article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW
5(96)/2013
Andrzej Bieniek1
STEROWANIE UKŁADEM RECYRKULACJI SPALIN SILNIKA POJAZDU
POZADROGOWEGO A EMISJA NOx i PM
1. Wstęp
Spełnienie coraz ostrzejszych kolejnych norm emisji spalin dotyczacych pojazdów
pozadrogowych wymaga doskonalenia metod ograniczania emisji substancji gazowych i
cząstek stałych zawartych w spalinach. Specyfika warunków eksploatacji pojazdów
pozadrogowych wymaga odmiennego podejścia do probelmu związanego z wyborem
sposobów ograniczenia emisji spalin. Wysokie wymagania stawia się systemom
ograniczenia emisji spalin silników takich pojazdów szczególnie jeżeli chodzi o
niewrażliwość na trudne warunki eksploatacyjne oraz trwałość i niezawodność działania.
Wprowadzenie kolejnych norm nakłada również na producentów silników obowiązek
uzyskania wysokich własności ekologicznych tj. spełnienie norm emisji spalin
uwarunkowanych normami EURO Stage i TIER [7, 8, 11, 13]. Mając na uwadze
przytoczone powyżej czynniki próbuje się z jednej strony ograniczyć skomplikowanie i
liczbę dodatkowych elementów układu oczyszczania spalin, a z drugiej spełnić
wymagania rygorystycznych najnowszych norm emisji spalin. Wśród sposobów
pozwalajacych na redukcję emisji substancji gazowych i cząstek stałych można
wyróżnić metody pierwotnego (silnikowego) i wtórnego (pozasilnikowego) ograniczenia
emisji spalin Zastosowanie systemów wtórnego ograniczania emisji zazwyczaj staje się
nieodzowne w przypadku najnowszych norm emisji. Jest to jednak związane ze
znacznym wzrostem kosztów, zarówno eksploatacyjnych (potrzeba okresowej wymiany
elementów układu, uzupełnienia płynów, zwiększenie zużycia paliwa, kosztów obsługi i
serwisowania) jak i produkcji (katalizator, filtr cząstek stałych). W związku z tym
próbuje się optymalizować działanie metod pierwotnego ograniczenia emisji spalin [1, 9,
10, 12, 14, 15]. Jednym z możliwych, a równocześnie bardzo efektywnych metod
redukujących emisję głównie NOx, jest recyrkulacja spalin w silniku (EGR - Exhaust
Gas Recirculation). Zwiększenie efektywności działania układu EGR przez wzrost
stopnia recyrkulacji spalin może powodować znaczne zwiększenie emisji innych
składników spalin takich jak cząstki stałe (PM – Particulate Mater) [11, 15].
Zastosowanie chłodzenia spalin daje również wymierne efekty w postaci ograniczenia
NOx [1, 11]. W związku z tym należy w taki sposób sterować zaworem EGR, aby
możliwe było uzyskanie najbardziej korzystnej emisji uwzględniając kompromis
pomiędzy emisją poszczególnych składników [2, 3, 5] .
2. Podstawowe uwarunkowania dotyczące emisji spalin pojazdów drogowych
Przedmiotem norm emisji spalin są m. in. dopuszczalne poziomy emisji takich
substancji jak NOx, HC CO i PM. Szczególną jednak uwagę w ostatnich edycjach norm
zwraca się na emisję PM i NOx. Przyszłościowa norma EURO Stage IV, której
wprowadzenie planuje się na rok 2014 koncentruje się na ograniczeniu jednostkowej
1
dr inż. Andrzej Bieniek, adiunkt w Katedrze Pojazdów Drogowych i Rolniczych Politechniki Opolskiej
39
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0,8
9,2
0,7
0,7
- 88%
6,0
NOx
3,3
0,4
Emisja, g/kWh
Emisja g/kWh
emisji NOx aż o 88%, przy równoczesnym pozostawieniu na poprzednim poziomie
emisji jednostkowej PM (rys.1) [7, 13]. Należy zwrócić uwagę, że obowiązująca od
2012 roku norma EURO Stage IIIb spowodowała ograniczenie emisji jednostkowej PM
o prawie 92% w stosunku do poprzedniej normy EURO Stage IIIa wprowadzonej w
roku 2007, a obowiązującej dla popularnej grupy pojazdów pozadrogowych (w tym
ciągników rolniczych) charakteryzującej się silnikami o mocy z zakresu 75 – 130kW.
