Politechnika Poznańska Ochrona Środowiska w Transporcie Labolatorium	Wydział Maszyn Roboczych i Transportu	Kierunek: Transport
Temat: Badanie ekologicznych właściwości silników spalinowych
Wykonawca: Ewelina Zakrzewska	Grupa dziekańska: T3	Nr. listy: 14
Semestr: IV	Rok studiów: II	Rok akademicki: 2012/2013
Prowadzący: mgr. inż. Paweł Stobnicki	Data wykonania ćwiczenia: 23.04.2013	Godzina rozpoczęcia ćwiczenia: 9.45

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z właściwościami ekologicznymi silnika spalinowego o zapłonie iskrowym, a także raz analiza parametrów pracy oraz emisji spalin samochodowych silnika Fiat 1.3 JTD.

1. Wstęp teoretyczny

Spaliny silników są mieszaniną substancji znajdujących się w różnych stanach skupienia. Przeważają substancje znajdujące się w gazowym stanie skupienia, ale są również substancje ciekłe i stałe. W miarę obniżania się temperatury spalin wyemitowanych z silnika rośnie w nich względny udział substancji ciekłych oraz stałych. Przyczyny powstawania poszczególnych składników spalin są następujące:

• spalanie zupełne i całkowite paliwa i oleju;

• spalanie niezupełne paliwa i oleju;

• spalanie niecałkowite paliwa i oleju;

• dysocjacja termiczna składników spalin;

• dysocjacje termiczna par paliwa i oleju;

• procesy towarzyszące spalaniu paliwa, m.in. utlenianie azotu zawartego w powietrzu;

• procesy absorpcji i desorpcji par oleju i paliwa w cylindrach silnika w czasie suwów dolotu sprężania;

• emitowanie produktów powstających z zanieczyszczeń i dodatków do paliwa i oleju;

• procesy zachodzące z udziałem składników spalin w atmosferze.

Składniki spalin silników można klasyfikować według wielu kryteriów. Produkty spalania zupełnego wśród składników spalin to:

• dwutlenek węgla CO₂,

• woda H₂O,

• trójtlenek siarki SO₃.

Produktami spalania niecałkowitego są węglowodory, oznaczane HC lub THC i ich pochodne. Z kolei produktami spalania niezupełnego są:

• węglowodory HC;

• pochodne węglowodorów, m.in. aldehydy RCHO (R – węglowodorowa grupa funkcyjna);

• tlenek węgla CO;

• sadza C (w rzeczywistości sadza jest odwodornionym wielopierścieniowym węglowodorem);

• tlenek siarki.

• NO_x (mieszanina tlenków azotu o niezdefiniowanym składzie) – zazwyczaj są to NO, NO₂.

Tlenki azotu

Tlenki azotu to jedne z najbardziej toksycznych gazów spalinowych. Powstają podczas procesu spalania przy udziale wysokiej temperatury. Azot tworzy z tlenem następujące rodzaje tlenków azotu: podtlenek azotu, tlenek azotu, dwutlenek azotu, trójtlenek dwuazotu, czterotlenek azotu, pięciotlenek azotu. Najgroźniejsze dla człowieka są głównie dwutlenek azotu oraz tlenek azotu.

Oba te związki występują przede wszystkim w aglomeracjach miejskich. Tlenek azotu wchłonięty do organizmu reaguje z hemoglobiną, tworząc NO-hemoglobinę. Wewnątrz tkanek tlenek azotu utlenia się do dwutlenku azotu. Zatrucie tlenkiem azotu objawia się m.in. osłabieniem organizmu, zawrotami głowy i drętwieniem kończyn. Z kolei dwutlenek węgla powoduje obrzęk płuc, osłabienie tętna i zwyrodnienie mięśnia sercowego.

Tlenek węgla

Jest to bezwonny i bezbarwny gaz, którego rocznie emituje się do atmosfery około 230 milionów ton. Jest niebezpieczny dla organizmu ze względu na jego łatwość do łączenia się z hemoglobiną i powstające niedotlenienie organizmu. Powtarzające się niedotlenienia mogą powodować uszkodzenie tkanki mózgowej, osłabienia pamięci i zmiany psychiczne. Osoby poddane częstym małym stężeniom mają takie objawy, jak: bóle i zawroty głowy, uczucie senności, kołatanie serca zaburzenia ciśnienia krwi. Poddanie się stężeniu większemu od 600 ppm powoduje tzw. zaczadzenie i śmierć.

