POLITECHNIKA LUBELSKA

Wydział Mechaniczny

Transport

Sprawozdanie z badania emisji toksycznych

składników spalin silnika ZI

I. CZĘŚĆ TEORETYCZNA

1. Składniki spalin silnika ZI oraz ich charakterystyka

Stężenia poszczególnych składników spalin zależą od wielu czynników. Do głównych zalicza się zmienne warunki pracy, czyli obciążenie silnika (przyspieszanie), opory powietrza i toczenia, konstrukcję silnika, jakość paliwa.

Składniki toksyczne spalin pochodzące z silnika ZI, które oddziałują negatywnie na środowisko i organizmy żywe to, dwutlenek i tlenek węgla, węglowodory, tlenki azotu oraz cząstki stałe (których jest nieporównywalnie mniej w stosunku do silnika ZS).

Dwutlenek węgla.W małych stężeniach 5-10%, CO₂ nie jestem gazem niebezpiecznym dla człowieka, jednak uważa się go za jeden z gazów cieplarnianych, odpowiedzialnych za podnoszenie temperatury na Ziemi. Przy stężeniach powyżej 10% narasta duszność i osłabienie, pojawiają się omamy i zaburzenia świadomości do śpiączki włącznie oraz drgawki. Stężenia powyżej 20% powodują śmierć w ciągu kilkunastu minut, a powyżej 30% śmierć natychmiastowąśmierć. Niedotlenienie i obrzęk mózgu mogą spowodować nieodwracalne zmiany w mózgu, mimo uratowania zatrutej osoby.

Tlenek węgla jest to substancją silnie trująca. Jej stężenie w powietrzu wynoszące 0,08% powoduje śpiączkę. Był pierwszą substancją, której emisję starano się ograniczać. Jest to gaz bezbarwny i bezwonny o gęstości nieco mniejszej od powietrza. CO ma silne powinowactwo z hemoglobiną, 210 razy większe niż tlen, co powoduje powstawanie karboksyhemoglobiny, co uniemożliwia transport tlenu przez krew. Tlenek węgla powstaje w skutek lokalnego niedoboru tlenu, czyli spalania mieszanek bogatych λ < 1. W komorze spalania następuje wtedy spalanie niezupełne. Na powstawanie CO wpływa niedostateczna temperatura procesu spalania. Tlenek węgla powstaje również w wyniku dysocjacji dwutlenku węgla w wysokich temperaturach pod koniec procesu spalania.

Węglowodory (HC). W spalinach zidentyfikowany ich ponad 200. Powstają one w skutek niezupełnego lub niecałkowitego spalania paliwa lub oleju. Spalanie niecałkowite prowadzi do usunięcia wraz ze spalinami nieutlenionych cząstek paliwa w wyniki braku dostępu do tlenu, bądź brakiem zapłonu w cylindrze. W wyniku nieszczelnego układu olejowego, przyczyną zwiększonej emisji, może być zużycie oleju przez silnik. Produkty reakcji zachodzących w procesie spalania w komorze, szczególnie w procesie pirolizy i pirosyntezy są bardzo toksyczne. Powstają wtedy ciężkie związki aromatyczne, czyli wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (PAH), które są związkami mutagennymi i rakotwórczymi i ich pochodne.

Tlenki azotu należą do substancji trujących. W składzie spalin możemy znaleźć głównie tlenek azotu, a w małych ilościach również dwutlenek azotu.NO jest to gaz bezbarwny i bezwonny, słabo rozpuszczalnym w wodzie. Wykazuje jednak duże powinowactwo z hemoglobina (około 1500 razy większe niż dwutlenek węgla). Pochłonięty przez organizm szybko utlenia się do dwutlenku azotu, zmniejszając jednoczenie swoje właściwości trujące. Jego duże stężenie prowadzi do ogólnego osłabienia i oddziaływania na układ nerwowy i krążenia. Dwutlenek azotu to gazo słabo wyczuwalnym zapachu. Podrażnia drogi oddechowe, spojówki oraz zapalenie błony śluzowej. Powoduje zwyrodnienie mięśnia sercowego, a w większych stężeniach w krótkim czasie prowadzi do śmierci. Z pośród występujących w przyrodzie tlenków azotu w silnikach spalinowych powstaje głównie tlenek azotu NO oraz niewielkie ilości dwutlenku azotu NO₂ oraz powstający w reaktorze katalitycznym podtlenek N₂O. Pierwszy z nich powstaje w wyniku utleniania azotu zawartego w powietrzu.Dodatkowo na szybkość tej reakcji wpływa wysoko temperatura oraz spalania mieszanki lekko ubogiej.