0,6
0,5
0,4
PM
0,3
- 0%
0,3
0,2
0,1
0,025
0,025
0
Stage I
Stage II
Stage IIIb Stage IV
Stage I
Stage II
EURO
Stage IIIb Stage IV
EURO
Rys. 1. Dopuszczalna emisja jednostkowa NOx i PM wg normy EURO
Z tego względu wydaje się, że optymalizowanie
ograniczających głównie emisję NOx ma ogromne znaczenie.
działania
systemów
3. Badania stanowiskowe
3.1. Obiekt i stanowisko badawcze
W celu zbadania wpływu sterowania zaworem EGR na emisję NO x i PM
przeprowadzono na stanowisku badawczym z wykorzystaniem silnika ZS (Z1505)
ciągnika rolniczego o mocy przekraczającej 75 kW wyposażonego turbosprężarkę,
chłodzenie powietrza doładowanego oraz układ wtryskowy umożliwiający podział
dawki paliwa na fazy (rys. 2).
Rys. 2. Silnik Z1505 zamontowany na stanowisku badawczym
40
System pierwotnej redukcji spalin oparto na zmodyfikowanym układzie recyrkulacji
spalin wyposażonego w chłodnicę spalin typu ciecz-gaz.
3.2. Zaawansowany system recyrkulacji spalin
W celu poprawy efektywności ograniczenia sumarycznej emisji NO x i PM
zaproponowano modyfikację układu recyrkulacji spalin, której głównym celem jest
umożliwienie elastycznego sterowania stopniem recyrkulacji spalin oraz możliwości
monitorowania efektywności działania systemu.
Założone cele starano się osiągnąć dzięki zastosowaniu proporcjonalnego
elektrozaworu będącego jednym z głównych elementów systemu EGR oraz
zastosowaniu zintegrowanego czujnika NO x/O2 (rys. 3 i 4) [3, 16].
NOx/O2 sensor
Proporcjonalny
zawór EGR
EGR Valve position, mm
Rys. 3. Układ EGR wyposażony w elektrozawór EGR oraz czujnik NO x/O2 [17]
6
free programable EGR Valve opening steps
4
EGR OFF
2
EGR ON
0
0
20
40
60
80
control signal lenght, s
100
120
Rys. 4. Sterowanie elektrozaworem EGR za pomocą aplikacji EGR Controler wykonanej
w pakiecie LabView dzięki regulacji długości trwania sygnału sterującego [3, 4, 6]
41
Wprowadzenie do układu czujnika NOx/O2 pozwala na takie sterowanie
elektrozaworem, które umożliwia dzięki zastosowaniu proponowanych reguł sterowania
uzyskanie korzystnej emisji zarówno NOx jak i PM.
3.3. Wskaźniki emisji
Zastosowany zintegrowany czujnik NOx/O2 pozwala na pomiar ilości resztkowego
tlenu w spalinach. Obniżenie koncentracji tlenu sprzyja powstawaniu cząstek stałych
PM, dlatego bardzo istotne jest sterownie stopniem recyrkulacji spalin EGR. Ma to na
celu zachowanie korzystnego wskaźnika względnej emisji NOx [2, 3, 5]:
E NOx 
m NOx
(1)
m NOx max
oraz równocześnie uzyskania niskiej wartości względnej emisji cząstek stałych PM:
E PM 
mPM
mPM max
(2)
,
gdzie:
mNOX  emisja jednostkowa NOx , g·kWh-1,
mPM  emisja jednostkowa PM, g·kWh-1,
mNOX max  maksymalna wartość emisji jednostkowej NOx, g·kWh-1,
mPM max  maksymalna wartość emisji jednostkowej PM, g·kWh-1,
Przedstawienie emisji zarówno NOx jak i PM w postaci względnej i ujecie jej w
sposób sumaryczny przedstawiono za pomocą wskaźnika emisji Er [2, 3, 5]
wprowadzając równocześnie wagowy wskaźnik emisji w:
Er  wErNOx  (1  w) ErPM
gdzie
w
(3)
,
- wagowy wskaźnik emisji, w  0;1
Zależność ta zawierająca wagowy wskaźnik emisji w pozwala dostosować wartość
Er do zadanej strategii sterowania, pozwalając na uzyskanie najkorzystniejszego
kompromisu jeżeli chodzi o emisję całkowitą. Opisywany wagowy wskaźnik emisji
pozwala również na uwzględnienie zastosowania pozasilnikowych metod ograniczenia
emisji (np. zastosowanie katalizatora zasobnikowego, bądź filtra cząstek stałych)
stosownie do efektywności redukcji emisji zastosowanej metody.
