KATEDRA TECHNIKI CIEPLNEJ

TEMAT: Badanie toksyczności spalin z silnika benzynowego i katalitycznej eliminacji gazowych toksyn.

Wydział Mechaniczny

Radosław Jerzyło

grupa 2

nr indeksu 98729

1.Powstawanie toksycznych emisji w silniku benzynowym.

Liczba nadmiaru powietrza λ jest ilorazem: objÄ™toÅ›ci powietrza doprowadzonego do cylindrów Vp i minimalnej iloÅ›ci potrzebnej do spalenia Vp_min. Gdy λ > 1 mamy do czynienia z nadmiarem powietrza, a gdy λ < 1 z jego niedoborem. Brak peÅ‚nej potrzebnej do spalenia iloÅ›ci tlenu powoduje, że część substancji palnej paliwa wychodzi z cylindra w postaci nie spalonych gazów: CO i różnych wÄ™glowodorów o Å‚Ä…cznym symbolu C_mH_n. Ponadto w strefie pÅ‚omienia, gdzie temperatury sÄ… bardzo wysokie, dochodzi do reakcji N₂ z O₂ i utworzenia tlenków azotu szkodliwych dla otoczenia. W miarÄ™ wzrostu λ i wzrostu iloÅ›ci tlenu, stężenia CO i C_mH_n malejÄ… (ulegajÄ… spaleniu) natomiast wzrasta stężenie NO, osiÄ…gajÄ…c max przy λ ~ 1,05. Potem to ostatnie stężenie spada, gdyż temperatura pÅ‚omienia maleje wskutek dużej iloÅ›ci obojÄ™tnego chemicznie nadmiaru powietrza w cylindrze. Stężenia CO i C_mH_n nie spadajÄ… do zera gdyż krótki czas, jaki szybkobieżny silnik pozostawia procesowi spalania oraz maÅ‚a objÄ™tość ograniczona zimnymi (chÅ‚odzonymi) Å›ciankami nie pozwalajÄ… na doprowadzenie procesu chemicznego do koÅ„ca. Stężenie C_mH_n przy λ > 1,1 nawet wzrasta, gdyż temperatura reagentów spada, przez co reakcje spalania ulegajÄ… zahamowaniu i wÄ™glowodory nie ulegajÄ… spaleniu, mimo nadmiaru tlenu.

2.Katalizator trójfunkcyjny i jego działanie.

SpoÅ›ród szeregu sposobów neutralizacji szkodliwych emisji powszechne zastosowanie w silnikach benzynowych znalazÅ‚ tzw. katalizator trójfunkcyjny zwany też trójdrogowym. Eliminuje on ponad 90% szkodliwych emisji, Jak jego nazwa wskazuje, przetwarza on jednoczeÅ›nie 3 toksyczne gazy CO, C_mH_n i NO w neutralne CO₂, parÄ™ wodnÄ… i N₂. Poszczególne rodzaje reakcji majÄ… przeciwstawne wymagania: do dwu pierwszych potrzebna jest obecność O₂, dostatniej niezbÄ™dna jest przewaga czÄ…stek redukujÄ…cych. Dlatego aby katalizator mógÅ‚ dziaÅ‚ać skutecznie, proporcja paliwa do utleniacza powinna być Å›ciÅ›le stechiometryczna tj: X=1. Wtedy, jeżeli opuszczajÄ…ce cylindry spaliny zawierajÄ… nie spalone CO i C_mH_n, to zawierajÄ… również O₂ nie zużyty jeszcze do spalania tych gazów. Do utrzymania X=1 sÅ‚uży ukÅ‚ad regulujÄ…cy, w którym do pomiaru λ, za pomocÄ… zmierzonego udziaÅ‚u tlenu w salinach, sÅ‚uży sonda lambda. Odchylenie od X=1 daje silny sygnaÅ‚ do sterownika mikroprocesorowego ustalajÄ…cego dawkÄ™ wtryskiwanego paliwa. W wÄ…skim obszarze regulacyjnym X=0,99-1,005 stężenia toksycznych emisji sÄ… najmniejsze.

Katalizatorem trójfunkcyjnym nazywa się reaktor składający się z nośnika, na którego powierzchni naniesiono właściwą substancję katalityczną. Substancja katalityczna przyspiesza znacznie przebieg procesu chemicznego, ale sama nie ulega zużyciu. Składa się ona z Pt, na której przebiegają głównie procesy utleniania i z Rh, na którym ma miejsce reakcja redukcyjna. Stopień konwersji reakcji zobojętniających ή zależy silnie od temperatury. Dla wysokiego stopnia konwersji potrzebne jest nagrzanie katalizatora do ponad 300°C. Z drugiej strony temperatura nie może przekraczać 900°C, by nie powodować przedwczesnego starzenia katalizatora. Sprawność dopalania katalitycznego, w dostatecznie wysokiej temperaturze wynosi 98-99% dla CO, 95% dla C_mH_n, a stopień redukcji NO przekracza 90%.

