Wpływ niektórych uszkodzeń silnika na toksyczność spalin, Prace dyplomowe z Projektowanie pojazdu mechanicznego

Pobierz Wpływ niektórych uszkodzeń silnika na toksyczność spalin i więcej Prace dyplomowe w PDF z Projektowanie pojazdu mechanicznego tylko na Docsity!

Politechnika Warszawska

Wydział Transportu

Zakład Eksploatacji i Utrzymania Pojazdów

Praca dyplomowa magisterska

„Wpływ niektórych uszkodzeń silnika

na toksyczność spalin”

Autor: Krzysztof Witczak Profil nauczania: EPS Kierownik pracy: dr inż. Małgorzata Wardzińska Warszawa 2011

Streszczenie

Celem pracy jest określenie wpływu niektórych uszkodzeń silnika na toksyczność spalin silnika o zaponie iskrowym. W pierwszej części pracy zostały przedstawione związki chemiczne jakie wchodzą w skład spalin silnika ZI a także przyczyny i warunki ich powstawania. Przedstawiono tutaj także przepisy prawne jakim podlega emisja związków chemicznych w spalinach. Druga część pracy to analiza niektórych czynników wpływających na toksyczność spalin. Opisane tutaj zostały głównie czynniki, na które przeciętny użytkownik samochodu z silnikiem o zapłonie iskrowym nie ma wielkiego wpływu, czynniki, których nie da się wyregulować. Część trzecia przedstawia badania własne. Opisane zostało stanowisko pomiarowe oraz użyta aparatura pomiarowa. Przedstawiono uzyskane podczas badań wyniki a także przeprowadzono ich interpretację.

Wstęp Spaliny silnika samochodowego to mieszanina wielu substancji, związków i grup związków chemicznych oraz cząsteczek. W głównej części są to gazy nieposiadające właściwości toksycznych czy trujących, zawarte normalnie w powietrzu, którym oddychamy. Tylko stosunkowo niewielka część spalin stanowi zagrożenie dla środowiska naturalnego (substancje szkodliwe), jeszcze mniejsza ma właściwości trujące (substancje toksyczne). Tabela 1 - Skład spalin silnika o zapłonie iskrowym [1] Składniki gazów spalinowych silnika ZI Zawartość Ocena toksyczności Dwutlenek węgla (CO 2 ) ok. 18,1 % obojętny Tlen (O 2 ) ok. 0,7 % obojętny Azot (N 2 ) ok. 71 % obojętny Para wodna (H 2 O) ok. 9,2 % obojętny Tlenek węgla (CO) ok. 0,85 % toksyczne Węglowodory (HC) ok. 0,05 % toksyczne Tlenki azotu (NOx) ok. 0,08 % toksyczne Cząstki stałe ok. 0,005 % toksyczne Mimo stosunkowo niedużej zawartości związków szkodliwych i toksycznych w spalinach niezbędne są działania mające na celu ograniczenie ich emisji do atmosfery. Spaliny współczesnych silników, spełniających normę Euro 4, są pod względem zawartości niektórych związków toksycznych czystsze niż powietrze, które te silniki zasysają. Główne obciążenie środowiska naturalnego wynika obecnie przede wszystkim z liczby samochodów, a nie z ilości emitowanych związków. Zwiększenie ilości poruszających się po drogach samochodów jest nieunikniony, dlatego wzrost ten w bilansie ekologicznym skompensować można jedynie przez zastosowanie nowych technik ograniczania emisji, po części wymuszonych zmianami w ustawodawstwie. Aby móc ograniczyć emisję związków szkodliwych i toksycznych w spalinach, koniecznie trzeba poznać mechanizm tworzenia się poszczególnych składników.

