COMBUSTION ENGINES - ptnss

2/2011 (145)COMBUSTION ENGINESSILNIKI SPALINOWE

Influence of (hydrous) ethanol blends on (particle) emissions...Jan CZERWIŃSKIPierre COMTEFelix REUTIMANNAndreas MAYERPTNSS-2011-SS2-201Influence of (hydrous) ethanol blends on (particle) emissionsof small 2-& 4-stroke scootersPart 2The objectives of the present work are to investigate the regulated and unregulated (particle) emissions of a classicaland modern 2-stroke and a typical 4-stroke scooter with different ethanol blend fuels. There is also comparison of twodifferent ethanol fuels: pure ethanol (E) and hydrous ethanol (EH) which contains 3.9% water and is denatured with1.5% gasoline. Special attention is paid in this research to the hydrous ethanol, since the production costs of hydrousethanol are much less than those for (dry) ethanol.Key words: ethanol, particle emission,2-stroke engines, scootersWpływ mieszanek etanolowych na emisję cząstek stałychz małych skuterów dwu- i czterosuwowychCzęść 2W artykule przedstawiono badanie uregulowanych i nieuregulowanych prawnie emisji cząstek dla klasycznego i nowoczesnegoskutera 2-suwowego i typowego skutera 4-suwowego zasilanych paliwami o różnym udziale etanolu. Ponadtozamieszczono porównanie dwóch różnych paliw etanolowych: czystego etanolu (E) i wodnego etanolu (EH) zawierającego3,9% wody i skażonego 1,5-procentowym stężeniem benzyny. Szczególnie skupiono sie na badaniach wodnego etanolu,od chwili, gdy koszty produkcji etanolu z dodatkiem wody okazały się mniejszy niż etanolu bez takiego dodatku.Słowa kluczowe: etanol, emisja cząstek stałych, silniki 2-suwowe, skutery5. Results5.1. Piaggio TyphoonThe first test were performed with original tuning of theair-fuel ratio and without catalyst.Before and after tests the mixture tuning was controlledat idling (without SAS). There were following values:Before tests CO idl. 2.0% n = 1770 rpmAfter tests CO idl. 2.2% n = 1770 rpmFigure 5 gives an overview of limited emission componentsin the ECE 47 driving cycle with both ethanol typesE & EH.Regarding CO, HC and NO xthree overlapping effectsare visible:– leaning of mixture by increasing ethanol portion,– lowering the combustion peak temperatures and NO xformation with increasing ethanol portion,– retarded combustion, increased cyclic irregularities ofcombustion and increasing HC-emissions with ethanoland with growing ethanol share.The hydrous ethanol increases further the effect of leaning.According to the driver there is remarkable roughnessof operation and weak acceleration aptitude with ethanol,even E10, to the extend, that it would be unacceptable forthe market.COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)5. Wyniki*5.1. Skuter Piaggio TyphoonPierwsze badania przeprowadzono przy oryginalnymustawieniu stężenia mieszanki powietrzno-paliwowej i bezkatalizatora. Stężenie mieszanki na biegu luzem było sprawdzaneprzed i po testach (bez SAS). Otrzymano następującewartości:Przed badaniami CO 2,0% dla biegu luzem n = 1770 obr/minPo badaniach CO 2,2% dla biegu luzem n = 1770 obr/minRysunek 5 dotyczy przeglądu ograniczonych elementówskładowych emisji w cyklu jezdnym ECE 47 dla obu typówetanolu E i EH.W odniesieniu do CO, HC i NO xwidoczne są trzy nachodzącena siebie zjawiska:– zubożenie mieszanki przez zwiększenie udziału etanolu,– obniżenie wartości maksymalnych temperatur i powstawaniaNO xprzy wzroście udziału etanolu,* Wyniki zamieszczone w niniejszej części artykułu dotyczą badań nadoddziaływaniem mieszanek etanolowych na emisję cząstek stałych zsilników spalinowych małych skuterów dwu- oraz czterosuwowych i stanowiąkontynuację rozważań autorów pracy nad powyższą problematykąnaukową podjętych w pierwszej części artykułu, który został opublikowanyw Combustion Engines/Silniki Spalinowe nr 1/2011.3

Wpływ mieszanek etanolowych na emisję cząstek stałych...The PM- and NP-emission level with ethanol fuels isgenerally higher, than with gasoline. This tendency is atfirst glance contrary to the expectations since ethanol, as adonator of oxygen should improve the combustion. Neverthelessthere are other facts in the complex physico-chemicalprocesses running in the engine, which overcompensate thisfirst influence of oxygen donation:– particle mass and nanoparticles in a small 2-stroke engineconsist mostly of lube oil as unburned, partially burned,or condensates of heavy HC,– the mechanisms of particle production are not only dueto the combustion itself, but also to the wall quenching,flow