... 22
3. Regulacje prawne dotyczące ograniczania szkodliwych składników spalin z pojazdów o zastosowaniu pozadrogowym ... 28
3.1. Aktualnie obowiązujące przepisy w Europie ... 28
3.2. Cykle badawcze przeznaczone do pomiaru emisyjności ... 31
3.3. Retrofitting jako sposób ograniczania emisji ... 34
4. Cel i zakres pracy ... 38
5. Badanie emisji cząstek stałych z eksploatowanych pojazdów o zastosowaniu pozadrogowych ... 41
5.1. Metodyka pomiaru emisji jednostkowej zanieczyszczeń ... 41
5.2. Analiza emisji zanieczyszczeń z pojazdów pozadrogowych w rzeczywistych warunkach eksploatacji ... 44
5.2.1. Analiza rzeczywistych obciążeń obiektów badawczych ... 44
5.2.2. Emisja PM i PN w rzeczywistych warunkach ruchu ... 49
5.2.3. Emisja toksycznych związków gazowych ... 50
6. Opracowanie wirtualnego modelu filtra przeznaczonego do retrofittingu maszyn pozadrogowych ... 52
6.1. Wprowadzenie ... 52
6.2. Analiza zjawisk przepływowych ... 53
6.3. Dobór wymiarów oraz parametrów porowatości nośnika ... 61
6.4. Podsumowanie wyników ... 70
7. Opracowanie prototypów filtrów cząstek stałych ... 72
7.1. Metoda wykonywania filtrów ... 72
7.2. Podstawowe dane charakteryzujące opracowane filtry ... 72
8. Badania weryfikacyjne ... 75
8.1. Analiza wyników badań na hamowni silnikowej ... 75
8.2. Analiza emisji zanieczyszczeń z NRMM poddanych retrofittingowi ... 81
8.2.1. Opis obiektów badawczych i procedur testowych ... 81
8.2.2. Analiza wyników badań weryfikacyjnych ... 84
8.3. Analiza emisji PM i PN w odniesieniu do maszyny
spełniającej normę Stage IIIB ... 93
9. Wnioski i kierunki dalszych badań ... 96
9.1. Podsumowanie... 96
9.2. Wnioski ... 97
9.3. Kierunki dalszych badań ... 98
Literatura ... 99
Streszczenie
Praca dotyczy oceny emisji cząstek stałych z silników pojazdów pozadrogowych z użyciem retrofittingu w rzeczywistych warunkach eksploatacji. Jej treść podzielona jest na trzy główne etapy: stworzenie wytycznych, budowę filtra oraz jego weryfikację.
W pierwszym etapie opisano czym jest grupa NRMM (Non-Road Mobile Machinery) i jakie są prognozy dotyczące przyrostu liczby tego typu maszyn w kolejnych latach.
Stwierdzono, że przeciętna eksploatowana maszyna jest w znacznym wieku, a mimo zwiększania obostrzeń w kolejnych normach emisji toksycznych związków, wartość ta będzie się zwiększała. Następnie opisano składniki szkodliwe zawarte w spalinach i ich wpływ na zdrowie i życie człowieka oraz sposoby ich ograniczania. Skupiono się głów- nie na cząstkach stałych, których emisja jest głównym problemem silników ZS. Opisano nowoczesne rozwiązania stosowane w silnikach, zapobiegające tworzeniu się składni- ków toksycznych (metody silnikowe) oraz wpływające na już wytworzone związki (me- tody pozasilnikowe).
Następny etap stanowił opis badań emisji składników toksycznych spalin z dwóch maszyn NRMM oraz rejestracji ich punktów pracy za pomocą nowoczesnej aparatury PEMS (Portable Emission Measurement System). Otrzymane wyniki jednoznacznie wskazały na nadmierną emisyjność PM (Particulate Matter) i PN (Particulate Number) obydwu maszyn w warunkach rzeczywistych w porównaniu do limitów zawartych w normach homologacyjnych. Stwierdzono ponadto, że warunki rzeczywiste w niewiel- kim stopniu odwzorowują punkty zawarte w statycznym, homologacyjnym cyklu ba- dawczym. Na tej podstawie zdecydowano o modyfikacji cyklu statycznego, który w lepszy sposób odzwierciedlił rzeczywiste punkty pracy silników w czasie użytkowa- nia maszyn. Stworzony test w dalszej części pracy wykorzystano do weryfikacji sku- teczności działania proponowanego rozwiązania.
Następnie przybliżono aktualne i przyszłe przepisy dotyczące emisyjności NRMM w Europie, a także przedstawiono podział, ze względu na różnice między parametrami silników maszyn oraz zadaniami, do których są one przeznaczone. Opisano również przykłady retrofittingu na świecie jako sposobu na ograniczenie emisji przez doposaża- nie starszych silników w nowoczesne układy oczyszczania spalin.
Celem pracy jest ocena emisji cząstek stałych po zastosowaniu retrofittingu w układzie wylotowym maszyn NRMM. Do jej przeprowadzenia ponownie wykorzy- stano mobilne analizatory emisji cząstek stałych w zakresie masy, liczby i rozkładu wy- miarowego średnic, jak również toksycznych związków gazowych.
Zmierzone składy spalin oraz ich masowe natężenie przepływu posłużyły do stwo-
rzenia geometrii nośnika nowoopracowanego filtra przeznaczonego do retrofittingu, łą-
czącej zalety dwóch najpopularniejszych rodzaje nośników – przepływowego oraz
z przepływem przez ściankę. Zależności struktury nośnika sprawdzono w badaniach sy-
mulacyjnych przepływu gazów wylotowych o rzeczywistym, uprzednio zmierzonym
składzie w środowisku Ansys. Zadaniem stworzonej geometrii nośnika było zwiększe-
nie skuteczności wyłapywania i utleniania cząstek stałych przy minimalizacji oporów
przepływu. Wytworzenie filtrów o obliczonej geometrii przez przedsiębiorstwo produ-
kujące metalowe nośniki do układów oczyszczania spalin pozwoliło na sprawdzenie ich
rzeczywistej skuteczności. Stworzono siedem filtrów umożliwiających dopasowanie
opracowanego rozwiązania do różnej objętości skokowej silników oraz średnic układów
wylotowych maszyn.
Proces weryfikacji wpływu filtrów na zawartość i właściwości cząstek w spalinach
początkowo przeprowadzono na hamowni silnikowej, a następnie w rzeczywistych sa-
mojezdnych maszynach non-road w warunkach statycznych. Ponadto dokonano porów-
nania emisji PM i PN w odniesieniu do maszyny fabrycznie wyposażonej w filtr cząstek
stałych. W pracy zawarto szczegółowe wyniki względnej emisji jednostkowej cząstek
stałych i związków gazowych (węglowodorów oraz tlenku węgla) w poszczególnych
punktach pracy. Ich analiza, a także porównanie skuteczności działania w dwóch bada-
nych maszynach oraz odniesienie się do rozwiązania fabrycznego, pozwoliło na wysnu-
cie wniosków nt. działania zaprojektowanego układu. We wnioskach stwierdzono, że
umieszczenie w układzie wylotowym filtra cząstek stałych z metalowym nośnikiem w
znaczny sposób przyczynia się do ograniczenia emisji zanieczyszczeń. Uzyskana sku-
teczność była na większym poziomie niż zbliżonych rozwiązań o konstrukcji przeloto-
wej. Zakończenie stanowi podsumowanie przeprowadzonych prac, wnioski oraz kie-
runki dalszych badań.
Abstract
Particulate matter emissions in real operating conditions from non-road vehicle engines after retrofitting
The dissertation concerns the evaluation of particulate matter emissions from retro- fitted engines of non-road vehicles measured in real operating conditions. The content is divided into three main parts: creation of guidelines, production of the filter and ver- ification tests. The first chapter described what the NRMM group of vehicles is and what are the forecasts for their numerical increase in the following years. It was found that statistically the average machine in operation is of a considerable age, and despite the increasing restrictions in subsequent emission norms for toxic exhaust components, this average age will continue to increase. Then, the harmful exhaust components con- tained in exhaust gases and their impact on human health and life as well as methods of reducing them have been described. The main focus was on particulate matter, the emis- sion of which is currently the main problem faced by CI engines. Modern solutions used in engines to prevent the formation of toxic exhaust components and reducing the amount of harmful compounds already produced were described.
