spalin w silnikach cz. 1 Kompendium praktycznej wiedzy Autor: mgr inż. Stefan Myszkowski
Dodatek techniczny do WIADOMOŚCI Inter Cars S.A. nr 35/Czerwiec 2010
Zdjęcie - Pierburg
Spis treści
Dodatki techniczne dostępne w wersji elektronicznej na www.intercars.com.pl
Recyrkulacja
1. Regulacja momentu obrotowego podstawowych rodzajów silników................................................................................................. 2 1.1. Podstawowe rodzaje silników spalinowych 1.2. Napełnianie cylindra powietrzem 1.3. Zasada regulacji momentu obrotowego silnika ZS 1.4. Zasada regulacji momentu obrotowego silnika ZI 1.5. Zasada regulacji momentu obrotowego silnika ZI WB, zasilanego mieszanką uwarstwioną lub homogeniczną 2. Tlenki azotu (NOX)......................................................................................................................................................................................................................................................... 8 2.1. Powstawanie tlenków azotu (NOX) i ich własności 2.2. Europejskie, homologacyjne normy emisji tlenków azotu (NOX) 3. Katalityczna redukcja zawartości tlenków azotu (NOX) w spalinach......................................................................................................11 3.1. Katalityczna redukcja zawartości tlenków azotu (NOX) w spalinach silników ZI i ZI WB 3.2. Katalityczna redukcja zawartości tlenków azotu (NOX) w spalinach silników ZS 4. Recyrkulacja spalin i jej rodzaje................................................................................................................................................................................................................12 4.1. Wewnętrzna recyrkulacja spalin 4.2. Zewnętrzna recyrkulacja spalin 4.3. Określanie ilości recyrkulowanych spalin 5. Recyrkulacja spalin w silnikach ZS.......................................................................................................................................................................................................14 5.1. 5.2. 5.3. 5.4.
Zasada zewnętrznej recyrkulacji spalin w silnikach ZS Korzyści ze stosowania recyrkulacji spalin w silnikach ZS Budowa zewnętrznych układów recyrkulacji spalin silników ZS Stopień recyrkulacji spalin w zależności od warunków pracy silnika ZS
Recyrkulacja spalin w silnikach – cz. 1
Od autora Szanowni Czytelnicy, Kiedyś uważano, że dodawanie spalin do powietrza płynącego do komory spalania, czyli recyrkulacja spalin, jest niepożądana. Gdy okazało się, że dodatek spalin do powietrza płynącego do komór spalania silnika, obniża istotnie ilość tlenków azotu (NOX) powstających w komorach spalania silnika, powodując tylko przy mechaniczno-pneumatycznym sterowaniu, niewielkie wzrosty: emisji węglowodorów (HC), emisji tlenku węgla (CO) oraz zużycia paliwa, zaczęto wykorzystywać recyrkulację spalin. Recyrkulacja spalin i układy ją umożliwiające, rozwijają się wraz z silnikami. Rozwój wymuszają coraz surowsze normy emisji związków szkodliwych spalin oraz dążenie do zmniejszenia zużycia paliwa. W obecnych konstrukcjach silników, dzięki elektronicznemu sterowaniu, uzyskano zmniejszenie nie tylko emisji tlenków azotu (NOX), ale również, w niewielkim stopniu, węglowodorów (HC) i tlenku węgla (CO). O kilka procent zmalało zużycie paliwa. Współczesny silnik, szczególnie z zapłonem samoczynnym i systemem Common Rail, nie będzie pracował prawidłowo w zakresie małych i średnich obciążeń, bez sprawnego układu recyrkulacji spalin. Na łamach dwóch wydań „Dodatków technicznych” dołączonych do Wiadomości IC poznamy bliżej recyrkulację spalin. Rozpocznę jednak od przypomnienia podstaw sterowania silników z zapłonem: samoczynnym, iskrowym oraz prezentacji zasady sterowania tych silników z zapłonem iskrowym i bezpośrednim wtryskiem benzyny, które są zasilane uwarstwioną lub homogeniczną mieszanką paliwowo-powietrzną. Dlaczego taka kolejność? W mojej opinii wymienione rodzaje silników, również pod względem sterowania, należy traktować jako trzy różne silniki. Jeśli wiemy, jak jakiś układ pracuje np. w silniku z zapłonem samoczynnym, to należy być ostrożnym, przy wykorzystaniu tej wiedzy w odniesieniu do układu o takiej samej lub podobnej budowie, ale zastosowanego w silniku z zapłonem iskrowym i odwrotnie. Zobaczymy to na przykładzie układów recyrkulacji spalin, stosowanych w wymienionych rodzajach silników. Taką samą „ostrożność” sugeruję również w stosunku do czujników, a ściślej do wykorzystania przez sterownik informacji od nich otrzymywanych. Poznawać będziemy układy recyrkulacji spalin na podstawie materiałów otrzymanych z firm Pierburg i Wahler - producentów elementów układów recyrkulacji spalin, oraz dostawców Inter Carsu. Zaprezentuję też chłodnice recyrkulowanych spalin, firm Behr i Modine. Często w artykule odwołam się do informacji z firmy Robert Bosch, której oprogramowanie steruje między innymi układami recyrkulacji spalin silników wszystkich typów. Korzystając z okazji polecam Państwu książkę wydaną niedawno przez Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, pod tytułem „Układy wtryskowe Common Rail w praktyce warsztatowej” autorstwa Hubertusa Günthera. Zawiera ona również dodatek o pompowtryskiwaczach silnikach Diesla samochodów Volkswagen. W książce jest dużo ilustracji, zrzutów z ekranu oscyloskopu oraz ciekawych informacji. W mojej opinii pożądana była by większa objętość opisów. Książka ta wymaga studiowania, jeśli chcemy z niej skorzystać. To bardzo ciekawa pozycja, warta poznania. Zapraszam do lektur.
Stefan Myszkowski stefan.myszkowski@skk.auto.pl
2
Dodatek techniczny
1. Regulacja momentu obrotowego podstawowych rodzajów silników. 1.1. Podstawowe rodzaje silników spalinowych Ze względu na zasadę regulacji wartości momentu obrotowego silnika, proponuję rozróżnić trzy rodzaje silników:
• z zapłonem samoczynnym, nazywane popularnie silnikami Diesla - oznaczane symbolem ZS;
• z zapłonem iskrowym - oznaczane symbolem ZI; • z zapłonem iskrowym i układem bezpośredniego wtrysku benzyny - proponuję symbol ZI WB. Silnik z zapłonem iskrowym i układem bezpośredniego wtrysku benzyny (ZI WB) będę wówczas odróżniał od innych silników z zapłonem iskrowym (ZI), jeśli będzie inaczej skonstruowany lub będzie pracować w inny sposób, niż w silniki ZI o dotychczas znanej konstrukcji. Taka odmienność występuje w tych silnikach z zapłonem iskrowym i układem bezpośredniego wtrysku benzyny, które mogą być zasilane mieszanką homogeniczną lub uwarstwioną.
1.2. Napełnianie cylindra powietrzem Niezależnie od rodzaju silnika, po zakończeniu procesu napełniania cylindra powietrzem, przy założeniu, że silnik nie ma układu zewnętrznej recyrkulacji spalin lub w danych warunkach pracy silnika jest on wyłączony, w cylindrze pozostają:
• powietrze o masie mpow; • spaliny o masie mpsp. Uważny czytelnik zauważy, że z wyjątkiem kilku trybów pracy silnika ZI zasilanego układem bezpośredniego wtrysku benzyny, do cylindra silnika ZI wpływa nie powietrze, ale mieszanka paliwo-powietrzna. W tym momencie pomińmy jednak tę różnicę. Masa spalin mpsp, która po zakończeniu procesu napełniania pozostaje w cylindrze, powinna być jak najmniejsza, ale tylko, gdy żądamy od silnika pracy przy maksymalnym obciążeniu. Gdy silnik pracuje w zakresie małych i średnich obciążeń, korzystne jest pozostawienie większej ich masy.