during the scavenging (effects on residual gas ratio)and condensation speed in the exhaust system,– since ethanol generally lowers the process temperatures itinfluences all the mechanisms mentioned above,– during the previous research with Alkylat gasoline andwith different lube oils [3], it was stated, that the chemistryi.e. the HC matrix in the exhaust gas plays a role for thecondensation effects and influences clearly the NP & PMproduction,– during the tests with Piaggio Typhoon the engine operationwith ethanol fuels was not as smooth, as with gasoline,the ability of acceleration was much weaker and the cyclicdispersion of the engine working cycles (due to leaning byethanol) is believed to be the most important influence onthe higher particle emissions.For SMPS, Fig. 8 the tendencies are not monotone, butthe differences are, as for this parameter in the range of(emiting + measuring) dispersion. Furthermore there arebalancing effects between nuclei- and accumulation modesof the respective PSD’s, which slightly varies from measurementto measurement.Why are the maxima of the NP concentrations with ethanolfuels much higher (up to 3.4 times), than with gasoline?The maxima are in the size range between approx. 40 and 70nm, which is for the Diesel exhaust aerosol in the lower partof accumulation mode. In the present case of 2-S engine themechanisms and the nature of NP aerosol is quite different,than for Diesel.Three effects can be suggested for this observed increaseof particle counts:– improved oxidation of bigger oil droplets during the combustionwith ethanol, which generates more of smallerparticles, or some solids in the lowest size range,– store and release effects of some particles or substancesfrom the combustion chamber or exhaust system walls,which offer some precursors of the observed nanoparticles(washing effects, [12]),– changed effects of spontaneous condensation in the exhaustsystem due to changed HC-matrix and eventually generationof new substances (the first effect is known fromthe research with different oils and fuels on 2-S scooters[3] and the second effect is know from the research withwater emulsion fuels on Diesel engines).The repetitions with Piaggio Typhoon were performedto test the driving quality and the emissions with lowerFig. 8. SMPS particle size distribution spectra at constant speed40 km/h, warm, with different fuels. Piaggio Typhoon, dummyRys. 8. Widmo rozkładu wymiarowego cząstek SMPS przy stałej prędkości40 km/h dla ciepłego silnika, dla różnych paliw. Skuter PiaggioTyphoon, bez reaktorawielkość reszty spalin) i prędkości kondensacji w systemiewylotowym silnika.– Ponieważ etanol generalnie obniża temperatury procesowe,to wpływa na wszystkie mechanizmy wymienione wyżej.– Podczas poprzednich badań z benzyną Alkylat i różnymiolejami smarującymi [3] stwierdzono, że procesy chemiczne,tj. jednorodne struktury HC w spalinach, mająznaczenie dla zjawisk kondensacji i wyraźnie wpływająna powstawanie NP i PM.– Podczas prób skutera Piaggio Typhoon praca silnika napaliwach etanolowych nie była równomierna, jak w przypadkubenzyny, zdolność przyspieszania była mniejszai uważa się, że cykliczne rozproszenie roboczych cyklisilnika (wskutek zubożenia przez etanol) ma najważniejszywpływ na większą emisję cząstek.Przy zastosowaniu analizatora SMPS (rys. 8) tendencjenie są monotoniczne, lecz występuje różnica co do tegoparametru w zakresie dyspersji (emisja + pomiar). Ponadtoistnieją efekty bilansowania pomiędzy trybami jądrowymi akumulacyjnym odpowiedniego rozkładu wymiarowegocząstek DPS, który nieznacznie zmienia się w miarę dokonywaniapomiarów. Dlaczego maksima stężeń nanocząsteczekNP są dużo wyższe dla paliw etanolowych (do 3,4 razywieksze) niż dla benzyny? Maksima znajdują się w zakresiewielkości pomiędzy (w przybliżeniu) 40 i 70 nm, który wprzypadku aerozolu wylotowego z silnika ZS znajduje sięw dolnej części trybu akumulacyjnego.6 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Influence of (hydrous) ethanol blends on (particle) emissions...portions of Ethanol blended and with richer basic tuningof the engine.The basic tuning of air/fuel-ratio is set at idling (bymeasuring CO) and has for this type of simple carburatorinfluence on the air/fuel dosing up to higher part load operationof the engine.The mixture tuning was controlled at idling (withoutSAS): before, after and during the tests. There were followingvalues:Original mixture tuningBefore tests CO idl. 3.0% n = 