STUDIA INŻYNIERSKIE DZIENNE

SPECJALNOŚĆ SILNIKI SPALINOWE

 

PROGRAM PRZEDMIOTU

„

NISKOEMISYJNE SILNIKI SPALINOWE”

Rok 3, Semestr 6

Wykład 30 godz. + Laboratorium 15 godz.

Punkty ECTS – 3

Symbol rygoru Z2/Z1

 

Prowadzący:

prof. nzw. dr hab. inż. Stanisław W. Kruczyński

Program wykładu

• Zagadnienia ogólne budowy i eksploatacji niskoemisyjnych silników

spalinowych.

• Powstawanie hałasu i substancji szkodliwych w komorach spalania silników

tłokowych,

• Właściwości toksykologiczne substancji szkodliwych i ich wpływ na

człowieka i jego środowisko.

• Przegląd przepisów prawnych USA, Europy i Japonii odnośnie ograniczenia

wpływu motoryzacji na środowisko naturalne. Metody badań emisji
substancji szkodliwych. Analizatory gazów spalinowych. Amerykańskie,
europejskie i japońskie testy emisji pojazdów
i silników z zastosowaniach drogowych i pozadrogowych. Badania hałasu

• Klasyfikacja metod ograniczających emisję spalin i hałasu silników.
• Zapobieganie powstawaniu emisji substancji szkodliwych (metody

wewnątrz silnikowe)

• metody oczyszczania gazów spalinowych (reaktory katalityczne, filtry oraz

układy mieszane).

• Wpływ właściwości ciekłych i gazowych paliw silnikowych na emisję.
• Przegląd nowoczesnych rozwiązań konstrukcyjnych silników

niskoemisyjnych o zapłonie iskrowym i samoczynnym

Literatura

•Merkisz J. Ekologiczne problemy silników spalinowych. WPP, 1999
•Heywood J., B.: Internal Combustion Engine Fundamentals. Mc Graw-Hill Company New

York,1988.

•Atkins D.,R.: An Introduction to Engine Testing and Development. SAE International

Warrendale, USA, 1999.

•Zhao F.: Technologies for Near-Zero-Emissions Gasoline-Powered Engine. SAE

International , Warrendale, USA, 2007.

•Majewski W.A., Khair M.K.: Diesel Emissions and Their Control. SAE International

Warrendale, USA, 2006.

•Merkisz J.: Ekologiczne problemy silników spalinowych. Tom I i II. Wydawnictwa Politechniki

Poznańskiej, Poznań 1998.

•Kruczyński S.: Trójfunkcyjne reaktory katalityczne. Wydawnictwa Instytutu Technologii

Eksploatacji. Radom, 2004.

•Nagórski Z., Teodorczyk A., Bernhardt M.: Regeneracja samochodowych filtrów cząstek

stałych – tendencje rozwoju, modelowanie, badania symulacyjne. IP – ITC – PW. Warszawa
2004.

•Estwood P.: Critical Topics in Exhaust Gas Aftertreatment, Research Studies Press, London

2000.

•Heck R., Ferrauto R., Gulati T.: Catalytic Air Pollution Control. Wiley-Interscience, New York,

2002

 

Program laboratorium:

 

• Pomiary stężeń CO

2

, CO, THC, NOx i PM w gazach

spalinowych.

• Badania samochodu z silnikiem o zapłonie iskrowym
• Badania samochodu z silnikiem o zapłonie samoczynnym
• Badania procesu utleniania PM metodą grawimetryczną.
• Badania hałasu pracy silnika spalinowego.
 

 

Silniki niskoemisyjne

Silniki spalinowe mające następujące cechy

eksploatacyjne:

― niskie zużycie paliwa
― niską emisję CO

2

― niską emisję CO, THC, NOx i PM
― niską emisję SOx i Pb
― niską emisję hałasu
― biodegradowalne materiały
eksploatacyjne

Low Emission Vehicle (LEV) Standards

for Passenger Cars

(California)

Emission categories applied through model year

2003:

– Tier 1
– Transitional Low Emission Vehicles (TLEV)
– Low Emission Vehicles (LEV)
– Ultra Low Emission Vehicles (ULEV)
– Super Ultra Low Emission Vehicles (SULEV)
– Zero Emission Vehicles (ZEV)

EU Emission Standards for Passenger Cars

Emission categories:

– Euro 1, 1992.07
– Euro 2, 1996.01
– Euro 3, 2000.01
– Euro 4, 2005.01
– Euro 5, 2009.09
– Euro 6, 2014.09

