wprowadzenie termodynamika

Journal of KONES Internal Combustion Engine 2003, vol. 10, 3-4
THE QUALITY EVALUATION OF COMBUSTION PROCESS FOR
SPARK IGNITION AND DIESEL ENGINES USING THE EXHAUST
GAS COMPOSITION
Grzegorz Przybyła, Stefan Postrzednik
Instytut Techniki Cieplnej
Politechnika Śląska
Ul. Konarskiego 18a
Tel. (+4832) 2371332; Fax. (+4832) 2372872
E-mail: [email protected]
Abstract
The direct comparison of SI and diesel engines’ exhaust gas composition can’t be using for combustion
quality evaluation cause of two different adjustment types. The value of air ratio of Diesel engines is changed in
huge range and for spark ignition engines this ratio is about one. The high λ value is the reason that the exhaust
gases of Diesel engines are thin by air and there is noticeable exhausts gas components concentration
decreasing. So, to make a reliable comparison of Diesel and spark ignition engines there is necessary to make a
correction.
There is a correction of exhaust gas algorithm presented. It is the common base conventional value of air
ratio λ* using (specially λ*0 = 1). It is possible to draw conclusions about the quality evaluations of combustion
for SI and Diesel engines.
OCENA JAKOŚCI PROCESU SPALANIA W SILNIKACH
Z ZAPŁONEM ISKROWYM ORAZ SAMOCZYNNYM W OPARCIU
O SKŁAD SPALIN
Streszczenie
Bezpośrednia analiza porównawcza składu spalin silników ZI i ZS nie pozwala na dokonanie oceny procesu
spalania w nich zachodzącego ze względu na odmienny rodzaj regulacji. W silnikach z zapłonem samoczynnym
w zależności od parametrów eksploatacyjnych stosunek nadmiaru powietrza λ zmienia się w szerokim zakresie,
podczas gdy w silnikach z zapłonem iskrowym jest on bliski jedności. Z tego powodu spaliny silnika ZS są
rozcieńczone powietrzem, co powoduje zauważalny spadek koncentracji poszczególnych składników w nich
zawartych. Dlatego aby wiarygodnie porównać skład spalin wspomnianych silników należy dokonać
odpowiedniej korekcji. W artykule przedstawiono algorytm korygowania składu spalin opierający się na
wspólnej umownej wartości bazowej stosunku nadmiaru powietrza λ o (a w szczególności λ o = 1 ). Dokonując
*
*
takiej korekcji składu spalin można wyciągnąć wnioski porównawcze, co do jakości przebiegu spalania w
silnikach ZI i ZS.
1. Wprowadzenie
Eksploatując układy, w których zachodzi spalanie paliw, należy zwrócić uwagę w głównej
mierze na następujące kryteria:
•
efektywność (jakość) przebiegu procesu spalania,
•
sprawność termodynamiczną układu,
•
szkodliwość oddziaływania na środowisko (emisja substancji toksycznych, hałas,
oddziaływania cieplne).
Ocenę jakości procesu spalania paliwa w danym układzie dokonuje się najczęściej w
oparciu o wyniki przeprowadzonej analizy spalin [1]. W tym celu należy wyznaczyć udziały
molowe głównych składników [CO2 ] , [CO ] , [O2 ] , w spalinach suchych [2], przy czym należy
także znać elementarny skład spalanego paliwa (c, h, n, o, s).
W silnikach spalinowych można wyróżnić dwa rodzaje ich regulacji:
•
regulacja ilościowa – występuje w silniku ZI, polega na zmianie ilosci mieszaniny palnej
wprowadzonej do cylindra przy zachowaniu składu bliskiego stechiometrycznemu λ≈1,
•
regulacja jakościowa – występuje w silniku ZS, polega na zmianie składu mieszaniny
palnej wprowadzanej do cylindra przy niezmiennej ilości zassanego powietrza
•
(dla danej prędkości obrotowej) oraz zmiennej dawce paliwa co powoduje zmienność
λ w zależności od obciążenia.
Rozcieńczenie spalin nadmierną ilością powietrza (λ>1) powoduje zauważalny spadek
koncentracji tych substancji, które występują w spalinach ( CO2 , CO , NOx , SOx , Cm H n ).