1670 rpmAfter tests CO idl. 2.8% n = 1800 rpmRich mixture TuningBefore tests CO idl. 5.3% n = 1700 rpmAfter tests CO idl. 5.0% n = 1340 rpmComparing the original mixture tuning with the previousvalues a quite poor stability of idling setting after longerperiod (3 months) can be remarked.Figure 9 shows the comparison of limited emissions atconstant speed.Figure 10 represents the (nano)particle emissions. Thevariants with richer basic tuning were designed with “r”.The richer tuning provokes generally lower particle countconcentrations in the nuclei mode. There are more agglomerationeffects and the particle mass (which has similar valuesfor all variants) is produced by particles of bigger sizes.Another clear influence of the richer tuning is a satisfactorydriveability of the vehicle. The lower cyclic dispersionof combustion has positive impact on HC, which stays nearlyconstant in spite of the richer mixture. The lower cyclic irregularitiesinfluence the mechanisms of NP-production inthe combustion chamber and in the exhaust line.The richer tuning increases the tolerance of ethanol applicationand makes it possible to use E10 with similar valuesof particle mass and fuel consumption as the original fuelbut with lower NO x.With the original, leaner tuning there is increased exhaustgas temperature due to a retarded combustion and highercyclic dispersion.There are some differences of shape of the SMPS PSDspectrabetween pervious measurements (June ’08) and thelater repetitions (Sept. ’08).The differences are particularly visible in the nucei mode(d < 30 nm), where the spontaneous condensation is a dominanteffect. The nuclei mode is a very sensitive indicator ofdifferent influences, like: differences of tuning, irregularitiesof oil dosing and mixing with air, deposits of oil in the crankcase,or in the silencer (from cold starting), irregularities ofcarubator (dosing and mixture preparation) etc.It was stated in the previous research, that the 2-S scootersare not stable concerning the nanoparticles emissions andthe PSD’s over longer time periods.Looking on average results of leaner and richer enginesetting in Fig. 10 it can be stated that there is no clearDla silnika dwusuwowego mechanizmy i charakteraerozolu nanocząsteczkowego NP są zupełnie inne niż dlasilnika ZS.Można zasugerować występowanie trzech zjawisk dlaobserwowanego wzrostu zliczeń cząstek:– Lepsze utlenienie większych kropli oleju podczas spalaniaz etanolem, które wytwarza więcej mniejszych cząstek,lub pewnych ciał stałych z najmniejszego zakresu wielkości.– Efekt magazynowania i uwalniania pewnych cząstek lubsubstancji z komory spalania lub ścianek układu wylotowego,który dostarcza ściśle określonych prekursorówobserwowanych nanocząstek (efekt wymywania [12]).– Zmienione efekty spontanicznej kondensacji w układziewylotowym wskutek zmienionej jednorodnej struktury HCi ostateczne powstawanie nowych substancji (pierwszyefekt znany jest z badań różnych olejów i paliw w skuterach2-suwowych [3], a drugi znany jest z badań paliwwodno-emulsyjnych dla silników ZS).Przeprowadzono powtórne badania dla skutera PiaggioTyphoon w celu sprawdzenia jakości jazdy i emisji dla mniejszychudziałów etanolu i przy podstawowym ustawieniusilnika na spalanie bogatszej mieszanki.Podstawowe ustawienie stężenia mieszanki powietrznopaliwowejodbywa się na biegu luzem (przez pomiar CO)i ma dla tego typu gaźnika wpływ na dozowanie wartościpowietrze/paliwo aż do pracy silnika przy wyższych obciążeniachczęściowych.Ustawienie mieszanki było kontrolowane na biegu luzem(bez systemu wtórnego powietrza SAS): przed, po i podczasbadań. Otrzymano następujące wartości:Początkowe ustawienie mieszankiPrzed badaniami CO na biegu luzem 3,0% n = 1670 obr/minPo badaniach CO na biegu luzem 2,8 % n = 1800 obr/minUstawienia mieszanki bogatejPrzed badaniami CO na biegu luzem 5,3 % n = 1700 obr/minPo badaniach CO na biegu luzem 5,0 % n = 1340 obr/minPorównując początkowe ustawienia mieszanki z poprzednimiwartościami, można zauważyć całkiem słabąstabilność nastawy dla biegu luzem po dłuższym czasie (3miesiące).Na rysunku 9 przedstawiono porównanie ograniczonychemisji przy stałej prędkości.Na rysunku 10 przedstawiono emisję nanocząstek. Wariantypomiarowe dla wzbogaconego ustawienia podstawowegozostały oznaczone za pomocą “r”.Wzbogacone ustawienie wywołuje niższe stężeniazliczanych cząstek w trybie jądrowym. Występuje więcejefektów aglomeracyjnych i masa cząstek stałych (która mapodobne wartości dla wszystkich wariantów) jest tworzonaprzez cząstki o większych rozmiarach.Innym wyraźnym efektem wzbogaconego ustawieniajest zdolność do prowadzenia pojazdu. Niższa cyklicznadyspersja spalania ma pozytywny wpływ na emisję węglo-COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)7