3.4. Analiza wyników badań
Uzyskane na stanowisku badawczym wyniki badań poddano analizie. Spośród serii
badań przeprowadzonych przy różnych obciążeniach silnika pracującego w zakresie
prędkości obrotowych od 800 do 2200 obr/min w niniejszej publikacji przedstawiono
rezultaty dotyczące pracy silnika z prędkością obrotową 1200 obr/min oraz obciążeniach
od 0 do 190 Nm przy równoczesnym sterowaniu stopniem otwarcia zaworu w pełnym
zakresie to jest od 0 do 100%. Do pomiaru stężenia NO x wykorzystano umieszczony w
układzie wylotowym zintegrowany czujnik NOx/O2 firmy Drivven [16], zaś pomiar
42
stężenia PM przeprowadzono za pomocą urządzenia MAHA MPM-4. W rezultacie
umożliwiło to analizę zależności pomiędzy stężeniem PM a NO x w spalinach. Jak
pokazuje rys. 5 w zależności od stopnia otwarcia zaworu EGR można wyznaczyć
krzywe, których przebieg jest zależny od stopnia otwarcia zaworu EGR.
stężenie NOx, ppm
1200
1000
0%
3%
8%
11%
15%
18%
30%
100%
800
600
400
200
0
10
20
30
40
50
60
70
80
stężenie PM, mg•m(-3)
Rys. 5. Zależność pomiędzy stężeniem NOx a PM w spalinach od stopnia otwarcia
zaworu EGR dla prędkości obrotowej 1200 obr/min
Stosując zależności (1-3) przedstawiono wskaźniki emisji względnej od stopnia otwarcia
zaworu EGR (rys. 6, 7). Wartości na osiach stopnia otwarcia zaworu EGR ograniczono
do 40 % jako, że w dalszej części krzywe emisji względnej dążą asymptotycznie do
wartości stałych (rys. 6) bądź też wartości 1 w przypadku emisji względnej PM (rys. 7).
Największe wartości emisji względnej NOx zanotowano dla zamkniętego zaworu EGR
(rys. 6).
1
emisja względna NOx
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0 Nm
40 Nm
80 Nm
120 Nm
160 Nm
190 Nm
0,3
0,2
0,1
0
0
5
10
15
20
EGR, %
25
30
35
40
Rys. 6. Przebieg emisji względnej NOx od stopnia otwarcia zaworu EGR
Analizując przebieg krzywych emisji względnej cząstek stałych (rys. 7) widać jej
wzrost wraz ze zwiększającym się stopniem otwarcia zaworu EGR.
Mając na uwadze rożne kompletacje układów wtórnego ograniczenia emisji można
dowolnie ustalać wartość wagowego wskaźnika emisji. Dla hipotetycznego przypadku
43
zastosowania wydajnego układu redukcji cząstek stałych wyposażonego w filtr DPF
zaproponowano przyjęcie wartości współczynnika wagi w = 0,6.
1
emisja względna PM
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0 Nm
40 Nm
80 Nm
120 Nm
160 Nm
190 Nm
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
EGR, %
Rys. 7. Przebieg emisji względnej PM od stopnia otwarcia zaworu EGR
Dla takiego przypadku dokonano dalszej analizy i na jej podstawie zaproponowano
wytyczne do sterowania zaworem EGR w postaci linii sterowania zaworem EGR.
Przedstawiono przebieg wskaźnika emisji względnej Er w zależności od stopnia otwarcia
zaworu EGR (rys. 8).
wskaźnik emisji względnej Er
1
0,9
0,8
0,7
0 Nm
40 Nm
80 Nm
120 Nm
160 Nm
190 Nm
0,6
0,5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
EGR, %
Rys. 8. Przebieg wskaźnika emisji względnej Er od stopnia otwarcia zaworu EGR
Określenie najkorzystniejszego stopnia otwarcia zaworu EGR wymaga
uwzględnienia minimalnej wartości wskaźnika emisji Er osobno dla każdego ustalonego
obciążenia silnika. W związku z tym przedstawiono wykresy słupkowe wskaźnika emisji
względnej Er w zależności od obciążenia silnika przy wybranych ustawieniach stopnia
otwarcia zaworu EGR. Punkty odpowiadające minimalnej wartości Er przedstawiono
następnie w układzie obciążenie silnika – otwarcie zaworu EGR co jest bazą do
wyznaczenia krzywej sterowania minimalnego wskaźnika emisji (rys. 9).