The next stage provided a description of the exhaust emission tests from two NRMM type machines and the recording of their operating points using modern PEMS equip- ment. The obtained results clearly indicated an excessive PM and PN emission for both machines in real operating conditions when compared to the limit values outlined in the type approval standards. Moreover, it was found that the real conditions only reflect the points included in the static approval test cycle to a very small extent. Based on these observations, it was decided to modify the static test cycle, which helped it better reflect the real operating points of the engines during the machines operation. The test was then performed and the results used to verify the effectiveness of the proposed solution.
The next chapter was an approximation of the current and future regulations regard- ing the exhaust emissions of non-road machines in Europe, as well as presenting the divisions made due to the differences between the engines parameters and the tasks and types of work for which they are intended. Examples of retrofitting done around the world as a way to reduce exhaust emissions by retrofitting older engines with modern exhaust aftertreatment systems have also been discussed.
The aim of the study is to evaluate the exhaust emission of particulate matter after retrofitting the exhaust system of machines from the NRMM category. The test was performed again with the use of mobile particulate emission analyzers in terms of par- ticle mass, number and dimensional distribution of diameters, along with toxic gaseous exhaust compounds and an exhaust mass flowmeter.
The measured exhaust gas compositions and their mass flow rate were used to create
the geometry of the carrier of a newly developed filter intended to be retrofitted, com-
bining the advantages of the two most popular types of filter carriers – open flow and
wall flow. The requirements and limitations of the filter carrier structure were assessed
by simulating the exhaust gas flow with the real, previously measured composition in
the ANSYS simulated environment. The task of the established carrier geometry was to
increase the efficiency of capturing and oxidizing of solid particles and minimizing the
exhaust flow resistance. The filters with geometry calculated this way were then manu-
factured by a company producing metal carriers for exhaust aftertreatment systems,
which enabled testing of their actual effectiveness. Seven filters were produced based
on the established designs to enable the adaptation of the developed solution to various engine displacement volumes and diameters of the machine exhaust systems.
The verification process for the effect of filters on the content and properties of par- ticles in the exhaust gases was initially carried out on an engine dynamometer, and then in real non-road mobile machines under static conditions. In addition, a comparison of the PM and PN emissions from a machine with a factory fitted diesel particulate filter was made. The dissertation contains detailed results of the relative specific exhaust emissions of solid particles and gaseous compounds (HC and CO) at individual engine operating points. The exhaust emissions analysis, as well as the effectiveness compari- son of the two tested machines exhaust systems and a reference to the factory solution, all made it possible to establish conclusions about the operation of the new designed system. The conclusions showed that placing a metal-carrier particle filter in the exhaust system significantly contributed to reducing the exhaust emissions. The obtained effi- ciency was notably higher than that of similar filter designs with an open flow structure.
The final chapter contains a summary of the work carried out, conclusions and directions
for further research, because the research performed does not fully exhaust the subject
matter.
Wykaz ważniejszych skrótów i symboli
Retrofitting – doposażanie starszych maszyn z silnikami spalinowymi w nowocze- sne układy oczyszczania spalin w celu ograniczenia emisji spalin (.
̶˃ ,) – oznaczenie przecinka dziesiętnego z powodów programowych CF – Conformity Factor – wskaźnik emisji zanieczyszczeń pojazdu CO – tlenek węgla
CO
2– dwutlenek węgla
CFD – Computer Fluid Dynamics – programy do numerycznej symulacji prze- pływów
cpsi – Cells Per Square Inch – liczba cel w nośniku katalitycznym na cal kwa- dratowy
CUC – Clean up Catalyst – reaktor nieprzereagowanego amoniaku DOC – Diesel Oxidation Catalyst – reaktor utleniający do silników ZS DPF – Diesel Particulate Filter – filtr cząstek stałych do silników ZS
DPM – Discrete Phase Model – model fazy dyskretnej używany do obliczeń nu- merycznych
ECU – Electronic Control Unit – elektroniczny sterownik silnika; główny mi- krokontroler sterujący pracą silnika i układów oczyszczania spalin; miej- sce implementacji pokładowych systemów diagnostycznych
EEPS – Exhaust Engine Particulate Sizer – analizator do pomiaru rozkładu wy- miarowego PM
EGR – Exhaust Gas Recirculation – system recyrkulacji gazów wylotowych EOBD – European On-Board Diagnostic – europejski system diagnostyki pokła-
dowej
EPA – Environment Protection Agency – Urząd Ochrony Środowiska w USA Euro – normy emisji spalin w Europie
FID – Flame Ionization Detector – detektor płomieniowo-jonizacyjny GPS – Global Positioning System – system nawigacji satelitarnej HC – węglowodory
HDV – Heavy Duty Vehicle – ciężki pojazd samochodowy
HEPA – High Efficiency Particulate Air – wysokoskuteczny filtr do oczyszczania powietrza z pyłów zawieszonych
INSOL – Insoluble Particulate Matter – frakcja rozpuszczalna cząstki stałej LDV – Light Duty Vehicle – lekki pojazd samochodowy
MSS – Micro Soot Sensor – aparatura do pomiaru masy cząstek stałych M
o– moment obrotowy silnika
n – prędkość obrotowa
NDIR – Non-Dispersive Infrared – niedyspersyjny na podczerwień NDUV – Non-Dispersive Ultraviolet – niedyspersyjny na ultrafiolet N
e– moc użyteczna silnika
NEDC – New European Driving Cycle – nowy europejski cykl jezdny – zmodyfi- kowany ECE R83 (tzw. Eurotest) z natychmiastowym poborem spalin NO – tlenek azotu
NO
x– tlenki azotu
NRMM – Non-Road Mobile Machinery – samojezdne maszyny o zastosowaniu po- zadrogowym
NRSC – Non-Road Stationary Cycle – stacjonarny cykl do badań silników grupy
non-road
NRSC–PUT – autorski, statyczny test weryfikacyjny przeznaczony do badania emisji spalin z NRMM
NRTC – Non-Road Transient Cycle – dynamiczny cykl do badań silników grupy non-road
NTE – Not To Exceed – cykl pomiarowy oparty o okna pomiarowe ON – olej napędowy
PAH – Polycyclic Aromatic Hydrocarbons – wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne
PC – Passenger Car – samochód osobowy
PEMS – Portable Emission Measurement System – mobilny system analizatorów spalin
PM – Particle Mass – masa cząstek stałych PN – Particle Number – liczba cząstek stałych ppm – parts per million – liczba części na milion
RDE – Real Driving Emissions – pomiar emisji spalin w rzeczywistych warun- kach ruchu drogowego
R
i– opór wewnętrzny R
v– opór lepki
RSM – Reynolds Stress Equation Model – model Reynoldsa, używany do obli- czeń przepływowych
SAE – Society of Automotive Engineers – Stowarzyszenie Inżynierów Samo- chodowych
SCR – Selective Catalytic Reduction – selektywna redukcja katalityczna SOF – Soluble Organic Fraction – frakcja nierozpuszczalna cząstki stałej Stage – normy emisji spalin dla pojazdów o zastosowaniu pozadrogowym
t – czas
TWC – Three Way Catalyst – reaktor katalityczny potrójnego działania UE – Unia Europejska
v – prędkość
WHO – World Health Organization – Światowa Organizacja Zdrowia ZI – zapłon iskrowy
ZS – zapłon samoczynny
1. Wprowadzenie
Rozwój układów napędowych pojazdów i maszyn poza próbami zmniejszania zuży- cia paliwa, związany jest z ograniczeniem ich negatywnego wpływu na środowisko.
Silnik spalinowy wewnętrznego spalania, już od ponad 100 lat jest głównym źródłem napędu pojazdów i maszyn. Mimo stałych ulepszeń jego budowy oraz postępu w zakre- sie stosowanych materiałów, nadal podczas jego pracy emitowane są do atmosfery liczne związki toksyczne. Należą do nich: tlenek węgla (CO), węglowodory (HC), tlenki azotu (NO
x) oraz cząstki stałe (PM) również w zakresie liczby (PN). Dwa ostatnie związki są szczególnie problematyczne w silnikach o zapłonie samoczynnym (ZS), które dominują w pojazdach ciężkich i maszynach. Analizując średnie zanieczyszczenie powietrza pyłami PM10 i PM2.5 (pyły zawieszone o wielkości cząstki o mniejszych lub równych odpowiednio 10 i 2,5 mikrometra), Polska zajmuje przedostatnie miejsce spo- śród krajów UE. Problem ten ma wiele negatywnych skutków, m.in. przyczynia się do skrócenia życia średnio od 6 do 12 miesięcy przeciętnego mieszkańca wspólnoty [64].
