możliwości i perspektywy wykorzystania pasywnej regeneracji

możliwości i perspektywy wykorzystania pasywnej regeneracji

Journal of KONES Internal Combustion Engines 2003, vol. 10, 3­4 MOŻLIWOŚCI I PERSPEKTYWY WYKORZYSTANIA PASYWNEJ REGENERACJ I FILTRÓW CZĄSTEK STAŁYCH W SILNIKACH Z ZAPŁONEM SAMOCZYNNYM Stanisław Oleksiak, Zbigniew Stępień, Bogusław Szczer ski Instytut Technologii Nafty ul. Łukasiewicza 1, 31­429 Kraków fax: 6 177 522 tel./e­mail: 6 177 429 / [email protected] Abstract The paper describes harmful effects of particle matter (PM) emission in exhaust gases from diesel engines, the recent scientific research efforts made in order to reduce this problem, as well as already existing solutions. The special attention is paid to an exhaust gases filtration and to the problem of diesel particle filter usage. The paper presents selected results of test conducted in the Institute of Petroleum Processing on continuous, passive filter regeneration with application of fuel additives. The tests were conducted on engine test stand with polish diesel engine SWT 11/300/1, which is employed among others in city buses. Finally, opportunities and advantages of passive PM filter regeneration in coming future are discussed Streszczenie W referacie omówiono szkodliwe oddziaływanie emisji cząstek stałych (PM – Particle Matter) w spalinach silników z zapłonem samoczynnym, kierunki prac badawczych podejmowanych w celu ograniczenia tej emisji oraz stosowane już środki zaradcze. Szczególną uwagę poświęcono filtracji spalin i problemom związanym z użytkowaniem filtrów (DPF – Diesel Particle Filter). Pokazano wybrane wyniki badań Instytutu Technologii Nafty nad ciągłą, pasywną regeneracją filtrów, przy zastosowaniu dodatków wprowadzanych do paliwa. Badania prowadzono na stanowisku hamownianym, wyposażonym w krajowy silnik wysokoprężny SWT 11/300/1, wykorzystywany między innymi do napędu autobusów. Przedstawiono możliwości, szanse i zalety wykorzystania pasywnej regeneracji filtrów cząstek stałych w najbliższej przyszłości. 1. Wprowadzenie Cząstki stałe (PM) emitowane w gazach spalinowych silników z zapłonem samoczynnym stanowią niepożądane, szkodliwe zanieczyszczenie powietrza. Posiadają one zróżnicowany kształt i wymiary. Głównym ich składnikiem są produkty niepełnego spalania paliwa, a także oleju smarującego silnik. Można rozróżnić dwie zasadnicze części składowe tych cząstek, pomijając zaadsorbowaną na nich część lotną w postaci odparowujących lekkich frakcji węglowodorowych:
· Fazę nierozpuszczalną, w tym część nierozpuszczalną organiczną (IOF – Insoluble Organic Fraction), obejmującą węgiel w postaci sadzy, produkty niepełnego spalania dodatków do paliwa czy oleju silnikowego oraz część nierozpuszczalną nieorganiczną (INSINOF –Insoluble Inorganic Fraction) obejmującą popioły, siarczany, śladowe ilości żelaza, fosforu, wapnia, krzemu, chromu, fosforu itp., także zanieczyszczenia mechaniczne przedostające się do silnika z otoczenia
· Fazę rozpuszczalną w tym część rozpuszczalną organiczną (SOF – Soluble Organic Fraction), której głównymi składnikami są substancje organiczne adsorbowane na cząstkach sadzy stanowiące produkty niepełnego spalania paliwa i oleju smarującego silnik, głównie węglowodory oraz część rozpuszczalną nieorganiczną (SINOF – Soluble Inorganic Fraction) powstająca głównie w przypadku obecności w paliwie siarki, której produkty spalania, dołączając się do procesu wykraplania węglowodorów, tworzą z parą