Recyrkulacja spalin w silnikach – cz. 1
Rys.1
1.3. Zasada regulacji momentu obrotowego silnika ZS W układzie dolotowym 3 (rys.2a) silnika ZS nie ma przepustnicy. Nie jest ona potrzebna do regulacji wartości momentu obrotowego silnika ZS. Jeśli jest ona zamontowana, co w silnikach ZS jest obecnie standardem, to cel regulacji
masy powietrza płynącego układem dolotowym silnika jest inny, niż regulacja momentu obrotowego silnika ZS (patrz punkt 5.3.). Brak przepustnicy w układzie dolotowym silnika ZS powoduje, że przy każdej prędkości obrotowej, silnik ZS zasysa maksymalną masę powietrza, dla tej prędkości obrotowej. Przykładowo (rys.2b) - przy prędkości obrotowej silnika n1, podczas suwu napełniania, do cylindra wpływa powietrze o masie mpow1. Pod koniec suwu sprężania, do cylindra wypełnionego powietrzem, jest wtryskiwane paliwo - przykładowo o masie mpal1. Bezpośrednio po wtryśnięciu, paliwo wraz z częścią powietrza tworzą mieszankę, która zapala się w następstwie samozapłonu, a następnie spala. Aktualna wartość momentu obrotowego silnika ZS, zależy od masy paliwa spalonej w cylindrze. Masa wtryskiwanego paliwa jest regulowana przez kierowcę, za pośrednictwem pedału przyspieszenia 1. Jeśli kierowca wymaga od silnika pracy z większą wartością momentu obrotowego, musi nacisnąć pedał przyspieszania o większy skok, tak aby do cylindra została wtryśnięta dawka paliwa o większej masie. Jeśli silnik ma pracować z mniejszą wartością momentu obrotowego, kierowca musi zmniejszyć skok naciśnięcia pedału przyspieszenia, czyli zmniejszyć masę wtryskiwanej dawki paliwa.
Rys.2 Ilustracja zasady regulacji momentu momentu obrotowego silnika z zapłonem samoczynnym (ZS) - rys.a. Rysunek b prezentuje zależność masy powietrza (mpow), która wpływa do cylindra w suwie napełniania, od prędkości obrotowej silnika. Elementy na rysunku: 1 - pedał przyspieszenia; 2 - cylinder silnika ZS; 3 - układ dolotowy; 4 - filtr powietrza. Oznaczenia: nmin - minimalna prędkość obrotowa silnika; nmax - maksymalna prędkość obrotowa silnika; nbj - prędkość biegu jałowego silnika; n1 - chwilowa wartość prędkości obrotowej silnika; mpow1 - masa powietrza, która podczas suwu napełniania, przy prędkości obrotowej silnika n1, wpłynęła do cylindra; mpal1 - masa paliwa, wtryskiwana do cylindra; mpsp1 - masa spalin, pozostała w cylindrze po poprzednim cyklu pracy silnika.
Dodatek techniczny
3
Recyrkulacja spalin w silnikach – cz. 1
Jaki jest skład mieszanki paliwowo-powietrznej spalanej w silniku ZS? Jeśli uwzględnić masę powietrza wprowadzonego w suwie napełniania do cylindra silnika ZS i masę wtryśniętego paliwa, to stosunek pomiędzy nimi, charakteryzowany wartością współczynnika składu mieszanki lambda (λ), zmienia się w zakresie:
• od λ > 10 - na biegu jałowym silnika; • do λ z przedziału od 1,15 do 2,0 - przy maksymalnym obciążeniu silnika. Jeśli przyjrzymy się procesowi spalania mieszanki paliwowopowietrznej w silniku ZS, w skali pojedynczej kropli paliwa, to okazuje się, że mieszanka powstająca w bezpośredniej bliskości kropli paliwa, zapala się w wyniku samozapłonu, jeśli jej skład jest w zakresie od λ = 0,3 do λ = 1,5.
1.4. Zasada regulacji momentu obrotowego silnika ZI W układzie dolotowym 4 (rys.3) typowego silnika ZI jest przepustnica 5. Służy do regulacji masy powierza, która wpływa do cylindra silnika ZI. Niedotyczy to silników ZI z układem bezpośredniego wtrysku benzyny, gdy są one zasilane mieszanką uwarstwioną - patrz następny punkt. Masa powietrza mpow, która wpłynęła do cylindra silnika ZI (patrz wykres na rys.3c), zależy od:
• kąta otwarcia przepustnicy αp (sposób jego określania pokazuje rys.3b);
• prędkości obrotowej silnika.
Rys.3 Ilustracja zasady regulacji momentu obrotowego silnika z zapłonem iskrowym (ZI) i wtryskiem paliwa do układu dolotowego - rys.a. Rysunek b ilustruje, sposób oznaczania minimalnego (αpmin) i maksymalnego (αpmax) kąta otwarcia przepustnicy. Rysunek c prezentuje zależność masy powietrza (mpow), która wpływa do cylindra w suwie napełniania, od kąta otwarcia przepustnicy (αp) i prędkości obrotowej silnika. Oznaczenia: nmin - minimalna prędkość obrotowa silnika; nmax - maksymalna prędkość obrotowa silnika; nbj - prędkość biegu jałowego silnika; n1 - chwilowa wartość prędkości obrotowej silnika; αpmin - minimalny kąt otwarcia przepustnicy (regulowany śrubą zderzakową przepustnicy, aby nie uległa ona zablokowaniu po zamknięciu); αpmax - maksymalny kąt otwarcia przepustnicy (90O); αp1 - chwilowa wartość kąta otwarcia przepustnicy; mpow1 - masa powietrza, która podczas suwu napełniania, przy kącie otwarcia przepustnicy αp1 i prędkości obrotowej silnika n1, wpłynęła do cylindra; mpal1 - masa paliwa, wtryskiwanego do układu dolotowego; mpsp1 masa spalin, pozostała w cylindrze po poprzednim cyklu pracy silnika.
4
Dodatek techniczny
Recyrkulacja spalin w silnikach – cz. 1
Tę zależność ilustruje wykres na rys.3. Każda z jego linii informuje jak zmienia się masa powietrza, która wpływa do cylindra, jeśli przepustnica jest otwarta o kąt αp, a zmienia się prędkość obrotowa silnika. Przykładowo, przy kącie otwarcia przepustnicy αp1 (5, rys.3a i rys.3c) i prędkości obrotowej silnika n1, w trakcie suwu napełniania, do cylindra wpływa powietrze o masie mpow1. W trakcie suwu napełniania cylindra silnika ZI, do masy powietrza płynącej do cylindra, jest wtryskiwane paliwo o określonej masie, np. mpal1 (tylko w silnikach ZI zasilanych układem bezpośredniego wtrysku benzyny, w kilku trybach jego pracy, paliwo jest wtryskiwane pod koniec suwu sprężania). Dawka paliwa powinna mieć taką masę, aby powstała mieszanka o wymaganym składzie. Wymagany skład mieszanki jest zależny od aktualnych warunków pracy silnika. Przykładowo, dla typowego silnika ZI, z trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym i przynajmniej jednym czujnikiem tlenu w układzie wylotowym:
• na biegu jałowym oraz w warunkach małego i średniego obciążenia - wymagana jest mieszanka o składzie bliskim stechiometrycznemu (λ = 1);
• w warunkach dużego obciążenia - wymagana jest mieszanka o składzie charakteryzowanym wartością współczynnika lambda λ = 0,9. W niektórych samochodach (rzadko) silniki w warunkach małego i średniego obciążenia są zasilane mieszankami zubożonymi - λ = 1,2 do 1,4. W cylindrze silnika ZI, po suwie napełniania, pozostaje mieszanka o masie równej sumie masy zassanego powietrza (mpow1) i masy paliwa (mpal1). Wartość momentu obrotowego silnika ZI, zależy od masy spalonej mieszanki. Kierowca, za pośrednictwem pedału przyspieszenia 1 (rys.3a), reguluje wartość momentu obrotowego silnika, przez zmianę kąta αp otwarcia przepustnicy 5. Jeśli kierowca wymaga od silnika pracy z większą wartością momentu obrotowego, musi nacisnąć pedał przyspieszania 1 o większy skok, aby przepustnica 5 otworzyła się o większy kąt, co zwiększy masę powietrza, która wpływa do cylindra. Umożliwia to zwiększenie masy wtryskiwanego paliwa, ale pamiętajmy, że powstała mieszanka musi mieć określony skład. Jej większa masa powoduje, że po spaleniu zwiększa się moment obrotowy silnika. Celem zmniejszenia wartości
Rys.4 Wykresy przedstawiają: a) fluktuację momentu obrotowego silnika ZI; b) jednostkowe zużycie paliwa przez silnik (ilość gramów paliwa, potrzebna do pracy silnika z mocą 1 kilowata przez 1 godzinę), samochodu jadącego z prędkością 40km/h, w zależności od średniej wartości współczynnika składu mieszanki lambda (λ). Linie 1 i 3 wykresów odpowiadają silnikowi z układem wielopunktowym pośredniego wtrysku benzyny. Linie 2 i 4 wykresów odpowiadają silnikowi ZI z układem bezpośredniego wtrysku benzyny. (Źródło: Mitsubishi Motors)
Dodatek techniczny
5
Recyrkulacja spalin w silnikach – cz. 1
momentu obrotowego silnika, kierowca z pomocą pedału przyspieszenia zmniejsza kąt otwarcia przepustnicy. Przedstawiona zasada regulacji momentu obrotowego silnika ZI dotyczy również silników bez przepustnicy, z tą jednak różnicą, że masa powietrza, która wpływa do cylindra jest regulowana przez zawory dolotowe o regulowanym wzniosie i czasie otwarcia. Dotyczy to np. układów: Valvetronic firmy BMW i Multiair firmy Fiat.