1. Przyczyny powstawania związków szkodliwych w spalinach silników o zapłonie iskrowym

1.1. Skład mieszanki palnej a emisja silników ZI

Współczynnik nadmiaru powietrza wyraża skład mieszanki paliwowo- powietrznej. Ma on zasadnicze znaczenie dla przebiegu procesu spalania i produktów spalania paliwa stanowiących o emisji. Ze względu na złożoność procesów chemicznych i fizycznych zachodzących w silniku, jego konstrukcja może być jedynie kompromisem pod względem oczekiwań takich jak moc, moment obrotowy, emisja, zużycie paliwa, właściwości trakcyjne. Wzajemnymi, niekiedy wykluczającymi się uwarunkowaniami powiązana jest emisja spalin z silnika przed reaktorem katalitycznym i sprawność konwersji samego reaktora, wpływająca na ostateczny charakter emisji. Wspólnym dla wszystkich współczesnych, z natury wysokoobrotowych silników trakcyjnych jest problem wynikający z krótkiego przedziału czasowego dostępnego do zajścia złożonego procesu spalania w cylindrze. [1] Na Rys. 1 przedstawiono zależność charakteru emisji od składu mieszaniny palnej, na przykładzie najważniejszych szkodliwych i toksycznych związków zawartych w spalinach. Rys. 1 - Skład mieszanki palnej a emisja silników [1]

Czynnikami, które sprzyjają powstawaniu CO w silniku spalinowym, są:

1. zbyt bogata mieszanka w silnikach ZI, Rys. 2 - Stężenie CO w funkcji współczynnika nadmiaru powietrza λ: a- określone doświadczalnie; b – obliczone dla temperatury max. w komorze spalania; c – obliczone dla temperatury spalin [5]
2. lokalne wartości λ < 1,
3. małe obciążenie silnika (w głównej mierze bieg jałowy w silnikach ZI),
4. niska temperatura (niedogrzanie) silnika, która prowadzi do obniżenia szybkości reakcji, nawet w strefach o dużym nadmiarze powietrza,
5. niski poziom turbulencji i małe zawirowania w komorze spalania,
6. recyrkulacja spalin. Przyczyną występowania niespalonych węglowodorów w czasie rozruchu i początkowym okresie pracy silnika są procesy, które powodują że paliwo nie zostaje całkowicie spalone w procesie spalania, w czasie rozprzestrzeniania się płomienia. [5] Najważniejsze przyczyny to:
7. brak tlenu  globalny (zbyt bogata mieszanka),  lokalny,
8. wypadanie zapłonów,
9. efekty  przyścienny (gdy temperatura ładunku w pobliżu ścianek komory spalania jest zbyt mała, aby mogło nastąpić spalenie),  szczelinowy,

4. parowanie oleju i paliwa,
5. zużycie oleju. Grubość zimnej warstwy przyściennej wynosi 0,05 ÷ 0,38 mm w zależności od ciśnienia, temperatury i intensywności zawirowań. Efekt szczelinowy jest zjawiskiem polegającym na gaśnięciu płomienia w wąskich szczelinach o szerokości mniejszej od wartości krytycznej, na skutek silnego odprowadzania ciepła do ścianek. Minimalna (krytyczna) szerokość kanału lub średnica przewodu, w którym może przemieszczać się czoło płomienia, nosi nazwę odległości wygaszania. [8] W warunkach silnikowych odległość wygaszania zależy od:  składu mieszanki, Rys. 3 - Zależność odległości lg wygaszania od składu mieszanki [5]  ciśnienia na wlocie do cylindra,  rodzaju paliwa,  temperatury tulei, głowicy lub tłoka. W zależności od λ dla silników ZI odległość wygaszania zawiera się w granicach 0,1÷2 mm. Przy okazji warto zauważyć, że wygaszanie płomienia dla jednostronnej ścianki następuje w odległości 0,03 ÷ 0,1 mm. [1]