Wpływ mieszanek etanolowych na emisję cząstek stałych...Fig. 10. Particle mass and nanoparticles at constant speed 40 km/h,warm, with different fuels; lean – rich. Piaggio Typhoon, dummyRys. 10. Masa cząsteczkowa i nanocząstki przy stałej prędkości 40 km/h,dla rozgrzanego silnika, przy różnych paliwach; ubogich – wzbogaconych.Skuter Piaggio Typhoon, bez reaktoraFig. 9. Limited emissions and exhaust temperatures (tailpipe) withdifferent fuels; lean – rich. Piaggio Typhoon; dummy; CO, HC, NO xbag valuesRys. 9. Ograniczone emisje i temperatury spalin (w przewodzie wylotowymsilnika) dla różnych paliw; ubogich – wzbogaconych. SkuterPiaggio Typhoon bez reaktora; wartości rozcieńczone CO, HC, NO xdifference of PM-emissions, but clearly higher NPcountconcentrations for the leaner variant. This higherNP-values are caused by the higher nuclei mode, whichin turn is mostly influenced by the changed conditionsof the spontaneous condensation and nucleation in theexhaust system.wodorów HC, która pozostaje prawie niezmieniona pomimowzbogacenia mieszanki. Niższe cykliczne nierównomiernościwpływają na mechanizm tworzenia nanocząstek wkomorze spalania i w linii wylotu spalin.Wzbogacone ustawienie zwiększa tolerancję dla zastosowaniaetanolu i umożliwia stosowanie E10 przy podobnychwartościach masy cząstki i zużycia paliwa jak dla paliwawyjściowego, ale przy mniejszej emisji NO x.W sytuacji początkowego ustawienia uboższej mieszankiwystępuje zwiększona temperatura spalin w wyniku opóźnionegospalania i wyższej cyklicznej dyspersji.Istnieją różnice kształtu widm analizatora wymiarowegocząsteczek stałych SMPS dla rozkładu wymiarowego cząstekPSD otrzymanych podczas wcześniejszych pomiarów(z czerwca ’08) i późniejszych powtórzonych pomiarów (zwrześnia ’08). Różnice są szczególnie wyraźne dla trybujądrowego (d < 30 nm), dla którego spontaniczna kondensacjajest dominującym efektem. Tryb jądrowy stanowibardzo czuły wskaźnik różnych wpływów, takich jak: różniceustawienia mieszanki, nieregularności w dozowaniu oleju imieszania z powietrzem, osadzania się oleju w skrzyni korbowejlub w tłumiku (przy zimnym starcie), nieregularnościw gaźniku (dozowanie i przygotowanie mieszanki) itd.We wcześniejszych badaniach stwierdzono, że skutery zsilnikami 2-suwowymi nie są stabilne ze względu na emisje8 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Influence of (hydrous) ethanol blends on (particle) emissions...5.2. Kreidler FlorettBefore, during and after tests the mixture tuning wascontrolled at idling. There were following values:Before tests CO idl.4.36% n = 1630 rpmAfter tests CO idl. 5.97% n = 1750 rpmThe tuning of engine mixture is very rich and there is nopossibility to change it.Figure 11 gives an overview of all limited gaseous emissioncomponents in the driving cycles.Regarding CO, HC and NO xfollowing effects are visible:– leaning of mixture by increasing ethanol portion (by loweringCO and HC),– increasing the combustion peak temperatures and NO xformation with increasing ethanol portion and strengtheningof these effects with hydrous ethanol, (moving fromlow Lambda, very rich towards Lambda 1, less rich).According to the driver there was no problem of driveabilitywith the highest ethanol share E15, or EH15.nanocząstek i rozkłady wymiarowe cząstek PSD w okresiedłuższych przedziałów czasowych.Analizując na rys. 10 średnie wyniki dla nastaw silnikadla mieszanek wzbogacanych i zubożonych, można stwierdzić,że nie ma wyraźnej różnicy w wielkościach emisjiPM, ale stężenia zliczeń nanocząstek są wyraźnie większedla wariantu ze zubożoną mieszanką. Wyższe wartości NPspowodowane są przez wyższy tryb jądrowy, na który z koleimają największy wpływ zmienione warunki spontanicznejkondensacji i nukleizacji w układzie wylotowym.5.2. Skuter Kreidler FlorettUstawienia mieszanki były kontrolowane na biegu luzemprzed, podczas i po badaniach. Otrzymano następującewartości:Przed badaniami CO dla biegu luzem 4,36% n = 1630 obr/minPo badaniach CO dla biegu luzem 5,97% n = 1750obr/minUstawiona mieszanka silnika ma wartość odpowiadającąmieszance wzbogaconej i nie ma możliwości zmianynastawy.Fig. 11. Comparison of limited emissions with different fuels. Kreidler Florett, CO, HC, NO xbag valuesRys. 