1.5. Zasada regulacji momentu obrotowego silnika ZI WB, zasilanego mieszanką uwarstwioną lub homogeniczną Bezpośredni wtrysk benzyny do silnika ZI był stosowany już na początku poprzedniego wieku. Powtórne zainteresowanie układami bezpośredniego wtrysku benzyny było spowodowane poszukiwaniem oszczędności w zużyciu paliwa. Za punkt wyjściowy naszej analizy przyjmiemy mieszankę o dwóch cechach:
• stechiometryczna - charakteryzuje ją współczynnik lambda λ = 1;
• homogeniczna - ma taki sam skład, w każdym punkcie objętości. Jest ona spalana w silniku z układem wielopunktowym pośredniego wtrysku benzyny.
Rys.5 Przekrój komory spalania silnika ZI firmy Volkswagen, z układem bezpośredniego wtrysku benzyny firmy Bosch, z ładunkiem mieszanki uwarstwionej (patrz legenda), na chwilę przed jej zapłonem. Elementy rysunku: 1 - świeca zapłonowa; 2 - ścianka głowicy silnika; 3 - komora spalania; 4 - denko tłoka; 5 - wtryskiwacz benzyny. (Na podstawie materiałów firmy Volkswagen)
6
Dodatek techniczny
Jeśli taką mieszankę będziemy zubażać, to zużycie paliwa maleje (linia 3 wykresu, rys.3b), ale tylko do momentu wzrostu fluktuacji momentu obrotowego silnika, (linia 1 wykresu, rys.3a). Fluktuacja momentu obrotowego silnika, to zmiany jego wartości, wynikające z niepowtarzalności procesów spalania w cylindrach silnika. Są one źródłem drgań silnika i układu napędowego. Silnik ZI, z układem wielopunktowym pośredniego wtrysku benzyny, może spalać mieszanki homogeniczne ubogie, ale charakteryzowane współczynnikiem lambda λ > 1,55, aby nie została przekroczona akceptowalna wartość fluktuacji momentu obrotowego silnika (linia 1 wykresu). Spalanie mieszanek jeszcze uboższych, charakteryzowanych współczynnikiem lambda λ > 1,55, jest możliwe, jeśli w komorach spalania silnika powstaje mieszanka uwarstwiona. Mieszanka uwarstwiona (rys.5) składa się z warstw o różnych, lokalnych wartościach współczynnika lambda. W sąsiedztwie elektrod świecy zapłonowej jej skład charakteryzuje współczynnik λ = 1,6. Im dalej oddalamy się od elektrod świecy zapłonowej, tym mieszanka staje się coraz uboższa. Na obrzeżu „obłoku” mieszanki jej skład charakteryzuje współczynnika λ = 3,0. Mieszankę uwarstwioną uzyskuje się obecnie w silnikach ZI, z układem bezpośredniego wtrysku benzyny. Obłok mieszanki uwarstwionej zapala się najpierw w miejscu, w którym jest ona najbogatsza (λ = 1,6). Powstały od iskry płomień, zapala następnie otaczającą go mieszankę ubogą (λ = 3,0). Mieszanka uwarstwiona spala się w otocze-
Rys.6 Tryby pracy silnika ZI, z układem bezpośredniego wtrysku benzyny, który może być zasilany mieszanką uwarstwioną lub homogeniczną, w zależności od wartości momentu obrotowego i prędkości obrotowej silnika. (Źródło: Robert Bosch)
Recyrkulacja spalin w silnikach – cz. 1
niu powietrza wymieszanego częścią spalin, pozostałymi z poprzedniego cyklu spalania. Ta mieszanina gazów, zmniejsza ucieczkę energii cieplnej do ścianek komory spalania, a więc większa jej część może być zamieniona na pracę mechaniczną.
Spalanie mieszanki uwarstwionej pozwala obniżyć zużycie paliwa (linia 4 wykresu, rys.4) przy utrzymaniu fluktuacji wartości momentu obrotowego silnika poniżej dopuszczalnej granicy (linia 2 wykresu, rys.4a). Silnik ZI, z układem bezpośredniego wtrysku benzyny, samochodu Mitsubishi, jadącego z prędkością 40 km/h, zasilany mieszanką uwarstwioną
Rys.7 Wykresy: a - kąta otwarcia przepustnicy; b - współczynnika składu mieszanki lambda (λ); c - wymaganego przez kierowcę momentu obrotowego silnika;, w zależności od pozycji pedału przyspieszenia, w trzech podstawowych trybach pracy silnika ZI z układem bezpośredniego wtrysku benzyny, który może być zasilany mieszanką uwarstwioną lub homogeniczną. (Na podstawie materiałów firm Robert Bosch i Volkswagen)
Dodatek techniczny
7
Recyrkulacja spalin w silnikach – cz. 1
o średniej wartości współczynnika lambda λ ∼ 2,72, zużywa o 35% mniej paliwa od silnika zasilanego mieszanką homogeniczną, o składzie bliskim stechiometrycznemu (λ = 1). Każdy silnik ZI, z układem bezpośredniego wtrysku benzyny, może spalać mieszanki homogeniczne. Nie każdy został jednak zaprojektowany, aby w warunkach małych i średnich obciążeń, zamiast mieszanek homogenicznych, spalać mieszanki uwarstwione - patrz rys.6. Zasada regulacji momentu obrotowego silnika ZI, z układem bezpośredniego wtrysku benzyny, który jest zasilany tylko mieszankami homogenicznymi, jest taka sama jak typowego silnika z zapłonem iskrowym - patrz pkt. 1.4. Regulacja wartości momentu obrotowego silnika ZI z układem bezpośredniego wtrysku benzyny, który jest zasilany mieszanką uwarstwioną lub homogeniczną, odbywa się tak samo, jak odpowiednio silnika ZS lub ZI. Silniki ZI, z układem bezpośredniego wtrysku benzyny, które są zasilane mieszanką uwarstwioną lub homogeniczną, posiadają przepustnicę sterowaną elektrycznie (nie jest połączoną mechanicznie z pedałem przyspieszenia). Przyjęto zasadę, że pozycja pedału przyspieszenia, jest tylko informacją dla sterownika o wartości momentu obrotowego, której wymaga kierowca (rys.7c). Nie zależy od niej bezpośrednio kąt otwarcia przepustnicy. Sterownik, w zależności od aktualnej wartości momentu obrotowego i prędkości obrotowej silnika, decyduje o tzw. trybie pracy silnika - patrz rys.6. Wybór trybu pracy silnika oznacza między innymi wybór rodzaju mieszanki, którą będzie zasilany silnik. Moment obrotowy silnika ZI, z układem bezpośredniego wtrysku benzyny, w trybie zasilania mieszanką uwarstwioną (skład mieszanki - rys.7b), jest regulowany tak jak moment obrotowy silnika ZS:
• przepustnica jest stale otwarta (rys.7a), o kąt o kilka stopni mniejszy od maksymalnego (konieczne jest niewielkie podciśnienie, aby mógł pracować układ recyrkulacji spalin), a zmiana ustawienia pedału przyspieszenia nie powoduje zmiany kąta otwarcia przepustnicy;
• silnik zasysa masę powietrza, maksymalną dla jego aktualnej prędkości obrotowej;
• wartość momentu obrotowego silnika zależy tylko od masy spalonego paliwa. Moment obrotowy silnika ZI, z układem bezpośredniego wtrysku benzyny, w trybach zasilania mieszanką homogeniczną ubogą lub homogeniczną (składy mieszanki - rys.7b), jest regulowany tak jak moment obrotowy silnika ZI:
• ustawienie pedału przyspieszenia wpływa na kąt otwarcia przepustnicy (rys.7a) (zależność ta jest kontrolowana przez sterownik);
• masa zasysanego powietrza zależy od kąta otwarcia przepustnicy;
• wartość momentu obrotowego zależy głównie od masy spalonej mieszanki; do regulacji wartości momentu obrotowego wykorzystywany jest również kąt wyprzedzenia zapłonu.