Według WHO (World Health Organization), 13% mieszkańców UE jest regularnie narażane na powietrze z przekroczonymi normami dotyczącymi zawartości pyłu PM10, w przypadku pyłów PM2.5 wskaźnik ten wyniósł 6% [90] . Według raportu, nadmierne zanieczyszczenie powietrza pyłami PM10 i PM2.5 przyczyniło się w 2015 roku do 422 000 przedwczesnych zgonów w Europie [90]. W Polsce liczba ta roczne wynosi 44 000 osób [44]. W kraju występują długookresowe narażenia na PM2.5 w stężeniu 20–30 µg/m
3, a w najbardziej zanieczyszczonych miejscowościach na południu Polski, wartości średnie dochodzą do 40 µg/m
3[90]. Oddychanie tak zanieczyszczonym powie- trzem w zakresie skutków zdrowotnych można porównać do wypalania od kilkuset do 3 tysięcy papierosów rocznie, co ma niebagatelny wpływ na zdrowie i występowanie chorób górnych dróg oddechowych społeczeństwa [67, 68].
Silnik w czasie pracy emituje z układu wylotowego cząstki stałe, których podstawo- wym budulcem jest sadza, pochodząca z niespalonego paliwa [23]. Cząstki stałe gene- rowane w silnikach w stosunku do pyłów PM2.5 i PM10 cechują się wielokrotnie mniej- szymi wymiarami, w ich przypadku średnice aerodynamiczne osiągają rozmiar kilku nanometrów (do 1000 razy mniejszą niż górna granica pyłu PM10, rys. 1.1) [48]. Takie cząstki są szczególnie niebezpieczne dla człowieka, gdyż w jamie nosowej odfiltrowane zostają cząstki o wielkości do około 100 nm, w gardle pozostają cząstki o średnicy do kilkunastu nm, natomiast najmniejsze trafiają do pęcherzyków płucnych, a stamtąd mogą się przedostawać do krwioobiegu. Składają się głównie z węgla, a na ich po- wierzchni zaadsorbowane są różne szkodliwe dla człowieka substancje [67], przede wszystkim węglowodory.
a b
Rys. 1.1. Wizualizacja wielkości PM: a – w stosunku do ludzkiego włosa, b – porównanie PM10, PM2.5 i najmniejszych PM [23]
Poza sektorem energetycznym, sektor transportu, a szczególnie maszyny z silnikami ZS, mają dominujący udział w emisji tlenków azotu oraz wtórnej emisji ozonu tropo- sferycznego [67]. Szacuje się, że w Europie na nadmierne stężenie NO
xnarażane jest 12% populacji. Szacuje się, że w Polsce, cząstki stałe i tlenki azotu przyczyniają się bezpośrednio do odpowiednio 1600 i 1000 zgonów rocznie [69].
W pracach obejmujących zmniejszanie emisji składników toksycznych z silników spalinowych podejmowane są liczne próby hybrydyzacji i elektryfikacji. Przykłady za- stosowania silników elektrycznych widoczne są w konstrukcjach układów napędowych w pojazdach klas PC (Passenger Car) i LDV (Light Duty Vehicle). Na rynku dla tych pojazdów wprowadzane są od wielu lat zaawansowane technicznie rozwiązania doty- czące przede wszystkim układów napędowych: hybrydowe, elektryczne oraz wykorzy- stujące ogniwa paliwowe, najczęściej oparte o wodór. Alternatywne rozwiązania ukła- dów są rzadko spotykane w pojazdach ciężkich HDV (Heavy Duty Vehicles). Podejmo- wane są jednak coraz szerzej zakrojone działania w zakresie stosowania napędów alter- natywnych w tej grupie pojazdów. Podobna sytuacja ma miejsce w przypadku maszyn o zastosowaniu pozadrogowym. Sposób ich użytkowania tj. charakterystyka pracy sil- nika nie powodują aż tak wymiernych korzyści przy hybrydyzacji, bądź napędach elek- trycznych, jak ma to miejsce w przypadku pojazdów osobowych, gdzie warunki eksplo- atacji są inne. Dla HDV wyjątek stanowią autobusy, gdzie spotykane są rozwiązania hybrydowe i elektryczne.
Rozprawa doktorska dotyczy grupy samojezdnych maszyn o zastosowaniu pozadro- gowym (NRMM – Non-Road Mobile Machinery). Zgodnie z rozporządzaniem UE nr 1686/2016 z dnia 14 września 2016 r., dla tej grupy pojazdów stosowana jest nazwa:
„maszyna mobilna nieporuszająca się po drogach”. Definiuje się ją jako: „maszynę ru- chomą, przewoźne urządzenie lub pojazd z nadwoziem lub kołami lub bez nadwozia lub kół, nieprzeznaczoną(-e) do przewozu pasażerów lub towarów po drogach oraz obejmuje maszyny montowane na podwoziach pojazdów przeznaczonych do przewozu pasażerów lub towarów po drogach” [103]. W literaturze maszyny te są czasem nazy- wane ”off-road”, jednak w języku polskim określenie to jest zarezerwowane dla pojaz- dów o zwiększonych możliwościach jazdy poza drogami utwardzonymi. Silniki maszyn należących do grupy non-road cechują się niejednokrotnie skrajnymi parametrami funk- cjonalnymi. Przykładowo, do grupy należy zarówno ręczna podkaszarka do trawy (moc silnika poniżej 1 kW) jak i maszyna budowlana przeznaczona do pracy w kopalni (moc powyżej 1000 kW).
W NRMM najczęściej jedynym źródłem napędu jest silnik o zapłonie samoczynnym zasilany olejem napędowym lub cięższymi frakcjami ropy naftowej [97] (rys. 1.2).
Główny powód stosowania tego typu silników to zmniejszone zużycie paliwa w porów- naniu do silników o zapłonie iskrowym (ZI). W pozytywny sposób wpływa to na koszty eksploatacji maszyn, za to przyczynia się do większej degradacji środowiska natural- nego w stosunku do silników o zapłonie iskrowym.
Olej napędowy, będący cięższą frakcją ropy naftowej niż benzyna, charakteryzuje
się dłuższymi łańcuchami węglowodorowymi złożonymi z atomów węgla i wodoru. Ta
właściwość powoduje, że dłużej trwa odparowanie kropel i mimo stosowania nadmiaru
powietrza wymaganego do reakcji spalania w komorze spalania (praca silnika na mie-
szankach ubogich, kiedy współczynnik nadmiaru powietrza wynosi powyżej 1) wystę-
puje problem nadmiernej emisji cząstek stałych. Powoduje to powstawanie zwiększonej
ilość sadzy. Nowoczesne rozwiązania silnikowe przyczyniają się zmniejszania emisji
cząstek stałych, jednak wymagają i wymagać będą szeregu współpracujących ze sobą
pozasilnikowych układów oczyszczania spalin do spełniania limitów zawartych
w normach homologacyjnych.
Rys. 1.2. Rodzaj paliwa stosowany w maszynach NRMM na przykładzie Niemiec [97]
Wytyczne legislacyjne w zakresie emisji zanieczyszczeń stawiane silnikom maszyn NRMM są zbliżone do tych stosowanych w pojazdach grupy HDV. W związku z tym, rozwiązania silnikowe trafiają do nich często bez zmian konstrukcyjnych [59, 62]. Pro- ces ten następuje z przesunięciem w czasie [67]. Normy emisji składników toksycznych dla silników grupy non-road, mimo innych testów badawczych niż dla HDV, są mniej rygorystyczne, tj. limity emisji jednostkowej zanieczyszczeń są na większym poziomie [13, 103]. W czasie eksploatacji starszych maszyn używane są tańsze paliwa o obniżo- nej jakości m.in. zasiarczone, bądź o dłuższych łańcuchach węglowodorowych, co jesz- cze bardziej przyczynia się do zwiększania zawartości związków toksycznych w gazach wylotowych, przede wszystkich cząstek stałych [52, 55].
Podobnie jak w pojazdach samochodowych, wprowadzanie kolejnych norm emisji jest związane najczęściej z zaimplementowaniem nowych rozwiązań w zakresie bu- dowy silników oraz pozasilnikowych układów oczyszczania spalin. Pod względem emi- syjnym, obecność tych układów pozytywnie wpływa na zawartość składników toksycz- nych w gazach wylotowych, jednak dotyczy to jedynie nowo sprzedawanych maszyn, homologowanych według nowo wprowadzanych przepisów.