wodną kwas siarkowy. Zasadniczy składnik fazy nierozpuszczalnej stanowią cząsteczki sadzy. Charakteryzują się one bardzo dużą zdolnością adsorbowania produktów niepełnego spalania paliwa i oleju smarującego silnik. Sadza, po zaadsorbowaniu tych produktów, których znaczna ilość wykazuje działanie rakotwórcze, staje się szczególnie groźnym zanieczyszczeniem środowiska. Dotyczy to zwłaszcza cząstek najdrobniejszych, których rozmiary wyrażane są w nanometrach; powszechnie nazywanych nanocząstkami. Nanocząstki mogą przedostawać się do pęcherzyków płucnych, przy czym są one znacznie groźniejsze od innych pyłów, gdyż nie tylko osadzają się w ich wnętrzu, zaburzając procesy wymiany gazów, ale mogą wykazywać działanie mutagenne, a także kancerogenne. Mechanizm oddziaływania cząstek stałych na organizm ludzki uzależniony jest od wielu czynników i nie został dotychczas w pełni wyjaśniony. Podstawowym parametrem przy ocenie emisji cząstek stałych jest masa cząstek odniesiona do 1 kWh pracy silnika lub 1 km przebiegu pojazdu. Przy ocenie wpływu cząstek stałych na zdrowie człowieka należy także brać pod uwagę wielkość cząstek i ich ilość w odniesieniu do klas wielkości, powierzchnię cząstek oraz ich morfologię i skład chemiczny tzn. oprócz elementarnego węgla (sadzy) również zawartą w nich część organiczną, z uwzględnieniem wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych. Charakter zaadsorbowanych substancji określa właściwości fizyczne i chemiczne wchłanianych do organizmu cząstek i ich oddziaływanie biologiczne [1,2].
Poniżej podano podstawowe właściwości fizyko­chemiczne charakteryzujące cząstki stałe emitowane przez silniki Diesla. Rys. 1. Parametry charakteryzujące cząstki stałe emitowane przez silniki Diesla Fig. 1. Characteristics parameters of Diesel PM Uważa się, że najbardziej niebezpieczne dla zdrowia są cząstki małe o wymiarach <50 nm. Ze względu na niewielkie wymiary mogą one wnikać do pęcherzyków płucnych, gdzie postrzegane są przez makrofagi jako ciała obce, co może wywoływać reakcje obronne w płucach, doprowadzając do stanów zapalnych i uszkodzeń komórek. Niektóre hipotezy zakładają, że w przypadku cząstek genotoksycznych silne działanie obronne może doprowadzić do oksydacyjnego uszkodzenia DNA i mutacji komórki. [3]. Konieczne stało się stworzenie odpowiednich przepisów ograniczających emisję cząstek stałych w gazach spalinowych. Przedtem należało jednak zdefiniować metody pomiaru ich zawartości. Dotychczasowe przepisy opierają się na pomiarze masy PM osadzonych na membranowym filtrze pomiarowym po przepuszczeniu przezeń określonej objętości spalin. Tak określoną zawartość cząstek stałych zapisuje się jako masową wielkość emisji PM. W miarę rozwoju prac badawczych pozwalających na bliższe poznanie struktury tych cząstek, a także dokładniejsze rozeznanie mechanizmu szkodliwego ich oddziaływania na organizmy żywe, powstała konieczność zmiany podejścia do pomiaru zawartości cząstek stałych w
