WPŁYW KĄTA WYPRZEDZENIA WTRYSKU NA EMISJĘ

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW
1(97)/2014
Piotr Orliński1, Marcin K. Wojs2, Mieczysław Sikora3
WPŁYW KĄTA WYPRZEDZENIA WTRYSKU NA EMISJĘ SUBSTANCJI
TOKSYCZNYCH W SILNIKU ROLNICZYM O ZS ZASILANYM CIEKŁYMI
PALIWAMI ALTERNATYWNYMI
1. Wstęp
W ostatnich kilkudziesięciu latach nastąpił gwałtowny rozwój świadomości
społecznej i troski o stan środowiska. Skażenie środowiska naturalnego osiągnęło
poziom, z którym człowiek nigdy do tej pory się nie spotkał. Wykazano, że emisja
substancji szkodliwych do środowiska niekorzystnie wpływa na życie człowieka, na
wydajność produkcji rolnej i naturalne ekosystemy. Ma ona bezpośredni wpływ na
zdrowie człowieka. Przyczynia się do powstawania schorzeń układu oddechowego, a w
szczególności alergii. Zanieczyszczenia powietrza powodują korozje metali i materiałów
budowlanych. Działają niekorzystnie na rośliny, zaburzając procesy fotosyntezy.
Skażają wody i gleby. W skali globalnej mają wpływ na zmiany klimatyczne.
Najbardziej charakterystycznymi przykładami zagrożeń są [1]:
 zjawisko kwaśnych deszczy,
 zjawisko smogu białego (fotochemicznego),
 zjawisko smogu czarnego (londyńskiego),
 efekt cieplarniany,
 zmniejszanie się ochronnej warstwy ozonowej.
Stale zaostrzające się kryteria dotyczące emisji toksycznych składników spalin oraz
zmniejszające się zasoby ropy naftowej zmuszają przemysł motoryzacyjny do
zintensyfikowania badań i poszukiwania nowych rozwiązań technicznych, dających
możliwość wykorzystania paliw alternatywnych oraz zapewniających możliwie
najmniejsze szkodliwe oddziaływanie pojazdów na naturalne środowisko człowieka.
Obniżenie emisji związków szkodliwych powinno koncentrować się przede wszystkim
na ograniczaniu ich powstawania w silniku (metody bezpośrednie), a dopiero potem na
ich usuwaniu (metody pośrednie). Zasadnicze działania koncentrują się na doskonaleniu
procesu spalania w silniku, poprzez optymalizację jego konstrukcji oraz wprowadzenie
dodatkowych systemów ograniczających wytwarzanie substancji szkodliwych w
komorze spalania. Działania te są ograniczone, ponieważ podstawowym zadaniem
silnika spalinowego jest efektywne i wysoko sprawne wytwarzanie energii
mechanicznej [1].
2. Cel badań
Celem pracy jest analiza i ocena emisji substancji toksycznych spalin z silnika
rolniczego o zapłonie samoczynnym. Badania wykonano dla trzech paliw: ON, L10, L20
oraz dla trzech kątów wyprzedzenia wtrysku. Pomiary dotyczyły czterech normowanych
dr inż. Piotr Orliński - Politechnika Warszawska, Wydział SiMR, Instytut Pojazdów
mgr inż. Marcin K. Wojs - Politechnika Warszawska, Wydział SiMR, Instytut Pojazdów
3
student Wydziału SiMR
1
2
171
składników toksycznych spalin: CO, HC, PM, NOx. Badania eksperymentalne
przeprowadzono na typowym stanowisku hamownianym zgodnie z testem C1 według
normy ISO 8178.
3. Właściwości badanych paliw
Do badań wykorzystano trzy paliwa ON, L10 oraz L20. ON to paliwo bazowe a
pozostałe paliwa to mieszaniny ON i estru metylowego kwasu tłuszczowego z lnianki,
które mogłyby być, ze wzglądu na swoje właściwości fizykochemiczne, paliwem
zastępczym dla czystego ON.
