INVESTIGATIONS OF EFFICIENCY OF ACTION MODULAR

Journal of KONES Internal Combustion Engines 2005, vol. 12, 3-4
INVESTIGATIONS OF EFFICIENCY OF ACTION MODULAR
CARBON BLACK FILTER
Czesáaw Kolanek, Zbigniew Sroka
Katarzyna Topolska, Wojciech Walkowiak
Politechnika Wrocáawska
Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn
50-371 Wrocáaw, ul. àukasiewicza 7/9
tel./fa[: 71 347-79-18
e–mail czesá[email protected],
[email protected],
[email protected],
[email protected]
Abstract
,QWKLVZRUNDUHSUHVHQWHGUHVXOWVRIH[KDXVWJDVFOHDQLQJV\VWHPLQYHVWLJDWLRQ7KLVV\VWHPFRQWDLQVWZR
PRQROLWKLFFHUDPLFPRGXODUILOWHUVLQSDUDOOHOFRQILJXUDWLRQ0RGXODUFDUERQEODFNILOWHUFRQFHSWLRQHQDEOHV
VHOHFWVL]HRIILOWHU
VDFWLYHVXUIDFHZKLFKGHSHQGVRQDQHQJLQHFXELFFDSDFLW\E\DSSOLFDWLRQSURSHUQXPEHUV
VWDQGDUGILOWHULQJPRGXOHV,QFRQVLGHUHGFDVHZHUHXVHGWZRPRGXOHVZKLFKGLPHQVLRQVZHUH/[%DQGPHVK
GHQVLW\FDO)LOWHUVUHJHQHUDWLRQZDVFDWDO\]HZD\SURFHVV,QYHVWLJDWLRQVZHUHGRLQJPDNLQJRQHQJLQHWHVW
VWDWLRQZLWKGPHQJLQHFDSDFLW\N:HQJLQHSRZHU&212DQGVPRNLQHVVLQH[KDXVWJDVEHIRUHDQG
DIWHUILOWHUZDVDQDO\VHGWRR:DVPDGHWKHUPRYLVLRQ
VDQDO\VLVRIWHPSHUDWXUHSURILOHRQRXWOHW
VPRGXOH
VXUIDFH,WZDVIRXQGWKDWKLJKHIILFLHQF\VPRNLQHVVLQH[KDXVWJDVZDVGHFUHDVHGVLPXOWDQHRXV&2DQG12
UHGXFWLRQWRR1RQXQLIRUPWHPSHUDWXUHSURILOHLQILOWHULQJPRGXOHVLQGLFDWHVWKDWLVQHFHVVLW\RIKRVSLWDOL]DWLRQ
ILOWHULQJPRGXOHVLQHQJLQH
VRXWOHWV\VWHPGHYHORSPHQW
BADANIA SKUTECZNOĝCI DZIAàANIA MODUàOWEGO FILTRA
SADZY
Streszczenie
W pracy przedstawiono wyniki badaĔ systemu oczyszczania spalin, skáadającego siĊ z dwu monolitycznych –
ceramicznych moduáów filtracyjnych zbudowany w ukáadzie równolegáym. Koncepcja moduáowego filtra sadzy
miaáa na celu umoĪliwienie doboru wielkoĞci powierzchni czynnej filtra zaleĪnie od pojemnoĞci skokowej silnika,
przez zastosowanie odpowiedniej liczby standardowych moduáów filtracyjnych. W rozwaĪanym przypadku
zastosowano dwa moduáy o wymiarach LxB i gĊstoĞci oczek 150/cal2. Regeneracja filtrów przebiegaáa na drodze
katalitycznej. Badania wykonano na stanowisku hamownianym z silnikiem o pojemnoĞci 6,5 dm3 i mocy okoáo
90kW.Analizą objĊto stĊĪenie CO i NO oraz stopieĔ zadymienia spalin przed i za filtrem. Przeprowadzono
równieĪ termowizyjną analizĊ rozkáadu temperatur na powierzchni wylotowej moduáów filtracyjnych.
Stwierdzono wysoką skutecznoĞü obniĪenia zadymienia spalin, przy równoczesnym obliczenia stĊĪenia CO i NO
w spalinach. Nierównomierny rozkáad temperatur moduáów wskazuje na koniecznoĞü optymalizacji rozbudowy
moduáów w ukáadzie wylotowym silnika.