spalinach. Pomiar masowy pozwala określić jedynie sumaryczną zawartość cząstek w danej objętości spalin. Ich nadmierną zawartość można także ocenić mierząc zadymienie gazów wydechowych. Pomiary te nie pozwalają jednak określić, nawet w przybliżeniu, procentowego udziału nanocząstek stanowiących składnik najbardziej niepożądany Nie odzwierciedli tego zwłaszcza zadymienie spalin, które powodowane jest przede wszystkim przez wielkowymiarowe aglomeraty sadzy. Należy przy tym pamiętać, że niewielkie wymiary nanocząstek sprawiają, iż nawet znaczna zmiana ich ilości w spalinach powoduje niewielką zmianę ogólnej masy cząstek stałych. . Mało tego, może mieć miejsce przypadek, że mimo obniżenia ogólnej emisji cząstek stałych, zawartość w nich nanocząstek zmieni się nieznacznie. W tej sytuacji coraz większą wagę przywiązuje się do problemu liczbowego określenia zawartości poszczególnych rodzajów cząstek stałych wydzielanych ze spalinami. Niestety zasadniczą przeszkodę stanowi tu brak prostych, a zarazem niezawodnych i tanich metod pomiarowych. Rozwiązaniu tego problemu poświęca się jednak wiele uwagi co być może znajdzie odzwierciedlenie w przepisach dotyczących ograniczenia ilości cząstek stałych emitowanych przez silniki spalinowe i pojawi się w nich nowe pojęcie PN (od ang. Particle Number) ograniczające liczbę cząstek, szczególnie tych najdrobniejszych czyli nanocząstek. Należy tu zaznaczyć, że obowiązujące aktualnie w Europie przepisy EC 2000 / Euro 3, dotyczące szkodliwych zanieczyszczeń w gazach wydechowych, ograniczają wprawdzie emisję cząstek stałych w spalinach silników Diesla, jednak przedmiotem pomiaru jest całkowita masa emitowanych cząstek. Również, przewidziane do wprowadzenia w 2005 r., ostrzejsze przepisy EC 2005 / Euro 4 nie przewidują wyodrębnienia dopuszczalnej zawartości nanocząstek. Dopiero w propozycji przepisów Euro 5, które miałyby obowiązywać od 2007 r., brane jest pod uwagę drastyczne ograniczenie zawartości nanocząstek. Odrębny problem stanowi sposób zapewnienia wymaganej, niskiej emisji cząstek w okresie eksploatacji pojazdów. Jak na razie panuje przekonanie, że w pełni skutecznym środkiem przeciwdziałania emisji cząstek stałych, w tym również nanocząstek, jest wyposażenie pojazdów w układy filtracji spalin [ 3 ]. 2. Prace badawcze podejmowane w celu ograniczenia emisji cząstek stałych w spalinach Prace badawcze, których celem jest ograniczenie emisji cząstek stałych prowadzone są zarówno przez konstruktorów silników jak i producentów paliwa przy udziale specjalistów z zakresu ekologii. Jak powszechnie wiadomo, ostatnie lata przyniosły ogromny postęp w konstrukcji silników o zapłonie samoczynnym, umożliwiający m.in. poważne zmniejszenie emisji cząstek stałych w gazach wydechowych. Jednak jako pracownicy naftowego ośrodka badawczego ograniczymy się jedynie do omówienia działań podejmowanych w tym celu przez producentów paliw. Podstawowym problemem było określenie właściwości paliw mających wpływ na wielkość emisji cząstek stałych. Stwierdzono, że istotnym parametrem jakościowym olejów napędowych, mającym wpływ na emisję cząstek stałych, jest zawartość siarki. Wykazały to m.in. badania przeprowadzone w latach 1993­1995 w ramach European Auto Oil Programme dot. ograniczenia szkodliwego wpływu motoryzacji na środowisko [ 4 ]. Siarka jest naturalnym składnikiem ropy naftowej i o ile nie zostanie usunięta w trakcie procesów rafineryjnych, przechodzi do otrzymywanych z niej produktów. Kolejnym znaczącym parametrem jakościowym paliw do silników o zapłonie samoczynnym jest zawartość węglowodorów aromatycznych, zawierających w swej cząsteczce co najmniej jeden pierścień benzenowy; wykazują one wpływ na emisję zarówno cząstek stałych jak i nie w pełni spalonych węglowodorów w gazach spalinowych.