Tabela 1. Właściwości fizykochemiczne trzech paliw ON, L10, L20
ON
L10
L20
Gęstość [g/cm3]
0,83
0,834
0,839
Lepkość [mm2/s]
2,8
3
3,2
Wartość opałowa [MJ/kg]
42,5
42
41
Liczba cetanowa
55
54
53
4. Charakterystyka techniczna stanowiska
Stanowisko badawcze oparte zostało na silniku Perkins 1104C-E44T. Jest to
czterocylindrowy silnik doładowany o zapłonie samoczynnym z bezpośrednim
wtryskiem paliwa do komory spalania, chłodzony cieczą. Silnik ten jest sterowany
elektronicznie, posiada dwa sterowniki: głowy silnika oraz dodatkowy sterujący pompą
wtryskową. Przeznaczony jest do napędzaniu maszyn roboczych, ciągników rolniczych
oraz agregatów prądotwórczych [2]. Zastosowany podczas badań system pomiarowy
składa się z czterech torów pomiarowych: ciśnienia w komorze spalania, kąta obrotu
wału korbowego, emisji toksycznych składników spalin oraz emisji cząstek stałych.
Rys. 1. Uproszczony schemat stanowiska badawczego
172
Rys. 2. Silnik Perkins 1100 [3]
5. Wyniki badań
Wyniki badań przedstawione zostały na poniższych wykresach. Ukazują one
charakterystykę obciążeniową dla prędkości obrotowej n=1400 obr/min, która jest
prędkością obrotową maksymalnego momentu obrotowego wału korbowego silnika.
Wyniki badań przedstawione są dla trzech wcześniej omówionych typów paliwa (ON,
L10, L20) przy kącie wyprzedzenia wtrysku paliwa ustawionym dla trzech różnych
wartości oznaczonych – A, B, C. Ustawienie kąta wyprzedzenia wtrysku A to ustawienie
fabryczne – 12oOWK, B powoduje późniejszy wtrysk paliwa o około +5oOWK, a
ustawienie C wcześniejszy wtrysk o około -5oOWK.
Badania emisji składników toksycznych dla trzech paliw przy trzech ustawieniach
kąta wyprzedzenia wtrysku przeprowadzono zgodnie z testem C1.
300
ONA
250
L10A
CO [ppm]
200
L20A
150
100
50
0
0
100
200
300
400
M [Nm]
Rys. 3. Stężenie CO dla kąta wyprzedzenia wtrysku A oraz n=1400 obr/min
173
500
400
CO [ppm]
350
300
ONB
250
L10B
200
L20B
150
100
50
0
0
100
200
300
400
500
M [Nm]
Rys. 4. Stężenie CO dla kąta wyprzedzenia wtrysku B oraz n=1400 obr/min
350
300
ONC
250
CO [ppm]
L10C
200
L20C
150
100
50
0
0
100
200 M [Nm] 300
400
500
Rys. 5. Stężenie CO dla kąta wyprzedzenia wtrysku C oraz n=1400 obr/min
Stężenie CO przy kącie wyprzedzenia wtrysku A jest porównywalne dla
wszystkich trzech paliw rys. 3. Przy kącie wyprzedzenia wtrysku B i C największe
stężenie CO jest dla paliwa ON, a najmniejsze dla L20. Rys. 5 pokazuje, że różnica
174
stężeń CO dla kąta C pomiędzy paliwem ON, a paliwem L20 wynosi ok. 45% dla
maksymalnych obciążeń silnika.
250
ONA
200
HC [ppm]
L10A
L20A
150
100
50
0
0
100
200
300
400
500
M [Nm]
Rys. 6. Stężenie HC dla kąta wyprzedzenia wtrysku A oraz n=1400 obr/min
160
140
HC [ppm]
120
100
80
60
ONB
40
L10B
20
L20B
0
0
100
200
300
400
M [Nm]
Rys. 7. Stężenie HC dla kąta wyprzedzenia wtrysku B oraz n=1400 obr/min
175
500
HC [ppm]
160
140
ONC
120
L10C
L20C
100
80
60
40
20
0
0
100
200
300
400
500
M [Nm]
Rys. 8. Stężenie HC dla kąta wyprzedzenia wtrysku C oraz n=1400 obr/min
Stężenie HC jest najbardziej korzystne dla paliwa L10 i osiąga dużo niższe
wartości dla kąta B i C niż fabrycznego A. Różnica między stężeniami HC przy kącie
wyprzedzenia wtrysku C dla paliw ON i L10 wynosi ok. 20% i maksymalnie osiąga 60%
dla kąta A (rys. 6).
