JOURNAL OF KONES 2006 NO 4

Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 13, No. 4
THE RESEARCHES ON CERAMIC SOOT FILTER FOR ENGINE WITH
HIGH-PRESSURE FUEL INJECTION SYSTEM
Czesáaw Kolanek, Katarzyna Topolska, Wojciech Walkowiak
Politechnika Wrocáawska, Wydziaá Mechaniczny
Instytut Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn
Wyb. WyspiaĔskiego 27, 50-370 Wrocáaw
e-mail: [email protected], [email protected]
e-mail: [email protected]
tel./ fax: +48 71 3477918
Abstract
The present work summaries results of research work concerning with ceramic soot filter with catalytic
regeneration. The construction of the filter was based on author’s experiences and in aspect of cooperation with
modern, high-speed, self-ignition engine. The filter structure was based on cordierite ceramic. The catalytic method
was selected as a method of regeneration. The catalysts (precious metals and cerium) was spherical applied on
monolith wall. Gained system, apart from filter regeneration, also worked as catalytic converter of exhaust gasses.
The influence of the filter on parameters of engine work and emissions was tested. Also problems of filter
regeneration and pressure drop of exhaust gasses in aspects of engine thermal load and filter location. The concept of
future modernization of the system was presented. Test bench, fumigation soot conversion, backpressure on soot filter,
concentration of CO s, conversion of CO, concentration of NO conversion of NO versus engine parameters i.e. the
rotational speed of the crank-shaft, torque moment and the engine power are presented in the paper.
Keywords: engine, ceramic, soot filter, durability, fuel injection
BADANIA CERAMICZNEGO FILTRA SADZY DO SILNIKA
Z WYSOKOCIĝNIENIOWYM SYSTEMEM WTRYSKU PALIWA
Streszczenie
W pracy przedstawiono wyniki badaĔ ceramicznego filtra sadzy z regeneracją katalityczną. Filtr zostaá wykonany
na bazie wáasnych doĞwiadczeĔ, pod kątem wspóápracy ze wspóáczesnym, wysokoobrotowym silnikiem o zapáonie
samoczynnym. Filtr wykonano na bazie ceramiki kordierytowej. Jako metodĊ regeneracji wybrano regeneracjĊ
katalityczną. Zastosowano katalizatory na bazie metali szlachetnych i ceru, naniesionych strefowo na powierzchniĊ
Ğcianek monolitu. Uzyskany ukáad oprócz regeneracji filtra speániá równieĪ rolĊ katalitycznego konwertora spalin. W
pracy przedstawiono wpáyw filtra na parametry pracy silnika i skáad spalin. Omówiono problemy regeneracji filtra i
przeciwciĞnienia spalin w aspekcie obciąĪenia cieplnego silnika oraz umieszczenia filtra w ukáadzie wylotu spalin.
Przedstawiono koncepcjĊ dalszej modernizacji ukáadu filtra w aspekcie obniĪenia maksymalnych temperatur monolitu
przy zachowaniu peánej skutecznoĞci regeneracji. W szczególnoĞci stanowisko badawcze, dymienie, stopieĔ filtracji
sadzy, przeciwciĞnienie na filtrze, stĊĪenie CO w spalinach, konwersja CO, stĊĪenie NO w spalinach, konwersja NO w
funkcji parametrów pracy silnika, tj. prĊdkoĞci obrotowej waáu korbowego, momentu obrotowego i mocy silnika są
przedstawione w artykule.
Sáowa kluczowe: silnik, ceramika, filtr sadzy, trwaáoĞü, wtrysk paliwa
1. WstĊp
Dynamiczny rozwój silników spalinowych o zapáonie samoczynnym powoduje koniecznoĞü
rozwiązania problemu emisji cząstek staáych. Wprowadzenie wysokociĞnieniowego wtrysku
C. Kolanek, K. Topolska, W. Walkowiak
paliwa spowodowaáo istotne obniĪenie toksycznoĞci i zadymienia spalin, jednak problem emisji
sadzy silnikowej nie zostaá do koĔca rozwiązany. Z publikowanych prac wynika, Īe nanocząstki
sadzy, po przedostaniu siĊ do ukáadu oddechowego mogą powodowaü miejscowe stany zapalne,
które w przypadku osáabionych organizmów mogą byü groĨne dla zdrowia – szczególnie dotyczy
to osób bardzo máodych i w podeszáym wieku [1]. Istotną poprawĊ moĪna uzyskaü przez
wprowadzenie systemów oczyszczających, záoĪonych m.in. z filtrów sadzy silnikowej. WĞród
wielu rozwiązaĔ filtrów sadzy, zaczynają dominowaü filtry z regeneracją katalityczną. W ZPSiSS
od szeregu lat prowadzone są prace nad rozwiązaniami filtrów sadzy z regeneracją katalityczną,
polegająca na naniesieniu materiaáu katalitycznego na powierzchniĊ monolitu filtracyjnego [2,3].