Szczególne wyraźny jest tu wpływ węglowodorów poliaromatycznych. Wpływ zawartości w paliwie węglowodorów poliaromatycznych (di+) na emisję cząstek stałych również był przedmiotem badań wykonywanych w ramach European Auto Oil Programme [ 4 ]. Węglowodory te także stanowią naturalne składniki ropy naftowej i mogą być usunięte z destylatów naftowy przy zastosowaniu specjalnych procesów rafineryjnych. Producenci paliw podjęli zatem działania w kierunku radykalnego obniżenia zarówno zawartości siarki jak i węglowodorów aromatycznych w olejach napędowych. W przypadku siarki dążenie do ograniczenia emisji cząstek stałych w spalinach nie było jedyną przyczyną zmniejszenia jej zawartości, w grę wchodziło tu także zanieczyszczenie środowiska tlenkami siarki („kwaśne deszcze”), a także problemy korozji silnika (układ wydechowy) i zatruwanie katalizatorów w układach wydechowych. Drastyczne obniżenie zawartości siarki w paliwach wymagało budowy kosztownych instalacji hydroodsiarczania, jak również wprowadzenia do olejów napędowych odpowiednich dodatków kompensujących utratę ich naturalnych właściwości smarnych w wyniku odsiarczania. Również dążenie do zmniejszenia zawartości policyklicznych węglowodorów aromatycznych wiązało się z zastosowaniem kosztownych instalacji hydrokrakingu; jednak w obydwu wymienionych tu przypadkach, względy ochrony środowiska naturalnego miały decydujące znaczenie. Można stwierdzić, że zawartość zarówno siarki jak wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych została zminimalizowana do możliwego technicznie poziomu. Dalsze prace badawcze w zakresie poprawy jakości paliw zmierzają obecnie w kierunku opracowania dodatków uszlachetniających wspomagających proces regeneracji filtrów spalin montowanych. Jak już wspomniano we wstępie, filtracja spalin uważana jest jako jedyny w pełni skuteczny środek przeciwdziałania emisji cząstek stałych, niektórzy autorzy sugerują nawet, że spełnienie najwyższych, przyszłościowych wymagań odnośnie emisji cząstek stałych w spalinach samochodów z zapłonem samoczynnym będzie możliwe dopiero przy zastosowaniu DPF. Filtry spalin posiadają jednak określoną pojemność i gdyby nie zastosowano ich ciągłej regeneracji przebiegi pojazdu pomiędzy kolejnymi wymianami filtru byłyby na tyle małe, że przekreślałyby możliwość ich stosowania. Z uwagi na to, że podstawowy składnik cząstek stałych stanowią produkty organiczne (głównie sadza, nie w pęłni spalone węglowodory), filtry mogą być regenerowane drogą wypalania tych produktów gromadzących się we wnętrzu filtru. Regeneracja, przeprowadzana w trakcie eksploatacji pojazdu, pozwala zdecydowanie wydłużyć okres stosowania filtru, praktycznie do chwili, gdy niemożliwe do wypalenia osady popiołowe spowodują konieczność jego demontażu i mechanicznego oczyszczenia. Regeneracja może być przeprowadzana w sposób pasywny lub aktywny. W pierwszym przypadku dąży się do stworzenia w filtrze takich warunków, które pozwolą na zainicjowanie zapłonu, a następnie wypalenie organicznych składników cząstek stałych bez wykorzystywania zewnętrznych źródeł energii; w drugim przypadku energię niezbędną do regeneracji dostarcza się z zewnątrz [6]. W omawianych w niniejszym referacie pracach, prowadzonych w Instytucie Technologii Nafty podjęto próbę wykorzystania metalicznych (popiołowych) dodatków do paliwa umożliwiających ciągłą pasywną regenerację DPF. Dodatki te, wprowadzane do paliwa w celu wspomagania procesu samoregeneracji, mają za zadanie obniżenie temperatury samozapłonu sadzy i nie w pełni spalonych węglowodorów stanowiących, jak już wspomniano, podstawowe składniki osadzających się w filtrze cząstek stałych. Dzięki ich oddziaływaniu proces samooczyszczania filtru, czyli wypalania zalegających w nim cząstek stałych, może przebiegać w niższej temperaturze, co zwiększa jego skuteczność, a w niektórych przypadkach eksploatacji pojazdu w ogóle umożliwia jego zaistnienie (np. podczas eksploatacji w warunkach zimowych gdy temperatura spalin w filtrze jest stosukowo niska). Oczywiście dozowanie tych dodatków musi być na tyle niskie, aby powstające po ich