Oczywiście natężenia przepływu poszczególnych substancji pierwszej grupy związków ( nCO2 ,
nCO , n NOx , n SOx , nCm H n , kmol ) nie ulegają wtedy zmianie, czyli ich emisja do otoczenia nie
s
zwiększa się.
Można, zatem powiedzieć, że korygowanie składu spalin polega na ,,obliczeniowym
usunięciu” z ich objętości części powietrza w nich zawartego (ze spalin o składzie i
parametrach wyznaczonych w miejscu pomiaru). Istotną sprawą jest przyjęcie odpowiedniego
warunku, za pomocą, którego ustalić będzie można ilość usuwanego powietrza. Schemat
postępowania zilustrowany został na (rys.1.).
Rys. 1. Schemat przepływu strumienia spalin (silnik ZS) poddanego korekcji.
2. Podstawowe elementy algorytmu korygowania spalin
Typowy skład spalin suchych obejmuje udziały następujących składników
[CO2 ] + [CO] + [N 2 ] + [O2 ] + [NOx ] + [SOx ] + [C m H n ] = 1,0
(2.1)
zatem całkowita ilość spalin wynosi odpowiednio
n SS = nCO2 + nCO + n N 2 + nO2 + n NOx + n SOx + nCm H n
(2.2)
dla
nCO2 = n SS [CO2 ] , nCO = nSS [CO ] , nCm H n = nSS [Cm H n ] , n N 2 = nSS [N 2 ] ,
nO2 = n SS [O2 ] , n NOx = nSS [NOx ] , n SOx = n SS [SOx ]
(2.3)
skorygowany skład spalin suchych opisany będzie następująco
[CO2 ]∗ + [CO]∗ + [N 2 ]∗ + [O2 ]∗ + [NOx ]∗ + [SOx ]∗ + [Cm H n ]∗ = 1,0
(2.4)
natomiast skorygowane natężenie przepływu spalin suchych jako
∗
∗
∗
∗
n SS
= nCO
+ nCO
+ n ∗N 2 + nO∗ 2 + n ∗NOx + n SO
+ nC∗ m H n
2
x
(2.5)
molowe udziały składników spalin wynoszą odpowiednio
[CO2 ]
∗
=
[NOx ]
∗
∗
nCO
2
∗
n SS
=
∗
n N∗ 2
nO∗ 2
nCO
∗
∗
, [CO ] = ∗ , [N 2 ] = ∗ , [O2 ] = ∗
n SS
n SS
n SS
n ∗NOx
∗
n SS
∗
, [SOx ] =
∗
∗
n SO
x
∗
n SS
, [C m H n ] =
∗
nC∗ m H n
∗
n SS
(2.6)
Konieczne jest wyznaczenie związku, jaki istnieje między udziałami zmierzonymi [...] oraz
∗
∗
. Jednym z
skorygowanymi [...] , a także między strumieniami spalin n SS oraz n SS
podstawowych elementów dowolnego algorytmu korygowania spalin są bilanse substancjalne
materii występującej w układzie. Jak zaznaczono wcześniej korygowanie składu spalin polega
na „obliczeniowym usunięciu” z ich objętości części powietrza w nich zawartego. Z tego
powodu, przede wszystkim spełnione muszą być równości poszczególnych strumieni:
∗
∗
∗
nCO
= nCO , n ∗NOx = n NOx , n SO
= nCO2 , nCO
= n SOx , nC∗ n H m = nCn H m
2
x
(2.7)
Z bilansu tlenu obu strumieni spalin wynika
∆nO2 = nO2 − nO∗ 2
(2.8)
skorygowany strumień azotu wyniesie odpowiednio
n N∗ 2 = n N 2 − ∆n N 2
Należy jeszcze uwzględnić związek wynikający ze składu usuwanego powietrza ∆n a
(2.9)
∆nO2
0,21
=
∆n N 2
0,79
= ∆n a
(2.10)
Łącząc odpowiednio zależności (2.8), (2.9), (2.10) otrzymuje się formuły na skorygowane
strumienie tlenu oraz azotu w postaci:
nO∗ 2 = nO2 − 0,21∆na ,
(2.11)
n N∗ 2 = n N 2 − 0,79∆na
(2.12)