Dla maszyn NRMM strategia budowy zakłada dużą trwałość, przez co średni czas ich eksploatacji jest dłuższy w porównaniu do pojazdów klasy PC. Z tego powodu po- wstaje problem użytkowania maszyn wiekowych, często w złym stanie technicznym powodującym nadmierną emisyjność zanieczyszczeń do atmosfery. Nie jest to w żaden sposób kontrolowane w czasie eksploatacji maszyny. Emisja cząstek stałych i tlenków azotu z pojazdów ciężkich i zsumowanych maszyn rolniczych oraz budowlanych w Au- stralii (rys. 1.3) wskazuje na różne tendencje panujące w tych grupach. Dla pojazdów ciężkich zanieczyszczenie cząstkami stałymi w sposób znaczący zmniejsza się od 2000 roku, w odniesieniu do tlenków azotu dopiero od około 2018 roku [76]. Tymczasem dla mniej licznej grupy NRMM prognoza wskazuje na zwiększanie obu tych wartości. Po- nownie, problemem jest przeciętny wiek maszyn na poziomie kilkunastu lat [55, 59].
Według prognoz, zwiększenie liczby pojazdów i maszyn z silnikami spalinowymi, nie tylko z grupy NRMM, wpłynie w przyszłości na zwiększoną emisję składników toksycznych. PM i NO
xpochodzące z silników ZS przyczynią się do istotnego wzrostu kosztu zdrowotnego ludzi (rys. 1.4). Według przewidywań, w Australii zwiększa się z 790 mln dolarów (2016 rok) do 4,6 mld dolarów w 2050 roku [66].
Grupa NRMM obejmuje maszyny rolnicze, budowlane, powietrzne, statki, jednostki pływające, pojazdy szynowe oraz silniki generatorowe. Najliczniejszą podgrupę NRMM zarówno w Polsce, jak i w Unii Europejskiej stanowią maszyny rolnicze [39].
W kraju obserwuje się regularny wzrost ich liczby, a także wzrost średniej mocy ich
silników (rys. 1.5). W 2016 roku liczba tego typu pojazdów wyniosła prawie 1,5 mln sztuk, a ich średnia moc to 45,3 kW [77 ] .
Rys. 1.3. Porównanie emisji NOx i PM z maszyn NRMM i pojazdów drogowych (od roku 2018 – prognoza) [66]
Rys. 1.4. Koszty zdrowotne spowodowane emisją PM2.5 i NOx do atmosfery na przestrzeni lat w Australii (od 2018 roku – prognoza) [66]
Badania [66] przeprowadzone dla terenów Polski północno-wschodniej wykazały, że średni wiek ciągnika to aż 22,4 lata. Analiza wykazała także, że wiek ten jest odwrotnie proporcjonalny do wielkości gospodarstwa (rys 1.6).
Przedstawiony stan dowodzi, że przeciętną maszynę rolniczą wyprodukowano
w 1997 roku. Taka konstrukcja by być dopuszczoną do sprzedaży, musiała w ramach
homologacji spełnić limity emisji zanieczyszczeń zawarte w normie Stage I, które są
mniejsze kilkudziesięciokrotnie od obecnie obowiązujących standardów. Maszyny te
fabrycznie nie posiadały żadnych układów oczyszczania spalin, bądź wyposażane były
jedynie w utleniający reaktor katalityczny (DOC – Diesel Oxidation Catalyst), którego
skuteczność działania po takim czasie eksploatacji może okazać się niewielka, a podze- społy silnika mogą być już wyeksploatowane.
Rys. 1.5. Liczba ciągników i ich średniej mocy w wybranych latach [77]
Rys. 1.6. Wiek ciągników w rolnictwie Polski północno-wschodniej [39]
Z powodu destrukcyjnego wpływu rozważanej grupy maszyn na środowisko natu- ralne i jednoczesnego powolnego procesu wymiany jednostek na nowe, powstała idea retrofittingu NRMM [28, 96] jako sposobu ograniczania emisji składników toksycz- nych. Retrofitting maszyn non-road to proces doposażania konstrukcji będących w eksploatacji, wyprodukowanych zgodnie ze starszymi normami homologacyj- nymi w nowoczesne układy oczyszczania spalin, bez wprowadzania zmian kon- strukcyjnych w silniku. Zmniejszanie limitów związków toksycznych w poszczegól- nych normach wpływają jedynie na nowe maszyny. Ograniczenie emisji starszych kon- strukcji powinno przynieść lepszy rezultat dla ochrony środowiska niż powolny proces wymiany maszyn na nowsze przez użytkowników, a koszt retrofittingu także jest od kilku do kilkudziesięciokrotnie mniejszy, niż taka wymiana.
Idea stosowania nowoczesnych układów oczyszczania spalin polega na ograniczeniu przez nie nadmiernego stężenia składników gazowych spalin w chemicznych reakcjach katalitycznego utleniania, bądź redukcji. W przypadku cząstek stałych obecnych w spa- linach stosowany jest filtr, w którym gromadzone są cząstki, a następnie okresowo, bądź w sposób ciągły utleniane. Implementacja nowego rozwiązania polega na dodaniu w układzie wylotowym elementów i nie wymaga ze strony operatora maszyny żadnych
1418,4 1436,1 1491,7
37,9 42,5 45,3
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
2010 2013 2016
Liczba ciągników [tys. szt.]
Rok Liczba ciągników w Polsce [tys. sztuk] Średnia moc [kW]
dodatkowych działań związanych z obsługą. Proces retrofittingu był już przeprowa-
dzany w pojazdach innych grup, jednak jest on nieustannie rozwijany i wdrażany
w nowych obszarach transportu i eksploatacji maszyn.
2. Emisja składników szkodliwych spalin z pojazdów o zastosowaniu pozadrogowym
2.1. Charakterystyka emisji zanieczyszczeń
Reakcje spalania w silniku mają na celu uwolnienie energii chemicznej zawartej w paliwie i przekształcanie jej w energię cieplną. Następnie za pomocą elementów me- chanicznych energia ta zamieniana jest na pracę mechaniczną. W pojazdach typu non- road stosowane paliwo to przede wszystkim pochodne ropy naftowej. Są to węglowo- dory, które różnią się długością łańcuchów, tj. liczbą atomów węgla oraz wodoru w cząsteczce. Ogólnie – reakcje spalania węglowodorowego można opisać w następu- jący sposób [61]:
C
xH
y+ O
2̶˃ CO
2+ H
2O + energia (2.1) Jest to reakcja spalania mieszanki, w której paliwo jest w całości wymieszane z powietrzem i występuje w formie gazowej, a stosunek paliwa i powietrza jest dobrany tak, żeby nie powstały inne związki poza dwutlenkiem węgla i parą wodną. Dla oleju napędowego stosunek ten wynosi około 14,7 kg powietrza do 1 kg paliwa, co wynika z bilansu molowego opisywanej reakcji [61]. W czasie procesu wydziela się energia i wzrasta ciśnienie oraz temperatura. Dwutlenek węgla jest produktem reakcji spalania bezpośrednio związanym ze zużyciem paliwa. Jedynym sposobem na zmniejszenie jego emisji, jest ograniczenie zużycia paliwa spowodowane zwiększenie sprawności silnika tj. stopnia wykorzystania energii zawartej w paliwie. Maksymalna wartość uzyskiwana dla dwusuwowych silników okrętowych (należących do grupy NRMM) przekracza 50% [82]. Sprawność ogólna podczas rzeczywistej eksploatacji maszyn budowlanych i rolniczych jest stosunkowo niewielka i wynosi około 10–25%. Przybliżone składowe sprawności silnika spalinowego przedstawiono na wykresie Sankeya (rys. 2.1).
Rys. 2.1. Przybliżony podział energii zawartej w paliwie w ramach pracy silnika spalinowego [102]
Sprawność ogólna silnika o zapłonie samoczynnym jest zależna od punktu pracy
i zazwyczaj osiąga maksimum w zakresie około 80% maksymalnego obciążenia oraz
40% prędkości obrotowej zakresu całkowitego, jednak jest to związane z konstrukcją
danej jednostki [8]. Ilość powstającego CO
2zwiększa się wraz ze wzrostem mocy sil-
nika pojazdu, na skutek zużycia paliwa. Przyjmuje się, że zużycie 1 dm
3benzyny, po-
woduje emisję do atmosfery 2,4 kg CO
2[49], a oleju napędowego 2,64 kg. Należy zatem
w takich rozważaniach skorzystać ze wskaźników jednostkowych. W tym przypadku jednostkowego zużycia paliwa (g
e):
𝑔
𝑒=
𝐺𝑒𝑁𝑒
(2.2)
gdzie: Ge – sekundowe zużycie paliwa, Ne – moc silnika
Emisja CO
2nie jest w żaden sposób limitowana przez ustawodawców [37, 74]. Służy ona wyłącznie do określania tzw. „okien pomiarowych”, w których dokonywana jest ocena emisji zanieczyszczeń.