44
wskaźnik emisji względnej Er,
1
0,9
0,8
0%
3%
8%
11%
15%
18%
30%
100%
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
40
80
120
160
190
obciążenie silnika, Nm
Rys. 9. Wskaźnik emisji względnej Er od obciążenia silnika przy wybranych
ustawieniach otwarcia zaworu EGR
100
otwarcie zaworu EGR, %
90
Krzywa sterowania zaworem EGR dla Er=min
%EGR = 884,22*M-0,9092
2
R = 0,9827
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
50
100
150
200
obciążenie silnika M, Nm
Rys. 10. Krzywa sterowania stopniem otwarcia zaworu EGR dla minimalnej wartości
wskaźnika emisji względnej Er
Linię sterowania zaproponowano jako krzywą potęgową, zaś jej przebieg i zapis
matematyczny zamieszczono na rys. 10. Postępując podobnie dla innych prędkości
obrotowych silnika można wyznaczyć pęk takich krzywych tworzących trójwymiarową
mapę sterownia zaworem EGR.
4. Podsumowanie
Najnowsze normy dopuszczalnej normy emisji spalin wymagają doskonalenia
metod ograniczenia emisji spalin. Jak pokazują przeprowadzone badania optymalizacja
metod silnikowych opartych na recyrkulacji spalin może opierać się o poprawę
sterowania układem EGR dzięki zastosowaniu proporcjonalnego zaworu EGR oraz
zastosowania sprzężenia zwrotnego z sygnału zintegrowanego czujnika NOx/O2. Pomiar
stężenia NOx w spalinach pozwala na dostosowanie stopnia recyrkulacji spalin do
aktualnych zmiennych warunków pracy silnika uwzględniając podstawową mapę
sterowania stopniem otwarcia zaworu EGR. Zmienne warunki pracy silnika, wpływ
45
czynników eksploatacyjnych, niesprawności działania układu EGR, mogą wobec tego
zostać uwzględnione w sterowaniu systemem EGR dzięki zastosowaniu zintegrowanego
czujnika NOx/O2 ciągle monitorującego poziom emisji NOx.
Sterowanie zaworem EGR powinno również uwzględniać zarówno zastosowaną
konfigurację jak i możliwości pozasilnikowych metod ograniczenia emisji spalin.
Zastosowanie sprzężenia zwrotnego pozwala na dokonanie korekt stopnia otwarcia
zaworu i wykorzystanie możliwości autoadaptacji układu EGR. Dzięki wprowadzeniu
wagowego wskaźnika emisji można wstępnie uwzględnić konfigurację i skompletowanie
pozasilnikowych systemów ograniczenia emisji wpływając tym samym na kształt
podstawowej mapy sterowania zaworem EGR i uwzględniając założony kompromis
pomiędzy emisją NOx i PM.
Literatura:
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
Baumgard K., Cooke S., Exhaust Aftertreatment and Low Pressure LOP EGR
applied to off-higway engine, Jon Deere Power Systems, 2005
Bieniek A., Mamala J. Graba M.: Możliwości wstępnego ograniczenia emisji NO x
i PM silnika wysokoprężnego w aspekcie przyszłościowych norm emisji
pojazdów pozadrogowych, Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów 1(87)/2012 r.,
s. 75-86.
Bieniek A., Mamala J., Augustynowicz A., Graba M., Brol S., Lenc-Brol A.,
Lechowicz A.: Zasilanie silników wysokoprężnych pojazdów pozadrogowych,
Monografia – Oficyna Wydawnicza Politechniki Opolskiej, 2012
Bieniek A., Graba M., Lechowicz A.: Adaptive control of exhaust gas
recirculation at nonroad vehicle diesel engine, Journal of KONES, Powertrain
and Transport, Vol. 18, No. 4, 2011, s. 11- 18.