W pracy przedstawiono wyniki wstĊpnych badaĔ prototypowego filtra sadzy, wykonanego
zgodnie z patentem autorów [4].
2. Budowa filtra
Badania przeprowadzono dla filtra sadzy opartego na monolicie ceramicznym kardiorytowym
f-my Corning. Na powierzchniĊ monolitu naniesiony zostaá materiaá katalityczny w sposób
wskazany w patencie europejskim [4]. Po zabudowaniu monolitu w obudowĊ ze stali nierdzewnej
poddano go wygrzaniu w piecu o temp. 500oC przez 30 minut. Po procesie wygrzewania, mającym
na celu stabilizacjĊ maty áoĪyskującej f-my 3M, filtr zabudowano w ukáadzie wylotowym silnika
1,9 TDI PD – rys.1.
Filtr montowany byá do osi filtra, przy czym oĞ filtra byáa prostopadáa do osi agregatu. Spaliny
przez przewód áączący kierowane byáy do przestrzeni rozprĊĪnej przed filtrem. Takie rozwiązanie
zapobiegáo bezpoĞredniemu napáywowi spalin z turbiny na powierzchnie monolitu i powodowaáo
lepsze wykorzystanie objĊtoĞci filtra. ObjĊtoĞü czĊĞci rozprĊĪnej wynosiáa ok. 1,8 dm3. W czĊĞci
rozprĊĪnej umieszczono równieĪ sondĊ do poboru spalin oraz termoparĊ, mierzącą temperaturĊ
spalin na dolocie do monolitu filtracyjnego.
3. Stanowisko badawcze z filtrem sadzy
Silnik zamontowano na stanowisku badawczym z hamulcem wiroprądowym Alfa 240, f-my
AVL. Stanowisko wyposaĪono w analizatory gazów spalinowych – CO, NOx, HC f-my HartmanBraun, a ze wzglĊdu na brak tunelu do pomiaru cząstek staáych – w analizator zadymienia spalin –
AVL 415, okreĞlający zadymienie metodą filtracji. Widok stanowiska badawczego przedstawiono
na rys.3.
Badania przeprowadzono dla charakterystyk obciąĪeniowych przy trzech obciąĪeniach i
czterech prĊdkoĞciach obrotowych.
4. Wyniki badaĔ
Rezultaty pomiarów przedstawiono na rys. 4.1 – 4.4.
SkutecznoĞü filtracji mierzono jako procentowe obniĪenie zadymienia spalin przedstawiono na
rys. 4.1. i 4.2.
ĝrednia skutecznoĞü filtracji wynosiáa 97,19%.
Dodatkowym pozytywnym efektem katalitycznej regeneracji filtra jest obniĪenie stĊĪenia tlenku
wĊgla w spalinach – rys. 4.3 i 4.4.
RównoczeĞnie obserwuje siĊ niewielki wzrost stĊĪenia tlenków azotu. ĝrednia wartoĞü
zmniejszenia stĊĪenia CO za filtrem wynosiáa 44%, przy Ğrednim zakresie stĊĪenia NOx o ok. 4%
Mankament stosowania filtra sadzy jest wzrost przeciwciĞnienia spalin – rys4.5 i 4.6.
Wzrost przeciwciĞnienia – rys 4.7. moĪe niekorzystnie wpáywaü na obniĪenie cieplne silnika oraz
zuĪycie paliwa.