Do przestrzeni szkodliwych należą:  szczelina między denkiem tłoka a płaszczyzną głowicy,  szczelina pierścieniowa między tłokiem a cylindrem powyżej górnego pierścienia,  szczelina pomiędzy płaszczyzną tulei cylindrowej a płaszczyzną głowicy,  szczelina między górnym pierścieniem a rowkiem tłoka,  przestrzeń między izolatorem a obudową świecy zapłonowej. [5] Zawartość węglowodorów w warstwie przyściennej przewyższa kilkakrotnie ich poziom w spalinach. Można stąd wnioskować, że są one utleniane także w czasie suwu rozprężania oraz wylotu. W środkowej części komory spalania stężenie HC jest niewielkie. Po otwarciu zaworu wylotowego najpierw opuszcza cylinder niewielka ilość gazów z rejonu przylgni o dużym stężeniu węglowodorów. Jednak przy dalszym otwieraniu wypływają już gazy ze środka cylindra. Przepływ gazów z warstw przyściennych jest hamowany przez tarcie powierzchniowe. W związku z tym pozostająca w cylindrze reszta spalin ma charakter przyścienny, czyli o dużym stężeniu węglowodorów. Spaliny znajdujące się po przeciwnej stronie cylindra (wzdłuż ścianki równoległej do zaworu dolotowego) muszą wypchnąć najpierw gazy z centrum cylindra. Po zamknięciu zaworu wylotowego następuje spadek stężenia za zaworem wylotowym na skutek przepływu zwrotnego gazów w kierunku cylindra w końcu suwu wylotu. Prędkość utleniania w układzie wylotowym zależy w głównej mierze od temperatury. [5] W miarę obniżania temperatury silnika, paliwa i powietrza zasysanego do silnika zwiększa się część węglowodorów, które nie zostały utlenione w cylindrze i są wydalane z silnika do układu wylotowego i reaktora katalitycznego. W badaniach stwierdzono, że w okresie nagrzewania silnika i przy małych obciążeniach ponad 90% paliwa dostarczonego do komory spalania ulega spaleniu w podstawowym procesie spalania. Pozostała ilość dopala się po przejściu głównej fali płomienia – pod koniec suwu pracy – w cylindrze, w kolektorze wylotowym, układzie wylotowym i konwertorze katalitycznym. [1]

Rys. 5 - Schemat formowania węglowodorów w silniku ZI z szacunkowym wpływem różnych procesów na emisję w czasie jego nagrzewania się (UHC - niespalone węglowodory) [5]

1.4. Tlenki azotu – NOx

Emisja tlenków azotu jest zwiększona zawsze podczas spalania lekko zubożonych mieszanek, przy współczynniku nadmiaru powietrza λ równym około 1,1. Dla powstawania tlenków azotu spełnione muszą być następujące warunki:  wysoka temperatura spalania, która dostarcza energię aktywacji niezbędną do zajścia reakcji azotu z tlenem,  wolne cząsteczki tlenu, które ze względu na nadmiar powietrza nie mogły wejść w reakcję z węglowodorami zawartymi w paliwie. [1] Jedynie jednoczesne spełnienie obu warunków prowadzi do powstawania cząsteczek tlenków azotu. Najkorzystniejsze warunki dla tworzenia się tlenków azotu zachodzą w silniku pracującym przy dużym obciążeniu i lekko zubożonej mieszance. Najważniejszym systemem odpowiedzialnym za zmniejszenie emisji tlenków azotu jest system recyrkulacji spalin.

Sadza 50% Tlenki siarki, woda 26% Węglowodory z oleju smarującego 18% Węglowodory z paliwa 6% Rys. 6 - Struktura chemiczna cząstki stałej - rodzaje substancji składowych [1] Rys. 7 - Struktura przestrzenna i możliwe kształty cząstek stałych [1]