2. Przebieg ćwiczenia

Ćwiczenie polegało na pomiarze emisji tlenku i dwutlenku węgla, tlenu, węglowodorów, tlenku azotu oraz współczynnika nadmiaru powietrza. Do badań wykorzystano urządzenie

Pierwsza część badania to pomiar przy obrotach 2500 na minutę, następnie na biegu jałowym. Druga część polegała na pomiarze emisji przy skoku uzależnionym od marki samochodu od 250 do 500 obr/min. Pomiar rozpoczęto od kolejnej wartości po biegu jałowym. Po osiągnięciu zadanych obrotów na urządzeniu analizującym "zamrażało" się wynik w celu odnotowania. Zaznaczyć trzeba, że silniki samochodów Honda oraz Audi nie były wcześniej nagrzewane, dlatego wyniki pomiarów mogą zawierać błędy wynikające z nieoptymalnej temperatury pracy silnika.

Wymagania dotyczące zawartości (HC) w spalinach:

-pojazdy z układem zasilania gaźnikowym od 100-300(ppm)

-pojazdy z układem wtryskowym, katalizatorem i sonda lambda na wolnych obrotach biegu jałowego i na  obrotach 2000-3000 do 100 (ppm)

Wymagania dotyczące zawartości tlenków azotu w spalinach:

-silnik bez katalizatora spalin, pracujący na biegu jałowym- od 100-300 ppm

-silnik z katalizatorem i sondą lambda, pracujący na biegu jałowym od 0-30 ppm

Wymagania dotyczące zawartości tlenku węgla w spalinach:

- na biegu jałowym - 0,5%

- na obrotach 2000-3000 - 0,3%

Zakłada się, że najwłaściwsza zawartość dwutlenku węgla w spalinach dla pojazdów z układem wtryskowym, katalizatorem i sondą lambda to : 14,5-16,0 (% vol).

II. Część praktyczna

3. Wyniki pomiarów

Marka samochodu	Rodzaj silnika	obr/min	λ	CO [%]	CO2 [%]	O2 [%]	HC [ppm]	NOx [ppm]
HONDA CR-V	ZI	2500	1,012	2,85	12,9	2,69	277	181
		1500	1,010	0,63	14,4	0,78	158	457
		1000	1,004	0,14	14,9	0,45	119	71
		1250	1,003	0,34	14,9	0,55	113	41
		1500	1,001	0,03	15,2	0,18	66	28
		1750	0,982	0,04	15,4	0,13	43	43
		2000	1,001	0,17	15,2	0,18	46	26
		2250	0,960	0,96	14,6	0,25	58	17
		2500	1,001	0,09	15,2	0,11	23	156
		2750	0,995	0,23	15,2	0,07	25	40
		3000	0,997	0,16	15,2	0,07	19	8

Marka samochodu	Rodzaj silnika	obr/min	λ	CO [%]	CO2 [%]	O2 [%]	HC [ppm]	NOx [ppm]
AUDI A4	ZI	2500	1,001	0,35	14,8	0,28	32	63
		800	1,015	0	14,9	0,30	11	45
		1000	1,010	0,03	14,9	0,26	15	49
		1500	1,017	0,16	14,7	0,48	18	6
		2000	1,014	0,02	14,8	0,34	17	25
		2500	1,023	0,05	14,6	0,55	24	36
		3000	1,034	0	14,9	0,75	10	31
		6000	1,134	0	14,1	2,72	9	41

Marka samochodu	Rodzaj silnika	obr/min	λ	CO [%]	CO2 [%]	O2 [%]	HC [ppm]	NOx [ppm]
RENAULT LAGUNA	ZI	2500	1,046	0,58	14,0	1,40	91	193
		1000	1,029	0,50	14,1	1,03	120	109
		1500	1,031	0,57	14,2	1,1	100	181
		2000	1,013	0,81	14,1	0,89	118	177
		2500	1,031	0,56	14,1	1,07	80	194
		3000	1,008	1,02	13,9	0,94	139	421
		5000	1,008	0,01	15,2	0,21	35	90
	ZI +LPG	2500	1,021	0,11	12,9	0,61	158	110
		1000	1,004	0,13	13,5	0,26	125	55
		1500	1,010	0,28	12,9	0,6	363	105
		2000	1,001	0,3	13,3	0,37	181	73
		2500	1,019	0,26	13,2	0,66	105	239
		3000	1,010	0,17	12,8	0,41	148	72

4. Wykresy

HONDA CR-V

Audi A4

RENAULT LAGUNA ZI

RENAULT LGUNA ZI + LPG

5. WNIOSKI

Honda CR-V

W czasie wstępnego badania silnik nie był rozgrzany. Skutkowało to podwyższonymi obrotami biegu jałowego wynoszącymi 1500 obr/min. W czasie badania przy 2500 obr/min, zaobserwowano, że wartość współczynnik nadmiaru powietrza wyniosła λ = 1,012, jednak w skutek nieodpowiedniej temperatury, zmniejszyła się ilość wydzielanego dwutlenku węgla 12,9% kosztem CO 2,85% i węglowodorów 277ppm, oraz NOx 118ppm. Również w skutek nieodpowiedniej temperatury spalania przy obrotach 1500 na minutę, ilość NOx to aż 457 ppm mimo, że λ wyniosła 1,01. Zwiększyła się ilość CO₂ 14,4%, kosztem tlenku węgla 0,63, spadły natomiast HC 158ppm oraz ilość tlenu 0,63.

