article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW
1(87)/2012
Andrzej Ambrozik1, Tomasz Ambrozik2, Dariusz Kurczyński3, Piotr Łagowski4
STĘŻENIA I EMISYJNOŚĆ SKŁADNIKÓW SPALIN SILNIKA 1.3 MULTIJET
SDE 90 KM
1. Wstęp
Tłokowe silniki spalinowe stanowią konstrukcje bardzo dobrze znaną i rozwijaną na
przestrzeni około stu pięćdziesięciu lat. Są one powszechnie stosowane w różnych
dziedzinach działalności gospodarczej człowieka. W cylindrach tłokowych silników
spalinowych zachodzi przemiana energii chemicznej zawartej w paliwie na energię
cieplną czynnika roboczego, a następnie na energię mechaniczną obracającego się wału
korbowego. Efektem procesów zachodzących w cylindrze są między innymi różnego
rodzaju związki chemiczne szkodliwie oddziaływujące na środowisko. Wzrastająca
świadomość ekologiczna ludzkości przejawiająca się dążeniami do zapewnienia
wysokiej jakości życia obecnych i przyszłych pokoleń poprzez zapewnienie właściwego
stanu środowiska, spowodowała zamierzone działania ludzi na rzecz ochrony
środowiska. Na stan środowiska znaczący wpływ maja silniki spalinowe masowo
eksploatowane w otoczeniu człowieka. Powstające w cylindrze produkty spalania paliw
szkodliwie oddziaływują na środowisko i na samego człowieka. Dlatego koniecznym
stało się ograniczanie ilości emitowanych szkodliwych składników spalin. W wielu
krajach zaczęto wprowadzać przepisy administracyjne określające dopuszczalne
poziomy emisji najbardziej szkodliwych i występujących w znacznych ilościach
składników spalin. Poziomy te wyrażane są w g/km lub g/kWh. Powszechnie znane są
przepisy europejskie dotyczące emisji toksycznych składników spalin. Norma Euro 1
została wprowadzona w 1992 roku [1]. Obecnie obowiązującymi są przepisy Euro 5. Od
2014 roku będzie obowiązywać w Europie kolejna norma wprowadzająca dalsze
ograniczenia emisji wybranych składników spalin. Współczesne tłokowe silniki
spalinowe, aby mogły być sprzedawane muszą spełniać aktualnie obowiązujące normy.
Z tego względu dla silników tych obecnie najważniejsze są wskaźniki ekologiczne, czyli
wskaźniki określające ich oddziaływanie na środowisko. Do określania zawartości
w spalinach szkodliwych składników spalin służą analizatory, wykorzystujące w swym
działaniu zjawiska fizyczne charakterystyczne dla danego rodzaju składnika spalin.
Pomiary emisji szkodliwych składników spalin są wykonywane w ramach różnego
rodzaju badań. Można je podzielić na badania poznawcze i badania kwalifikacyjne [2].
Badania poznawcze są realizowane jako badania naukowe i rozwojowe. Najczęściej
celem tych badań jest ocena wprowadzanych innowacji do konstrukcji silnika i jego
układów pomocniczych, ocena stosowania nowych paliw, ocena zastosowania nowych
prof. nzw. dr hab. inż. Andrzej Ambrozik – Politechnika Świętokrzyska, Wydział Mechatroniki i Budowy
Maszyn, Katedra Mechaniki
2
mgr inż. Tomasz Ambrozik – Politechnika Świętokrzyska, Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn, Katedra
Mechaniki, Zakład Tribologii i Materiałów Eksploatacyjnych
3
dr inż. Dariusz Kurczyński – Politechnika Świętokrzyska, Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn, Katedra
Mechaniki
4
dr inż. Piotr Łagowski – Politechnika Świętokrzyska, Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn, Katedra
Mechaniki
1
107
strategii w regulacji i sterowaniu silnika [3, 4, 5, 6, 7]. Najważniejszym kryterium tej
oceny jest obecnie oddziaływanie silników na środowisko. Implikuje to konieczność
wykonywania pomiarów wybranych szkodliwych składników spalin. Badania
kwalifikacyjne są wykonywane w ramach różnych administracyjnych procedur
kontrolnych pojazdów i silników. Pojazdy muszą być poddane badaniom
homologacyjnym w ramach których sprawdza się czy dany typ pojazdu spełnia
wymagania formalne, w tym również czy emisje spalin nie przekraczają dopuszczalnych
poziomów. Do badań kwalifikacyjnych zalicza się również badania kontrolne zgodności
produkcji z typem homologowanym, wykonywane dla wybranych losowo nowych
pojazdów oraz badania okresowe wykonywane w czasie obowiązkowych przeglądów
technicznych.