Budowa silnika niskoemisyjnego

• Mała masa i objętość silnika w stosunku do mocy silnika
• Budowa silnika zapewniająca jego szybkie rozgrzewanie w ujemnych

temperaturach otoczenia

• Budowa układu zasilania, zapłonu i spalania zapewniająca minimalizację

powstawania substancji szkodliwych w komorze spalania

• Budowa układów silnika zapewniająca minimalizację powstawania hałasu
• Zastosowanie zaawansowanych technologicznie systemów oczyszczania

spalin

• Zastosowanie zaawansowanych technologicznie systemów tłumienia hałasu
• Wykorzystanie w eksploatacji niskoemisyjnych i biodegradowalnych

materiałów eksploatacyjnych (paliwa, oleje itp.)

Klasyfikacja metod uzyskiwania niskich emisjii

Metody te można podzielić na następujące grupy:

― metody wewnątrz silnikowe (budowa poszczególnych

zespołów silnika)

― metody oczyszczania gazów spalinowych
― zastosowanie nisko emisyjnych paliw i olejów

smarnych

― zastosowanie układów tłumiących pracę silnika

PODSTAWOWE ZESPOŁY TŁOKOWEGO SILNIKA SPALINOWEGO

 
 

• Kadłub silnika wraz z układem tłokowo-korbowym
 
• Głowica wraz z układem rozrządu i komorą spalania
 
• Układ zasilania silnika powietrzem i paliwem
 
• Układ wylotu spalin wraz z systemami ich oczyszczania i tłumienia hałasu
 
• Układ chłodzenia silnika
 
• Układ smarowania silnika
 
• Układ zapłonowy silnika
 
• Układ rozruchu silnika

 

KADŁUB SILNIKA

I UKŁAD TŁOKOWO-KORBOWY

 

Główne problemy budowy i eksploatacji wpływające na emisję

 

– Skomplikowana konstrukcja przestrzenna wymagająca zastosowania

zaawansowanej

technologia wykonania (koszty) sztywnego kadłuba o małej masie (stopy

aluminium)

 szybko nagrzewający się kadłub

 niska emisja w trakcie zimnego rozruchu

silnika.

– Odprowadzenie ciepła z kadłuba  efektywny, a jednocześnie szybko

nagrzewający się układ
chłodzenia

 niska emisja w trakcie zimnego rozruchu silnika.

– Trwały i niezawodny układ tłokowo-korbowego o niskich oporach ruchu 

wysoka sprawność mechaniczna

 niskie zużycie paliwa

.

– Szczelność złożenia tłok cylinder  zużycie oleju, przedmuchy spalin



emisja węglowodorów .

– Łożyska główne i korbowodowe  wysoka sprawność mechaniczna

 niskie

zużycie paliwa

– Szczelność skrzyni, usuwanie przedmuchów spalin

 niska emisja substancji

szkodliwych ze skrzyni korbowej

– Dokładność wykonania układu tłokowo korbowego



Wyciszenie układu



niska emisja hałasu z układu

– Paliwo, olej smarny  nagary na tłoku

 emisja węglowodorów i tlenku węgla

GŁOWICA I UKŁAD ROZRZĄDU WRAZ Z KOMORĄ

SPALANIA

 

Główne problemy budowy i eksploatacji wpływające na emisję

– Skomplikowana konstrukcja przestrzenna wymagająca zastosowania zaawansowanej

technologii wykonania (koszty) sztywna głowica o małej masie (stopy aluminium)

 szybko

nagrzewająca się głowica

 niska emisja w trakcie zimnego rozruchu silnika

–Mocowanie i uszczelnienie głowicy z kadłubem silnika brak przestrzeni szkodliwych

 niska

emisja wglowodorów

–Trwałość i niezawodność i bezobsługowość układu rozrządu

 niskie emisje wszystkich

składników toksycznych

–Opory ruchu układu rozrządu  sprawność mechaniczna

 niskie emisje wszystkich składników

toksycznych

–Szczelność prowadnic zaworów  zużycie oleju, przedmuchy spalin

 niska emisja

węglowodorów

–Odprowadzenie ciepła z głowicy  efektywny, a jednocześnie szybko nagrzewający się układ

chłodzenia

 niska emisja w trakcie zimnego rozruchu silnika.