2.Tlenki azotu (NOX) 2.1. Powstawanie tlenków azotu (NOX) i ich własności Powstawanie. Przy ciśnieniach i temperaturach panujących w naszym otoczeniu, składniki powietrza (rys.8): tlen (O2) i azot (N2), nie reagują ze sobą. Jednak w komorze spalania silnika, przy ciśnieniach i temperaturach towarzyszących procesowi spalania (to jest proces składający się z następujących po sobie kolejno reakcji, tzw. łańcuchowy), przekraczających lokalnie ok. 1800OC, azot (N2) wchodzi w reakcje z tlenem (O2), tworząc tlenek azotu (NO). Tlenek azotu (NO) powstaje też niższej temperaturze, ale przyjmuje się, że temperatura 1800OC jest graniczną, po przekroczeniu której ilość powstających tlenków azotu (NO) szybko rośnie. Podkreślam - powstawanie tlenków azotu (NOX) w komorze spalania silnika nie jest bezpośrednim wynikiem procesu spalania paliwa, ale wynikiem reakcji pomiędzy azotem (N2) i tlenem (O2), w korzystnych warunkach panujących w komorze spalania, stworzonych przez proces spalania. W następstwie procesów zachodzących w komorze spalania i w układzie wylotowym silnika, przez końcówkę układu wylotowego są emitowane różne związki chemiczne, będące połączeniem azotu (N2) i tlenu (O2). Podstawowe z nich to:
• tlenek azotu (NO); • dwutlenek azotu (NO2); • podtlenek azotu (N2O).
Wszystkie związki azotu (N2) i tlenu (O2) są ogólnie nazywane tlenkami azotu oraz są oznaczane symbolem NOX.
Zawartość w spalinach silnika (rys.9). Zawartość tlenków azotu (NOX) w spalinach - przed konwerterem katalitycznym, jeśli jest zamontowany, jest najwyższa, gdy spalane są mieszanki trochę zubożone, charakteryzowane współczynnikiem lambda λ składu mieszanki, wynoszącym od 1,05 do 1,1 (rys.9). Gdy spalane są mieszanki uboższe lub bogatsze, to emisja tlenków azotu (NOX) jest niższa od maksymalnej. Zawartość tlenków azotu (NOX) w spalinach zależy silnie od ciśnień i temperatur panujących w komorze spalania, a więc od obciążenia silnika. Zawartość tlenków azotu (NOX) w spalinach silnika nieobciążonego jest bardzo niska. Dopiero obciążenie silnika powoduje wyraźny wzrost emisji tlenków azotu (NOX). Przykładowo, zawartość tlenków azotu (NOX) w spalinach silnika ZI przed konwerterem katalitycznym wynosi:
• na biegu jałowym silnika 300ppm; • przy pełnym obciążeniu silnika 5000ppm. Z tego powodu, oraz ze względu na różnice konstrukcyjne
8
Dodatek techniczny
Recyrkulacja spalin w silnikach – cz. 1
Rys.8 Przebieg tworzenia się tlenków azotu (NOX) w komorze spalania silnika spalinowego.
między silnikami, np. wartość stopnia sprężania, trudno jest określić normę emisji tlenków azotu (NOX) dla silnika nieobciążonego, dlatego pomiar ich zawartości w spalinach silnika nieobciążonego, nie ma znaczenia praktycznego. Własności. Związki z grupy tlenków azotu (NOX), mają różne własności:
• tlenek azotu (NO) - bezwonny, bezbarwny gaz, powodu-
Tlenkom azotu (NOX) przypisuje się ok. dziesięciokrotnie silniejsze szkodliwe oddziaływanie na organizm człowieka niż tlenkom węgla (CO). Ponadto reagując z węglowodorami (HC) w atmosferze, już po opuszczeniu układu wylotowego, powodują powstanie ozonu i kolejnych „odmian” trujących węglowodorów (zjawisko smogu). Przyczyniają się również do powstawania kwaśnych deszczy (opady kwasu azotowego) i obumierania roślinności.
jący ciężkie zatrucie krwi i porażenie centralnego układu nerwowego;
• dwutlenek azotu (NO2) - gaz o czerwono-brunatnym za-
2.2. Europejskie, homologacyjne normy emisji tlenków azotu (NOX)
• podtlenek azotu (N2O) - bezbarwny gaz, o działaniu odu-
Zmniejszanie emisji związków szkodliwych spalin, w tym tlenków azotu (NOX) jest wymuszane na poducentach samochodów przez normy homologacyjne. W Europie obowiązują normy nazywane EURO, oznaczane kolejnymi numerami. Określają one dopuszczalne emisje związków szkodliwych spalin. Normy EURO 1 i 2, dla silników ZI i ZI WB, samochodów osobowych (rys.10), ograniczają między innymi łączną emisję węglowodorów (HC) i tlenków azotu (NOX). Wynika to z tego, że przeważnie obniżenie emisji węglowodorów (HC) - co oznacza lepsze wykorzystanie paliwa, zwiększa jednocześnie emisję tlenków azotu (NOX). Jest również odwrotna zależność. W normach EURO 3, 4, dla silników ZI samochodów osobowych, są określone oddzielne limity emisji dla węglowodorów (HC) i tlenków azotu (NOX). Granice emisji norm EURO 1 i 2, dla silników ZS samochodów osobowych (rys.11):
barwieniu, o drażniącym zapachu, podrażnia i powoduje choroby układu oddechowego; rzającym, stosowany też jako gaz rozweselający.
• są różne, dla silników z bezpośrednim wtryskiem paliwa (WB) i z pośrednim wtryskiem paliwa (WP), dla niektórych związków szkodliwych spalin, ; Rys.9 Zawartość tlenków azotu (NOX) w spalinach silnika spalinowego - przed konwerterem katalitycznym, jeśli jest zamontowany, w zależności od wartości współczynnika lambda (λ) składu mieszanki.
• ograniczają łączną emisje węglowodorów (HC) i tlenków azotu (NOX).
Dodatek techniczny
9
Recyrkulacja spalin w silnikach – cz. 1
Rys.10 Europejskie, homologacyjne normy emisji związków szkodliwych spalin dla samochodów osobowych z silnikami ZI, od Euro 1 do Euro 4. Pod oznaczeniami poszczególnych norm są podane daty początków ich obowiązywania, dla tzw. nowych homologacji (model samochodu, którego produkcja się rozpoczyna, a więc uzyskuje on pierwszą homologację). (Źródło: Robert Bosch)
Rys.11 Europejskie, homologacyjne normy emisji związków szkodliwych spalin dla samochodów osobowych z silnikami ZS, od Euro 1 do Euro 4. Pod oznaczeniami poszczególnych norm są podane daty początków ich obowiązywania, dla tzw. nowych homologacji (model samochodu, którego produkcja się rozpoczyna, a więc uzyskuje on pierwszą homologację). Oznaczenia: WB - silnik ZS z bezpośrednim wtryskiem paliwa; WP - silnik ZS z pośrednim wtryskiem paliwa. (Źródło: Robert Bosch)
10
Dodatek techniczny
Recyrkulacja spalin w silnikach – cz. 1
W normach EURO 3, 4:
• granica łącznej emisji węglowodorów (HC) i tlenków azotu (NOX), została uzupełniona o granicę emisji tlenków azotu (NOX);
• granice emisji są takie same, niezależnie od sposobu
wtrysku paliwa. W silnikach ZS, pomiędzy emisją cząstek stałych (PM) a emisją tlenków azotu (NOX) jest podobna zależność jak pomiędzy emisją węglowodorów (HC) a emisją tlenków azotu (NOX). Obniżenie emisji cząstek stałych (PM) lub węglowodorów (HC) powoduje przeważnie zwiększenie emisji tlenków azotu (NOX) - lub odwrotnie. Proszę zauważyć jak w kolejnych normach, są obniżane granice emisji tlenków azotu (NOX) lub łącznej emisji węglowodorów (HC) i tlenków azotu (NOX).