Dwutlenek węgla uważany jest za składnik szkodliwy, negatywnie wpływający na atmosferę, prowadzący do zwiększenia temperatury na Ziemi. W porównaniu do 1906 roku, średnia temperatura na kuli ziemskiej w 2018 roku była wyższa o 0,9°C [100].
Jednakże biorąc pod uwagę sektor transportu w UE, można zauważyć tendencję spad- kową emisji CO
2. W Polsce od 1999 roku poziom utrzymuje się na zbliżonym poziomie, który wynika ze spalania paliw przez środki transportu oraz maszyny produkcyjne. Cał- kowita zawartość dwutlenku węgla w atmosferze w powolny sposób zwiększa się, a to w przyszłości może negatywnie wpływać na sprawność intelektualną i funkcje poznaw- cze ludzi, jako niedostosowanych do życia w takiej atmosferze [92].
Zgodnie z wytycznymi UE, w pojazdach kategorii NRMM emisja dwutlenku węgla nie jest mierzona. Wartości jednostkowej emisji CO
2są podawane jedynie przez produ- centów jako dane reklamowe, bądź porównawcze stanowiące substytut zużycia paliwa i w efekcie koszt eksploatacyjny. Porównanie dwóch różnych silników między sobą umożliwia charakterystyka ogólna, najczęściej nieujawniana użytkownikom silników.
Niedoskonałości procesu spalania, związane przede wszystkim z krótkim czasem procesu spalania w silniku tj. niewystarczające odparowanie i wymieszanie się paliwa z powietrzem w komorze spalania, powodują powstawanie związków toksycznych, do których zaliczyć można: tlenek węgla, węglowodory oraz cząstki stałe (rys. 2.2). Jed- nocześnie temperatura procesu spalania ma bezpośredni związek z formowaniem się i emisją tlenków azotu [26, 58].
Rys. 2.2. Skład gazów wylotowych z silnika ZS [93]
W składzie spalin z silnika ZS, w odróżnieniu do większości silników ZI zasilanych
benzyną, znajduje się do kilkunastu procent tlenu, niewykorzystanego do procesu spa-
lania. Jego stężenie zmniejsza się wraz ze zwiększaniem obciążenia [102]. To powoduje
różnice w składzie spalin w stosunku do silników ZI [93].
Stosowany w zagadnieniach silnikowych współczynnik λ stanowi iloraz rzeczywistej ilości powietrza dostarczanego do komory spalania oraz wartości teoretycznej potrzeb- nej do całkowitego i zupełnego utleniania danej masy paliwa [46]. W nowoczesnych silnikach ZS współczynnik ten waha się od około 8 (brak obciążenia) do 1,4 (praca w zakresie parametrów znamionowych) [22]. Zakres ten stosowany jest ze względu na granice dymienia silnika. Zmniejszenie zawartości tlenu ograniczone jest do takiej war- tości, kiedy gwałtownie rośnie produkcja składników toksycznych przy jednoczesnym spadku mocy i zwiększeniu jednostkowego zużycia paliwa objawiające się zmniejsze- niem przejrzystości spalin. Powodem zaistnienia zjawiska dymienia jest zwiększona za- wartość cząstek stałych oraz niespalonych węglowodorów.
Tlenek węgla i węglowodory znajdujące się w gazach wylotowych są najczęściej skutkiem odpowiednio niezupełnego i niecałkowitego procesu spalania mieszanki pali- wowo-powietrznej. Mimo występowania w cylindrze silnika ZS globalnego nadmiaru powietrza, lokalnie występuje jego brak. W cylindrze może dojść do nieodparowania paliwa spowodowanego chłodzeniem jego kropli przez elementy konstrukcyjne, takie jak cylinder, głowica lub tłok [56]. Drugim źródłem emisji węglowodorów jest skrzynia korbowa, w której panuje zwiększone ciśnienie, na skutek przedmuchów gazów z ko- mór spalania. Za jego odprowadzenie odpowiedzialny jest układ odpowietrzania skrzyni korbowej, który kieruje mgłę do układu dolotowego w czasie pracy silnika. Silnik musi pozostawać szczelny, także podczas postoju, gdyż mogłoby to powodować emisję wę- glowodorów pochodzących z paliwa, oleju smarującego lub hydraulicznego bezpośred- nio z silnika bez fazy spalania. Wymóg ten jest określony w badaniach homologacyj- nych [9]. Źródłem podwyższonej emisji tych związków może być też zły stan tech- niczny silnika.
Tlenek węgla działa toksycznie na ludzi przez powinowactwo do hemoglobiny około 250 razy większe niż tlen [54]. Dysocjacja powstałej karboksyhemoglobiny następuje 10 razy wolniej niż oksyhemoglobiny. W ten sposób CO blokuje hemoglobinę dla tlenu, co przy dłuższej ekspozycji prowadzi do śmierci człowieka na skutek braku oddychania wewnątrzkomórkowego. Najczęstsze objawy zatrucia (bóle i zawroty głowy, wymioty) mogą sugerować infekcję grypopodobną, zatrucie pokarmowe czy inną infekcję wiru- sową [27]. Tlenek węgla jest bezwonny, stężenie w powietrzu wdychanym na poziomie 0,02% ma negatywny wpływ na zdrowie człowieka, a zagrożenie dla życia powodują już stężenia na poziomie 0,1% [60] w otaczającym powietrzu. Z tego powodu w po- mieszczeniach o niewielkim stopniu wentylacji (np. w garażach i parkingach podziem- nych) instalowane są czujniki CO. Omawiany związek w warunkach normalnych ma mniejszą gęstość niż powietrze atmosferyczne.
Wśród węglowodorów zawartych w gazach wylotowych można wyróżnić około 180 ich typów o określonej budowie [92]. Szczególnie niebezpieczne dla człowieka są wę- glowodory aromatyczne (PAH – Policyclic Aromatic Hydrocarbons). Po przedostaniu się do organizmu mogą doprowadzić do uszkodzenia szpiku kostnego, wątroby, nerek, utraty świadomości, a nawet śmierci. Mają ponadto silne działanie narkotyczne i rako- twórcze. Są one emitowane zarówno w formie gazowej, jak i występują na cząstkach sadzy, będąc składową cząstek stałych [48].
Głównym składnikiem powietrza atmosferycznego jest azot, często wykorzystywany
w technice jako gaz obojętny zachowujący swoje właściwości fizykochemiczne w du-
żym zakresie temperatury. Warunki panujące w komorze spalania silnika tj. ciśnienie
i temperatura sprawiają, że atomy tlenu i azotu mogą się ze sobą łączyć. W ramach
powstawania tlenków azotu opracowano 3 główne modele opisujące mechanizm ich
powstawania w procesach silnikowych. Pierwszy jest opisany przez Zeldowicza [2] i to
jest on najczęściej stosowany w teorii silnikowej. Pozostałe modele to: przekształcenie
gazowego azotu w tlenki azotu w obecności węglowodorów zawartych w paliwie – mo- del szybki (Fenimora) oraz model uwzględniający zależność ciśnienie–temperatura (N
2O) [26].
W zależności od stopnia utlenienia azotu powstające związki różnią się właściwo- ściami fizycznymi i chemicznymi. Procentowo, największa jest zawartość tlenku azotu II (NO), a następnie tlenku azotu IV (NO
2). NO jest gazem bezbarwnym bez smaku i zapachu. W atmosferze powietrza przekształca się w NO
2, który jest wyczuwalny, cha- rakteryzuje się ostrym, duszącym zapachem. Próg wyczuwalności zapachu i efektów drażniących jest zbliżony i waha się w granicach 0,23–0,41 mg/m
3. Kilkuminutowa eks- pozycja na stężenia 7,5–9,4 mg/m
3powoduje wyraźny wzrost oporów oddechowych utrzymujący się kilkadziesiąt min [62]. Ostra, krótkotrwała ekspozycja na wysokie stę- żenia 94–7500 mg/m
3powoduje obrzęk płuc i zgon, a jeśli chory przeżyje ostrą fazę rozwija się włóknikowo – zakrzepowe zapalenie oskrzelików i zapalenie płuc (choroba silosowa) [60]. Dwutlenek azotu wchodząc w kontakt z wodą, powoduje wytwarzanie kwasu azotowego i azotawego – silnie żrący, bezbarwny płyn brązowiejący w świetle.