11. Porównanie ograniczonych emisji dla różnych paliwThe volumetric fuel consumption is reduced due to theleaning of mixture and increased efficiency with the ethanolblend fuels, Fig. 12. There is in particular an advantage ofEH15, over E15.Also the exhaust temperature at constant speed generallydecreases with higher ethanol rate. With hydrous ethanol thisdecrease is less pronounced, which is an effect of strongerNa rysunku 11 zaprezentowano przegląd wszystkichgazowych elementów ograniczonej emisji dla cykli jezdnych.W odniesieniu do CO, HC i NO xwidoczne są następująceefekty:– zubożenie mieszanki przez zwiększeniu udziału etanolu(przez obniżenie emisji CO i HC),Fig. 12. Fuel consumption and exhaust tempe-ratures (tailpipe) at 40 km/h and maximum speed with different fuels. Kreidler FlorettRys. 12. Zużycie paliwa oraz temperatury spalin (w przewodzie wylotowym silnika) przy prędkości 40 km/h i prędkości maksymalnej dla różnychpaliw. Skuter Kreidler FlorettCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)9

Influence of (hydrous) ethanol blends on (particle) emissions...It can be stated, that with increasing share of ethanol thesummary surface of NP’s (DC) decreases. DC decreases alsowith addition of water. The same is valid for the PM (totalparticle mass) and for integrated NP-counts.It can be said, that for the rich tuning ethanol helps tooxidize the precursor substances of particles (accordingto the increased blend ratio). The application of hydrousethanol (EH) increases slightly this tendency thanks to thepresence of water.The measurements with SMPS were started after thedriving cycles and after 5 min conditioning at the sameconstant speed (40 km/h).Figure 14 represents some choosen PSD’s in logarithmicand in linear scale. It is visible that the application of ethanolmoves the maxima of the PSD’s to lower counts and to lowermedian diameters (CMD). The influence of hydrous ethanolcomparing to the pure ethanol is not visible, it is overlappedby the emission variability.5.3. Honda ZoomerAlso for this 4-S scooter the mixture tuning was controlledat idling (with SAS) before and after tests. There werefollowing values:sima widm PSD w stronę niższych zliczeń i mniejszychobliczonych środkowych wartości średnic (CMD). Wpływwodnego etanolu w porównaniu do czystego etanolu niejest zauważalny; wartości te zazębiają się wskutek zmiennościemisji.5.3. Skuter Honda ZoomerRównież dla tego 4-suwowego skutera ustawieniemieszanki było kontrolowane na biegu luzem (z systemempowietrza wtórnego SAS) przed i po badaniach. Otrzymanonastępujące wartości:Przed badaniami CO dla biegu luzem 2,5% n = 2020 obr/minPo badaniach CO dla biegu luzem 3,1% n = 1950 obr/minNa rysunkach 15, 16 i 17 przedstawiono najważniejszewyniki: elementy gazowe wskazują na występowanieuboższego ustawienia przy wzrastającym udziale alkoholu –zmniejszonych emisji CO i HC, wzrost emisji NO x, tam gdziewpływ uwodnionego etanolu jest nieznacznie większy.Zużycie paliwa obniżone jest wskutek zubożenia mieszankii wzrostu sprawności ogólnej silnika.Istnieje niewielki wpływ zastosowanych paliw z etanolemna temperaturę spalin (przy40 km/h) i na maksymalną prędkość.Przy zastosowaniu wodnego etanolutaki wpływ prawie nie występuje.Fig. 15. Limited emissions with different fuels.Honda Zoomer, CO, HC, NO xbag valuesRys. 15. Obniżone emisje dla różnych paliw.Skuter Honda Zoomer, wartości rozcieńczone CO,HC, NO xFig. 16. Fuel consumption and exhausttempe-ratures (tailpipe) at 40 km/h andmaximum speed with different fuels. HondaZoomerRys. 16. Zużycie paliwa i temperatury spalin(w przewodzie wylotowym silnika) przy prędkości40 km/h i prędkości maksymalnej dlaróżnych paliw. Skuter Honda ZoomerFig. 17. Particle emissions with differentfuels. Honda ZoomerRys. 17. Emisje cząstek stałych dla różnychpaliw. Skuter Honda ZoomerCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)11