3. Katalityczna redukcja zawartości tlenków azotu (NOX) w spalinach
W układach wylotowych silników ZI, montowany jest prawie wyłącznie trójfunkcyjny konwerter katalityczny. Aby pracował z maksymalną sprawnością, silnik ZI musi być zasilany mieszanką bliską stechiometrycznej (λ = 1), o składzie stale zmieniającym się w zakresie nie większym niż λ = od 0,97 do 1,03. Ten zakres nazywamy „oknem” lambda (rys.12). Tylko przy spełnieniu tego warunku, trójfunkcyjny konwerter katalityczny usuwa ze spalin nawet ponad 90% tlenków azotu (NOX), a więc pozostaje ich w spalinach niewiele - patrz pkt.1 wykresu na rys.12. W takim samym stopniu, a nawet większym, usuwa on ze spalin tlenek węgla (CO) i węglowodory (HC). Jeśli dla zmniejszenia zużycia paliwa, zubożymy mieszankę zasilającą silnik ZI, nawet w niewielkim stopniu w stosunku do składu mieszanki z zakresu „okna” lambda, to mierzona na końcu układu wydechowego emisja tlenków azotu (NOX), gwałtownie wzrośnie, co ilustruje pkt.2 wykresu na rys.5. Jest to spowodowane dwoma czynnikami:
• wzrostem ilości tlenków azotu (NOX) powstających w komorach spalania silnika, w stosunku do ilości, która powstaje przy zasilaniu silnika mieszanką stechiometryczną - proszę zauważyć na rys.9, że maksimum emisji tlenków azotu (NOX) leży po stronie mieszanek ubogich;
• całkowitym spadkiem zdolności trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego do usuwania za spalin, w procesach redukcji, tlenków azotu (NOX), co jest spowodowane większą, niż przy spalaniu mieszanki o składzie stechiometrycznym, obecnością tlenu w spalinach opuszczających komory spalania. Jeśli w stosunku do składu mieszanki, przy którym emisja tlenków azotu (NOX) za trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym jest największa (pkt.2 wykresu na rys.12), mieszanka
3.1. Katalityczna redukcja zawartości tlenków azotu (NOX) w spalinach silników ZI i ZI WB
Rys.12 Emisja tlenków azotu (NOX) z silnika ZI, z trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym, zasilanego mieszanką homogeniczną lub uwarstwioną, w zależności od średniej wartości współczynnika lambda (λ) składu mieszanki. „Okno” lambda oznacza zakres zmiany składu mieszanki zasilającej silnik, uzyskiwany w wyniku pracy układu regulacji składu mieszanki, który wykorzystuje sygnały czujnika tlenu w spalinach (sondy lambda). Opis w tekście artykułu. (Na podstawie materiałów firmy Volkswagen)
Dodatek techniczny 11
Recyrkulacja spalin w silnikach – cz. 1
zostanie zubożona, to emisja tlenków azotu (NOX) zmniejszy się. Jest to spowodowane malejącą zawartością tlenków azotu (NOX) w spalinach opuszczających komory spalania silnika - patrz też rys.9. Silnik można zasilać mieszankami homogenicznymi ubogimi, o współczynniku lambda (λ) składu mieszanki nie większym niż 1,55. Emisja tlenków azotu (NOX) z silnika ZI, z trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym, zasilanego mieszanką o współczynniku składu mieszanki λ = 1,55 (pkt.3 wykresu na rys.12), jest wyższa, niż przy zasilaniu silnika mieszanką o składzie z zakresu „okna” lambda (pkt.1 wykresu na rys.12). Silnik ZI może spalać jeszcze uboższe mieszanki, charakteryzowane wartością wsp. lambda (λ) z zakresu od 1,6 do 3,0, ale przy zasilaniu go mieszankami uwarstwionymi. Niestety przejście ze spalania mieszanek homogenicznych na uwarstwione, zwiększa emisję tlenków azotu (NOx) - proszę porównać pkt.3 i 4 wykresu na rys.12. Dalsze zubożenie mieszanki uwarstwionej - λ > 1,6, zasilającej silnik ZI wyposażony w trójfunkcyjny konwerter katalityczny, zmniejsza wprawdzie emisję tlenków azotu (NOX), ale nadal jest ona większa od emisji dla silnika spalającego mieszankę o składzie z zakresu „okna” lambda - proszę porównać pkt. 5 i 1 wykresu na rys.5. Jeśli silnik jest zasilany mieszankami uboższymi niż z zakresu ”okna” lambda, trójfunkcyjny konwerter katalityczny nie usuwa ze spalin tlenków azotu (NOX), bo za dużo jest w spalinach tlenu, a więc nie ma warunków dla reakcji redukcji. Wówczas jest wykorzystywany tzw. konwerter katalityczny magazynująco-redukujący. Jeśli silnik jest zasilany mieszanką ubogą, zatrzymuje on i magazynuje tlenki azotu (NOX). Gdy zmagazynuje w sobie maksymalną ich ilość, sterownik silnika „zarządza” fazę jego oczyszczania, która wymaga zasilania silnika mieszanką bogatą (λ < 0,8), przez okres kilku sekund. W tym czasie tlenki azotu (NOX) są usuwane z konwertera katalitycznego, w reakcjach redukcji. Po fazie oczyszczania, konwerter katalityczny magazynująco-redukujący „ma miejsce” do „wyłapywania” ze spalin następnych tlenków azotu (NOX). Metodą, która uzupełnia katalityczne usuwanie tlenków azotu (NOX) ze spalin, szczególnie przy zasilaniu silnika mieszankami ubogimi, jest zmniejszenie ilości tlenków azotu (NOX) powstających w komorze spalania silnika. Umożliwia to między innymi recyrkulacja spalin.
sunku do mieszanki stechiometrycznej (λ = 1). Do usuwania tlenków azotu (NOX) ze spalin silników ZS, wykorzystywane są dwa rodzaje konwerterów katalitycznych:
3.2. Katalityczna redukcja zawartości tlenków azotu (NOX) w spalinach silników ZS
• doprowadzenie spalin z układu wylotowego, układem ze-
Silniki ZS są zasilane mieszankami cechującymi się naddatkiem powietrza, czyli ubogimi (λ > 1) - patrz pkt. 1.3. Z tego powodu, do oczyszczania spalin silników ZS, nie są wykorzystywane trójfunkcyjne konwertery katalityczne, bo te jak wiemy wymagają, aby silnik był zasilany mieszanką o składzie ciągle zmieniającym się w niewielkim zakresie w sto-
12
Dodatek techniczny
• magazynująco-redukujący - pracuje w sposób opisany w poprzednim punkcie;
• typu SCR (Selective Catalytic Reduction) - wykorzystuje metodę selektywnej redukcji katalitycznej. Konwerter katalityczny typu SCR jest poprzedzony konwerterem katalitycznym typu utleniającego, który usuwa ze spalin tlenek węgla (CO), węglowodory (HC) oraz częściowo i „przy okazji” cząstki stałe. Selektywna redukcja katalityczna tlenków azotu (NOX) przebiega w skrócie, w następującej kolejności:
• dodanie do strumienia spalin dodatku, wodnego roztworu mocznika (33,5%), który jest nazywany dodatkiem AdBlue - powstaje z niego amoniak;
• amoniak redukuje tlenek azotu (NO) i dwutlenek azotu (NO2) - w idealnych warunkach zostają po nich w spalinach woda i azot. Oba stosowane w silnikach ZS katalityczne systemy oczyszczania spalin, zwiększają koszt silnika i jego eksploatacji. Dlatego też równolegle są stosowane metody zmniejszające powstawanie tlenków azotu (NOX). Skuteczną metodą jest recyrkulacja spalin. Niektóre firmy stosują wyłącznie tę metodę zmniejszenia zawartości tlenków azotu (NOX) w spalinach silników ZS samochodów ciężarowych, bez stosowania układów katalitycznych.
4. Recyrkulacja spalin i jej rodzaje Recyrkulacją spalin nazywamy zamierzone pozostawienie części spalin po poprzednim cyklu pracy w komorze spalania silnika lub wprowadzenie spalin z układu wylotowego, do komory spalania. Są dwa sposoby realizacji tego zadania:
• pozostawienie części spalin po poprzednim cyklu pracy w komorze spalania silnika lub bezpośrednie zawrócenie spalin z układu wylotowego do komory spalania - jest to wewnętrzna recyrkulacja spalin; wnętrznym, do układu dolotowego, które po zmieszaniu z powietrzem płynącym układem dolotowym, płyną do komory spalania - jest to zewnętrzna recyrkulacja spalin. Spaliny, które opuszczają komorę spalania silnika, mają następujące cechy, istotne dla ich powtórnego wykorzystania w komorze spalania:
• składają się z większości (ok. 99,9%) z niepalnych składników: azot (N2), dwutlenek węgla (CO2), para wodna (H2O),
Recyrkulacja spalin w silnikach – cz. 1
tlen (O2) oraz niewielkiej ilości związków szkodliwych - pełnią funkcję tzw. gazu obojętnego, który nie uczestniczy w procesie spalania;
• w porównaniu z powietrzem, mają większe ciepło właściwe - mają więc większą od powietrza zdolność do odbierania ciepła, czyli chłodzenia;
Przy wykorzystaniu wewnętrznej recyrkulacji spalin nie jest możliwie: • wymuszone chłodzenie recyrkulowanych spalin; • dokładniejsze sterowanie lub regulacja ilości recyrkulowanych spalin.
• zawierają znacznie mniej tlenu niż powietrze - ta cecha ma istotne znaczenie dla ograniczenia ilości tlenków azotu (NOX) powstających w komorach spalania silnika ZS.