Jest niebezpieczny dla ludzi i środowiska ze względu na silne właściwości utleniające i dużą łatwość inicjowania reakcji chemicznych. Naturalna zawartość tlenków azotu w atmosferze jest o 1–2 rzędy wielkości mniejsza niż w centrach miast (odpowiednio 0,4 i 50 µg/m
3). Ocenia się, że transport drogowy jest odpowiedzialny za około 40%
całkowitej emisji NO
xw Europie, z czego 80% udziału pochodzi z silników o ZS [68].
Największym problemem zarówno silników ZS, jak i nowoczesnych ZI z wtryskiem bezpośrednim paliwa jest emisja cząstek stałych. Jest to ogólny termin używany na określenie zanieczyszczenia powietrza cząstkami zawieszonymi o różnej wielkości, składzie i pochodzeniu. W przypadku silników spalinowych można je scharakteryzować jako aglomeraty sadzy wraz z zaadsorbowanymi substancjami frakcji nierozpuszczalnej INSOL (Insoluble Fraction) i frakcji rozpuszczalnej SOF (Soluble Organic Fraction) [57]. W skład tej pierwszej wchodzi głównie węgiel, w budowie zbliżony do grafitu, który powstaje ze skondensowanych pierścieni węglowodorowych sześcio i pięcioczło- nowych [5]. Charakteryzuje się on dużym stosunkiem powierzchni objętości do masy – 1 g sadzy ma powierzchnię około 150 m
2[19]. Poza węglem do frakcji SOL należą także siarczany, azotany, metale oraz pozostałe cząstki zawierające węgiel (rys. 2.3).
Frakcja rozpuszczalna definiowana jest jako możliwa do wyodrębnienia przez dichlo- rometan [57].
Rys. 2.3. Schemat budowy cząstki stałej pochodzenia silnikowego [65]
Cząstki stałe ze źródeł motoryzacyjnych to cząstki o średnicach nanometrycznych, znacznie mniejszych niż pyły mierzalne w powietrzu PM10 i PM2.5. Za cząstki
„drobne” uważa się takie, których średnica jest mniejsza niż 1 µm, natomiast „najdrob- niejsze”, gdzie jest ona mniejsza niż 0,1 µm. Występują one w spalinach pochodzących z silników ZS i ZI. Z uwagi na małą gęstość, cząsteczki sadzy mogą utrzymywać się w atmosferze przez długi czas. W literaturze naukowej coraz częściej stawiane są tezy, iż sadza jest czynnikiem ocieplającym klimat [38, 71, 74].
Kształt i struktura cząstki stałej jest nieregularna, co przedstawiono na rysunku 2.4.
W badaniach silników spalinowych, ze względu na możliwości pomiarowe aparatury, przyjmuje się w obliczeniach i pomiarach jej zastępczy, sferyczny kształt. Z tego po- wodu do opisu ich wielkości stosowana jest tzw. średnica aerodynamiczna cząstki. Jest to umowny sposób oznaczania m.in. rozkładu wymiarowego cząstek stałych, umożli- wiający ich identyfikację i porównanie.
Wielkość i skład cząstki stałej jest mocno uzależniony od punktu jej poboru z układu wylotowego silnika. Oddalenie punktu poboru cząstek od silnika powoduje zmniejsze- nie temperatury spalin, czego efektem jest wzrost średnicy aerodynamicznej cząstek m. in. przez wykraplanie się węglowodorów będących początkowo w fazie gazowej.
Inną przyczyną może być nukleacja powodująca zwiększanie się cząstek o średnicach z zakresu 5–200 nm, tworzących się po rozcieńczaniu spalin oraz agregacja w zakresie 600–1000 nm (rys. 2.5). Poza średnicą, gęstość cząstek jest bezpośrednio związana z ich składem chemicznym [30, 57].
W 2012 roku WHO uznało jako silnie kancerogenne spaliny z silników ZS wyposa- żonych w nowoczesne układy spalin, głównie przez zawartość cząstek stałych [90].
Sposób oddziaływania omawianego zanieczyszczenia na organizm ludzki jest mocno uzależniony od jego rozkładu wymiarowego. Cząstki większe niż 10 µm zatrzymywane są w górnych drogach oddechowych, co umożliwia ich późniejsze usunięcie z organi- zmu. Czterokrotnie mniejsza średnica powoduje ich przedostawanie się do płuc, gdzie elementy składowe rozpuszczając się w cieczach biologicznych przenikają do krwioo- biegu (rys. 2.6) [7]. Przebywanie w miejscach o znacznym stężeniu cząstek stałych przyczynia się do licznych chorób układu oddechowego takich jak astma lub zapalenie oskrzeli, a w skrajnych przypadkach nawet do śmierci. Najmniejszą odporność na od- działywanie cząstek stałych cechują się ludzie z chorobami serca i płuc, osoby w pode- szłym wieku oraz dzieci [57].
Badania przeprowadzone przez [56] wskazały, że pierwotne cząstki emitowane z sil- ników spełniających normy Euro IV są znacznie mniejsze niż te z silników homologo- wanych według starszych norm. Większe ciśnienie wtrysku paliwa powoduje utworze- nie mniejszych jego kropel, co ułatwia odparowanie, przyczyniając się do zmniejszenia stężenia PM, ale zwiększania PN. Powoduje to większy, negatywny wpływ na zdrowie ludzi.
Rys. 2.4. Widok rzeczywistych cząstek stałych ze spalin w powiększeniu [40]
Rys. 2.5. Zależność liczby i masy cząstek stałych od ich średnicy [48]
Rys. 2.6. Rozkład stopnia zatrzymywania pyłów (U) w różnych częściach układu oddecho- wego człowieka w zależności od średnicy (D) [7]
Znacznym i coraz częściej poruszanym problemem jest emisja PM i PN z opon oraz elementów ciernych hamulców. Dotyczy to praktycznie wszystkich maszyn i pojazdów samobieżnych, nawet elektrycznych, uważanych za zeroemisyjne. Obecnie prowadzone są programy pilotażowe do stworzenia w przyszłości zasad pomiaru i limitów emisji cząstek z tych elementów.
2.2. Metody ograniczania emisji związków toksycznych
Metody oczyszczania spalin czyli minimalizacji składników toksycznych powstają- cych w silniku można podzielić na rozwiązania silnikowe i pozasilnikowe [85]. Te pierwsze dotyczą bezpośredniego działania na przebieg procesu spalania. Natomiast drugie z wymienionych obejmują niwelowanie zanieczyszczeń uzyskane przez oczysz- czenie gazów wylotowych zawierających składniki toksyczne (procesy chemicznego utleniania, redukcji i filtrowania). Metody silnikowe używane w pojazdach o zastoso- waniu pozadrogowym wymieniono poniżej. Są to metody powszechnie używane w sil- nikach ZS także innych grup pojazdów i maszyn.
Układ wtryskowy common rail
Starsze rozwiązania zasilania paliwem silników ZS, wykorzystujące pompy rozdzie-
laczowe, sekcyjne oraz pompowtryskiwacze zastąpiono metodą wtrysku typu common
rail. Do głównych zalet tego układu zalicza się zwiększenie ciśnienia wtryskiwanego paliwa oraz uniezależnienie kąta obrotu wału korbowego od czasu, w którym ma nastą- pić wtrysk, a także wielkość i podział dawki paliwa. Podział dawki paliwa zmniejsza chwilowe przyrosty ciśnienia w komorze oraz zwiększa czas odparowania. Pozytywnie wpływa to na uzyskiwany moment obrotowy i moc, a także zmniejszenie emisji skład- ników toksycznych (PM i PN).
Ciśnienie wtryskiwanego oleju napędowego dochodzi w maszynach NRMM do 240 MPa [40], przy czym najczęściej występują konstrukcje charakteryzujące się wartością maksymalną ok. 160 MPa. Większe ciśnienie wtrysku powoduje powstawanie mniej- szych kropel paliwa, a jednocześnie większa ich liczba, posiada większą powierzchnię wymiany z otoczeniem przy tej samej masie cząstek. Wynikające z tego lepsze odparo- wanie w znaczący sposób wpływa na zmniejszenie masy powstających cząstek stałych, jednak może prowadzić do zwiększonej ich liczby w zakresie średnic nanometrycznych.