Wymagane rodzaje analizatorów do przeprowadzania pomiarów w ramach badań
kwalifikacyjnych oraz sposoby wykonywania pomiarów są określane w normach.
W ramach badań naukowych i rozwojowych stosuje się zazwyczaj analizatory pracujące
według tych samych metod pomiarowych co badania kwalifikacyjne. Do pomiarów
stężeń tlenku węgla CO i dwutlenku węgla CO2 w spalinach wykorzystuje się metodę
spektrometryczną NDIR [8, 9, 10]. Pomiar tą metodą polega na pomiarze fotometrem
całkowitej absorpcji promieniowania w wąskim paśmie długości fal,
charakterystycznym dla danego związku chemicznego. Do oznaczania sumarycznej
zawartości w spalinach niespalonych węglowodorów THC wykorzystuje się analizatory
płomieniowo-jonizujące FID. W celu zapewnienia dużej dokładności pomiarów
wszystkich węglowodorów zawartych w spalinach należy stosować w tych analizatorach
grzany tor pomiarowy doprowadzający spaliny z miejsca ich poboru do analizatora.
Pozwala to uniknąć skraplania się ciężkich węglowodorów w przewodach. Do pomiaru
zawartości w spalinach tlenków azotu NOx wykorzystuję się metodę CLD, czyli
analizatory chemiluminescencyjne. Zasada działania tych analizatorów wykorzystuje
zjawisko emisji promieniowania elektromagnetycznego, które towarzyszy reakcji tlenku
azotu z ozonem w warunkach zbliżonych do próżni absolutnej. Stężenie tlenu
w spalinach jest najczęściej mierzone za pomocą analizatorów paramagnetycznych
PMD. Działanie ich polega na dyfundowaniu tlenu przez membranę do elektrolitu. Ilość
dyfundującego tlenu powoduje proporcjonalną zmianę natężenia prądu przepływającego
miedzy elektrodami. Pomiar cząstek stałych najczęściej przeprowadza się metodą
grawimetryczną. Spaliny do ich pomiaru muszą być odpowiednio przygotowane.
Wymagane jest rozcieńczenie spalin powietrzem w tunelu rozcieńczającym
w temperaturze 52±3 °C.
2. Stanowisko badawcze i obiekt badań
Obiektem badań był silnik o zapłonie samoczynnym FIAT 1.3 MULTIJET SDE 90
KM spełniający normę emisji spalin Euro IV. Badany silnik rozwija maksymalną moc
66 kW (90 KM) przy prędkości obrotowej 4000 obr/min i maksymalny moment
obrotowy 200 Nm przy prędkości obrotowej 1750 obr/min. Silnik ten jest wyposażony
w układ zasilania Common Rail i wtryskiwacze elektromagnetyczne sterowane
elektronicznie. Maksymalne ciśnienie wtryskiwanego paliwa wynosi 160 MPa.
Całkowita dawka paliwa wtryskiwana na jeden cykl pracy silnika dzielona jest w tym
silniku maksymalnie na trzy części.
Hamowniane stanowisko badawcze zbudowane w Laboratorium Silników
Cieplnych Politechniki Świętokrzyskiej na którym przeprowadzono badania
eksperymentalne przedstawiono w postaci schematu blokowego na rysunku 1.
