Show publication content!

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