Uniezależnienie momentu wtrysku paliwa sterowanego elektrycznie pozwoliło również na szerokie zastosowanie filtrów cząstek stałych i stosowanie ich regeneracji aktywnej przez wtrysk tzw. dawki lub dawek dopalających, zwiększających temperaturę spalin [94]. Dane ośrodków badawczych wskazują, że dalsze zwiększanie ciśnienia wtrysku paliwa nie niesie za sobą pozytywnego wpływu na rozpylenie i wymieszanie paliwa z powietrzem [6], a zwiększa opory własne silnika. Schemat przykładowego układu przedstawiono na rys. 2.7.
Rys. 2.7. Schemat układu common rail [93]
Recyrkulacja spalin (EGR – Exhaust Gas Recirculation)
Recyrkulacja spalin ma na celu wprowadzenie części gazów wylotowych z powro- tem do cylindra silnika (recyrkulacja zewnętrzna) lub celowe zatrzymanie większej ich objętości w komorze (recyrkulacja wewnętrzna). W nowoczesnych rozwiązaniach spo- tyka się również zaawansowane systemy chłodzenia recyrkulowanych spalin. Obecność gazów wylotowych w cylindrze wpływa na zmniejszenie nadmiaru tlenu, a także za- kłóca przebieg spalania, zmniejszając maksymalną temperaturę tego procesu. W efekcie stężenie powstających tlenków azotu jest mniejsze. Stopień recyrkulacji spalin jest naj- większy na biegu jałowym i zmniejsza się wraz ze zwiększaniem obciążenia silnika, aż do jego braku przy maksymalnych wartościach.
Zmniejszanie temperatury oraz wygaszanie płomienia korzystnie wpływa na tworze-
nie się tlenków azotu w komorze spalania, jednak sprzyja także powstawaniu cząstek
stałych. Zmniejszenie zawartości NO
xw spalinach wynosi do 40% w silnikach ZI oraz
do 50% w silnikach ZS [93]. Schemat układu EGR przedstawiono na rysunku 2.8. Układ
EGR niegdyś sterowany był pompą podciśnieniową w silnikach ZS, obecnie sterowany jest silnikiem krokowym dając możliwość dokładniejszego dozowania spalin.
Rys. 2.8. Schemat układu EGR [91]
System start-stop oraz pozostałe rozwiązania silnikowe
Znaczną część udziału czasu pracy maszyn roboczych stanowi praca na biegu jało- wym, gdzie energia jest zużywana na pokonanie oporów własnych jednostki. Z tego powodu wprowadzono systemy wyłączania silnika spalinowego w czasie, gdy nie jest on wykorzystywany. Do działania systemu potrzebne są określone warunki, czyli m.in.
stopień nagrzania cieczy chłodzącej oraz oleju, a także brak zwiększonego zapotrzebo- wania na prąd wytwarzany przez alternator [40]. Nawet chwilowe unieruchomienie sil- nika pozytywnie wpływa na zużycie paliwa. Nowoczesne silniki na rozruch zużywają dawkę paliwa równą 10 s pracy silnika na biegu jałowym [8, 104].
Inne nowoczesne rozwiązań to downsizing, zmienny stopień sprężania, pompa oleju o zmiennym wydatku oraz zaawansowane systemy chłodzenia. Na tą chwilę nie są one jednak stosowane w silnikach maszyn NRMM na masową skalę, jednak przewiduje się zastosowanie tych konstrukcji w przyszłych latach w wyniku transferu nowoczesnych rozwiązań z pojazdów HDV.
Utleniający reaktor katalityczny (DOC – Diesel Oxidation Catalyst)
Zmniejszenie stężeń gazowych składników toksycznych zawartych w spalinach rea- lizowane jest głównie w reakcjach utleniania oraz redukcji. Silnik ZS użytkowany jest w zakresie mieszanek ubogich, a przy nadmiarze tlenu w spalinach nie jest możliwa katalityczna redukcja bez dodatkowych substratów. Z tego powodu w silnikach ZS sto- sowany jest reaktor katalityczny, który odpowiada jedynie za utlenianie zawartych w spalinach węglowodorów oraz tlenku węgla (rys. 2.9). Jednocześnie przywołany pro- ces wpływa także na zmniejszenie wymiarów cząstek stałych, następuje częściowe utle- nianie związków na nich zwartych zmniejszając PM, bez wpływu na PN. DOC działa utleniająco na wszystkie związki zawarte w gazach wylotowych przyczyniając się także do zwiększenia stężenia tlenku azotu (IV), przez utlenianie tlenku azotu (II) [20].
Nośnik DOC wykonywany jest najczęściej z materiałów ceramicznych, rzadziej z metalu i zwykle ma kształt walcowaty. Cechuje się budową plastra miodu i pokrywany jest katalitycznie związkami opartymi o pierwiastki silnie utleniające, przede wszystkim platyną i palladem [19]. Nośnik oddziela się warstwą izolującą i umieszcza w metalowej obudowie, w nowszych rozwiązaniach układy są integrowane w jedną obudowę [40].
Ma to powodować ich szybsze nagrzewanie i skuteczność działania. Do osiągniecia
50% skuteczności utleniania związków toksycznych wymagane jest uzyskanie tempe- ratury ok. 250
oC przez nośnik [40]. DOC umieszczony jest zwykle w układzie wyloto- wym jako pierwszy element oczyszczający spaliny, gdyż reakcje na nim zachodzące mają charakter egzoenergetyczny i zwiększają temperaturę spalin, co jest pożądane w dalszych procesach zachodzących w układzie. Rozwiązanie to jest szeroko rozpo- wszechnione w silnikach ZS ze względu na bezobsługowość i znaczną sprawność dzia- łania w zakresie oczyszczania spalin. Wraz z wiekiem i użytkowaniem silnika reaktor podlega starzeniu a skuteczność jego działania zmniejsza się. Reaktor utleniający uży- wany jest także w silnikach ZI pracujących na mieszankach ubogich.
Rys. 2.9. Widok ceramicznego nośnika reaktora utleniającego [43]
Filtr cząstek stałych (DPF – Diesel Particulate Filter)
W coraz powszechniejszych systemach DPF cząstki stałe osadzają się na filtrze, a następnie są dopalane w różnego rodzaju procesach regeneracji. Filtry różnią się bu- dowa wewnętrzną. Do najpopularniejszych należą rozwiązania z przepływem przez ściankę i naprzemiennie zaślepionymi kanałami (wall-flow) oraz filtry przepływowe (flow-through) (rys. 2.10).
W zastosowaniach producenckich zdecydowanie większą popularnością cechuje się filtr typu wall-flow (rys. 2.11), ze względu na większą skuteczność działania, jednocze- śnie związaną z większym kosztem wytworzenia. Na rynku zamienników układów oczyszczania spalin dominują filtry metalowe w strukturze flow-through cechujące się gorszą skutecznością działania, ale większą odpornością mechaniczną.
a b
Rys. 2.10. Schemat ideowy filtra cząstek stałych: a – flow-through, b – wall-flow
[40
]Rys. 2.11. Struktura filtra cząstek stałych z nośnikiem ceramicznym [40]
Cząstki stałe zawarte w spalinach osadzają się na ściankach filtra, których porowa- tość umożliwia przepływ gazów. Ich nadmierna ilość wpływa na zwiększenie oporów przepływu, które mierzone jest przez czujniki różnicy ciśnienia przed i za filtrem.
W chwili wystąpienia zbyt dużej różnicy ciśnień (nadmierna ilości PM) oraz szeregu innych czynników (m. in. wymaganej temperatury cieczy chłodzącej i oleju) rozpo- czyna się proces regeneracji aktywnej. Także bez tej informacji sterownik silnika okre- sowo przeprowadza próbę regeneracji filtra [78].
Regeneracja aktywna polega na sztucznym zwiększaniu temperatury gazów wyloto- wych, gdyż do utleniania się sadzy wymagana jest temperatura powyżej 550
oC (dla fil- trów pokrytych katalitycznie około 400
oC). Układ wtryskowy silnika spalinowego do- starcza wtedy dawki dopalające – paliwo wtryskiwane jest pod koniec procesu spalania, bez generowania momentu obrotowego na wale korbowym (rys. 2.12) [94].