108
Rys. 1. Schemat blokowy hamownianego stanowiska badawczego
Podczas badań silnika na hamowni dokonywano pomiarów stężeń tlenku węgla CO,
dwutlenku węgla CO2, tlenu O2, węglowodorów HC i tlenków azotu NOx oraz
zadymienia spalin silnika Fiat 1.3 Multijet SDE 90 KM pracującego według zewnętrznej
charakterystyki prędkościowej i charakterystyk obciążeniowych dla prędkości
obrotowych n = 1200, 1750, 2400, 3800, 4000 i 4200 obr/min. Wartości pomiarów
stężeń CO, CO2, O2 rejestrowano w „%” objętościowych natomiast wartości pomiarów
stężeń HC i NOx odczytywano w ppm.
Pomiarów zawartości w spalinach tlenku węgla CO, dwutlenku węgla CO 2, tlenu O2
oraz węglowodorów dokonano za pomocą analizatora wielogazowego Tecnotest 485
plus. Pomiar CO/CO2/HC jest przeprowadzany w tym analizatorze przy wykorzystaniu
selektywnej absorpcji promieniowania podczerwonego przez każdy z wyżej
wymienionych składników. W komorze pomiarowej wiązka światła ulega osłabieniu
w następstwie absorpcji fali świetlnej o określonej długości w mieszaninie gazowej
wypełniającej tę komorę. Osłabieniu podlegają określone długości fali promieniowania
podczerwonego w zależności od typu składników badanego gazu i ich koncentracji.
Stężenie tlenu w spalinach mierzone za pomocą analizatora Tecnotest 485 wykrywane
jest przez czujnik typu chemicznego, który wysyła sygnał elektryczny o charakterystyce
liniowej proporcjonalny do skutecznej zawartości procentowej tlenu. Do pomiaru
stężenia tlenków azotu NOx zastosowano analizator EXSA-240-CL firmy HORIBA [11,
12]. Stężenie NOx było mierzone z wykorzystaniem metody detekcji
chemiluminescencyjnej (CLD). Analizator EXSA-240-CL spełnia wymagania normy
ISO 8178. W tym analizatorze system poboru próbki i jej analizy wykorzystuje grzany
tor przepływu próbki o temperaturze minimalnej 55 C, co jest zalecane przez
wspomnianą normę. Pomiar zadymienia spalin przeprowadzono przy wykorzystaniu
dymomierza MK-3 Hartridge [13]. Dymomierz ten wykorzystuje metodę optyczną
pomiaru zadymienia spalin. Porównuje przezroczystość spalin z przezroczystością
czystego powietrza. Dymomierz pozwala na określenie stopnia zadymienia spalin
109
w skali od 0 do 100 jednostek dymienia Hartridge’a. Jedna jednostka w skali Hartridge’a
odpowiada osłabieniu strumienia światła o 1 %.
3. Metodyka wyznaczania emisyjności spalin
Zmierzone podczas badań eksperymentalnych stężenia wybranych składników
spalin zostały przeliczone na ich wartości emisji wyrażone w jednostkach masy
przypadającej na kilowatogodzinę. Do realizacji tego przeliczenia wykorzystano
zależności opisujące mieszaninę gazów doskonałych. Zawartość poszczególnych
składników w mieszaninie gazów doskonałych można określić za pomocą udziałów
[14]:
 udziału masowego wyrażonego ilorazem masy i-tego składnika mi do całkowitej
masy mieszaniny m:
gi 

(1)
udziału molowego wyrażonego ilorazem ilości moli danego składnika M i do
całkowitej ilości moli mieszaniny M:
zi 

mi
m
Mi
M
(2)
udziału objętościowego określonego ilorazem objętości i-tego składnika Vi do