Sublimacja to proces przemiany fazowej ciała stałego w gaz z pominięciem fazy ciekłej. Resublimacja to proces odwrotny. Sublimatem nazywa się ciało stałe, będące produktem przemiany fazowej zachodzącej na skutek ochłodzenia gazu. [9] Na Rys. 7 przedstawiono przykładowe kształty przyjmowane przez cząstki stałe. charakteryzują się nieregularną budową, stąd też wynika duży stosunek pola powierzchni do objętości oraz zdolność do adsorpcji substancji organicznych i nieorganicznych zawartych w spalinach. Pochłonięta część substancji może mieć masę nawet trzykrotnie większą niż pierwotna masa skupiska atomów węgla, będącego jądrem cząstki stałej. Tak powiększone cząstki stanowią skupiska spajane dzięki sile oddziaływań między atomami substancji. Nagromadzenia takie mają wymiar liniowy równy około 1 μm. Cząstki stałe zostały sklasyfikowane jako substancje rakotwórcze. [1] Dlatego mają bardzo duże znaczenie ekologiczne. Emisja cząstek stałych jest określana masowo. Najskuteczniejszym sposobem zmniejszenia ich emisji jest przeciwdziałanie mechanizmom powstawania jąder cząstek stałych, na etapie ich powstawania w procesie spalania, zachodzącym w cylindrze. Jądra te stanowią skupiska uformowane z atomów węgla - sadzy. Nanocząstki, którym przypisuje się najsilniejsze działanie rakotwórcze, stanowią liczebnie największą grupę cząstek zawartych w spalinach, ich masa natomiast stanowi zaledwie niewielki ułamek całkowitej emisji cząstek stałych. [1] Z tego powodu rozważa się zastąpienie limitów masowych emisji przez limity ilościowe, z uwzględnieniem rodzajów emitowanych cząstek. W przyszłościowych normach przewiduje się rozróżnienie emitowanych cząstek ze względu na ich wielkość i strukturę emisji - udział grup cząstek o różnej wielkości w całkowitej emisji. W przypadku klasycznych silników emisja cząstek stałych silnika ZI jest o trzy rzędy wielkości mniejsza niż silnika ZS. Niestety już dla silników ZI z wtryskiem bezpośrednim emisja cząstek stałych jest dużym problemem, szczególnie w aspekcie normy Euro 5, która stała się już obowiązująca.

Kontrola emisji związków szkodliwych w spalinach samochodowych rozpoczęła się w Europie już w latach 70. ubiegłego stulecia. Pierwsza Dyrektywa o numerze 70/220/EEC z dnia 6.04.1970 r. określała limity emisji i sposoby pomiaru dla pojazdów samochodowych. W ślad za tą Dyrektywą w następnych latach prowadzono prace, w efekcie których wydawano kolejne modyfikacje tej bazowej dyrektywy, zaostrzające wymagania emisji. [9] Kolejne przepisy przedstawiono w tabela 3. Bezpośrednie porównanie norm Euro I, Euro II, Euro III i Euro IV przedstawiono na rys. 8. Tabela 3 - Historia europejskich przepisów w zakresie toksyczności spalin [5] Dyrektywa EEC/EC Data Limit emisji (^) Cykl CO HC NOx HC + NOx^ jezdny 70/220/EEC 20.03.1970 152 [g/test] 10,1 [g/test] - - ECE 74/290/EEC 28.05.1974 122 [g/test] 8,6 [g/test] - - ECE 77/102/EEC 30.11.1976 122 [g/test] 8,6 [g/test] 14 [g/test] - ECE 78/665/EEC 10.07.1978 99 [g/test] 7,6 [g/test] 11,9 [g/test] - ECE 83/351/EEC 16.06.1983 76 [g/test] - - 22 [g/test] ECE 88/76/EEC 03.12.1987 30 [g/test] - - 8 [g/test] ECE 89/458/EEC 89/491/EEC 18.07. 17.07. 19 [g/test] - - 5 [g/test] ECE 91/441/EEC 93/59/EEC (Euro I) 26.06. 28.06. 2,72 [g/km] - - 0,97 [g/km] ECE + EUDC 94/12/EC 94/44/EC 96/69/EC (Euro II) 23.03. 01.07. 08.10. 2,2 [g/km] - - 0,5 [g/km] ECE + EUDC 98/69/EC 1999/102/EC 2001/1/EC (Euro III) 13.10. 15.12. 22.01. 2,3 [g/km] 0,2 [g/km] 0,15 [g/km] - NEDC 98/69/EC 1999/102/EC 2001/1/EC (Euro IV) 13.10. 15.12. 22.01. 1,0 [g/km] 0,1 [g/km] 0,08 [g/km] - NEDC 2007/715/EC (Euro V) 01.01.2008 1,0 [g/km] 0,075 [g/km] 0,06 [g/km] - NEDC Planowana od 2014 roku (Euro VI) ?? ?? ?? ?? ?? ??