1. WstĊp
Emisja sadzy silnikowej i związanych z jej powstawaniem cząstek staáych jest zjawiskiem
wystĊpującym gáównie w silnikach o zapáonie samoczynnym. Cząstki staáe emitowane przez
silniki, a szczególnie cząstki o bardzo maáych wymiarach, wystĊpujące w powietrzu w postaci
aerozolu, mogą byü przyczyna wielu schorzeĔ górnych dróg oddechowych. KoniecznoĞü
eliminowania cząstek staáych ze spalin prowadzi do stosowania systemów filtracyjnych,
159
bĊdących elementem ukáadów wylotowych silników. Relatywnie wysokie koszty tych
systemów w poáączeniu z ich oddziaáywaniem na parametry pracy silnika powoduje
koniecznoĞü precyzyjnego doboru wielkoĞci filtra i systemu jego regeneracji, zaleĪnie od
wielkoĞci i przeznaczenia silnika. Jednym z rozwiązaĔ, umoĪliwiających stosunkowo áatwe
dopasowanie wielkoĞci filtra do pojemnoĞci skokowej i prĊdkoĞci obrotowej silnika, jest
zastosowanie moduáowego filtra sadzy, tworzących zespóá filtracyjny umieszczony we
wspólnej obudowie i zamontowany w ukáadzie wylotowym silnika.
2. Koncepcja filtra moduáowego
Typowy, wspóáczesny filtr sadzy skáada siĊ z monolitu filtrującego, wykonanego
zazwyczaj z kordierytu lub spieku wĊglika krzemu. PorowatoĞü otwarta monolitu wynosi ok.
50%, a rozmiary porów umoĪliwiają zatrzymywanie cząstek sadzy. Schemat budowy
monolitu filtra przedstawia rys.2.1. Typowa objĊtoĞü caákowita monolitu wynosi ok. 2,5
dm3.IloĞü kanaáów na cm2 równa jest 31, gruboĞü Ğcianki 0,305mm, porowatoĞü – 48%,
Ğrednia Ğrednica porów - 13Pm. Produkowane są monolity o wymiarach od 5,66*6cal do
12*15 cala, które mogą znaleĨü zastosowanie do silników o duĪej pojemnoĞci skokowej,
jednak ze wzrostem objĊtoĞci monolitu wzrasta jego podatnoĞü na uszkodzenia – szczególnie
w trakcie procesu regeneracji. Jak wykazują dotychczasowe doĞwiadczenia – podatnoĞü na
uszkodzenia monolitów o maáej objĊtoĞci jest wyraĨnie mniejsza. Mając na uwadze konieczną
wysoką trwaáoĞü filtra oraz potrzebną trwaáoĞü dostosowania pojemnoĞci filtra do wielkoĞci i
przeznaczenia silnika, opracowano koncepcjĊ filtra záoĪonego z szeregu monolitów,
umieszczonych we wspólnej obudowie – przykáady rys. 2..
a)
b)
Rys. 2.. Przykáady rozwiązaĔ filtra moduáowego
Fig. 2.. The instances of modular filter solutions
Do celów badawczych wykonano filtr záoĪony z 2 monolitów, wykonany wg. schematu
przedstawionego na rys. 2.3.
3. Stanowisko badawcze
Badania stanowiskowe filtra moduáowego byáy prowadzone w Zakáadzie Pojazdów
Samochodowych i Silników Spalinowych Politechniki Wrocáawskiej. Wykorzystano
stanowisko hamowniane wyposaĪone w popularny silnik wysokoprĊĪny SW 400. Schemat
stanowiska pomiarowego oraz jego fotografia znajdują siĊ na rysunkach 3.1. oraz 3.2.
160
Rys. 2.. Schemat konstrukcji filtra moduáowego
Fig. 2. Scheme of modular filter construction
W skáad stanowiska wchodziáy nastĊpujące elementy:
silnik wysokoprĊĪny SW 400,
hamulec elektrowirowy z czujnikiem pomiaru momentu obrotowego i prĊdkoĞci
obrotowej silnika,
- moduáowy filtr sadzy,
- zbiornik paliwa z miernicą jego zuĪycia,
- czujniki ciĞnienia i temperatury oleju silnikowego oraz temperatury wody w ukáadzie
cháodzenia
- dymomierz AVL 415 (skala Boscha)
- analizator spalin – CO, NOx (firmy Hartmann & Brown – Uras 10)
termopara Īelazo – konstantan z miliwoltomierzem (do pomiaru temperatury spalin)
-
161
Pomiar zadymienia
Analiza spalin Nox, CO
MODUàOWY
FILTR
SADZY
Pomiar temperatury spalin
Pomiar ciĞnienia spalin
Czujnik
obciąĪenia
Hamulec elektrowirowy
SILNIK
Zbiornik
paliwa
Czujnik prĊdkoĞci
obrotowej
Miernica
zuĪycia
paliwa
Pomiar
temperatury oleju
Pomiar
temperatury wody
Pomiar
ciĞnienia
oleju
Stoper
Rys. 3.1. Schemat stanowiska pomiarowego
Fig 3.1 Scheme of measurement facility
Rys. 3.2. Fotografia stanowiska badawczego
Fig. 3.2 View of measurement facility
162
4
551
521
3.36 500
401
3
600
2.87
339
400
280
2
300
1.98
222
1.36
200
1
0
0 0.31
0.15
0
100
0
0.64
0
0
0.01
0.01
250
300
350
385
temperatura [C]
zadymienie spalin [B]
459
100
0
150
200
obciąĪenie [Nm]
przed filtrem
za filtrem
temp.