całkowitej objętości mieszaniny, przy takim samym ciśnieniu i temperaturze:
V 
ri   i 
 V  p ,T
(3)
Udziały masowe można wyrazić za pomocą udziałów molowych i na odwrót. Dla
mieszaniny składającej się z n składników, prawdziwe są zależności:
Mi
i
gi  n
 n
 nM

Mi
m i  M i  1 
 i

i 1
i 1
i 1 M
M i  i
mi
mi

zi  n
 n i 
m
Mi  i

i 1
i 1  i
Mi
mi 1
m i

n
mi 1

i 1 m  i
zii
(4)
n
z 
i
i
i 1
gi
i
n
gi


i 1
i
(5)
Dla mieszaniny gazów doskonałych udział objętościowy składnika jest równy jego
udziałowi molowemu. Dla mieszaniny gazów składającej się z M i moli różnych gazów
udział objętościowy i-tego gazu jest:
110
V
Mv
V 
ri   i   n i  n i i i
V
  p,T
 Vi  M ii vi
i 1
(6)
i 1
Dla wszystkich gazów doskonałych wchodzących w skład mieszaniny, przy
jednakowym ciśnieniu mieszaniny p i takiej samej temperaturze T objętości molowe są
takie same, to znaczy i vi = const. Uwzględniając powyższe otrzymujemy:
ri 
Mi
n
 Mi

Mi
 zi
M
(7)
i 1
Masę molową mieszaniny μ wyraża się ilorazem masy mieszaniny m i sumarycznej
ilości moli jej poszczególnych składników M:
 
m
M
(8)
Masę mieszaniny można określić zależnością:
m  M
(9)
Natomiast masę i-tego składnika mieszaniny można obliczyć z zależności:
mi   i  M i
(10)
Wykorzystując zależność (2) masę i-tego składnika mieszaniny określa zależność:
mi   i  z i  M
(11)
W celu obliczenia emisji wybranych składników spalin, ich stężenia w spalinach,
wyrażone w procentach objętościowych emitowanych spalin ri% lub w ilości cząstek na
milion rippm zamieniono na udziały objętościowe w mieszaninie gazów, wyrażone
bezwymiarowo:
zi 
lub
zi 
ri %
100
rippm  10 4
100
(12)
(13)
Do obliczenia emisji wykorzystano zależność (11). Ilość moli czynnika roboczego
realizującego pojedynczy cykl pracy silnika w odniesieniu do jednej kilowatogodziny
wyrażono zależnością:
M   obl  Mo  g e  M pal
111
(14)
gdzie: λobl – współczynnik nadmiaru powietrza, Mo – teoretyczna ilość kmoli powietrza
potrzebna do całkowitego i zupełnego spalenia 1 kg paliwa, ge – jednostkowe zużycie
paliwa, Mpal – ilość kmoli paliwa realizującego pojedynczy cykl pracy silnika
w odniesieniu do kilowatogodziny.
Współczynnik nadmiaru powietrza obliczono z zależności:
 obl 
g pow
Lt  gc
(15)
w której: gpow – zmierzona masa powietrza dostarczonego do cylindra w czasie jednego
cyklu pracy silnika:
g pow 
G pow
30  n  c
;
kg pow
cykl
(16)
gc – masa paliwa doprowadzonego do cylindra na pojedynczy cykl pracy silnika:
gc 
Gh
kg pal
;
30  n  c
cykl
(17)
Lt – teoretyczna masa powietrza potrzebna do spalenia 1 kg paliwa wyrażona
zależnością:
Lt 
1 8
 kg pow
 C  8H  O  ;
0,232  3
 kg pal
(18)
Teoretyczną ilość kmoli powietrza potrzebnego do całkowitego i zupełnego spalenia
1kg paliwa o znanym składzie elementarnym oblicza się ze wzoru:
Mo 
1  C H O  kmol pow
   ;
0,21  12 4 32 
kg pal
(19)
Na podstawie wyznaczonych w czasie badań eksperymentalnych wartości
godzinowego zużycia paliwa Gh i mocy efektywnej silnika Ne obliczono jednostkowe