spaleniu popioły w minimalnym stopniu ograniczały czas użytkowania filtrów. 3. Środki zaradcze stosowane w celu ograniczenia emisji cząstek stałych Odmienne podejście różnych krajów do zagadnienia ograniczenia emisji cząstek stałych przez silniki o zapłonie samoczynnym jest pokazane w tablicy 1. Szczególną wagę przywiązuje się do tego zagadnienia w Kaliforni i w Tokio. W przypadku Kaliforni decydują o tym specyficzne warunki klimatyczne sprzyjające powstawaniu smogu; w przypadku Tokio również znaczna gęstość zaludnienia. Nic zatem dziwnego, że dąży się tam do wprowadzenia filtrów eliminujących emisję cząstek stałych we wszystkich silnikach z zapłonem samoczynnym. Opracowuje się w tym celu odpowiednie przepisy prawne. W Szwecji, w obszarach określonych jako „wolne od emisji”, powstała konieczność zastosowania około 8000 DPF. W Korei i Anglii również przygotowuje się odpowiednie akty prawne, przy czym w przypadku Anglii rozważa się wsparcie ze strony budżetu państwa. W Paryżu i Nowym Jorku szacuje się konieczność zastosowania po około 2000 DPF w każdym z tych miast. W Berlinie założono stosowanie układów filtracji spalin o ciągłej regeneracji w trakcie użytkowania (CRT ­ Continuous Regeneration Traps) [ 4 ]. Tablica 1. Działania podejmowane w różnych krajach w celu ograniczenia emisji cząstek stałych Kalifornia i Tokio Szwecja Korea Anglia Nowy Jork Paryż Berlin kopalnie kanadyjskie (CARB­IDRAC ..International Diesel Retrofit Advisory Committee) ko­ nieczne wyposażenie wszystkich diesli w DFP; przepisy w przygotowaniu obszary wolne od emisji (~ 8000 DFP) przepisy w przygotowaniu w przygotowaniu przepisy Budżetu Państwowego (~ 2000 DFP) (~ 2000 DFP) układy filtracji typu CRT (DEEP­Project, CANMET * VFT) Szczególnego znaczenia nabiera filtracja spalin silników użytkowanych w pomieszczeniach o ograniczonym przewietrzaniu, a więc w kopalniach, tunelach itp. Stąd kopalniach kanadyjskich realizuje się specjalne projekty badawcze, dostosowane do tych specyficznych warunków użytkowania silników. Wszystkie stosowane obecnie systemy filtracji zakładają zastosowanie w układzie wylotowym silnika filtru „wyłapującego” cząstki stałe (PM) z przepływających przezeń gazów spalinowych. Zasadniczym elementem filtra jest monolit o gąbczastej, porowatej strukturze i takich właściwościach, aby stawiała on małe opory przepływu dla gazów spalinowych, jak najbardziej skutecznie zatrzymywał PM (niezależnie od ich wielkości i składu) oraz wykazywał dużą odporność na możliwość tzw. zablokowania, a więc powstania drastycznego spadku ciśnienia na filtrze. Różne technologie i materiały wykorzystywane są podczas produkcji filtrów cząstek stałych (DPF), co wiąże się w konsekwencji z ich sprawnością działania, trwałością, sposobem zastosowanego systemu regeneracji oraz kosztem. Poniżej przedstawiono krótki przegląd najczęściej stosowanych DPF.
· Filtry ceramiczne ­ Cordierytowe (tlenki Mg, Al i Si), relatywnie niska cena, dostateczna przewodność cieplna aby zachować długą trwałość podczas wielokrotnego procesu odpowiednio kontrolowanej regeneracji, a jednocześnie duża wrażliwość na uszkodzenia w czasie zainicjowania procesu regeneracji nadmiernie obciążonego przez PM filtra. Wymagana jest duża wiedza w zakresie odpowiedniego osadzania i mocowania monolitu filtra w zewnętrznej blaszanej obudowie ­ z węglika krzemu (SiC), w stosunku do filtrów cordierytowych cechują się wyższą
odpornością na gwałtowne zmiany temperatury podczas regeneracji, większą odpornością na uszkodzenia mechaniczne, mniejszą objętością, jednocześnie jednak znaczne wyższą ceną
· Filtry z tkaniny z włókien ceramicznych ­ duża odporność na uszkodzenia mechaniczne, mogą powodować uwolnienie wcześniej zatrzymanych PM podczas wystąpienia dużych wahań (pulsacji) ciśnienia gazów w układzie wylotowym, wysoki koszt.
· Filtry ze spieków metali ­ bardzo dobra przewodność cieplna, odporność na gwałtowne i duże zmiany temperatur, znaczna trwałość mechaniczna, duża tolerancja w zakresie masy zgromadzonych zarówno PM jak i powstałych po ich utlenieniu popiołów, możliwość wykorzystania różnych technik prowadzenia regeneracji, bardzo wysoki koszt.