600
500
NOx [ppm]
400
300
ONA
200
L10A
100
L20A
0
0
100
200
300
400
M [Nm]
Rys. 9. Stężenie NOx dla kąta wyprzedzenia wtrysku A oraz n=1400 obr/min
176
500
600
500
NOx [ppm]
400
ONB
300
L10B
L20B
200
100
0
0
100
200
300
400
500
M [Nm]
Rys. 10. Stężenie NOx dla kąta wyprzedzenia wtrysku B oraz n=1400 obr/min
1000
900
800
NOx [ppm]
700
600
500
ONC
400
L10C
300
L20C
200
100
0
0
100
200
300
400
500
M [Nm]
Rys. 11. Stężenie NOx dla kąta wyprzedzenia wtrysku C oraz n=1400 obr/min
Porównując stężenie substancji toksycznych spalin można zauważyć, że dla
każdego kąta wtrysku, największe wartości stężenia NOx zaobserwowano dla paliwa
177
L20, natomiast najmniejsze dla paliwa ON. Największą różnicę stężenia NO x między
paliwem L20, a paliwem ON zauważono dla kąta wyprzedzenia wtrysku C i wynosi ona
ok. 25% – rys. 11.
90
80
70
ONA
PM [mg/m3]
60
L10A
50
L20A
40
30
20
10
0
0
100
200
300
400
500
M [Nm]
Rys. 12. Stężenie PM dla kąta wyprzedzenia wtrysku A oraz n=1400 obr/min
90
PM [mg/m3]
80
70
ONB
60
L10B
50
L20B
40
30
20
10
0
0
100
200
M [Nm]
300
400
Rys. 13. Stężenie PM dla kąta wyprzedzenia wtrysku B oraz n=1400 obr/min
178
500
60
ONC
50
PM [mg/m3]
L10C
40
L20C
30
20
10
0
0
100
200
300
400
500
M [Nm]
Rys. 14. Stężenie PM dla kąta wyprzedzenia wtrysku C oraz n=1400 obr/min
Jak pokazały wyniki badań, stężenie PM jest najmniejsze dla paliwa L20,
a największe dla ON. Różnica pomiędzy stężeniem PM dla paliwa ON, a stężeniem PM
dla paliwa L20 przy kącie wyprzedzenia wtrysku C (rys. 14) wynosi ok. 35% dla
maksymalnych obciążeń silnika.
Emisja jednostkowa CO [g/(kW·h)]
CO
0,80
0,70
0,60
0,50
ON
0,40
L10
0,30
L20
0,20
0,10
0,00
A
B
C
Rys. 15. Emisja jednostkowa CO dla trzech kątów wyprzedzenia wtrysku
179
Emisja jednostkowa HC
[g/(kW·h)]
HC
0,60
0,50
0,40
ON
0,30
L10
0,20
L20
0,10
0,00
A
B
C
Rys. 16. Emisja jednostkowa HC dla trzech kątów wyprzedzenia wtrysku
Emisja jednostkowa NOx
[g/(kW·h)]
NOx
10,00
8,00
6,00
ON
4,00
L10
2,00
L20
0,00
A
B
C
Rys. 17. Emisja jednostkowa NOx dla trzech kątów wyprzedzenia wtrysku
Emisja jednostkowa PM
[g/(kW·h)]
PM
0,20
0,15
ON
0,10
L10
0,05
L20
0,00
A
B
C
Rys. 18. Emisja jednostkowa PM dla trzech kątów wyprzedzenia wtrysku
180
5. Wnioski
Duża zawartość tlenu w paliwach z lnianki istotnie wpływa na proces spalania,
gdyż tlen ten cechuje się większą aktywnością niż tlen cząsteczkowy zawarty
w powietrzu. Objawia się to większymi maksymalnymi ciśnieniami i temperaturami
czynnika roboczego w komorze spalania i powoduje zmniejszenie zadymienia spalin.
Emisja PM, dla każdego z kątów wyprzedzenia wtrysku, jest większa dla ON i maleje
wraz ze zwiększaniem ilości estru z lnianki w paliwie. Emisja jednostkowa PM dla L20
jest o ok. 60% mniejsza niż dla ON. Ważną zaletą estru z lnianki jest praktycznie zerowa
zawartość siarki, co jest korzystną cechą zarówno ze względów ekologicznych, jak i ze
względu na korozyjne zużycie elementów silnika i układu oczyszczania spalin.