The Researches on Ceramic Soot Filter for Engine with High-Pressure Fuel Injection System
Rys. 3. Stanowisko badawcze
Fig.3. Test bench
4.0
3.5
D, FSN
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
160
140
120
Mo,
100
Nm
80
60
40
3000
2800
2600
2400
2200
n
2000
mi
br/
1800
o
n,
1600
1400
Rys. 4.1. Dymienie w funkcji parametrów pracy silnika
Fig 4.1. Fumigation depending on engine’s parameters
C. Kolanek, K. Topolska, W. Walkowiak
stopieñ filtracji, %
100
98
96
94
160
92
140
1600
120
1800
2000
n,
ob
100
2200
r/m
in
2400
80
2600
M
o,
N
m
1400
60
2800
3000
40
Rys. 4.2. StopieĔ filtracji sadzy w funkcji parametrów pracy silnika
Fig 4.2. Soot conversion depending on engine’s parameters
0 .0 2 0
0 .0 1 8
0 .0 1 6
delta p, MPa
0 .0 1 4
0 .0 1 2
0 .0 1 0
0 .0 0 8
0 .0 0 6
0 .0 0 4
160
0 .0 0 2
140
1400
1600
1800
2000
2200
2400
n, o
2600
b r /m
2800
in
3000
120
100
80
60
M
o,
Nm
40
Rys. 4.3. PrzeciwciĞnienie na filtrze w funkcji parametrów pracy silnika
Fig. 4.3. Backpressure on soot filter depending on engine’s parameters
The Researches on Ceramic Soot Filter for Engine with High-Pressure Fuel Injection System
CO, %
0.5
0.4
0.4
0.3
0.3
0.3
0.2
0.2
0.1
0.1
160
140
120
m
,N
Mo
100
80
60
40
1400
1600
1800
2000
2200
n, ob
2400
2600
2800
3000
r/min
Rys. 4.4. StĊĪenie CO w spalinach w funkcji parametrów pracy silnika
Fig 4.4. Concentration of CO depending on engine’s parameters
60
55
kCO, %
50
45
40
35
30
1400
1600
1800
n, o
2000
br/m
2200
in
2400
2600
2800
3000
40
60
80
100
120
140
160
Mo, Nm
Rys. 4.5. Konwersja CO w funkcji parametrów pracy silnika
Fig 4.5. Conversion of CO depending on engine’s parameters
NO, %
C. Kolanek, K. Topolska, W. Walkowiak
0.016
0.014
0.012
0.010
0.008
0.006
0.004
0.002
3000
2800
2600
40
2400
60
r
ob
n,
2200
80
/m
2000
100
in
1800
120
1600
1400
140
Mo
,N
m
160
Rys. 4.6. StĊĪenie NO w spalinach w funkcji parametrów pracy silnika
Fig 4.6. Concentration of NO depending on engine’s parameters
50
40
30
k NO, %
20
10
0
-10
-20
-30
160
140
120
M o,
100
Nm
80
60
40
3000
2800
2600
2400
in
2200
r /m
2000
b
o
1800
n,
1600
1400
Rys. 4.7. Konwersja NO w funkcji parametrów pracy silnika
Fig 4.7. Conversion of NO depending on engine’s parameters
The Researches on Ceramic Soot Filter for Engine with High-Pressure Fuel Injection System
5. Wnioski
Przedstawione wstĊpne badania skutecznoĞci dziaáania ceramicznego katalitycznego filtra
sadzy wspóápracującego z silnikiem 1,9 TDI wskazują na wysoką skutecznoĞü filtracji.
Obserwowany jest korzystny wpáyw filtra na stĊĪenie tlenku wĊgla – konwersja CO do ok. 45%.
Dalszych prac wymaga obniĪenie oddziaáywania filtra na powstawanie tlenków azotu oraz
zmniejszenie przeciwciĞnienia w ukáadzie filtracyjnym.
6. Literatura
[1] Rogers, T., Engine technology international. 1998 .
[2] Walkowiak, W., Ceramiczny filtr sadzy. KONSSPAL 98 .
[3] Kolanek, Cz., Walkowiak, W., The effect of housing on the operation of the catalytic filter for
engine exhaust gases. Wpáyw zabudowy w ukáadzie wylotowym silnika na sprawnoĞü filtra
katalitycznego. W: Catalysis and adsorption in environmental protection. International
conference. Wrocáaw Oficyna Wydawnicza PWr 1994.