zużycie paliwa:
ge 
Gh
kg
;
N e kWh
(20)
Ilość kmoli paliwa doprowadzonego do cylindra w czasie jednego cyklu pracy
w odniesieniu do kilowatogodziny obliczono wykorzystując znajomość udziałów
masowych poszczególnych składników paliwa gi, mas molowych poszczególnych
składników paliwa μip i jednostkowego zużycia paliwa ge. Masę i-tego składnika paliwa
mi odniesioną do kilowatogodziny obliczono z zależności:
112
mi  g i  g e ;
kg
kWh
(21)
Ilość kmoli i-tego składnika paliwa wyraża zależność:
Mi 
m i kmol
;
 ip kWh
(22)
Wówczas ilość kmoli paliwa odniesiona do kilowatogodziny wyraża zależność:
M pal  
g i  g e kmol
;
kWh
 ip
(23)
Podstawiając równania (14) i (23) do równania (11) otrzymano równanie
umożliwiające wyznaczenie emisji wybranych składników spalin wyznaczonych
w g/kWh:

m i   i  z i    obl  M o  g e 



g i  g e 
kg
;
 ip  kWh
(24)
4. Wybrane wyniki badań i obliczeń
Badania eksperymentalne na hamowni silnikowej pozwoliły na wyznaczenie
stężenia w spalinach odprowadzanych z silnika 1.3 Multijet podstawowych składników
spalin: tlenku węgla CO, dwutlenku węgla CO2, węglowodorów HC, tlenków azotu
NOx, tlenu O2 oraz pomiar zadymienia spalin D. Podczas badań silnik pracował według
zewnętrznej charakterystyki prędkościowej oraz charakterystyk obciążeniowych.
Przykładowe wartości stężeń wymienionych wyżej wybranych składników spalin oraz
wartości zadymienia spalin, zmierzone przy pracy silnika według zewnętrznej
charakterystyki prędkościowej, przedstawiono w tabeli 1. Wartości stężeń
podstawowych składników spalin pokazane w tabeli 1 przeliczono na wartości emisji
wyrażone w g/kWh wykorzystując do tego celu opisaną powyżej metodykę. Wartości
tych emisji przedstawiono w tabeli 2. Przebiegi zmian wartości zmierzonych stężeń
podstawowych składników spalin badanego silnika pracującego według zewnętrznej
charakterystyki prędkościowej oraz obliczone wartości ich emisji przedstawiono
w sposób graficzny na rysunku 2. Na kolejnych rysunkach 3 i 4 przedstawiono zmiany
wartości stężenia oraz emisji: tlenku węgla, dwutlenku węgla, tlenków azotu oraz tlenu
w spalinach badanego silnika 1.3 Multijet SDE 90 KM pracującego według
charakterystyk obciążeniowych dla prędkości obrotowych wału korbowego
wynoszących 1750 i 4000 obr/min.
113
Tabela 1. Pomiary stężeń tlenu i wybranych szkodliwych składników spalin oraz
zadymienia spalin silnika Fiat 1.3 Multijet SDE 90 KM pracującego według zewnętrznej
charakterystyki prędkościowej, przy zasilaniu go olejem napędowym Ekodiesel
Lp. n [obr/min]
CO
[%]
CO2
[%]
O2
[%]
HC
[ppm]
NOX
ppm
D
[%]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
0,11
0,05
0,09
0,10
0,06
0,04
0,04
0,03
0,06
0,05
0,03
0,02
0,03
0,03
0,04
0,05
0,07
0,06
0,09
0,11
11,2
10,8
11,3
11,6
12,0
11,5
11,6
11,4
11,6
11,4
10,6
10,1
10,3
10,9
10,8
11,0
10,8
10,2
10,1
9,9
4,5
5,2
4,4
3,68
3,68
4,3
4,1
4,3
4,0
4,4
5,2
5,5
5,3
5,3
5,2
5,1
5,3
6,1
6,2
6,6
10
10
10
9
0
0
0
0
0
0
9
9
9
0
0
8
8
9
9
9
630
720
766
810
815
828
841
853
887
908
940
949
961
957