Zasilanie silnika o zapłonie samoczynnym estrem z lnianki powoduje korzystne
obniżenie emisji praktycznie wszystkich toksycznych składników spalin (z wyjątkiem
tlenków azotu). Emisja CO jest najbardziej korzystna dla paliwa L20. Emisja HC,
podobnie jak CO, najniższa jest dla paliwa L20. Jednak emisja HC dla pozostałych paliw
jest zdecydowanie wyższa. Przy kącie C różnica emisji między paliwem ON, a L20
wynosi ok. 40%.
Porównując emisję NOx dla trzech kątów wyprzedzenia wtrysku, największe
wartości dla każdego z paliw, zaobserwowano dla kąta C. Ustawienie to powoduje
wcześniejszy wtrysk, który skutkuje większymi ciśnieniami i temperaturami w komorze
spalanie, co z kolei skutkuje zwiększoną emisją NOx. Analizując emisję NOx dla trzech
paliw, najmniejszą wartość zaobserwowano dla paliwa ON (przy każdym z trzech kątów
wyprzedzenia wtrysku). Im większa ilość estru z lnianki w paliwie tym więcej
aktywnego tlenu, który bierze udział w spalaniu co powoduje podwyższenie ciśnienie
i temperatury w komorze spalania. Prowadzi to do wzrost emisji NOx powyżej wartości
osiąganych na czystym oleju napędowym.
Zaprezentowane wyniki wskazują, że zastosowanie mieszaniny oleju napędowego
z estrem z lnianki w silnikach pojazdów rolniczych ma szereg korzyści. Porównywalna
lub niższa emisja PM, HC oraz CO, a także większa emisja NOx pozostająca jednak
w granicach normy, pozwalają zastosować FAME z lnianki jako biokomponent do paliw
handlowych w proporcjach większych niż obecnie dopuszczalne.
Literatura:
[1] Kruczyński S; Filtracja cząstek stałych w spalinach pojazdów samochodowych,
Instytut Naukowo-Wydawniczy SPATIUM, Radom 2011,
[2] Orliński P, Marcin K. Wojs, Mazuruk P.: Budowa stanowiska do badań paliw
eksperymentalnych płynnych wykorzystującego silnik rolniczy o zapłonie
samoczynnym, Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów 1(92)/2013, ISSN 1642347X, str: 167-172
[3] Instrukcja do silnika Perkins 1100 Series,
[4] Szlachta Z., Dudek S; Zasilanie biopaliwami silników pojazdów rolniczych,
MOTROL – Motoryzacja i Energetyka Rolnictwa 5/2003, s. 197-200,
[5] Orliński P.; Wybrane zagadnienia procesu spalania paliw pochodzenia
roślinnego w silniku o zapłonie samoczynnym, Instytut Naukowo-Wydawniczy
SPATIUM, Radom 2013,
181
Streszczenie
Artykuł przedstawia wyniki badań mieszaniny 10 % i 20 % FAME z lnianki
z olejem napędowym oraz porównawczo wyniki dla czystego ON. Badania
przeprowadzono zgodnie z testem C1, a emisja toksycznych składników spalin
obliczona została według normy ISO 8178 dla pojazdów o zastosowaniu
pozadrogowym. Przedstawione wyniki zostały otrzymane z charakterystyki
obciążeniowej dla prędkości maksymalnego momentu – 1400 obr/min. Wprowadzono
również zmianę kąta początku wtrysku i otrzymano trzy parametry pomiarowe:
A – ustawienie fabryczne, B – opóźnienie wtrysku paliwa (o ok. 5o OWK),
C – przyspieszenie wtrysku paliwa (o ok. 5o OWK).
Słowa kluczowe: FAME, lnianka, początek wtrysku
EFFECT OF INJECTION FOR EMISSIONS OF TOXIC SUBSTANCES IN
DIESEL ENGINE POWERED BY ALTERNATIVE FUELS
Abstract
This article presents the results of a mixture of 10% and 20% of FAME from camelina
with diesel and comparative results for pure ON. The study was conducted in accordance
with test C1 and toxic exhaust emissions have been calculated according to ISO 8178 for
nonroad use. The results were obtained from the full-load characteristic for maximum
torque speed - 1400 rpm / min. Also introduced changing the angle of injection to give
three measurement parameters: A - factory setting, B - delayed fuel injection
(approximately 5o TDP) C - acceleration fuel injection (approximately 5 o TDP).
Keywords: FAME, camelina, injection
182