· Filtry z pian ceramicznych lub metalicznych ­ duża odporność na uszkodzenia mechaniczne, niższa sprawność oczyszczania spalin w porównaniu z innymi materiałami filtrów, wysoki koszt.
· Filtry z falistych folii metalowych ­ praktycznie nie wywołują zmian w zakresie wzrostu oporów wydechu podczas eksploatacji (tzw. filtry otwarte), samooczyszczalne przez wykorzystaniem dynamiki przepływu gazów wylotowych, przeciętna sprawność oczyszczania spalin z PM. Filtry cząstek stałych (DPF) Regenerowane Pasywnie Dodatki do paliwa Pokrycia katalityczne DPF Katalizator utl. + DPF Systemy kombinowane Jednorazowe Aktywnie Pasywnie + aktywnie Systemy kombinowane Układ sterowania pracą silnika Elektryczne podgrzewanie Palniki wypalające wykorzystujące paliwo
Inne Rys. 2. Klasyfikacja systemów filtracji gazów spalinowych wg metody regeneracji filtra Fig. 2. Classification of filter systems by regeneration method Na rys. 2 przedstawiono klasyfikację systemów filtracji gazów spalinowych ze względu na metodę regeneracji zastosowanego filtra cząstek stałych (DPF). Przystępując w Instytucie Technologii Nafty do opracowania systemu filtracji gazów spalinowych silnika wysokoprężnego używanego do napędu autobusów komunikacji miejskiej, założono wykorzystanie ceramicznego (cordierytowego) DPF biorąc pod uwagę jego zalety i wady wymienione powyżej, oraz zastosowanie pasywnej regeneracji za pomocą dodatków do paliw zawierających metale, będące dobrymi katalizatorami utleniania sadzy. Przyjęty system regeneracji odznacza się znaczną prostotą budowy i działania, a co za tym idzie niezawodnością oraz wysoką sprawnością pod warunkiem opracowania dodatku znacząco obniżającego zainicjowanie procesu utleniania (zapłonu) złoża PM narastającego we filtrze w miarę eksploatacji pojazdu. 4. Prace badawcze instytutu technologii nafty nad ciągłą, pasywną regeneracją DPF 4.1. Budowa stanowiska silnikowego z układem filtracji Przystępując do budowy badawczego stanowiska silnikowego przyjęto założenie, że powinno ono być wyposażone w silnik, w którym mógłby znaleźć zastosowanie opracowywany układ filtracji spalin o ciągłej pasywnej regeneracji przy zastosowaniu dodatku obniżającego temperaturę zapłonu sadzy osadzającej się w filtrze w czasie pracy silnika. Wybrano krajowy silnik SWT 11/300/1 służący do napędu autobusów Jelcz 120 M, powszechnie stosowanych w miejskich przedsiębiorstwach komunikacyjnych. Podstawowe dane techniczne silnika przedstawiają się następująco: ­ obieg pracy ­ czterosuwowy, z zapłonem samoczynnym ­ układ cylindrów ­ rzędowy, poziomy ­ liczba cylindrów ­ 6 ­ średnica cylindra ­ 127 mm ­ skok tłoka ­ 146 mm ­ pojemność skokowa ­ 11 097 cm 3 ­ moc maksymalna ­ 162 kW ­ zakres obrotów użytecznych ­ 1 400 ­ 2 200 obr/min ­ stopień sprężania ­ 15,8 ­ napełnianie ­ turbodoładowany W celu możliwie wiernego odtworzenia warunków pracy układu filtracji spalin w autobusie, postanowiono wykorzystać do budowy układu odprowadzania gazów spalinowych oryginalne elementy konstrukcyjne, stosowane w autobusie. Założono przy tym, że filtr spalin, posiadający wymiary identyczne z typowym tłumikiem, zostanie umieszczony na jego miejscu. Do hamowania silnika zastosowano posiadany przez ITN, prototypowy hamulec HSP 300, Hamulec ten przewidziany do pracy przy maksymalnej prędkości obrotowej 6000 obr/min może pochłaniać moc do 300 kW. 4.2. Wybrane wyniki badania możliwości ciągłej, pasywnej regeneracji DPF Do ograniczenia emisji cząstek stałych (PM), oraz pasywnej regeneracji DPF są często stosowane dodatki do paliw