Ocena przemian tlenków azotu w utleniających reaktorach

Ocena przemian tlenków azotu w utleniających reaktorach

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW
1(87)/2012
Stanisław W. Kruczyński1, Marcin K. Wojs2, Piotr Orliński3
OCENA PRZEMIAN TLENKÓW AZOTU W UTLENIAJĄCYCH
REAKTORACH KATALITYCZNYCH SYSTEMU FILTRÓW CZĄSTEK
STAŁYCH
1. Wstęp
Środki transportu napędzane silnikami spalinowymi emitują średnio od 40 do 50%
całkowitej ilości tlenków azotu przechodzących do atmosfery. Tlenek i dwutlenek azotu,
znajdujące się w powietrzu atmosferycznym, powstają głównie w wyniku naturalnych
zjawisk, jak: wybuchy wulkanów, wyładowania elektryczne, działalność bakterii. Z
wymienionych źródeł roczna emisja tlenku i dwutlenku azotu wynosi około 1100 mln
ton, natomiast roczna emisja wymienionych tlenków, powstałych wskutek działalności
człowieka, wynosi tylko 53 mln ton, jednakże emisja ta odbywa się głównie w
aglomeracjach miejskich..
Oprócz udziału w tworzeniu smogu, tlenki azotu opadają w postaci kwaśnego
deszczu, niszcząc roślinność, budowle i zatruwając wody podskórne [1].
2. Stanowisko badawcze
Stanowisko badawcze wyposażone w silnik o zapłonie samoczynnym typu 1.3
Multijet firmy Fiat o pojemności skokowej 1,3 dm3, z wysokociśnieniowym wtryskiem
paliwa typu Common Rail, osiągający maksymalny moment obrotowy Me = 145 Nm
przy n =1500 obr/min, a maksymalną moc Ne = 51.5 kW przy n = 4000 obr/min
wyposażony w system filtra cząstek stałych o regeneracji pasywno-aktywnej składający
się z utleniającego reaktora katalitycznego DOC z monolitem ceramicznym (kordieryt)
oraz filtra cząstek stałych CDPF wykonanego z węglików krzemu z pokryciem
katalitycznym. Silnik został zintegrowany z hamulcem elektrowirowym Schenck W 150
który posiada sterownie umożliwiające uzyskanie i pomiar stałej prędkości obrotowej
oraz pomiar obciążenia silnika. Gazy spalinowe pobrane z układu wydechowego silnika
kierowane były do skomputeryzowanego analizatora spalin AVL CEB II, Analizatora
stężenia cząstek stałych Mexa 1370 PM firmy Horiba, lub do analizatora stężeń cząstek
stałych AVL 415.
Do zasilania silnika podczas badań używano nisko siarkowego oleju napędowego o
następujących właściwościach:
– liczba cetanowa: 55,
Prof. nzw. dr hab. inż., kierownik Zakładu Silników Spalinowych, Instytut Pojazdów Politechniki
Warszawskiej.
2
Mgr inż. Marcin K. Wojs, Instytut Pojazdów Politechniki Warszawskiej.
3
Dr inż. Piotr Orliński, Zakładzie Silników Spalinowych, Instytut Pojazdów Politechniki Warszawskiej
1
205
gęstość: 0,83 kg/m3
zawartość siarki: 10 mg/kg,
całkowita zawartość węglowodorów aromatycznych ; 15% masy
zawartość WWA: 2% masy,
lepkość przy 40oC: 3mm2/s,
skład frakcyjny:
 temperatura oddestylowania 90% obj.: 320 oC
 temperatura oddestylowania 95% obj.: 340 oC
 temperatura końca destylacji:
350 oC
o
temperatura zapłonu: 60 C
zawartość FAME: 5 % obj.
–
–
–
–
–
–
–
–
Schemat układu badawczego zamieszczono na rysunku 1, natomiast na rysunku 2,
zamieszczono fotografię silnika badawczego typu 1.3 Multijet firmy Fiat, wyposażonego
w system filtra cząstek stałych o regeneracji pasywno-aktywnej.
wlot
powietrza
Pomiar
ciśnienia
wylot
spalin
p
hamulec
elektrowirowy
SCHENCK W450
T
DO
C
T
DP
F
T
REJESTRATOR
AVL
CEB II
HORIBA
Mexa
AVL
415
Analizat
Analizat
or AVL badawczego z silnikiem Fiat Multijet
or AVL
Rys 1. Schemat układu
1,3
CEB II
CEB II
206
Rys. 2. Silnik Fiat Multijet 1.3 wraz hamulcem elektrowirowym na stanowisku
badawczym
3. Badania stężenia NOx na charakterystykach obciążeniowych
Badania konwersji substancji toksycznych w standardowym systemie filtra cząstek
stałych przeprowadzono na charakterystykach obciążeniowych silnika przy prędkości
obrotowej wału korbowego odpowiednio 2000, 3000 i 4000 obr/min na stanowisku
badawczym opisanym w punkcie 2. Dokonano obliczeń konwersji substancji
toksycznych odpowiednio w utleniającym reaktorze katalitycznym (DOC), dokonując
pomiarów stężeń przed i za DOC. I tak na rysunkach 3, 4, 5 przedstawiono wartości
konwersji NOX obliczone w DOC, przy stałej prędkości obrotowej silnika dla trzech
zakresów – 2000, 3000 i 4000 obr/min w zależności od momentu obrotowego
rozwijanego przez silnik.
