POLITECHNIKA WARSZAWSKA

WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA

Laboratorium silników spalinowych.

Oddziaływanie transportu na środowisko.

semestr letni 2013/2014

Badania stężeń składników toksycznych spalin.

Aleksandra Bachanek

Magda Dylewska

Aleksandra Gąsiorowska

Ewa Klimczak

Ilona Niewęgłowska

Zuzanna Sabatowska

Agata Wronkowska

Justyna Zarzeczna

Gr. OŚ 1

Zespół 1

1. Wstęp.

Wzrost liczby eksploatowanych silników spalinowych spowodował konieczność ograniczenia szkodliwych dla środowiska oraz ludzi związków toksycznych emitowanych przez te źródła energii. Obecnie w większości krajów dąży się do redukcji szkodliwych skutków eksploatacji silników spalinowych. Wynikiem tych dążeń są coraz bardziej rygorystyczne przepisy dotyczące emisji zanieczyszczeń oraz wdrażanie konstrukcji spełniających wymogi tych przepisów.

Do głównych toksycznych składników spalin zalicza się:

• tlenek węgla CO,

• węglowodory HC,

• tlenki azotu NOx,

• tlenki siarki SOx,

• cząstki stałe PM,

• związki ołowiu.

Próby ograniczenia efektu cieplarnianego na naszej planecie doprowadziły do zwrócenia uwagi na jeszcze jeden składnik spalin, który nie jest związkiem toksycznym ale przyczynia się do intensyfikacji powyższego efektu. Tym związkiem jest ditlenek węgla CO₂. Ilość emitowanego CO₂ przez silniki zasilane paliwami kopalnianymi jest natomiast ściśle związana z ilością zużywanego przez nie paliwa.

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. W dawniejszych konstrukcjach silników spalinowych badanie składu spalin było związane z czynnościami regulacyjnymi układu zasilania. Obecnie konstrukcje wyposażone w 4 układy wtrysku benzyny nie posiadają możliwości regulacji a pomiar składu spalin może być traktowany tylko jako kontrola poprawności działania układu zasilania oraz reaktora katalitycznego.

2. Cel i zakres badań.

Celem badań, których wyniki przedstawiono w tabeli poniżej, było określenie emisji jednostkowych toksycznych ( CO, HC, NOx ) i nietoksycznych ( O₂, CO₂) składników spalin.

3. Schemat stanowiska pomiarowego.

4. Tabela z wynikami pomiarów.

Lp.	moment obrotowy M [Nm]	współczynnik nadmiaru powietrza λ [% poj]	CO [% poj]	CO2 [% poj]	O2 [% poj]	HC [ppm]	T [s]	dawka paliwa [cm^3]
1.	31	1,034	0,56	13,6	1,15	128	28	25
2.	44	1,025	0,58	13,7	0,97	114	22	25
3.	61	1,016	0,64	13,8	0,83	93	13	25
4.	75	1,011	0,71	13,8	0,76	86	13	25
5.	90	1,010	0,65	13,9	0,69	80	12	25
6.	105	1,005	0,69	13,9	0,62	75	9	25

prędkość obrotowa: n = 3000 obr/min

gęstość paliwa: ρ = 0,79g/cm³ = 790 kg/m³

udział węgla w paliwie: C = 0,85

5. Obliczenia

Silnik zasilano olejem napędowym ze stacji Bliska, którego gęstość w temperaturze 15^°C wynosi 830 kg/m³.

Wykonując obliczenia wykorzystano wzory:

Moc silnika:

Gdzie:

M_o - moment obrotowy [Nm]

n - prędkość obrotowa [obr/min]

9549,3- przelicznik jednostek

Godzinowe zużycie paliwa G_u

Gdzie:

V- objętość pomiarowej dozy paliwa [m³]

ρ_pal - gęstość paliwa [kg/m³]

t - czas zużycia dozy pomiarowej, [h].

Moc użyteczna:

Gdzie:

M_o - moment obrotowy [Nm]

ω - prędkość kątowa wału korbowego silnika [rad/s]

Wyniki obliczeń zebrano w tabeli:

Lp.	M	Gu	Ne
		kW	kg/h	kW
1.	9,74	2,54	9738,94
2.	13,82	3,23	13823,01
3.	19,16	5,47	19163,72
4.	23,56	5,47	23561,94
5.	28,27	5,93	28274,33
6.	32,99	7,90	32986,72

ω = 2∙π∙3000/60 = 314,1592654

Na podstawie danych wykreślono wpływ składu mieszanki palnej silnika o zapłonie iskrowym na emisję składników toksycznych. Na poszczególnych osiach umieszczono parametry: emisji poszczególnych spalin i współczynnik nadmiaru powietrza w zależności od godzinowego zużycie paliwa, mocy użytecznej oraz mocy silnika.

C +O₂ CO₂

12kg + 2∙16kg 44kg

6. Wnioski.

Maksymalna prędkość obrotowa silnika na którym wykonywano pomiary wyniosła 2156 obr/min, przy czym moment obrotowy dla tej prędkości wyniósł jedynie 11Nm i jest on zbyt niski, aby wał silnika mógł wykonywać ruch. Wartości te przekładają się na niską moc użyteczną równą 2,48kW. Maksymalny moment obrotowy wynosi 418 Nm i jest on osiągnięty przy prędkości obrotowej równej 1400obr/min, przy czym osiągnięta jest wtedy moc użyteczna 61,28kW. Od 1400 obr/min moment obrotowy zaczyna spadać. Moc użyteczna rośnie wraz ze wzrostem prędkości obrotowej, pomijając przypadek maksymalnej prędkości obrotowej gdzie moc jest najmniejsza, natomiast maksymalną moc równą 82,31kW silnik osiąga przy 2000 obr/min i przy momencie obrotowym równym 393Nm. Silnik zużywa wtedy najwięcej paliwa (najwyższa wartość godzinowego zużycia paliwa). Przy maksymalnej prędkości obrotowej, gdzie moc jest najmniejsza jest także najmniejsze godzinowe zużycie paliwa, jednak jednostkowe zużycie paliwa w tym przypadku jest największe. Jednostkowe zużycie paliwa to ilość zużytego paliwa na wytworzenie 1kWh, więc gdy wytwarzano w tym przypadku moc jest bardzo niska to ilość paliwa jaką należy zużyć aby wytworzyć 1kWh w porównaniu do przypadku gdy ilość wytwarzanej energii jest znacznie większa rośnie. Dodatkowo na podstawie wyników można obliczyć elastyczność silnika, która w naszym przypadku wyniesie 1,06. Jak już wcześniej wspomniano cecha ta informuje nas o sposobie reagowania silnika na zmieniające się obciążenie. Analizując przebieg momentów obrotowych możemy stwierdzić, że jest to przebieg w przybliżeniu płaski który odpowiada charakterystyce silnika przemysłowego.

---