4.2. Zewnętrzna recyrkulacja spalin
• dobór odpowiednich faz rozrządu - to jest wykorzystywa-
Umożliwiają ją układy zewnętrznej recyrkulacji spalin. Schemat typowego układu, przedstawia rys.13. Jego głównym elementem jest przewód łączący kolektor wylotowy i układ dolotowy silnika. Posiada on zawór recyrkulacji spalin 5, o regulowanym przekroju przepływu - od zamknięcia do pełnego otwarcia. Jeśli zawór recyrkulacji spalin 5 jest otwarty, to spaliny przepływają z kolektora wylotowego do układu dolotowego tylko pod wpływem różnicy ciśnień. Ciśnienie spalin w układzie wylotowym, w miejscu wypływu spalin, musi być więc wyższe od ciśnienia powietrza w układzie dolotowym, w miejscu, w którym spaliny są do niego wprowadzane. Jeśli w silnikach:
ne w silnikach z układami zmiany faz rozrządu, dlatego te silniki mogę nie posiadać układu zewnętrznej recyrkulacji spalin, a wszyskie spaliny są recyrkulowane z wykorzystaniem recyrkulacji wewnętrznej; wadą tego rozwiązaną jest konieczność uwzględniania recyrkulacji odkreślonej masy spalin, przy doborze faz rozrządu.
stwioną, ta różnica ciśnień jest za mała, aby uzyskać oczekiwane natężenie przepływu spalin, przepływ powietrza w układzie dolotowym jest dławiony przepustnicą.
4.1. Wewnętrzna recyrkulacja spalin W komorze spalania zawsze pozostają spaliny po poprzednim cyklu pracy, lub powracają do niej z układu wylotowego pod koniec suwu wylotu spalin - masa mpsp na rys.1. Ich masę można celowo zwiększyć przez:
• konstrukcję układu wylotowego, która w zakresie małych i średnich obciążeń silnika powoduje, że większa masa spalin pozostaje lub powraca do komór spalania;
• ZS; • ZI WB, gdy pracuje w trybie zasilania mieszanką uwar-
Rys.13 Układ zewnętrznej recyrkulacji spalin silnika spalinowego, sterowany elektryczno-pneumatycznie. Elementy na rysunku: 1 - filtr powietrza. 2 - masowy przepływomierz powietrza; 3 - przepustnica; 4 - silnik ZS, ZI lub ZI WB; 5 - zawór recyrkulacji spalin; 6 - zawór modulacji podciśnienia (typu elektrycznego lub elektropneumatycznego); 7 - regulacyjny czujnik zawartości tlenu w spalinach; 8 - trójfunkcyjny konwerter katalityczny. (Źródło: Pierburg)
Dodatek techniczny 13
Recyrkulacja spalin w silnikach – cz. 1
Stopień otwarcia zaworu recyrkulacji spalin 5 może być regulowany z wykorzystaniem jednego z poniżej podanych rodzajów układów:
• mechaniczno-pneumatyczny, bez udziału elementów elektrycznych i elektronicznych;
• elektryczno-pneumatyczny, sterowany elektronicznie patrz schemat na rys.13; zawór modulacji podciśnienia 6 jest sterowany bezpośrednio przez sterownik silnika;
5. Recyrkulacja spalin w silnikach ZS
• elektryczny, ze sterowaniem elektronicznym. Układy zewnętrznej recyrkulacji spalin są również wykorzystywane w silnikach, w których jest wykorzystywana wewnętrzna recyrkulacja spalin Spaliny recyrkulowane z wykorzystaniem obu metod dodają się w komorach spalania silnika. Układy zewnętrznej recyrkulacji spalin, mogą być wyposażone w chłodnicę recyrkulowanych spalin (niepokazana na rys.13). Jej zadaniem jest obniżenie temperatury spalin, przed ich wpłynięciem do układu dolotowego.
4.3. Określanie ilości recyrkulowanych spalin Stopień recyrkulacji spalin oznaczam skrótem SRS. Obliczamy go z wzoru 1:
SRS=
(1)
mrsp mrsp + mpow
w którym: mrsp - masa recyrkulowanych spalin, wprowadzonych do komory spalania [kg] mpow - masa powietrza, wprowadzona do komory spalania [kg]
W wzorze 1, suma:
(2)
mrsp + mpow
oznacza łączną masę mieszaniny powietrza i recyrkulowanych spalin, wprowadzonych do komory spalania silnika, z wykorzystaniem zewnętrznej lub wewnętrznej recyrkulacji spalin.
14
Dodatek techniczny
5.1. Zasada zewnętrznej recyrkulacji spalin w silnikach ZS Wiemy z punktu 1.3., że jeśli silnik ZS nie ma układu recyrkulacji, lub jest on wyłączony, to przy każdej prędkości obrotowej, do komór spalania silnika ZS wpływa zawsze maksymalna masa powietrza mpow1 (rys.14a), dla tej prędkości obrotowej. Ilość tlenu znajdującego się w powstałej mieszaninie powietrza i resztek spalin, która wypełnia komorę spalania silnika ZS, musi być zawsze większa od masy tlenu, wymaganej do spalenia dawki paliwa, która zostanie wtryśnięta do komory spalania. Jeśli silnik ZS pracuje w zakresie małych i średnich obciążeń, to dla prawidłowego procesu przygotowania i spalania mieszanki nie jest konieczne, aby masa powietrza w komorze spalania była wielokrotnie większa od masy powietrza wymaganej do spalenia wtryśniętej dawki paliwa - wystarczy mniejszy naddatek powietrza. Można więc w tych warunkach pracy silnika zastąpić część powietrza przez spaliny. Nie można ich bowiem dodać do masy powietrza, która została wprowadzana do komory spalania, przy wyłączonej zewnętrznej recyrkulacji spalin, np. mpow1 (rys.14a), ponieważ nie ma tam dla nich miejsca. Przykładowo - jeśli przy wyłączonym układzie zewnętrznej recyrkulacji spalin, do komory spalania silnika wpłynęła masa powietrza mpow1 (rys.14a), to otwarcie zaworu recyrkulacji spalin spowodowało, że:
• do komory spalania wpływają recyrkulowane spaliny, o masie mrsp2 (rys.14b);
• masa powietrza wpływającego do komory spalania, zmniejszyła się od wartości mpow1 do mpow2 (rys.14b). Przy zastępowaniu części powietrza wpływającego do komory spalania silnika ZS, przez spaliny, czyli przy wykorzystaniu recyrkulacji spalin w silniku ZS, musi być spełniony warunek, wynikający ze sposobu przygotowania i spalania mieszanki w silniku ZS. Warunek ten określa, że masa tlenu w komorze spalania musi być większa od masy tlenu, która wynika z równań chemicznych procesu spalania (taka masa tlenu jest w mieszance stechiometrycznej, składającej się z 1 kg paliwa i 14,5 kg powietrza), aby proces przygotowania mieszanki i jej spalania w silniku ZS przebiegał prawidłowo i nie nastąpiło przekroczenie dopuszczalnej granicy zadymienia spalin. Jak w silniku ZS następuje zastępowanie części powietrza przez spaliny? Gdy układ recyrkulacji spalin jest wyłączony
Recyrkulacja spalin w silnikach – cz. 1
Rys.14 Masa powietrza i masa spalin, w komorze spalania silnika z zapłonem samoczynnym (ZS) po zakończeniu cyklu napełniania, dla tej samej, określonej wartości prędkości obrotowej silnika, przy: a - wyłączonej zewnętrznej recyrkulacji spalin; b - włączonej zewnętrznej recyrkulacji spalin. Oznaczenia na rysunku: mpow1 - masa powietrza, wprowadzona do komory spalania silnika, przy wyłączonej zewnętrznej recyrkulacji spalin; mpow2 - masa powietrza, wprowadzona do komory spalania silnika, przy włączonej zewnętrznej recyrkulacji spalin; mrsp2 - masa spalin, wprowadzona do komory spalania, przez układ zewnętrznej recyrkulacji spalin; mpsp - masa spalin, które pozostały w komorze spalania, po poprzednim cyklu pracy silnika.