Wpływ mieszanek etanolowych na emisję cząstek stałych...Before tests CO idl.2.5% n = 2020 rpmAfter tests CO idl. 3.1% n = 1950 rpmFigures 15, 16 & 17 display the most important results:The gaseous components indicate the leaner tuning withincreasing share of alcohol – reduction of CO & HC, increaseof NO x, where the effect of hydrous ethanol is slightlystronger.The fuel consumption is reduced due to the leaning andincrease of the effective engine efficiency.There is a little impact of the used fuels with ethanol onthe exhaust gas temperature (at 40 km/h) and on the maximumspeed. With hydrous ethanol there is almost no impact.The application of fuels with a lower heat value and theshift to leaner air/fuel ratio does not reduce the maximumpower very much, because there is en effect of improvedengine efficiency.The PM-emissions are in average much lower, than forthe 2 strokers (10–40 times). In this context the indicateddifferences between “E, EH & gas” (Fig. 17) cannot be regardedas significant. Nevertheless the higher value with E10(here in ECE 40) belongs to the first measuring series withethanol, which at the constant speed indicated much higherPM-& NP-values with E10. The driving cycle was performedafter the constant speed and the effects of higher emissionswith E10 are not strong any more. During the repetition ofthis stationary measurement much lower values with E10were proved, Fig. 18.Fig. 18. SMPS particle size distribution spectra at constant speed 40km/h, warm, with different fuels. Honda Zoomer – repeated test seriesRys. 18. Widma rozkładu wymiarowego cząstek SMPS dla stałej prędkości40 km/h, dla rozgrzanego silnika przy różnych paliwach. SkuterHonda Zoomer – powtórzone serie badawczeZastosowanie paliw z dolną wartością opałową i przesuniętymstężeniu mieszanki powietrzno-paliwowej w stronęuboższych mieszanek nie powoduje znacznego spadkumocy maksymalnej, ponieważ występuje efekt zwiększonejsprawności silnika.Średnie wartości emisji PM są znacznie mniejsze niż dlasilników 2-suwowych (10–40 razy). W takim kontekściezaznaczone różnice między “E, EH i paliwo gazowe” (rys.17) nie mogą być uważane za znaczące. Niemniej jednakwyższa wartość dla E10 (w tym przypadku ECE 40) należydo pierwszej pomiarowej serii z etanolem, który przy stałejprędkości wskazywał znacznie wyższe wartości dla cząstekstałych PM i nanocząstek NP dla E10. Cykl jezdny zostałwykonany przy stałej prędkości i efekt wyższej emisji dlaE10 już się więcej nie pojawił. Podczas powtarzania tegostacjonarnego pomiaru dla E10 wystąpiły znacznie niższewartości (rys. 18). Stało się oczywiste, że wyższe emisje iwyższe stężenia zliczeń nanocząstek w trybie jądrowym dlaE10 (w pierwszej serii pomiarowej) były powodowane przezinne czynniki, a nie tylko przez paliwo.Kondensaty powstałe w sposób niewymuszony mogąpochodzić od siarczanów osadzonych w układzie podczaswcześniejszej pracy silnika zasilanego benzyną, następnieuwolnionych przez etanol (rozpuszczalnik, efekty wymywania)i ostatecznie skroplonych. Przypuszczenie, że w tymzakresie wielkości mogą uwalniać się cząstki stałe należywykluczyć.Niezależnie od tego, można stwierdzić, że:– nie istnieje wpływ paliw alkoholowych na PM,– emisje nanocząstek NP dla stanów przejściowych sąznacznie wyższe niż dla pracy w warunkach ustalonych,– paliwa zmieszane z etanolem pomagają zredukować emisjenanocząstek, szczególnie dla stanów przejściowych.Odnośnie do powtarzalności wszystkich parametrówwystępujących w pierwotnych badaniach, w badaniach powtórzonych(niezamieszczonych w niniejszej pracy) należystwierdzić, że dla wybranych parametrów, jak zużycie paliwai masa cząstek PM, zmierzone różnice dla różnych paliwmieszczą się w zakresie błędu pomiarowego.6. PorównaniaNa rysunku 19 przedstawiono porównanie emisji z silnikówdwusuwowych i czterosuwowych zasilanych benzynąprzy prędkości 40 km/h. Po raz kolejny przedstawiona jestdobrze znana, wywierająca duże wrażenie, różnica w emisjicząstek. Silnik 2-suwowy ze swoim systemem oleju smarującegoma znacznie wyższe emisje cząstek stałych(PM),zliczenia nanocząstek (NP) oraz sumaryczną powierzchnięaerozolu (DC); to porównanie jest prawdziwe nawet wtedy,gdy silnik 2-suwowy ma ustawioną uboższą mieszankę niżsilnik 4-suwowy.Na rysunku 20 przedstawiono zestawienie najważniejszychefektów spowodowanych przez różne udziały etanoluw trzech badanych skuterach. Zubożenie mieszanki przezetanol wywołuje w skuterze ustawionym na ubogą mieszankęredukcję emisji NO x, wzrost emisji PM i zużyciapaliwa (wskutek nieregularności spalania). W przypadkuskuterów, które są ustawione na spalanie bogatej mieszanki12 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Influence of (hydrous) ethanol blends on (particle) emissions...It became clear, that the higher emissions and the higherNP count concentrations in nuclei mode with E10 (in theprimary measuring series) were caused by other effects,than the fuel only.Spontaneous condensates can originate from the sulfatesdeposited in the system during previous operation withgasoline, than released by