Aby wyznaczyć skorygowany strumień spalin należy od strumienia zmierzonego n SS
odprowadzić pewną ilość tlenu ∆nO2 oraz azotu ∆n N 2 , po czym uzyskuje się
∗
n SS
= n SS − (∆nO2 + ∆n N 2 )
(2.13)
Skład spalin opisany zależnościami (2.1),(2.6), po dokonaniu korekcji wyznaczyć można
na podstawie wzorów (2.7), (2.11), (2.12) i (2.13) a wynosić on będzie:
[CO ]∗ = [CO ]
(2.14)
[CO2 ]∗ = [CO2 ]
(2.15)
[NOx ]∗ = [NOx ]
(2.16)
[Cn H m ]∗ = [Cn H m ]
(2.17)
[O2 ]∗ = [O2 ] − 0,21ψ
(2.18)
[N 2 ]∗ = [N 2 ] − 0,79ψ
(2.19)
1 −ψ
1 −ψ
1 −ψ
1 −ψ
1 −ψ
1 −ψ
W celu porównania składu spalin wspomnianych silników ZI oraz ZS jako wspólną
(bazową) wielkość odniesienia przyjęto stosunek nadmiaru powietrza λ∗o . Konieczne staje się
wyznaczenie parametru ψ ze względu na λ∗o .
Rozpatrując przypadek niezupełnego spalania paliwa, kiedy w spalinach występują
[CO2 ] + [CO ] + [N 2 ] + [O2 ] = 1,0 , stosunek nadmiaru powietrza (tlenu) można wyrazić za
pomocą [3]:
1
λ=
(2.20)
1
[
]
[
]
O
−
CO
0,79
2
2
1−
0,21 1 − ([CO2 ] + [O2 ] + [CO ])
Korekcja musi być tak przeprowadzona, aby po jej dokonaniu uzyskać odpowiednią
wartość stosunku nadmiaru powietrza λ∗o , zatem:
λ∗o =
1
[O2 ]∗ − 12 [CO ]∗
0,79
1−
0,21 1 − ([CO ]∗ + [O ]∗ + [CO ]∗ )
2
2
,
(2.21)
gdzie po odpowiednich przekształceniach:
ψ=
[N 2 ] − λ∗o [N 2 ] − 0,79  [O2 ] − [CO ] 
0,21 
0,79

2 
(2.22)
W przypadku, gdy zostanie przyjęta wartość λ∗o = 1 parametr ψ przymnie postać
następującą:
ψ=
1 
[CO] 
 [O2 ] −

0,21 
2 
(2.23)
3. Przykładowe obliczenia
[CO] %
Przedstawiony algorytm korekcji spalin zastał wykorzystany do analizy porównawczej
dwóch silników spalinowych, sporządzonej na podstawie wyników pomiarowych. Dane do
obliczeń zostały otrzymane w konsekwencji badań silnika ZI oraz ZS przeprowadzonych na
stanowiskach - hamownie Zakładu Technik Spalania i Silników Spalinowych Instytutu
Techniki Cieplnej Politechniki Śląskiej w Gliwicach.
Na poniższych rysunkach pokazano zmierzony oraz skorygowany skład spalin silnika ZI
reprezentowanego przez jednostkę napędową firmy Fiat wersji „900” typ 1170A1.046 oraz
silnika ZS – SW400 – pracującego w pojazdach ciężarowych i maszynach roboczych,
przyjęto bazową wielkość odniesienia λ∗o = 1 .
0,80
0,75
0,70
0,65
0,60
0,55
0,50
0,45
0,40
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
[CO]*
[CO]
n=1600 obr/min - dla silnika ZS
n=3000 obr/min - dla silnika ZI
Zawartość [CO]* po korekcji składu spalin dla
silnika ZS.
Zawartość [CO] w spalinach silnika ZI oraz ZS
przed korekcją
PRZED KATALIZATOREM
Silnik ZS
Silnik ZI
Silanik ZS przed korekcją
[CO]
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
Zredukowany moment napędowy Mo/ Mmax
Rys. 2. Udział tlenku węgla w spalinach suchych, przed i po korekcji spalin dla
Fig. 2. The CO share in dry exhaust gas before and after correction for
λ∗o = 1 [4].