Rys. 4.1. Zadymienie i temperatura w funkcji obciąĪenia silnika; n=1200 obr/min; ( P 1 , Z 2 )
Fig. 4.1 Smokiness and temperature versus the engine load; n=1200 obr/min; ( P 3 , Z 4 )
zadymienie spalin [B]
659
3.63
546
484
3
3.09
418
400
1.84
300
200
1.08
1
0
0
100
0 0.42
0.16
0.1
0
600
500
354
304
2
700
0
0.01
0.01
250
300
350
382
100
0
200
150
0
temperatura [C]
627
4
obciąĪenie [Nm]
przed filtrem
za filtrem
temp.
Rys. 4.2. Zadymienie i temperatura w funkcji obciąĪenia silnika; n=2000 obr/min; (P, Z)
Fig. 4.2 Smokiness and temperature versus the engine load; n=2000 obr/min; (P, Z)
0 .2 5
0 .2
0 .1 6 4
Emisja NOx[%]
0 .2 3 8
0 .2 2
0 .1 8 8
0 .1 2 5
0 .1 5
0 .0 9 2
0 .2 2
0 .1 9 6
0 .2 3
0 .1 9 4
0 .1 9 4
0 .1 5
0 .1 2
0 .1
0 .0 7 6
0 .0 5
0
100
150
200
250
300
350
O b c ią Ī e n ie [ N m ]
p r z e d filtr e m [% ]
z a f ilt r e m [ % ]
Rys. 4.3. Emisja NOx przy prĊdkoĞci obrotowej n=1200 [obr/s]
Fig. 4.3 NOx emission at rotational speed n=1200 [obr/s]
1
P – pomiar przed filtrem
Z – pomiar za filtre
3
P – pomiar przed filtrem
4
Z – pomiar za filtre
2
163
385
0.25
Emisja NOx [%]
0.2
0.164
0.22
0.194
0.238
0.196
0.194
0.125
0.15
0.23
0.22
0.188
0.15
0.092
0.12
0.1
0.076
0.05
0
100
150
200
250
300
350
382
O bciąĪenie [N m ]
przed filtrem [% ]
za filtrem [% ]
Rys. 4.4. Emisja NOx przy prĊdkoĞci obrotowej n=2000 [obr/s]
Fig. 4.4 NOx emission at rotational speed n=2000 [obr/s]
Emisja CO [%]
0 .5
0 .4 5
0 .4 5
0 .4
0 .3 5
0 .3
0 .2 5
0 .2
0 .1 5
0 .2 4
0 .1
0 .1
0 .1 1
0 .0 6 5
0 .0 4 5
0 .1
0 .0 5
0
0 .0 6
0 .0 6
100
150
200
250
0 .0 2
0 .0 2
0 .0 2 5
0 .0 1 5
0 .0 4 5
300
350
385
O b c ią Ī e n ie [N m ]
p rz e d filtre m [% ]
z a filtre m [% ]
Rys. 4.5. Emisja CO przy prĊdkoĞci obrotowej n=1200 [obr/s]
Fig. 4.5 CO emission at rotational speed n=1200 [obr/s]
0.7
0.64
Emisja CO [%]
0.6
0.5
0.43
0.4
0.3
0.2
0.1
0.055
0
0.045
0.065
0.04
0.04
0.025
100
150
0.125
0.015
0.015
0.02
300
350
382
0.025
0.015
200
250
O bciąĪenie [N m ]
za filtrem [% ]
przed filtrem [% ]
Rys. 4.6. Emisja CO przy prĊdkoĞci obrotowej n=2000 [obr/s]
Fig. 4.6. NOx emission at rotational speed n=2000 [obr/s]
164
4. Wnioski
-
Przeprowadzone badania potwierdziáy sáusznoĞü koncepcji moduáowego filtra sadzy.
SkutecznoĞü dziaáania moduáowego filtra sadzy jest wysoka.
Zastosowanie metody katalitycznej regeneracji filtra oprócz usuwania sadzy z moduáu
filtracyjnego, powoduje obniĪenie stĊĪenia tlenku wĊgla w spalinach.
Problemem wymagającym rozwiązania jest uzyskanie równomiernego obniĪenia
cieplnego poszczególnych moduáów filtracyjnych.
Literatura
[1] Ekert K., Zawadzki A. Stopniowe zmniejszanie emisji zanieczyszczeĔ z silników
produkcji polskiej do wymagaĔ EURO 3. EKODIESEL '96, Warszawa 1996.
[2] StruĞ i in. EfektywnoĞü pojazdów wojskowych i agregatów prądotwórczych w aspekcie
stosowania paliwa oxydiesel i katalizatorów spalin oraz zmian konstrukcyjnych. WSO
TK Wrocáaw 2000.
[3] StruĞ M. Diesel motors of combat vehicles in the aspect of their alternative feeding by
vegetable fuels. 8 th European Automotive Congress: “Europe and the Second Century
of Auto Mobility. Conference C Bratislava 2001.
165