ethanol (solvent, washing effects)and finally condensated. A supposition of release of solidparticles in this size range must be excluded.Apart from this fact it can be stated, that:– there is no influence of alcohol-fuels on PM,– the NP-emissions at transient operation are much higher,as at steady state operation,– ethanol blend fuels help to reduce the NP-emissions especiallyat transient operation.Regarding the repeatability of all parameters between theoriginal test and the repetitions test (not represented here) itcan be stated, that for some parameters, like fuel consumptionand particle mass PM the differences measured with differentfuels are in the range of measuring dispersion.6. ComparisonsFigure 19 shows the comparison of emissions 2-S & 4-Swith gasoline at 40 km/h. Once again the very well knownimpressive difference of particle emissions is demonstrated.The 2-S engine with lost-oil lubrication has much higheremission of particle mass (PM), particle counts (NP) andsummary surface of aerosol (DC); this even if the 2-S in thiscomparison is with leaner tuning, than the 4-S engine.Figure 20 puts together the most important effects ofethanol rate on the three investigated scooters. The leaningof the mixture by ethanol provokes by the lean tuned scootera reduction of NO xand increase of PM and fuel consumption(due to irregularities of combustion). By the scooters withrich basic tuning the leaning by ethanol increases NO xandreduces PM and fuel consumption.The average basic l – tuning (calculated according toSAE J1088) was:– for Piaggio Typhoon l = 1.0– fore Kreidler Florett l = 0.8– for Honda Zoomer l = 0.9The leaning by use of E15 provokes an increase of theair excess factor Dl = 0.05 to 0.107. Conclusions2-S (Piaggio Typhoon – lean)The original tuning of the mixture preparation and dosingis influenced by the ethanol containing fuels in the sense ofleaner operation. This caused an irregular operation of theengine and a very much deteriorated load response, whichwould be unacceptable for the market. Generally a lowerethanol rate has to be recommended.Regarding the legally limited components CO, HC andNO xthree overlapping effects are visible:– leaning of mixture by increasing ethanol portion,– lowering the combustion peak temperatures and NO xformationwith increasing ethanol portion and strengtheningof these effects with hydrous ethanol,Fig. 19. Comparison of emissions 2-S & 4-S at 40 km/h, warm. 2-S:Piaggio Typhoon, carb. no ox. cat; 4-S: Honda Zoomer, carb. no ox. catRys. 19. Porównanie emisji z silników 2-suwowego oraz 4-suwowegoprzy prędkości 40 km/h; silniki ciepłe; 2-S: skuter Piaggio Typhoon,gaźnik bez reaktora katalitycznego; 4-S: skuter Honda Zoomer, gaźnikbez reaktora katalitycznegozubożenie przez etanol zwiększa emisję NO x, obniża emisjęPM i zużycie paliwa.Średnie podstawowe ustawienie l (obliczone wg przepisówSAE J1088) było następujące:– dla skutera Piaggio Typhoon l = 1,0– dla skutera Kreidler Florett l = 0,8– dla skutera Honda Zoomer l = 0,9Zubożenie spowodowane przez zastosowanie E15 wywołujewzrost współczynnika nadmiaru powietrza Dl == 0,05 do 0,10.7. WnioskiSilnik dwusuwowy (skuter Piaggio Typhoon – ubogamieszanka)Początkowe ustawienie przygotowania mieszanki idozowania ulega wpływowi paliw zawierających etanol wznaczeniu uzyskania pracy silnika na zubożonej mieszance.Spowodowało to nieregularną pracę silnika i znacznepogorszenie odpowiedzi silnika na obciążenia, co nie możebyć zaakceptowane przez rynek. Należy zalecać stosowaniemniejszych udziałów etanolu w paliwie.W odniesieniu do prawnie limitowanych składnikówemisji CO, HC i NO xwidoczne są trzy zazębiające sięefekty:COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)13

Influence of (hydrous) ethanol blends on (particle) emissions...Particle mass PM and particle counts generally decreasewith the ethanol fuels, with some tendencies of more decreasefor hydrous ethanol.4-S (Honda Zoomer – rich)There was a good drivability of the investigated scooterwith all ethanol blends.The limited gaseous components indicate the leanertuning with increasing share of alcohol – reduction of CO& HC, increase of NO x.The fuel consumption is reduced due to the leaning andincrease of the effective engine efficiency. There is no remarkablereduction of maximum power in the investigateddomain of equivalence ratio.Regarding the PM- and NP-emissions it can be stated, that:– there is no influence of alcohol fuels on PM,– the NP-emissions at