100
Konwersja NOx [%]
80
Konwersja w DOC
60
40
20
0
0
50
100
150
200
Moment obrotowy [Nm]
Rys. 3. Zależność konwersji NOX od momentu obrotowego dla n = 2000 obr/min
207
100
Konwersja NOx [%]
80
Konwersja w DOC
60
40
20
0
0
50
100
150
200
Moment obrotowy [Nm]
Rys. 4. Zależność konwersji NOx od momentu obrotowego dla n = 3000 [obr/min]
100
Konwersja w DOC
Konwersja NOx [%]
80
60
40
20
0
0
50
100
150
200
Moment obrotowy [Nm]
Rys. 5. Zależność konwersji NOX od momentu obrotowego dla n = 4000 obr/min
208
Rysunki 6 i 7 odnoszą się do procentowego udziału NO i NO 2 do całkowitej liczy
tlenków azotu — NOx zmierzonych przed i za DOC przy stałej prędkości obrotowej
silnika wynoszącej n = 2000 obr/min.
100
80
[%]
60
Przed DOC
40
Za DOC
20
0
0
50
100
150
200
Moment obrotowy [Nm]
Rys.6. Względny stosunek NO/NOx dla n = 2000 [obr/min] przed i za DOC
100
80
Przed DOC
60
[%]
Za DOC
40
20
0
0
50
100
150
200
Moment obrotowy [Nm]
Rys. 7. Względny stosunek NO2/ NOx dla n = 2000 [obr/min] przed i za DOC
209
Rysunki 8 i 9 obrazują procentowy udział NO i NO2 do całkowitej liczy tlenków
azotu — NOx zmierzonych przed i za DOC przy stałej prędkości obrotowej silnika
wynoszącej n = 3000 obr/min.
100
80
[%]
60
40
Przed DOC
20
Za DOC
0
0
50
100
150
200
Moment obrotowy [Nm]
Rys. 8. Względny stosunek NO/ NOx dla n = 3000 [obr/min] przed i za DOC
100
80
Przed DOC
Za DOC
[%]
60
40
20
0
0
50
100
150
200
Moment obrotowy [Nm]
Rys. 9. Względny stosunek NO2/NOx dla n = 3000 [obr/min] przed i za DOC
210
Rysunki 10 i 11 odnoszą się do procentowego udziału NO i NO 2 do całkowitej liczy
tlenków azotu — NOx zmierzonych przed i za DOC przy stałej prędkości obrotowej
silnika wynoszącej n = 4000 obr/min.
100
80
[%]
60
40
Przed DOC
Za DOC
20
0
0
50
100
150
200
Moment obrotowy [Nm]
Rys. 10. Względny stosunek NO/NOx dla n = 4000 [obr/min] przed i za DOC
100
Przed DOC
80
Za DOC
[%]
60
40
20
0
0
50
100
150
200
Moment obrotowy [Nm]
Rys. 11. Względny stosunek NO2/NOx dla n = 4000 [obr/min] przed i za DOC
211
4. Wnioski
Zebrane w trakcie badań dane eksperymentalne pozwoliły na przedstawienie
następujących wniosków:
– w reaktorze utleniającym zachodzą reakcje utleniania NO do NO 2, natomiast
całkowita konwersja NOx wynosi około 10% w całkowitym zakresie badanych
obciążeń i prędkości obrotowych silnika,
– w zależności od obciążenia i prędkości obrotowej silnika ( a zatem od
temperatury pracy reaktora) uzyskuje się różne stopnie utlenienia NO do NO2
– przy prędkościach obrotowych 2000 i 3000 obr/min maksymalne uzyskane
wartości NO2 w NOx dochodziły ~ 60%,
– najlepsze warunki w aspekcie uzyskania wysokiej ilości utleniacza sadzy
gromadzonej w filtrze (udział NO2 w NOx ~ 55%) uzyskuje się przy średnich
obciążeniach silnika dla prędkości obrotowej 4000 obr/min, a zatem w
warunkach pracy silnika w cyklu jazdy po za miejskiej, kiedy to układ filtra
cząstek stałych może być w pełni zregenerowany.
Literatura:
[1] J. Merkisz: Ekologiczne problemy silników spalinowych. Wydawnictwo Politechniki
Poznańskiej. Poznań 1998.
[2] Kawanami M., Okamura A., Horiuchi M., Schäfer-Sindlinger A., Zerafa K.
„Advanced Catalyst Studies of Diesel NOx Reduction for Heavy-Duty Dieasel Trucks”
Society of Automotive Engineers: 961129 (1996).
[3] W. Ufnalski, K. Mądry.: Excel dla chemików i nie tylko. Wydawnictwa Naukowo
Techniczne. 2000.
Streszczenie
W artykule przedstawiono wyniki badania konwersji NO do NO2 w reaktorze
utleniającym silnika o zapłonie samoczynnym. Przedstawiono wykresy konwersji NOx
dla trzech prędkości obrotowych silnika n = 2000, 3000 i 4000 obr/min. Dla tych
samych warunków zaprezentowano wykresy względnego stosunku NO do NOx i NO2 do
NOx przed i za reaktorem utleniającym.
Słowa kluczowe: Tlenki azotu, filtr cząstek stałych
ASSESSMENT OF CHANGE OF NITROGEN OXIDES IN OXIDIZING
CATALYTIC REACTORS SYSTEM PARTICULATE FILTERS
Summery
The article presents the results of the conversion of NO to NO2 oxidation reactor in
diesel engine. NOx conversion charts are presented for the three engine speeds n = 2000,
3000 and 4000 rev / min. For the same conditions presented graphs of the relative ratio
of NO to NOx and NO2 to NOx before and after the oxidation reactor.
Keywords: nitrogen oxides, particulate filter
212