Węglowodory

Powstają w wyniku niecałkowitego spalania paliwa, ale też w wyniku parowania lekkich frakcji benzyny oraz podczas transportu i przeładunku paliw. Węglowodory szybko reagują z tlenem i związkami azotu, tworząc m.in. nadtlenki i aldehydy. Najbardziej niebezpieczne są węglowodory nienasycone, ponieważ łączą się z hemoglobiną we krwi, działając jak narkotyk.

Szczególnie groźnym węglowodorem jest aromatyczny, jednopierścieniowy benzen, który może spowodować śmierć (wysokie stężenie). Z kolei węglowodory aromatyczne wielopierścieniowe tzw. PAH rozpuszczają się w tłuszczach i kumulują się w organizmie człowieka i zwierząt. Metabolizowane w wątrobie, działają rakotwórczo ze względu na zdolność reagowania z białkami DNA i RNA.

Cząstki stałe

Są to produkty wydostające się z układu wylotowego silnika o konsystencji ciekłej lub stałej, zawierające między innymi pewną ilość cząstek węgla, związków siarki i azotu, metali oraz ciężkich węglowodorów. Kiedyś źródłem były też produkowane z azbestu klocki hamulcowe i okładzin sprzęgieł. Te małe cząsteczki długo utrzymują się w atmosferze i są łatwo wchłanialne. Ponieważ nasycają się innymi niebezpiecznymi związkami, umożliwiają wniknięcie do organizmu metali ciężkich, w tym ołowiu, siarki, azotu i różnych węglowodorów.

Tlenki siarki

Dwutlenek siarki i trójtlenek siarki powstają głównie w przemyśle energetycznym. Udział motoryzacji jest niewielki i wynosi 3%. Reagują one z tlenkiem węgla i pyłami, tworząc tzw. smog londyński. Dwutlenek siarki jest również składnikiem kwaśnego deszczu. Gaz ten jest silnie drażniący, rozpuszcza się w błonach śluzowych, tworząc kwas siarkowy, co powoduje podrażnienie dróg oddechowych i zapalenie spojówek. Powoduje też zmiany morfologiczne krwi.

1. Metody pomiaru związków:

Badania diagnostyczne silników o zapłonie iskrowym

W silnikach spalinowych o zapłonie iskrowym główne znaczenie dla celów diagnostycznych mają następujące składniki spalin: tlenek węgla CO, węglowodory HC oraz tlenki azotu NOx. Znajomość emisji tych składników pozwala na ustalenie składu mieszanki palnej, szczelności komory spalania oraz temperatury procesu spalania. Analizę składu spalin można przeprowadzić metodami chemicznymi i fizycznymi.

Badania diagnostyczne silników o zapłonie samoczynnym

W silnikach spalinowych o zapłonie samoczynnym w ramach okresowej oceny stanu

technicznego pojazdu mierzona jest zawartość tylko jednego składnika spalin – cząstek stałych PM i HC, których podstawowym składnikiem jest sadza (węgiel). Pomiar ten nazywa się kontrolą zadymienia spalin, a najczęściej stosuje się następujące metody:

· Metoda optyczna (typu Hartridge’a)

· Metoda filtracyjna (typu Boscha)

1. Parametry badanej jednostki – silnik Fiat JTD

   1. Zapłon: samoczynny

   2. Pojemność skokowa: 1300cm³

   3. System wtrysku paliwa: common rail

   4. Moc maksymalna: 55kW

   5. Maksymalny moment obrotowy: 170Nm

   6. Ilość cylindrów: 4

   7. Ilość zaworów: 16

   8. Skok tłoka: 82mm

   9. Stopień sprężania: 18:1

2. Wyniki pomiarów

Temperatura oleju:

• początkowa: 72°C

• końcowa: 88,3°C

Temperatura cieczy chłodzącej:

• początkowa: 74°C

• końcowa: 77°C

1. Dla 2000 [obr/min]

lp.	n	Mo	Mo rzecz	Ge	ge	CO	CO2	NOx	HC	PM	Ne
	[obr/min]	[Nm]	[Nm]	[g/s]	[g/kWh]	[ppm]	[%]	[ppm]	[%]	[mg/m^3]	[kW]
1	2002	10	8,2	0,29	607,595	228	2,3	174	0,024	2,81	1,71825
2	1999	20	20,5	0,38	318,9415	225	2,5	187	0,024	4,41	4,289188
3	2001	30	30,5	0,53	298,6916	220	2,7	200	0,024	4,12	6,387859
4	2004	40	40,2	0,6	256,1661	212	2,9	219	0,024	3,41	8,432031
5	2004	50	49,8	0,74	255,0344	205	3,1	235	0,024	3,29	10,44565
6	1998	60	60,3	0,78	222,6773	189	3,4	280	0,023	2,88	12,61018
7	2003	70	70,3	0,89	217,3941	174	3,8	335	0,023	2,87	14,73821
8	2001	80	80,5	0,99	211,3909	169	4,0	354	0,023	3,47	16,85976
9	2000	90	90,9	1,17	221,3533	163	4,0	383	0,022	3,5	19,0284
10	1999	100	100,2	1,23	211,2121	159	4,4	408	0,022	4,11	20,96471
11	2002	110	110,9	1,33	206,0393	155	4,6	433	0,022	5,34	23,23828
12	2001	120	120,2	1,44	205,9231	152	4,8	463	0,022	7,4	25,17445
13	2003	130	130,3	1,61	212,1752	150	4,9	484	0,022	11	27,31705
14	2005	140	140,3	1,7	207,86	148	5,1	509	0,022	13,84	29,44289

1. Dla 2500 [obr/min]

lp.	n	Mo	Mo rzecz	Ge	ge	CO	CO2	NOx	HC	PM	Ne
	[obr/min]	[Nm]	[Nm]	[g/s]	[g/kWh]	[ppm]	[%]	[ppm]	[%]	[mg/m^3]	[kW]
1	2503	10	10,5	0,41	536,5718	182	2,7	249	0,024	3,18	2,750797
2	2501	20	20,5	0,54	362,2599	164	3,4	303	0,023	4,59	5,366312
3	2499	30	30,7	0,65	291,4089	130	4,2	379	0,021	4,61	8,029954
4	2498	40	41	0,83	278,7378	113	4,7	429	0,021	3,49	10,71975
5	2502	50	50,1	0,89	244,2075	84	5,2	493	0,020	2,56	13,11999
6	2501	60	60,1	1,05	240,2676	70	5,7	596	0,019	2,1	15,73246
7	2499	70	70,3	1,16	227,107	57	6,2	724	0,019	1,82	18,38781
8	2502	80	80,4	1,29	220,567	52	6,5	793	0,019	1,74	21,05483
9	2502	90	90,8	1,45	219,5275	48	7,0	911	0,018	1,53	23,77834
10	2498	100	100,7	1,6	218,7722	48	7,5	1023	0,018	1,75	26,32875
11	2499	110	110,2	1,72	214,82	52	7,9	1090	0,019	2,61	28,82413
12	2501	120	121	1,88	213,6746	58	8,2	1142	0,019	4,46	31,67433
13	2503	130	130,2	2,04	215,3042	70	8,7	1187	0,019	8,08	34,10988
14	2501	140	140,3	2,22	217,6084	85	9,3	1254	0,019	11,71	36,72652

Przykładowe obliczenie N_e :

$${N_{e} = \frac{\text{Mo}_{\text{rz}}*n_{\text{rz}}}{9554,14}\left\lbrack \text{kW} \right\rbrack\ \backslash n}\backslash n{N_{e} = \frac{90,9*2000}{9554,14} = 19,028\ \left\lbrack \text{kW} \right\rbrack}$$

Przykładowe obliczenie g_e:

$$g_{e} = \frac{{3600*\ G}_{e}}{N_{e}}\left\lbrack g/kWh \right\rbrack$$

$$g_{e} = \frac{3600*1,17}{19,028} = 221,358\ \left\lbrack g/kWh \right\rbrack$$

1. Charakterystyki

Dla n=2000 [obr/min]

Dla n=2500 [obr/min]

1. Wnioski

Emisja Co2 i cząstek stałych PM jest dużo mniejsza od emisji innych spalin dla prędkości obrotowej zarówno 2000 jaki i 2500 obr/min.

Wraz ze wzrostem momentu obrotowego (Mo) rośnie wydzielanie tlenku azotu (NOx). Odchylenia występujące przede wszystkim na drugim wykresie wynikają ze złego pomiaru dokonanego podczas zajęć.

Zużycie paliwa waha się w przedziale 207-607g/kWh dla prędkości obrotowej 2000 obr/min oraz 217-536 g/kWh dla prędkości 2500 obr/min.

Można zauważyć następującą zależność, im mniejsze zużycie paliwa, tym wyższe zanieczyszczenie powietrza tlenkiem azotu (NOx). Moc użyteczna rośnie wraz ze wzrostem momentu obrotowego.