zawierające metale jako katalizatory utleniania sadzy. Pełny mechanizm działania tych dodatków nie jest dotychczas w pełni, jednoznacznie rozeznany. Przeprowadzone badania chemizmu reakcji procesów tworzenia i utleniania sadzy pozwalają przypuszczać, że metale pierwszej i drugiej grupy układu okresowego pierwiastków mogą zapobiegać tworzeniu się zarodków sadzy w procesie nukleacji. Metale grup przejściowych działają w późniejszym etapie tworzenia sadzy katalizując jej wypalanie w filtrze. Przystępując w ITN do prac badawczych związanych z opracowaniem skutecznego wydajnego dodatku organometalicznego (popiołowego) do regeneracji DPF, założono, że powinien on obniżać temperaturę zainicjowania procesu utleniania (wypalania) PM w filtrze
o Spadek ciśnienia na filtrze [mbar] Temperatura spalin przed filt rem [ C] do temperatury gazów spalinowych uzyskiwanej w czasie eksploatacji miejskiej autobusu. W celu stworzenia możliwości oceny efektywności i sposobu działania opracowywanych dodatków (regeneracja ciągła lub okresowa), wykonano pomiary rozkładu temperatur gazów spalinowych w autobusie miejskim, a następnie opracowano cztero fazowy test pozwalający odtworzyć warunki pracy układu wylotowego na stanowisku w hamowni wyposażonym w silnik SWT11/300/1. Jako paliwo odniesienia przyjęto dostępny na rynku olej napędowy Ekodiesel Plus 50 o zawartości siarki poniżej 50 ppm. Z uwagi na to, że dodatek mieszany był z całą ilością paliwa, przed zatankowaniem do zbiornika, przyjęto, że graniczne dozowanie nie może przekraczać 40 ppm zawartości metalu. Przyjęty sposób dozowania dodatku do paliwa był uwarunkowany dążeniem do opracowania ciągłego procesu regeneracji DPF, a co za tym idzie maksymalnym ograniczeniem jego zmiennych obciążeń termicznych co niesie niebezpieczeństwo uszkodzenia monolitu ceramicznego. Z kolei zminimalizowanie poziomu dozowania dodatku wynika z konieczności ograniczenia ilości tworzonych we filtrze niepalnych popiołów, które muszą być usuwane w sposób mechaniczny. Na rys. 3 i 4 pokazano wybrane wyniki przebiegu procesów ładowania­regeneracji DPF przy wykorzystaniu opracowanych dodatków „A”, oraz zestawu dodatków „A + B” oraz „A + C”. W przedstawionych przypadkach charakter przebiegu przyrostu spadku ciśnienia na DPF wskazuje, że założony cel pracy został osiągnięty, a proces utleniania gromadzących się we filtrze PM zachodzi w sposób płynny. Obecnie prowadzone są dalsze prace zmierzające nie tylko w kierunku dalszego obniżenia temperatury procesu regeneracji DPF, ale także opracowania skutecznych dodatków bezpopiołowych. 400 350 300 344 332 322 343 339 335 344 341 328 325 321 342 339 344 339 344 346 335 336 331 332 124 327 323 Temp. spalin przed fil trem (paliwo bez do datku ) Temp. spalin p rzed filtrem (paliwo z do datkiem " A" ­ 5p pm) 250 222 192 186 200 201 Spadek ciśn ien ia n a filtrze (pal iwo b ez dod atku) Spadek ciśnienia na filtrze (paliwo z do datkiem " A" ­ 5p pm) 146 150 109 119 121 120 123 122 104 110 116 104 109 116 103 113 101 112 99 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 Czas [min]