960
941
992
1039
985
1036
7
5
5
7
9
5
5
7
9
7
7
2
3
4
7
8
11
13
20
23
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
CO2
7
CO; %
CO2; %
0.1
0.08
0.06
0.04
CO
0.02
0
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
NOx
1500
2000
2500
3000
n; obr/min
3500
4000
600
4
3
400
CO
200
0
700
8
7
O2; %
NO; g/kWh
NOx; ppm
1000
800
5
0
5
3
6
1
6
4
1000
CO2
2
7
O2
1200
8
600
6
O2
400
4
300
3
2
1
1
0
0
200
100
0
1000
4500
500
NO
5
2
1500
2000
2500
3000
n; obr/min
3500
4000
4500
Rys. 2. Stężenia i emisje tlenku węgla CO, dwutlenku węgla CO2, tlenków azotu NOx
i tlenu O2 w spalinach silnika Fiat 1.3 Multijet SDE 90 KM pracującego według
zewnętrznej charakterystyki prędkościowej i przy zasilaniu go olejem napędowym
Ekodiesel
114
CO2; g/kWh
0.12
O2; g/kWh
0.14
CO; g/kWh
1000
1200
1400
1700
1800
2000
2200
2400
2600
2800
3000
3200
3400
3600
3800
4000
4200
4400
4600
4800
Tabela 2. Emisje tlenu i wybranych szkodliwych składników spalin oraz współczynnik
absorpcji światła w spalinach silnika Fiat 1,3 Multijet SDE 90 KM pracującego według
zewnętrznej charakterystyki prędkościowej, przy zasilaniu go olejem napędowym
Ekodiesel
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
1000
1200
1400
1700
1800
2000
2200
2400
2600
2800
3000
3200
3400
3600
3800
4000
4200
4400
4600
4800
1,131
1,269
1,219
1,134
1,128
1,223
1,243
1,255
1,238
1,226
1,335
1,363
1,348
1,360
1,396
1,405
1,380
1,416
1,545
1,495
CO
CO2
O2
HC
[g/kWh] [g/kWh] [g/kWh] [g/kWh]
6,875
3,167
5,298
5,105
2,996
2,039
1,994
1,512
2,967
2,456
1,567
1,070
1,605
1,635
2,216
2,871
4,249
3,936
6,193
7,819
1099,788
1074,898
1045,202
930,525
941,484
920,906
908,456
902,521
901,157
879,698
869,929
848,984
865,627
933,188
940,143
992,433
1030,085
1051,346
1092,076
1105,696
0.28
0
900
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
14
800
12
0.24
CO2
CO; %
0.16
0.12
CO
0.08
0.04
k
[m-1]
4,218
4,886
4,831
4,431
4,36
4,521
4,491
4,605
4,699
4,778
5,26
5,44
5,507
5,587
5,698
5,789
6,452
7,303
7,262
7,89
0,17
0,12
0,12
0,17
0,22
0,12
0,12
0,17
0,22
0,17
0,17
0,05
0,07
0,09
0,17
0,19
0,27
0,32
0,52
0,61
0,029
0,029
0,027
0,021
0
0
0
0
0
0
0,022
0,022
0,022
0
0
0,021
0,023
0,027
0,029
0,03
2000
1800
50
1600
40
CO2; %
0.2
321,294
376,31
295,919
214,643
209,932
250,371
233,468
247,525
225,944
246,877
310,299
336,155
323,868
329,927
329,133
334,563
367,556
457,166
487,441
535,973
NO
[g/kWh]
1400
1200
CO2
30
1000
800
20
600
10
400
CO
200
0
0
4000
6
3500
NOx; ppm
600
8
500
400
6
O2
300
O2; %
10
NOx
NO; g/kWh
5
700
4
100
2
1
0
0
0
40
60
80
100
120
Mo; Nm
140
160
180
2500
NO
2000
1500
2
20
3000
O2
3
4
200
CO2; g/kWh
λobl
1000
500
0
20
200
40
60
80
100
120
Mo; Nm
140
160
180
200
Rys. 3. Stężenia i emisje tlenku węgla CO, dwutlenku węgla CO2, tlenków azotu NOx
i tlenu O2 w spalinach silnika Fiat 1.3 Multijet SDE 90 KM pracującego według
charakterystyki obciążeniowej dla prędkości obrotowej wału korbowego
n = 1750 obr/min i przy zasilaniu go olejem napędowym Ekodiesel
115
O2; g/kWh
n
[obr/min]
CO; g/kWh
Lp.