–Budowa komory spalania  sprawność indykowana silnika i podatność na powstawanie

substancji szkodliwych, katalityczne pokrycia komory

 niskie emisje wszystkich składników

toksycznych

–Budowa układu rozrządu  układy wielozaworowe, sterowanie fazami rozrządu i wzniosem

zaworów, napełnienie silnika  wzrost sprawności pracy silnika

 niskie emisje wszystkich

składnikow toksycznych

–Dokładność wykonania układu tłokowo korbowego  dynamika układu rozrządu  zużycie

elementów układu. 

wyciszenie układu

 niska emisja hałasu z układu

–Paliwo, olej smarny  nagary w komorze spalania

 emisja zanieczyszczeń ze spalania.

UKŁAD ZASILANIA SILNIKA POWIETRZEM I PALIWEM

Główne problemy budowy i eksploatacji wpływające na emisję

 

– Przygotowanie powietrza i paliwa do zasilania silnika  filtracja powietrza i paliwa



ograniczenie zużycia elementów silnika

 ograniczenie emisji wszystkich substancji

szkodliwych

– Budowa układu zasilania powietrzem zapewniająca odpowiednie jego napełnienie 

rodzaje doładowania silnika, chłodzenie powietrza, ogrzewanie powietrza,
zawirowanie powietrza  napełnienie silnika  wzrost sprawności pracy silnika

 niskie emisje wszystkich składników toksycznych

– Dostarczenie spalin do układu dolotu (układ EGR)

 ograniczenie emisji NOx

– Budowa układu zasilania paliwem zapewniająca odpowiednie jego dawkowanie i

rozpylenie  rodzaje wtrysku paliwa, dobór ciśnienia wtrysku paliwa, stopnia
rozpylenia paliwa, sterowanie elektroniczne wielkością dawki paliwa

 ograniczenie emisji wszystkich substancji szkodliwych

.

– Kształtowanie właściwości ładunku (mieszanki paliwowo-powietrznej w komorze

spalania)  mieszanka uboga, bogata, homogeniczna, uwarstwiona, zawirowana,
uspokojona

 ograniczenie emisji wszystkich substancji szkodliwych

.

UKŁAD WYLOTU SPALIN WRAZ Z SYSTEMAMI ICH OCZYSZCZANIA

I TŁUMIENIA HAŁASU

 

Główne problemy budowy i eksploatacji wpływające na emisję

 
• Budowa układu zapewniająca minimalną wartość resztek spalin w

cylindrach silnika  opory przepływu spalin

 ograniczenie emisji

wszystkich substancji szkodliwych

• Budowa układu zapewniająca maksymalną temperaturę spalin przed

systemem ich oczyszczania

 ograniczenie emisji wszystkich substancji

szkodliwych

.

• Pobór i schłodzenie spalin do układu EGR

 ograniczenie emisji NOx

• Umieszczenie w układzie wylotowym systemów oczyszczania spalin 

reaktory katalityczne (OC, TWC, LNT, deNOx, MSC), filtry spalin
(regeneracja ciągła, regeneracja okresowa, pasywna, aktywna, pasywno-
aktywna)

 ograniczenie emisji wszystkich substancji szkodliwych

.

• Umieszczenie w układzie wylotowym systemów tłumienia hałasu  tłumiki

dźwięku (nieaktywne, aktywne),

 ograniczenie emisji halasu

UKŁAD CHŁODZENIA SILNIKA

 

Główne problemy budowy i eksploatacji wpływające na emisję

 
• Budowa układu zapewniająca odpowiednie chłodzenie silnika (bardzo

szybki wzrost temperatur cieczy po uruchomieniu silnika do temperatur
optymalnych dla poprawnej pracy silnika w różnych warunkach jego pracy)

 niska emisja w trakcie zimnego rozruchu silnika

.

• Chłodzenie pośrednie (niezamarzająca ciecz chłodząca)  regulacja

układu, właściwości cieczy



biodegradowalność cieczy.

• Chłodzenie bezpośrednie (powietrze)  problemy z budową silników

(kadłuby i głowice),

  hałaśliwość silnika.

UKŁAD SMAROWANIA SILNIKA

 

Główne problemy budowy i eksploatacji wpływające na emisję

 
Budowa układu zapewniająca:

– małą pojemność układu (szybkie rozgrzewanie oleju)
– odpowiednie smarowanie silnika (szybkie wystąpienie tarcia płynnego

w różnych węzłach kinematycznych), uszczelniane komory spalania i
chłodzenie elementów silnika.

a tym samym niską emisja w trakcie zimnego rozruchu silnika

• Oleje silnikowe  dobór ich właściwości fizyko-chemicznych  ograniczenie

zużycia elementów silnika (zapewnienie tarcia płynnego, chłodzenie silnika,
ochrona silnika przed korozją, zmywanie osadów),  ograniczenie procesów
starzenia oleju i zużycia oleju

 biodegradowalność oleju.

