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