0.06
0.04
0.02
CO
12
10
8
6
CO2
4
1
14
O2
5
2
16
NOx
6
3
O2; %
NOx; ppm
0
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
7
CO2; g/kWh
CO2
8
NO; g/kWh
CO; %
0.1
0.08
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
11000
10000
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
9
4
2
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
Mo; Nm
CO
0
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
O2; g/kWh
0.12
10
CO2; %
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
18
0.14
CO; g/kWh
0.16
NO
O2
20
40
60
80
100
Mo; Nm
120
140
160
Rys. 4. Stężenia i emisje tlenku węgla CO, dwutlenku węgla CO2, tlenków azotu NOx
i tlenu O2 w spalinach silnika Fiat 1.3 Multijet SDE 90 KM pracującego według
charakterystyki obciążeniowej dla prędkości obrotowej wału korbowego
n = 4000 obr/min i przy zasilaniu go olejem napędowym Ekodiesel
5. Podsumowanie
Większość dostępnych i stosowanych do realizacji badań analizatorów spalin
pozwala na określenie wartości stężeń podstawowych składników spalin
odprowadzanych z silnika do otoczenia. Przedstawiona metodyka umożliwia
przeliczenie otrzymanych w czasie badań eksperymentalnych wartości stężeń
składników spalin na emisje wyrażone w gramach na kilowatogodzinę. Metodyka ta
umożliwia również wyznaczenie emisji w gramach przypadających na kilogram
spalanego paliwa. Przedstawiony sposób przeliczania stężeń składników spalin na ich
emisję umożliwia większy zakres interpretacji i oceny otrzymanych wyników badań
emisji szkodliwych składników spalin. Pozwala porównać otrzymane wyniki pomiarów
stężeń szkodliwych składników spalin z wartościami dopuszczalnych poziomów emisji
określonych w wymaganiach normatywnych dla danego typu silników.
Literatura
[1] Kruczyński S. W., Hofman P., Mleczko P.: Nowoczesne systemy ograniczania
emisji substancji szkodliwych poprzez oczyszczanie gazów spalinowych. Zeszyty
Naukowe Instytutu Pojazdów 1(73)/2009, s. 27 ÷ 40.
[2] Chłopek Z.: Ochrona środowiska naturalnego. Wydawnictwo Komunikacji
i Łączności, Warszawa 2002.
[3] Ambrozik A., Kurczyński D.: Ocena własności ekologicznych silnika o zapłonie
samoczynnym zasilanego estrami metylowymi kwasów tłuszczowych oleju
rzepakowego i ich mieszaninami z olejem napędowym. Autobusy Technika,
Eksploatacja, Systemy Transportowe, nr 12/2008, s. 24 ÷ 29.
[4] Ambrozik A., Ambrozik T., Jakóbiec J., Kurczyński D., Łagowski P.: Wskaźniki
ekonomiczno-energetyczne i ekologiczne silnika 1.3 Multijet z wieloetapowym
wtryskiem paliwa pracującego według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej.
Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów 2(78)/2010, s. 127÷136.
[5] Ambrozik A., Ambrozik T., Orliński S., Orliński P.: Wpływ mieszanin etanolu
z olejem napędowym na emisję wybranych składników spalin, Logistyka Nr 3/2011,
s. 45 ÷ 51.
116
[6] Kruczyński S. W., Orliński P., Orliński S.: Wpływ zastosowania mieszanin oleju
napędowego, estru FAME z etanolem na ekonomiczne i ekologiczne wskaźniki
pracy silnika Perkins 1104C-44. Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów 2(78)/2010,
s. 87÷101.