CO - 2, CO - 2, CO - 1 CO - 1 HC - 0, HC - 0,1 HC - 0, HC + NOx - 0, CO - 2, HC - nieuregulowane HC - nieuregulowane^ NO x^ - 0, NO NOx x^ - 0,

• 0, NO x^ - nieuregulowane NO x^ - nieuregulowane HC + NO x^ - 0 HC + NO x^ - 0 HC + NO x^ - 0 HC + NO x^ - 0, 0 0, 1 1, 2 2, 3 Euro I Euro II Euro III Euro IV Euro V Norma Wartość [g/km] Rys. 8 - Rozwój europejskich przepisów dotyczących emisji związków szkodliwych [g/km] [5]

Inny przebieg zmian ilości reszty gazów powstaje natomiast przy zmianie pokrycia okresów otwarć przy stałym zamknięciu zaworu wydechowego. Przy wcześniejszym otwarciu zaworu ssącego w cylindrze panuje wyższe ciśnienie. Zwiększa to ilość spalin wpływających do układu ssącego, a następnie zasysanych z powrotem do cylindra. Zbyt późne otwarcie zaworu ssącego jest niekorzystne jednak z tego względu, że powoduje zmniejszenie napełnienia cylindrów świeżą mieszanką, a przez to wzrost współczynnika reszty spalin (mimo zmniejszenia ich ilości). Tak więc wzrost pokrycia okresów otwarć przyczynia się w tym przypadku do zmniejszenia ilości resztek gazów. Należy zwrócić uwagę, że przepływ powrotny z układu wydechowego jest prawie niezależny od stopnia pokrycia. [1] Optymalne wartości pokrycia okresów otwarć oraz położenie osi symetrii pokrycia względem zwrotu głowicowego są zależne od obciążenia silnika i prędkości obrotowej. Wynika to z wpływu tych czynników na wartość ciśnień panujących w cylindrze oraz prędkości przepływu spalin i świeżego ładunku. Stężenie tlenku azotu maleje przy wzroście zanieczyszczenia mieszanki spalinami. Wpływ faz rozrządu na emisję tlenku azotu został przedstawiony na rys. 9. Rys. 9 - Wpływ faz rozrządu na stężenie tlenku azotu w spalinach [5]

Wpływ faz rozrządu na stężenie węglowodorów w gazach wydechowych wynika z jednoczesnego oddziaływania następujących czynników: bezwzględnej ilości resztek gazów, ich procentowej zawartości w ładunku, stężenia węglowodorów w reszcie gazów, temperatury spalin po zakończeniu spalania w czasie rozprężania i wydechu (rys. 10). Zawartość węglowodorów w spalinach wydalanych z cylindra w różnych fazach suwu wydechu nie jest jednakowa (rys. 11). Wzrost ilości reszty gazów może przyczyniać się do obniżenia stężenia węglowodorów w gazach wydechowych jedynie dopóty, dopóki cała bogata w te związki część gazów nie pozostanie w cylindrze. Dalszy wzrost ilości gazów powoduje nadmierne rozcieńczenie mieszanki paliwowo- powietrznej, w którego rezultacie następuje zwiększenie emisji węglowodorów. Rozcieńczenie to jest szczególnie niekorzystne przy małych obciążeniach silnika, co powoduje, że optymalne pokrycie okresów otwarć zaworów jest w tym przypadku mniejsze niż przy dużych obciążeniach. [5] Rys. 10 - Wpływ faz rozrządu na stężenie węglowodorów w spalinach [5]