100 50 Rys. 3. Porównanie przebiegów spadku ciśnienia na filtrze i temperatury spalin przed filtrem uzyskanych przy zasilaniu silnika olejem napędowym bez dodatku i tym samym olejem napędowym z dodatkiem („A”­ 5ppm). Ustalone parametry pracy silnika:1200 obr/min, 50 kW. Fig. 3. Comparison in time of filter pressure drop and front filter temperature for fuel without additive and with additive („A” – 5ppm). Filter was loading during engine steady state conditions: 1200rpm, 50kW. W przedstawionych przypadkach charakter przebiegu przyrostu spadku ciśnienia na DPF wskazuje, że założony cel pracy został osiągnięty, a proces utleniania gromadzących się we filtrze PM zachodzi w sposób płynny. Obecnie prowadzone są dalsze prace zmierzające nie Spadek ciśnienia na filtrze [mbar] Temperatura spalin przed filtrem [ o C] tylko w kierunku dalszego obniżenia temperatury procesu regeneracji DPF, ale także opracowania skutecznych dodatków bezpopiołowych. 450 400 395 382 350 404 380 409 412 387 385 416 417 419 423 419 424 390 393 395 395 395 394 425 421 424 422 421 422 424 387 388 392 392 389 385 389 Temp. spalin przed filtrem (paliwo z dodatkiem " A" ­ 5ppm + " B" ­ 5ppm) Temp. spalin przed filtrem (paliwo z dodatkiem " A" ­ 5ppm + " C" ­ 5ppm) 300 Spadek ciśnienia na filtrze (paliwo z dodatkiem " A" ­ 5ppm + " B" ­ 5ppm) 250 Spadek ciśnienia na filtrze (paliwo z dodatkiem " A" ­ 5ppm + " C" ­ 5ppm) 200 170 150 170 0
180 185 190 195 197 198 195 192 191 190 190 189 188 187 188 188 180 181 183 183 184 184 183 186 186 184 185 178 186 175 183 172 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 Czas [min] Rys. 4. Porównanie przebiegów spadku ciśnienia na filtrze i temperatury spalin przed filtrem uzyskanych przy zasilaniu silnika olejem napędowym z dodatkiem („A”­5ppm + ”B”­5ppm) i tym samym olejem napędowym oraz dodatkiem („A”­5ppm + „C”­5ppm). Ustalone parametry pracy silnika:1500 obr/min, 70 kW. Fig. 4. Comparison in time of filter pressure drop and front filter temperature for fuel with additive („A”­5ppm + „B”­5ppm) or with additive („A” –5ppm + „C”­5ppm). Filter was loading during engine steady state conditions: 1500rpm, 70kW. 5. Możliwości wykor zystania pasywnej regener acji filtrów Pasywna regeneracja DPF posiada niewątpliwe zalety względem innych systemów regeneracji. Prostota budowy systemu pasywnej regeneracji, możliwość wykorzystania we wszystkich typach i generacjach silników wysokoprężnych (również do tzw. retrofitingu pojazdów starszych), brak konieczności dostarczania energii ze źródeł zewnętrznych oraz możliwość prowadzenia płynnego, ciągłego procesu utleniania PM, rysuje szerokie perspektywy dla tego rozwiązania. Jednak dla jednoznacznego potwierdzenia zalet tego systemu w odniesieniu do innych, konieczne są dalsze prace w zakresie maksymalnego obniżenia temperatury zainicjowania i prowadzenia procesu utleniania PM w DPF, oraz dążenie do opracowania skutecznych dodatków nisko­, a nawet bezpopiołowych. Literatura [1] N. Metz: Diesel Particulate Matter – Criteria for Evaluation of Health Effects, 24. Internationales Wiener Motorensymposium, Wiedeń 15­16 maja 2003r., Band 2 s. 1­18 [2] E. Jacob, D. Rothe, R.Schlögl, J.­O.Müller, R.ießner, A. Messerer, U. Pöschl, K. Müllen, Ch. Simpson: Diesel Soot: Micro Structure and Oxidation Kinetics, 24. Internationales Wiener Motorensymposium, Wiedeń 15­16 maja 2003r., Band 2 s. 19­45 [3] J. Bruch, B. Rehn, F. Seiler: Cancer Risk due to Diesel Emissions? New Toxicological Approaches in Assessing the Risk of Diesel Particles, 24. Internationales Wiener Motorensymposium, Wiedeń 15­16 maja 2003r., Band 2 s. 46­49 [4] Jan Czerwiński, Andreas Mayer: ­ Ograniczanie emisji cząstek stałych przez autobusy miejskie, Nafta­Gaz nr 1/2003, s. 34­39 [5] World Wide Fuel Charter – edition December 2002, ACEA, Alliance, EMA, JAMA, Bruksela, Waszyngton, Chicago, Tokio 2002, s. 39­44 [6] Investigation into the Feasibility of PM Filters for Nonroad Mobile Machinery, A joint EMA & EUROMOT Report