[7] Chen Yen-Cho, Wu Chung-Hsing: Emissions of submicron particles from a direct
injection diesel engine by using biodiesel. Journal of Environmental Science and
Health, Volume 37, Number 5/2002, s. 829÷843.
[8] Merkisz J., Mazurek S.: Pokładowe systemy diagnostyczne pojazdów
samochodowych. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 2004.
[9] Rokosch U.: Układy oczyszczania spalin i pokładowe systemy diagnostyczne
samochodów OBD. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 2007.
[10] Gronowicz J.: Ochrona środowiska w transporcie lądowym. Wydawnictwo Instytutu
Technologii Eksploatacji, Poznań – Radom 2004.
[11] Ambrozik A., Kurczyński D.: ,,The effect of fuel injection advance angle on
nitrogen oxides emissions and exhaust-gas smokiness in self-ignition engine running
on different fuels”. Combustion Engines 2009-SC2, s. 91 ÷ 98.
[12] Ambrozik A., Kurczyński D.: ,,Analiza emisji tlenków azotu silnika o zapłonie
samoczynnym zasilanego olejem napędowym, paliwem roślinnym i ich
mieszaninami”. Journal of KONES’2007 Powertrain and transport, Vol.14, No. 3.
Warsaw 2007, s. 19 ÷ 28.
[13] Ambrozik A., Kurczyński D.: Toksyczność silnika o zapłonie samoczynnym
zasilanego paliwami pochodzenia roślinnego. MOTROL Motoryzacja i Energetyka
Rolnictwa, Tom 11, Lublin 2009, s. 6 ÷ 17.
[14] Ambrozik A.: Wybrane zagadnienia procesów cieplnych w tłokowych silnikach
spalinowych. Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach, Kielce 2003.
Streszczenie
Większość wykonywanych pomiarów szkodliwych składników spalin realizowana
jest za pomocą urządzeń, wskazujących stężenia mierzonych składników spalin w ich
objętości odprowadzanej do otoczenia. Stężenia te są wyrażane w procentach
objętościowych lub w ppm. W artykule przedstawiono metodykę przeliczania
zmierzonych w czasie badań silnika na hamowni silnikowej stężeń wybranych
składników na ich emisję wyrażoną w gramach na kilowatogodzinę. Do dokonywania
tych przeliczeń wykorzystano zależności opisujące mieszaninę gazów doskonałych.
Przytoczono przykładowe wyniki pomiarów stężeń: tlenku węgla CO, dwutlenku węgla
CO2, węglowodorów HC, tlenków azotu NOx i tlenu O2 oraz wyznaczone wartości ich
emisji obliczone według metodyki przedstawionej w niniejszym artykule. Wartości
stężeń i emisji wybranych, podstawowych składników spalin przedstawiono w postaci
graficznej na wykresach charakterystyk pracy badanego silnika.
Słowa kluczowe: tłokowy silnik spalinowy, składniki spalin, stężenie, emisja spalin
117
CONCENTRATIONS AND EMISSIVITY OF EXHAUST GAS COMPONENTS
IN 1.3 MULTIJET SDE 90 KM ENGINE
Abstract
A majority of measurements of noxious components of the exhaust gas is performed
with measurement devices that indicate the concentration of exhaust gas components by
means of their volume released to the environment. Those concentrations are given in
volume percentage or ppm. The paper presents a method of converting concentrations of
selected exhaust gas components, measured in the investigations carried out at the
engine test bench, into emissions given in grams per kilowatt-hour. In order to perform
conversion calculations the laws describing ideal gas mixture were used. Exemplary
results of concentration measurements of carbon monoxide CO, carbon dioxide CO 2,
hydrocarbons HC, nitrogen oxides NOx and oxygen O2 were given. Values of the
emissions determined in accordance with the methods presented in the paper were
provided. Values of concentrations and emissions of selected basic components of the
exhaust gas were presented in a graphic form in the diagrams showing the characteristics
of the engine under consideration.
Key words: piston internal combustion engine, exhaust gas components, concentration,
exhaust gas emission
118