Drugim sposobem na oczyszczanie filtra jest regeneracja pasywna, czyli taka która zachodzi bez udziału użytkownika pojazdu lub maszyny. Do utleniania cząstek stałych wykorzystywany jest wtedy tlenek azotu (IV), który poza pochodzeniem z silnika, wy- twarzany jest również w DOC z reakcji utleniana tlenku azotu (II). Do realizacji tego procesu wymagane jest osiągniecie temperatury nośnika filtra pokrytego katalitycznie powyżej 250
oC [19]. Na rynku spotykane są rozwiązania silnikowe, gdzie filtr regene- rowany jest jedynie w sposób pasywny, dotyczy to głównie pojazdów grupy HDV [29, 32, 40]. W normach homologacyjnych, tego typu regeneracja nosi nazwę regeneracji nieczęstej (okresowej) [80].
Rys. 2.12. Podział dawki paliwa w nowoczesnym silniku ZS w czasie regeneracji DPF [94]
Najczęściej w układzie wylotowym, poprawnie użytkowanej maszyny z filtrem czą-
stek stałych zachodzą obydwa rodzaje regeneracji. Ich występowanie związane jest
z punktami pracy silnika (rys. 2.13). Proces retrofittingu zakłada użycie filtra o działaniu
pasywnym, bez potrzeby działań ze strony operatora/kierowcy.
Rys. 2.13. Zależność punktu pracy silnika od typu regeneracji filtra cząstek stałych dla NRMM [40]
Filtr cząstek stałych zwykle znajduje się w jednej obudowie razem z DOC (rys. 2.14).
W silnikach z filtrami DPF producenci zalecają zastosowanie olejów tzw. niskopopio- łowych (low-saps). Ich główną właściwością jest to, że podczas ich spalania powstaje mniej cząstek stałych, co wydłuża czas między kolejnymi procesami regeneracji aktyw- nej. Według badań przedstawionych w [13, 45] przebieg ten może zwiększyć się nawet o 30%.
Rys. 2.14. Zastosowanie reaktora utleniającego i filtra cząstek stałych w silniku przeznaczo- nym do NRMM [40]
Selektywna redukcja katalityczna (SCR – Selective Catalytic Reduction)
Dotychczas wymienione pozasilnikowe układy oczyszczania spalin nie oddziały- wały w żaden sposób na zmniejszenie emisji tlenków azotu z silników ZS. W tym ob- szarze najpopularniejszym rozwiązaniem jest selektywna redukcja katalityczna SCR.
W tym rozwiązaniu do spalin wtryskiwany jest 32,5% roztwór mocznika noszący han- dlowa nazwę AdBlue. Na skutek termolizy z roztworu wydziela się amoniak, który w obecności katalizatora redukuje tlenki azotu do azotu i wody. W układzie wylotowym znajduje się reaktor katalityczny, który przyspiesza tą reakcje. Zwykle jest elementem oddalonym od silnika, ze względu na brak wymogów temperaturowych, występujących dla DOC i DPF (rys. 2.15). Przed reaktorem umieszczony jest tzw. mikser mający za zadanie zawirować ruch spalin i lepiej wymieszać je z wtryskiwanym roztworem [31].
Za układem umieszczony jest reaktor nieprzereagowanego amoniaku CUC (Clean-Up
Catalyst), który jest także składnikiem toksycznym i jego stężenie w spalinach jest li-mitowane w niektórych grupach pojazdów [9].
Rys. 2.15. Pozasilnikowe układy oczyszczana spalin używane w nowoczesnych silnikach ZS [52]
3. Regulacje prawne dotyczące ograniczania szkodliwych składników spalin z pojazdów o zastosowaniu
pozadrogowym
3.1. Aktualnie obowiązujące przepisy w Europie
W Unii Europejskiej pierwsze wytyczne dotyczące badań pojazdów pozadrogowych zawarto w dyrektywie UE 97/68/EC z dnia 16 grudnia 1997 roku. Przedstawiono tam definicje maszyn grupy non-road wraz z ich podziałem, określono testy badawcze, a także zdefiniowano limity poszczególnych składników toksycznych w ujęciu emisji jednostkowej zanieczyszczeń. Dyrektywa zakładała, tak jak w przypadku grupy HDV, badanie samych silników na hamowniach w teście statycznym oraz dynamicznym [13].
Późniejsze zmiany, wprowadzone z nowymi przepisami nazwanymi w języku polskim
„Etapami”, a w angielskim „Stage” oznaczane są cyframi rzymskimi (tabl. 3.1). W ra- mach niniejszej pracy autor będzie używał określenia „Stage”. Kolejne publikowane Dyrektywy są wydawane jako aktualizacje starszych aktów. Obecnie, emisję składni- ków toksycznych przez silniki maszyn kategorii non-road reguluje Rozporządzenie UE 2018/989. Norma wprowadza podział maszyn na kilka kategorii w zależności od rodzaju silnika, jego mocy i przeznaczenia maszyny (tabl. 3.2).
Tablica 3.1. Chronologia dyrektyw dla maszyn non-road w UE [16]
Numer dyrektywy
Data wpro-
wadzenia Opis
97/68/EC 12.1997 Wprowadzenie norm Stage I i II dla silników ZS o mocach 37
–
560 kW 2002/88/EC 12.2002 Rozszerzenie norm do silników ZI oraz minimalnej mocy silnikówdo 18 kW
2004/26/EC 04.2004
Wprowadzenie wytycznych dla Stage IIIA, IIIB oraz IV, wprowadze- nie norm dla silników ZS poniżej 18 kW oraz pojazdów szynowych i
jednostek pływających
2006/105/EC 11.2006 Wprowadzenie zmian w zakresie homologacji do dyrektywy 97/68/EC 2010/26/EU 03.2010 Zmiana w zakresie wymagań dla Stage IIIB oraz IV 2011/88/EU 11.2011 Zmiany w punktach pracy dla silników Stage IIIB 2012/46/EU 12.2012 Zmiany w dyrektywie 97/68/EC spowodowane rozwojem
technologii pomiarowej
W ramach pracy doktorskiej skupiono się na grupie silników kategorii NRE (tabl.
3.2), pracujących ze zmienną prędkością obrotową, czyli wykorzystywanych w samo- jezdnych maszynach z dwóch najpopularniejszych podgrup – maszyny rolnicze i bu- dowlane. Zgodnie z wytycznymi zawartymi w rozporządzeniu dokonano jeszcze po- działu ze względu na moc maksymalną silnika maszyny (tabl. 3.3). Uwzględniona jest tutaj moc netto generowana na wale korbowym, bez oporów własnych silnika i mocy zużywanej na zasilanie elementów pomocniczych.
Znaczna liczba podkategorii ustanowionych przez wnioskodawcę związana jest
z uszczegółowieniem wymagań i ma na celu jak najdokładniejsze odzwierciedlenie wa-
runków rzeczywistej eksploatacji dla poszczególnych przedziałów. Każda z grup ma
inaczej zdefiniowany cykl badawczy – różnią się punkty pracy bądź ich waga używana do wyliczenia średniej. Jak dowiedziono w [3, 10, 15, 47, 50, 85, 95], występuje duża niezgodność warunków rzeczywistych z opisywanymi wytycznymi.
Tablica 3.2. Podział silników maszyn o zastosowaniu pozadrogowym [9]
Kategoria Opis
NRE Silniki do NRMM
NRG Silniki o mocy powyżej 560 kW przeznaczone do pracy jako generatory prądu NRSh Silniki ZI o mocy do 19 kW poznaczone do prac ręcznych
NRS Silniki ZI o mocy do 56 kW nieobjęte kategorią NRSh IWP Silniki do napędu statków żeglugi śródlądowej o mocy powyżej 19 kW
RLL Silniki do lokomotyw
RLR Silniki do wagonów silnikowych
SMB Silniki ZI do skuterów śnieżnych
ATS Silniki ZI do pojazdów terenowych oraz „side by side”
Tablica 3.3. Podział silników maszyn NRE [9]
Rodzaj zapłonu Zakres mocy [kW] Podkategoria
ZS
0 < P < 8 NRE-v-1
8 ≤ P < 19 NRE-v-2
19 ≤ P < 37 NRE-v-3
37 ≤ P < 56 NRE-v-4
wszystkie
56 ≤ P < 130 NRE-v-5
130 ≤ P ≤ 560 NRE-v-6
P > 560 NRE-v-7