 

UKŁAD ZAPŁONOWY SILNIKA I UKŁAD ROZRUCHU SILNIKA

Główne problemy budowy i eksploatacji

wpływające na emisję

 

• Silniki ZI - układy zapewniające niezawodny rozruch silników i zapłon mieszanki palnej 

elektronizacja układów

 niskie emisje węglowodorów w trakcie zimnego rozruchu

silnika

.

• Silniki ZS - układy zapewniające niezawodny rozruch silników i zapłon wtryskiwanego

paliwa - efektywna świeca żarowa

 niskie emisje węglowodorów w trakcie zimnego

rozruchu silnika

.

• Zintegrowanie rozrusznika z alternatorem w kole zamachowym silnika 

mini hybryda 

zwiększenie sprawności pracy silnika

 niskie emisje wszystkich substancji szkodliwych

• Wykorzystanie alternatora w procesie rozgrzewania reaktora katalitycznego

 niskie

emisje węglowodorów i tlenku węgla w trakcie zimnego rozruchu silnika

.

MATERIAŁY EKSPLOATACYJNE

 

Paliwa:

– ropopochodne (ciekłe, gazowe)
– pochodzenia roślinnego (ciekłe, gazowe)
– inne (wodór)

Oleje smarne:

– do silników czterosuwowych (mineralne,

półsyntetyczne, syntetyczne)

– do silników dwusuwowych (mineralne,

półsyntetyczne, syntetyczne).

Smary (stałe, płynne).
Inne płyny eksploatacyjne.

Paliwa do silników spalinowych

Paliwa do silników o zapłonie

iskrowym

• Benzyny

• Alkohole, etery
• LPG
• CNG lub LNG
• Biogazy
• Wodór

Paliwa do silników o zapłonie
samoczynnym

•

Oleje napędowe

• Oleje roślinne

• Estry

• Alkohole z dodatkiem
samozapłonowym

• LPG wraz z dawką pilotującą

• CNG lub LNG wraz z dawką
pilotującą

• Biogazy wraz z dawką pilotującą

Benzyny

Mieszanina węglowodorów zawierających od 4 do 12 atomów

węgla:

– parafinowych C

n

H

2n+2

– olefinowych C

n

H

2n

oraz C

n

H

2n-2

– naftenowych C

n

H

2n

– aromatycznych C

n

H

2n-6

– dodatki uszlachetniające

 wrzących w temperaturach od 40C do około 190C

Najważniejsze właściwości to:

– Gęstość, lepkość , ciepło parowania
– lotność
– temperatura samozapłonu
– właściwości przeciwstukowe - liczby oktanowe
– Zawartość siarki i ołowiu

Poszczególne frakcje benzyny wpływają na

1. Frakcje lekkie

– Zdolności rozruchowe silnika w niskich temperaturach
– Skłonność do tworzenia korków parowych w przewodach paliwowych i

pompie paliwa

2. Frakcje średnie

– Reakcja silnika na szybkie otwieranie przepustnicy
– Skłonność do oblodzenia układu zasilania

3. Frakcje ciężkie

– Stopień rozcieńczenia oleju smarnego paliwem
– Ilość osadów na ściankach układu zasilania i komory spalania
– Skłonność do mostkowania świec zapłonowych
– Zużycie zespołu tłok - pierścienie - cylinder
– Emisja HC

Oleje napędowe

 

Mieszanina węglowodorów:

–parafinowych C

n

H

2n+2

–aromatycznych C

n

H

2n-6

–pochodne w/w z dodatkami uszlachetniającymi

 wrzących w temperaturach od 170-200C do około 370C
 

Najważniejsze właściwości to:

–lepkość - około 2-12 mm

2

/s przy 20C

–gęstość - około 820-860 kg/m

3

–napięcie powierzchniowe
–ciepło parowania
–pojemność cieplna
–temperatura samozapłonu – około 320-360
–liczba cetanowa - około 53-58
–zawartość siarki

temperatura 50% oddestylowania - t

50%

- ze spadkiem tej wartości polepszają się

właściwości rozruchowe

ale maleje liczba cetanowa
temperatura blokowania zimnego filtra

–oleje letnie -2C
–oleje zimowe od -12C do - 30C