Bieniek A., Mamala J., Graba M., Lechowicz A.: Control of advanced EGR
system at nonroad diesel engine, 16th Asia Pacific Automotive Engineering
Conference - APAC Chennai India 2011, SAE India M2010066, s. 1 – 6
Graba M., Bieniek A., Mamala J., Lechowicz A.: Sterowanie adaptacyjne zaworu
recyrkulacji spalin w silniku o zapłonie samoczynnym w aspekcie obniżenia
emisji substancji szkodliwych, Inżynieria Rolnicza Nr 5 (130), 2011, s. 73-80
Dieselnet- Emission Test Cycle, www.dieselnet/standards/cycles
Gromadko J., Hong V., Miler P., Applications of NRTC Cycle to determine a
different fuel consumption and harmful emissions caused by changes of engines
technical conditions, Maintaince and Reliability 4/2008, s. 63-65
Kopiński D., Jackson C., Nonroad Diesel PM Control, US EPA, Washington
1997, s. 1-20
Lejda K., Elimination of NOx Emission In Diesel Engine by EGR Metod, Western
Sciientific Centra of Ukrainian Transport Academy, Logos, 2000
Merkisz J., Ekologiczne problemy silników spalinowych, Wydawnictwo
Politechniki Poznańskiej, Poznań, 1998
Tonetti M., EGR Control System, United States Patent Aplication Publication US
2009/0205617 A1, 2009, s. 1-8
VDMA, Exhaust Emission Legislation Diesel and Gas engines, 2008
Yokomura H., Kohketsu S., Mori K, EGR System in a Turbocharged and
Intercooled Heavy-Duty Diesel Engine – Expansion of EGR Area with Venturi
EGR System, Technical Review, 2003.
46
[15]
[16]
[17]
Jung S., Ishida M., Yamamoto S., Ueki H., Sakaguchi D., Enhancement of NOxPM trade off a diesel engine adopting bio-ethanol and EGR, International
Journal of Automotive Technology, Vol. 11, No. 5, 2010, pp. 611−616
DRIVVEN Information and Serviceof NOx/O2 sensor kit, 2010
http://www.ms-motor-service.com, 2010
Streszczenie
Opracowanie pokazuje możliwości ograniczenia emisji substancji szkodliwych
silnika spalinowego z wykorzystaniem zmodyfikowanego układu recyrkulacji spalin
wyposażeonego w zaawansowane sterowanie. Proponowany układ oprócz chłodzenia
spalin wyposażono w proporcjonalny zawór EGR sterowany sterowany algorytmem
uwzględniającym konfigurację całego systemu ograniczenia emisji spalin. Dzięki
doborze odpowiednich parametrów sterowania można dowolnie ustalać priorytet
ograniczenia wybranego składnika spalin. Zastosowanie zintegrowanego czujnika
NOx/O2 pozwala na monitorowanie działania całego układu z możliwością autoadaptacji
układu do zmieniających się warunków pracy silnika. W publikacji zaproponowano
reguły sterowania zaworem oparte na uzyskaniu najkorzytsniejszego kompromisu
pomiędzy emisją cząstek stałych a emisją tlenków azotu zależnie od zastosowanej
konfiguracji układu oczyszczania spalin. W tym celu zaproponowano przedstawienie
emisji w sposób względny w postaci wskaźnika emisji względnej. Praca zawiera analizę
wybranych wyników badań emisji NOx i PM .
Słowa kluczowe: recyrkulacja spalin EGR, emisja NOx i PM, zintegrowany czujnik
NOx/O2
CONTROL OF EXHAUST RECIRCULATION SYSTEM AT NONROAD
VEHICLE ENGINE AND THEIR NOx AND PM EMISSION
Abstract
This paper describe possibilities to reduction of harmful substances emission of
combustion engine with modified exhaust gas recirculation system equipped with
advances control system. Proposed EGR system besides of exhaust gases cooling system
is equipped with proportional EGR valve controlled thru algorithm that take into
consideration a configuration of whole exhaust gases reduction system. Thanks to
control parameters its possible to determine priority of chosen exhaust gas ingredient
reduction. Application of integrated NOx/O2 sensor allow to monitoring of whole system
with possibilities to automatically system adaptation due to changes in engine operating
conditions. This paper propose simple EGR valve control principles based on favorable
compromise between NOx and PM emission depends of configuration of exhaust gas
reduction system. To hit this target relative emission indexes a is proposed. In this paper
an analysis of chosen NOx and PM emission as experiment results are included.
Keywords: exhaust gas recirculation EGR, NOx and PM emission, integrated NOx/O2
sensor
47
48