3. Zasilanie silnika benzynowego paliwem.

Aby spalanie w cylindrach odbywało się przy λ = 1, urządzenie przygotowujące mieszankę benzynowo-powietrzną musi utrzymywać stały stosunek: 14,8 kg powietrza na 1 kg benzyny. Ilość benzyny oblicza mikroprocesor sterujący w zależności od strumienia masy napływającego powietrza. Dla wyznaczenia tego strumienia mierzone są następujące wielkości:

• CzÄ™stość obrotów waÅ‚u silnika,

• BezwzglÄ™dne ciÅ›nienie statyczne w kolektorze ssawnym za przepustnicÄ…,

• Temperatura zasysanego powietrza.

Do mikroprocesorowego sterownika dopływają dalsze sygnały pomiarowe służące do korekty dawki wtryskiwanej benzyny. Są to sygnały:

• Od temperatury cieczy chÅ‚odzÄ…cej silnik - przy niskiej temperaturze silnika podczas rozruchu trzeba zwiÄ™kszyć dawkÄ™ paliwa na podgrzanie samego silnika i dlatego wtryskiwacz rozruchowy wtryskuje do kolektora ssawnego dodatkowa porcje benzyny. JednoczeÅ›nie należy doprowadzić zwiÄ™kszona ilość powietrza, by te dodatkowÄ… dawkÄ™ benzyny spalić.

• SygnaÅ‚ poÅ‚ożenia przepustnicy.

4. Stanowisko badawcze.

• Benzynowy samochodowy silnik spalinowy z katalitycznym oczyszczaniem spalin

• Hamulec elektrowirowy zadajÄ…cy silnikowi obciążenie momentem hamujÄ…cym

• Zestaw analizatorów do pomiaru zawartoÅ›ci CO, C_mH_n, NO, CO₂ i O₂ w spalinach.

5.Opis doświadczenia.

Badanie toksyczności spalin przeprowadza się podczas trzech charakterystycznych rodzajów pracy silnika:

• Podczas rozruchu od poczÄ…tkowego stanu zimnego do stanu, w którym osiÄ…gniÄ™ty zostaje roboczy rozkÅ‚ad temperatury w silniku

• Podczas rozruchu ustalonego, pod obciążeniem odpowiadajÄ…cym zwykÅ‚ej jeździe pojazdu po drodze

• Podczas biegu jaÅ‚owego

Podczas każdego z tych rodzajów pracy mierzy się wielkości charakteryzujące stan silnika:

• Moc użytecznÄ… Ne

• CzÄ™stość obrotów n

• TemperaturÄ™ wody chÅ‚odzÄ…cej t_w

• TemperaturÄ™ spalin przed katalizatorem t_sp.

RównoczeÅ›nie dokonuje siÄ™ analizy spalin mierzÄ…c zawartoÅ›ci NO, CO, CO₂, HC i O₂

Analizę spalin wykonuje się na próbce pobranej:

• Za katalizatorem podczas rozruchu silnika

• Na przemian: przed i za katalizatorem podczas rozruchu ustalonego i biegu jaÅ‚owego.

Badanie toksyczności spalin silnika benzynowego - rozruch.

Składniki spalin za reaktorem katalitycznym.

t_{sp pocz.} =31 °C

t_{w pocz.} =30 °C

czas	CO	CO2	HC	O2	Ne	n	tsp	tw	λ
s	%	%	ppm	%	kW	1/min	°C	°C	-
30	0,908	11,95	254	1,1	4,82	2810	183	31,20	1,019
60	1,148	11,97	260	0,89	4,83	2818	250	31,20	0,997
90	1,194	11,76	187	2,58	4,41	2635	281	30,80	1,133
120	0,328	12,06	175	1,47	4,86	2814	332	30,30	1,063
150	0,120	13,29	97	0,72	5,22	2935	360	73,30	1,029
180	0,038	13,17	46	0,43	5,32	2976	385	79,90	1,020
210	0,026	13,15	22	0,35	5,42	3010	404	79,70	1,017
240	0,020	13,12	14	0,32	5,23	2920	413	80,30	1,016
270	0,018	13,02	12	0,36	5,14	2926	422	80,30	1,018
300	0,020	13,06	10	0,33	5,21	2914	431	80,70	1,017
330	0,018	13,02	9	0,34	5,26	2942	440	82,10	1,018
360	0,016	12,99	8	0,34	5,25	2933	447	84,00	1,018

---