W czasie właściwego badania, zauważono zależność przy obrotach 2250,kiedy mieszanka była bogata λ = 0,96, między spadkiem emisji Po tym charakterystycznym punkcie widać, jak składniki spalin reagują ze sobą i co dzieje się w przypadku zmiany współczynnika nadmiaru powietrza. Zmniejszenie wartości λ do 0,96 spowodowało spadek CO₂ 14,6%, spadek NOx 17ppm, zwiększenie zawartości CO 0,96%, wzrost HC 58ppm, tlenu 0,25 %. Dla tego auta należałoby przeprowadzić badanie po osiągnięciu przez silnik właściwej temperatury pracy.

AUDI A4

Na wykresie widać zależność emisji dwutlenku i tlenku węgla tlenu a współczynnikiem nadmiaru powietrza. Zauważyć można, że nawet niewielkie spadki wartości λ powodują zmiany w emisji składników spalin. I tak przy wzroście współczynnika nadmiaru powietrza λ = 1,017, wzrasta CO 0,16% i O₂ 0,48, spadam CO₂ 14,7. Przy spadku, λ = 1,014 CO spada do 0,02%, tlen do 034%, wzrasta CO₂ do 14,8%. Dlatego, aby ograniczyć emisję składników toksycznych, trzeba dopracować system tworzenia i spalania mieszanki, poprzez stabilizację warunków pracy silnika. Silnik i katalizator w tym samochodzie działają prawidłowo, nie zostały przekroczone normy zawartości składników toksycznych.

Renault Laguna

Silnik pracujący na benzynie emituje duże ilość tlenków azotu, przy 2500 obr/min 194 ppm. Wynika to ze zwiększonej wartości λ = 1,031. Również zawartość dwutlenku węgla jest niska, przy w/w obrotach wynosi 14,1%, co z kolei wpływa na zawartość CO wynoszącą

0,56 %.

Silnik pracujący na LPG charakteryzuje się lepszym zachowaniem współczynnika λ, blisko wartości stechiometrycznej, , z wyjątkiem 2500 obr/min, gdzie prawdopodobnie, pojawił się błąd, wynikający z nieutrzymania prędkości obrotowej, bądź zatrzymania analizatora w nieodpowiednim momencie. Silnik emituje mniej dwutlenku i tlenku węgla oraz tlenków azotu niż będąc zasilanym benzyną.

Porównując działanie silnika pracującego na benzynie i LPG trzeba zwrócić uwagę, że w przypadku pierwszym zostały przekroczone normy zawartości tlenków azotu 421ppm i , tlenku węgla 1,02%, a w drugim HC 363pm. Można stwierdzić, że silnik zasilany LPG działa poprawniej, choć zawartość węglowodorów mogłaby być mniejsza. W oby przypadkach należałoby zbadać silnik dokładniej, pod kątem nieszczelności, stopnia sprężania oraz wyregulować, aby spalanie mieszanki następowało w odpowiednim czasie i warunkach.

Badanie składu spalin, może być pomocne przy ocenie stanu silnika. Zbyt duża ilość tlenku azotu prawdopodobnie jest spowodowana nieodpowiednią temperaturą spalania, spalaniem mieszanki zbyt ubogiej, nieprawidłowym działaniem katalizatora. Ilość dwutlenku węgla powinna wahać się w granicach 14,5-16%, aby ograniczyć emisję CO. Spadek poniżej 14% powoduje wzrost stężenia tlenku węgla do około 1%, co przekracza dopuszczalne normy. Zwiększona emisja węglowodorów może być skutkiem spalania zbyt bogatej mieszanki lub niedostatkiem tlenu w procesie spalania, lub zbyt dużą szybkością spalania. Aby ograniczyć błędy w pomiarze, trzeba badać silnik w jego nominalnej temperaturze pracy, i zwiększać obroty stopniowo co 125 lub 250 obr/ min przy pomocy elektronicznego regulatora. Ważne jest również ciśnienie otoczenia i temperatura, które mają wpływ na cały proces spalania.