(rys.15a), do silnika dopływa układem dolotowym maksymalna możliwa ilość powietrza. Otwarcie zaworu recyrkulacji spalin (rys.15b) powoduje, że do silnika mogą dopływać również spaliny. Płyną one pod wpływem różnicy ciśnień pomiędzy miejscem poboru spalin z kolektora wylotowego a miejscem wprowadzenia spalin do kolektora dolotowego. To ile spalin a ile powietrza wpłynie do komór spalania silnika, zależy od oporów na drodze przepływu spalin oraz powietrza. Małe otwarcie zaworu recyrkulacji spalin powoduje, że:
• tylko mała ilość spalin (ich masa) dopływa do komory spalania;
• ilość powietrza (jego masa), która dopływa do komory spalania, jest mniejsza o ilość spalin, która dopływa do komory spalania z układu recyrkulacji spalin. Jeśli potrzebna jest większa ilość dopływających spalin, to w pierwszej kolejności należy zmniejszyć opory przepływu na drodze spalin, przez zwiększenie otwarcia zaworu recyrkulacji spalin (rys.15b). Zwiększenie ilości spalin wpływających do komór spalania silnika powoduje zmniejszenie ilości wpływającego powietrza. Może się jednak okazać, że większe otwarcie zaworu recyrkulacji spalin nie powoduje zwiększenia ilości spalin wpływających do komór spalania. Jest to spowodowane za mała różnicą ciśnień, wymuszających przepływ spalin. Wówczas, dla zwiększenia ilości przepływających spalin, należy zmniejszyć pole przepływu powietrza wokół przepustnicy 4 (rys.15d), przez przymknięcie
Rys.15 Sposób sterowania masą recyrkulowanych spalin, napływających zewnętrznym układem recyrkulacji spalin, oraz masą powietrza, napływającą układem dolotowym silnika, do komór spalania silnika ZS. Elementy ma rysunku: 1 - zawór recyrkulacji spalin, np. pneumatyczny; 2 - grzybek zaworu recyrkulacji spalin; 3 - masowy przepływomierz powietrza; 4 - przepustnica powietrza w układzie dolotowym. Poszczególne rysunki przestawiają: a - zamknięty grzybek 2 zaworu recyrkulacji spalin; b - małe otwarcie grzybka 2 zaworu recyrkulacji spalin; c - duże otwarcie grzybka 2 zaworu recyrkulacji spalin; d - duże otwarcie grzybka 2 zaworu recyrkulacji spalin i dławienie przepustnicą 4 przepływu powietrza w układzie dolotowym silnika. Opis rysunku w artykule.
Dodatek techniczny 15
Recyrkulacja spalin w silnikach – cz. 1
jej o określony kąt, celem obniżenia ciśnienia za przepustnicą, czyli w miejscu wlotu spalin z układu recyrkulacji spalin. To powoduje dalsze zwiększenie ilości recyrkulowanych spalin, a zmniejszenie ilości powietrza płynącego do komór spalania silnika. Częściowe przymykanie przepustnicy 4 w układzie dolotowym silnika, może być konieczne dla uzyskania dużych ilości recyrkulowanych spalin, charakteryzowanych przez duże wartości stopnia recyrkulacji spalin (SRS) - patrz pkt.4.2.
zmniejszenie prędkości spalania, co powoduje obniżenie lokalnych temperatur procesu spalania;
• zmniejszenia stężenia tlenu w komorze spalania - recyrkulowane spaliny zawierają mniej tlenu niż powietrze, dzięki czemu tworzy się mniej tlenków azotu (NOX), ale nadal ilość tlenu w komorze spalania jest wystarczająca dla prawidłowego przebiegu procesu spalania. Inne korzyści wynikające ze stosowania recyrkulacji spalin są następujące:
• recyrkulacja niechłodzonych spalin bezpośrednio po
5.2. Korzyści ze stosowania recyrkulacji spalin w silnikach ZS Podstawową korzyścią ze stosowania recyrkulacji spalin silniku ZS jest obniżenie emisji tlenków azotu (NOX), do 50%, wskutek:
• zmniejszenia masy spalin opuszczających układ wylotowy silnika;
• obniżenia szczytowych, lokalnych temperatur procesu spalania - dodatek spalin, pełniących rolę gazu obojętnego, który nie uczestniczy w procesie spalania, powoduje
uruchomieniu silnika i w fazie jego nagrzewania, pozwala uniknąć spalania stukowego, nierównej pracy silnika oraz zmniejszyć emisję węglowodorów;
• spowolnienie procesu spalania, pozwala uzyskać również bardziej miękką pracę silnika - jest to praca z mniejszą ilością nagłych wzrostów ciśnień podczas procesu spalania, które powodują między innymi głośną pracę silnika;
• obniżenie emisji cząstek stałych - do 10% według firmy Pierburg; według innych źródeł recyrkulacja spalin zwiększa emisję cząstek stałych, ale można ją obniżyć przez zastosowanie filtra cząstek stałych.
Rys.16 Zewnętrzny układ recyrkulacji spalin ZS, elektryczno-pneumatyczny, sterowany elektronicznie. Elementy na rysunku: 1 - sterownik; 2 - filtr powietrza; 3 - masowy przepływomierz powietrza; 4 - przepustnica w układzie dolotowym silnika, uruchamiana pneumatycznie; 5 - elektryczny zawór przełącznikowy podciśnienia; 6 - pompa próżniowa; 7 - zawór modulacji podciśnienia (typu elektrycznego lub elektropneumatycznego); 8 - opcjonalny czujnik położenia grzybka zaworu recyrkulacji spalin; 9 - pneumatyczny zawór recyrkulacji spalin; 10 - silnik ZS. Sygnały wejściowe (A, B, C i F) i wyjściowe (D i E) sterownika, wykorzystywane przez sterownik do sterowania układem recyrkulacji spalin: A - temperatura płynu chłodzącego silnik; B - prędkość obrotowa silnika; C - masowe natężenie przepływu powietrza; D - sygnał sterujący elektrycznym zaworem przełącznikowym podciśnienia; E - sygnał sterujący elektromagnetycznym modulatorem podciśnienia; F - położenie grzybka zaworu recyrkulacji spalin. (Źródło: Pierburg)
16
Dodatek techniczny
Recyrkulacja spalin w silnikach – cz. 1
5.3. Budowa zewnętrznych układów recyrkulacji spalin silników ZS Rysunek 16 pokazuje typowy zewnętrzny układ recyrkulacji spalin ZS, elektryczno-pneumatyczny, sterowany elektronicznie. O ilości recyrkulowanych spalin decyduje wielkość otwarcia zaworu recyrkulacji spalin 9. O wielkości tego otwarcia sterownik może być informowany przez opcjonalny czujnik 8, położenia grzybka zaworu recyrkulacji spalin. Wielkość otwarcia zaworu recyrkulacji spalin zależy od wartości podciśnienia, które jest doprowadzone do siłownika tego zaworu. Wartość podciśnienia jest modulowana (zmieniana w czasie) w zakresie - np. od 0 do 0,025 MPa (od 0 do 250 mbar) przez zawór modulacji podciśnienia 7. Zawór ten jest zasilany podciśnieniem, o wartość np. 0,06 MPa (600 mbar) z pompy próżniowej. Wartość podciśnienia, zasilającego zawór recyrkulacji spalin jest sterowana sygnałem ze sterownika. Przepustnica 4 w układzie dolotowym silnika, jest uruchamiana pneumatycznie. Podciśnienie jest włączane lub wyłączane przez elektryczny zawór przełącznikowy 5, sterowany sygnałem ze sterownika 1. Rysunek 17 przedstawia zewnętrzny układ recyrkulacji spalin ZS, w którym, wszystkie elementy układu są sterowane lub regulowane elektrycznie. Możemy tu mówić o regulacji,
ponieważ sterownik 1 otrzymuje informacje o otwarciu zaworu recyrkulacji spalin 2 i dlatego na bieżąco może zmieniać stopień jego otwarcia. Podobnie sterownik 1 otrzymuje informacje o pozycji przepustnicy 6 w układzie dolotowym silnika. Jak widać na rys.16 i 17, w przedstawionych układach, w układzie dolotowym silnika, są zastosowane przepustnice, uruchamiane w różny sposób. Jedna z funkcji przepustnicy w układzie dolotowym silnika jest przestawiona na rys.15 i omówiona w pkt.5.1. Przepustnica w układzie dolotowym silnika, może mieć jeszcze dwie dodatkowe funkcje:
• zapobieganie drganiom silnika ZS podczas wyłączania podczas wyłączania silnika, przepustnica zamyka dopływ powietrza do komór spalania, aby uniknąć napełniania ich powietrzem, co zapobiega przypadkowym procesom spalania paliwa, które może zostać wtryśnięte w trakcie wyłączania silnika, a ich przypadkowy samozapłon może spowodować drgania silnika;
• regulacja temperatury filtra cząstek stałych, podczas procedury jego regeneracji - ta regulacja następuje przez regulację masowego natężenia przepływu powietrza przez układ dolotowy, a więc również masowego natężenia przepływu tlenu przez układ wylotowy;