λ∗o = 1 .
1
[CO2] %
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
[CO2]
[CO2]*
Slnik ZS
Silnik ZI
Silnik ZS przed korekcją
n=1600 obr/min - dla silnika ZS
n=3000 obr/min - dla silnika ZI
Zawartość [CO2]* po korekcji składu spalin dla
silnika ZS.
Zawartość [CO2] w spalinach silnika ZI oraz ZS
prezd korekcją
PRZED KATALIZATOREM
0
0,1
0,2
0,3
[CO2]
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Zredukowany moment napędowy Mo/ Mmax
Rys. 3. Udział dwutlenku węgla w spalinach suchych, przed i po korekcji spalin dla
Fig. 3. The CO2 share in dry exhaust gas before and after correction for
λ∗o = 1 [4].
λ∗o = 1 .
200
180
160
[HC ]
[HC] ppm
140
Silnik ZS
Silnik ZI
Silnik ZS przed korekcją
120
n=1600
obr
/ min - dla silnika ZS
obr
100
n=3000
/ min - dla silnika ZI
Zawartość [HC]* po korekcji składu spalin dla
silnika ZS.
Zawartość [HC ] w spalinach silnika ZI oraz
ZS przed korekcją
PRZED KATALIZATOREM
[HC ] ∗
80
60
40
20
[HC ]
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Zredukowany moment napędowy Mo/ Mmax
Rys. 4. Udział węglowodorów w spalinach suchych, przed i po korekcji spalin dla
Fig. 4. The HC share in dry exhaust gas before and after correction for
λ∗o = 1 [4].
λ∗o = 1 .
4. Podsumowanie
Podstawą oceny jakości procesu spalania zachodzącego w silniku spalinowym są
najczęściej wyniki przeprowadzonej analizy składu spalin, która obejmuje wyznaczenie
udziałów molowych głównych składników w spalinach suchych. Bezpośrednie
porównywanie bezwzględnych koncentracji (udziałów molowych) poszczególnych
składników spalin odpowiadających różnym warunkom spalania nawet tego samego paliwa,
prowadzić może do błędnej interpretacji wyników. Aby nie doprowadzić do takiej sytuacji
celowe wydaje się zastosowanie wspomnianej korekcji spalin, będącej pewnym algorytmem
obliczeniowym. Dzięki temu można sprowadzić wyniki pomiarów badanego procesu do
„wspólnego mianownika” porównawczego.
Analizując wyniki wykonanych obliczeń można zauważyć, że dopiero skorygowanie
składu spalin silnika ZS używając bazowej wartości odniesienia λ∗o = 1 umożliwia jego
odpowiednie porównanie względem silnika ZI.
4500
Silnik ZS
4000
Silnik ZI
n=1600
Silnik ZS przed korekcją
3500
[NOx] ppm
[NO x ]
2000
/ min - dla silnika ZS
obr
n=3000
/ min - dla silnika ZI
Zawartość [NO x ]* po korekcji składu spalin dla
silnika ZS.
Zawartość [NO x ] w spalinach silnika ZI
PRZED KATALIZATOREM
3000
2500
obr
[NO x ] ∗
1500
1000
[NO x ]
500
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Zredukowany moment napędowy Mo/ Mmax
Rys. 5. Udział tlenków azotu w spalinach suchych, przed i po korekcji spalin dla
Fig. 5. The NOx share in dry exhaust gas before and after correction for
λ∗o = 1 [4].
λ∗o = 1 .
Literatura
[1] Szargut J.: Termodynamika Techniczna, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej Gliwice
1998.
[2] Postrzednik S.: „Wykorzystanie skorygowanego składu spalin do oceny jakości procesu
spalania” Gospodarka Paliwami i Energią 1/1989.
[3] Ochęduszko S.: Termodynamika Stosowana, PWN Warszawa 1969.
[4] Przybyła G.: „Badania z zakresu kontroli procesu spalania paliw oraz analiza
przyszłościowych napędów samochodowych” Praca Magisterska