Rys.17 Zewnętrzny układ recyrkulacji spalin ZS, elektryczny, sterowany elektronicznie. Elementy na rysunku: 1 - sterownik; 2 - zawór recyrkulacji spalin z czujnikiem położenia grzybka zaworu recyrkulacji spalin; 3 - chłodnica recyrkulowanych spalin; 4 - utleniający konwerter katalityczny; 5 - silnik ZS; 6 - przepustnica w układzie dolotowym silnika, uruchamiana elektrycznie; 7 - masowy przepływomierz powietrza; 8 - filtr powietrza. Sygnały wejściowe (A, B, C, F i G) i wyjściowe (D i E) sterownika, wykorzystywane przez sterownik do sterowania układem recyrkulacji spalin: A - temperatura płynu chłodzącego silnik; B - prędkość obrotowa silnika; C - położenie grzybka zaworu recyrkulacji spalin; D - sygnał sterujący elektrycznym zaworem recyrkulacji spalin; E - sygnał sterujący przepustnicą w układzie dolotowym silnika; F - pozycja przepustnicy w układzie dolotowym silnika; G - masowe natężenie przepływu powietrza. (Źródło: Pierburg)
Dodatek techniczny 17
Recyrkulacja spalin w silnikach – cz. 1
Rys.18 Przepustnica w układzie dolotowym silnika ZS, uruchamiana pneumatycznie, zintegrowana z pneumatycznym zaworem recyrkulacji spalin. (Źródło: Wahler)
Funkcje przepustnicy układu dolotowego silnika ZS
Rys.19 Przepustnica w układzie dolotowym silnika ZS, uruchamiana elektrycznie. (Źródło: Pierburg)
Funkcje przepustnicy układu dolotowego silnika ZS, które mogą być realizowane z przez przepustnicę o określonej konstrukcji Przepustnica uruchamiana pneumatycznie
Przepustnica uruchamiana elektrycznie
Zapobieganie drganiom silnika podczas wyłączania
✓
✓
Dławienie przepływu powietrza w układzie dolotowym silnika ZS
✓
✓
Regulacja temperatury filtra cząstek stałych, podczas procedury jego regeneracji
Tabela 1. Funkcje przepustnicy powietrza układu dolotowego silnika ZS w zależności od jej konstrukcji
✓
Funkcje przepustnicy układu dolotowego silnika ZS Cechy konstrukcyjne silnika
Zapobieganie drganiom silnika podczas wyłączania
Dławienie przepływu powietrza w układzie dolotowym silnika ZS
Turbodoładowane silniki ZS, starszej konstrukcji
✓
Wolnossące silniki ZS, oraz turbodoładowane silniki ZS, nowszej konstrukcji
✓
✓
Silniki ZS, wyposażone w filtr cząstek stałych
✓
✓
Regulacja temperatury filtra cząstek stałych, podczas procedury jego regeneracji
✓
Tabela 2 Wskazówki pomocne przy określaniu funkcji przepustnicy powietrza układu dolotowego silnika ZS, na podstawie cech konstrukcyjnych silnika
18
Dodatek techniczny
Recyrkulacja spalin w silnikach – cz. 1
To, które z funkcji może mieć przepustnica w układzie dolotowym silnika, zależy od jej konstrukcji. Są bowiem stosowane:
• przepustnice uruchamiane pneumatycznie (rys.18) przepustnica o takiej konstrukcji jest w układzie na rys.16 (nie jest zintegrowana z zaworem recyrkulacji spalin, tak jak na rys.18);
• przepustnice uruchamiane elektrycznie (rys.19) - przepustnica o takiej konstrukcji jest w układzie na rys.17. To, jakie funkcje może mieć każda z obu przepustnic, jest ujęte w tabeli 1. Wydaje mi się (na podstawie rozmów), że liczne grono pracowników serwisów sądzi, że przepustnica powietrza w układzie dolotowym silnika ZS służy jedynie do zapobiegania drganiom silnika podczas wyłączania, dlatego w przypadku jej uszkodzenia jest ona często uznawana za zbędną i unieruchamiana. To była prawda, ale tylko tyko w odniesieniu do starszych silników. Im nowszy silnik ZS, tym przepustnica ta ma więcej funkcji. Niestety stwierdziłem również, że informacje serwisowe nie zawsze wyczerpująco informują o funkcjach przepustnicy w układzie dolotowym określonego silnika ZS. Dlatego w tabeli 2 ująłem sugestie, pomocne w mojej ocenie, do poznania funkcji przepustnicy w układzie dolotowym silnika ZS, samochodu, który w danym momencie obsługujemy.
Rys.20 Emisja tlenków azotu (NOX) i cząstek stałych (PM), przy wykorzystaniu niechłodzonych i chłodzonych recyrkulowanych spalin, w zależności od stopnia recyrkulacji spalin (SRS). (Źródło: Wahler)
Rys.21 Układ recyrkulacji spalin silnika ZS samochodu ciężarowego MAN, wyposażony w zawór zwrotny. Elementy na rysunku: 1 - turbosprężarka; 2 - chłodnica recyrkulowanych spalin; 3 - silnik ZS; 4 - czujnik temperatury powietrza doładowującego; 5 - zawór recyrkulacji spalin; 6 - chłodnica powietrza doładowującego; 7 - zawór zwrotny. (Źródło: Pierburg)
Dodatek techniczny 19
Recyrkulacja spalin w silnikach – cz. 1
Rys.22 Zawór zwrotny w układzie recyrkulacji spalin silnika ZS samochodu ciężarowego MAN - widok w przekroju, w miejscu zabudowy oraz widok zaworu zwrotnego. (Źródło: Pierburg)
W układzie recyrkulacji spalin silnika ZS, który jest przedstawiony na rys.17, jest zastosowana chłodnica recyrkulowanych spalin 3. Wprowadzenie do komory spalania silnika ZS, chłodzonych, recyrkulowanych spalin, w porównaniu do wykorzystania niechłodzonych, recyrkulowanych spalinpatrz rys.20:
• umożliwia większe obniżenie emisji tlenków azotu (NOX); • powoduje wzrost emisji cząstek stałych (PM); Wzrost emisji cząstek stałych (PM) z silnika ZS jest zmniejszany do wymaganej wartości przez filtr cząstek stałych. Jak już wiemy, spaliny płyną przez zewnętrzny układ recyrkulacji spalin, pod wpływem różnicy ciśnień pomiędzy miejscami poboru spalin z kolektora wylotowego a miejscem wprowadzenia spalin do kolektora dolotowego. Może się jednak zdarzyć, że w wyniku zjawiska pulsacji ciśnień w układzie dolotowym i wylotowym, chwilowo ciśnienie powietrza w kolektorze dolotowym jest wyższe niż ciśnienie spalin w układzie wylotowym, co powoduje, ze układem recyrkulacji spalin będzie płynąć powietrze, od kolektora dolotowego do kolektora wylotowego. Jeśli taka sytuacja występuje, aby jej zapobiec, w układzie recyrkulacji spalin jest montowany zawór zwrotny 7 (rys.21) Umożliwia on przepływ przez tylko spalinom, w kierunku od kolektora wylotowego do dolotowego. Przepływ powietrza w drugą stronę, jest zamykany przez ten zawór. Rysunek 22 przedstawia zawór zwrotny, zastosowany w układzie recyrkulacji spalin rzędowego silnika ZS, o 6 cylindrach, dla samochodów ciężarowych i autobusów firmy MAN. Przy prędkości obrotowej silnika 2500 obr/ min, sprężyste płytki zaworu zwrotnego, ze stali szlachetnej, otwierają się i zamykają 3750 razy na minutę.
5.4. Stopień recyrkulacji spalin w zależności od warunków pracy silnika ZS Wykres na rys.23 przedstawia przykładowe wartości stopnia recyrkulacji spalin (SRS), dla różnych warunków pracy silnika ZS.
20
Dodatek techniczny
Z wykresu można odczytać, że:
• największa masa spalin jest recyrkulowana przy małych obciążeniach silnika, a maleje wraz ze wzrostem obciążeń silnika;
• w zakresie dużych obciążeń silnika, spaliny nie są recyrkulowane. Jak widać z wykresu, wbrew często powtarzanej opinii, sprawnie pracujący układ recyrkulacji spalin, nie przeszkadza silnikowi osiągać maksymalnych wartości momentu obrotowego i mocy, bo gdy pedał gazu jest naciśnięty więcej niż o ok. 60% swojego maksymalnego skoku, recyrkulacja spalin jest wyłączona.
Rys.23 Typowa charakterystyka układu zewnętrznej recyrkulacji spalin silnika ZS, samochodu osobowego, z bezpośrednim wtryskiem oleju napędowego, w porównaniu do charakterystyki zewnętrznej momentu obrotowego. Linie na wykresie: A - charakterystyka zewnętrzna momentu obrotowego silnika ZS (przy maksymalnych dawkach paliwa); B - każda z linii odpowiada tym warunkom pracy silnika (charakteryzowane są przez parę wartości - prędkość obrotowa, moment obrotowy), przy których stopień recyrkulacji spalin (SRS) ma tę samą wartość. Oznaczenia: SRS - stopień recyrkulacji spalin. (Źródło: Wahler)