transient operation are much higher,as at steady state operation,– ethanol blend fuels help to reduce the NP-emissions especiallyat transient operation. That means, that alcoholhelps to better oxidize the particles.At the beginning of working period with ethanol fuelsthere is a release (“washing out”) of residues from the previousoperation with gasoline. These residues containingsulfates (from lube oil) offer precursors for the spontaneouscondensates in the nuclei mode (nano range), which issensitively indicated by the NP measuring methods and isalso visible in the PM emissions.8. GeneralFrom the present results it can be concluded, that thebasic tuning of the engine – not too lean – decides if theinfluence of leaning by means of ethanol blends has positive,or negative effects. The 2-stroker can be eventuallyimproved by richer basic tuning. The 4-stroker can bedeteriorated by the irregularities of combustion, if thebasic tuning would be too lean (this can be the case of amodern 4-stokers).Summarizing: the success of ethanol blend fuels dependson: the engine type (2-S, 4-S), the basic tuning of the engine(air-fuel-ratio) and the ethanol content.There are no significant differences of results between theblends with pure ethanol (E), or hydrous ethanol (EH), exceptof some cases, where EH improves slightly the emissions(CO, HC, PM, NP) and reduces the fuel consumption.The present investigations did not concern the durabilityof parts exposed to the chemical influences of ethanol. Alsothe cold startability, particularly in extreme conditions andthe lube oil dilution were not addressed.According to the fuel supplier, there is no danger of phaseseparation of the hydrous ethanol in the used temperaturerange.AcknowledgementsThe authors would like to express their gratitude for thesupport of the project to BAFU (Swiss EPA), Dr. M. Schiessand to the Process Design Center B.V.NL and TU Delft.8. Ogólne podsumowanieNa podstawie przedstawionych wyników można wnioskować,że podstawowe ustawienie silnika – na niezbyt ubogąmieszankę – decyduje, czy uzyskane zubożenie mieszankiza pomocą paliw zmieszanych z etanolem ma pozytywnebądź negatywne skutki. Silnik dwusuwowy można usprawnićprzez bazowe ustawienie bogatszej mieszanki. Pracasilnika czterosuwowego może ulegać pogorszeniu przeznieregularności spalania wtedy, gdy podstawowe ustawieniebyłoby zbyt ubogie (może to dotyczyć współczesnychsilników czterosuwowych).Podsumowując: sukces stosowania paliw mieszanych zetanolem zależny jest od: typu silnika (dwu- lub czterosuwowy),podstawowego ustawienia silnika (stężenia mieszankipaliwowo-powietrznej) oraz zawartości etanolu.Nie występują znaczące różnice w wynikach uzyskanychdla mieszanin paliwowych z czystym etanolem (E) lub zetanolem uwodnionym (EH), z wyjątkiem przypadków, wktórych EH nieznacznie poprawia emisję (CO, HC, PM, NP)oraz obniża zużycie paliwa.Obecne badania nie uwzględniały trwałości części narażonychna chemiczne działanie etanolu. Badania nie byłyukierunkowane również na zagadnienia stabilności zimnegostartu w warunkach ekstremalnych oraz rozcieńczania olejusmarującego.Zgodnie z opinią dostawcy paliwa nie występuje niebezpieczeństworozdzielenia faz uwodnionego etanolu przystosowanym zakresie temperatur.PodziękowaniaAutorzy wyrażają wdzięczność za pomoc przy realizacjiprojektu następującym osobom i instytucjom: FederalnemuUrzędowi ds. Środowiska BAFU (Szwajcarski oddział EPA)i dr. M. Schiessowi, Ośrodkowi Process Design CenterB.V.NL, a także TU Delft.Paper reviewed/Artykuł recenzowanyNomenclature/Skróty i oznaczeniaAFHB Abgasprüfstelle der Fachhochschule, Biel CH (Lab. ForExhaust Gas Control, Univ. of Appl. Sciences, Biel-Bienne, CH)/Laboratorium Kontroli Emisji Spalin UniwersytetuNauk Stosowanych w Biel-Bienne, SzwajcariaBAFU Bundesamt für Umwelt (Swiss EPA)/Federalny Urząd ds.Środowiska (Szwajcarski oddział EPA)C Carburetor/gaźnikCarb Carburetor/gaźnikCMD count median diameter/obliczona środkowa wartość średnicyCPC condensation particle counter/kondensacyjny licznik cząstekstałychCVS constant volume sampling/stała objętość próbkowanychspalinCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)15

Wpływ mieszanek etanolowych na emisję cząstek stałych...DC diffusion charging sensor/czujnik rozcieńczenia ładunkuDF dilution factor/współczynnik rozcieńczeniaDMA differential mobility analyser/różnicowy analizator rozmiarucząstek oparty na ocenie ich zmienności ruchowejE pure ethanol (energy only Fig. 6a)/czysty etanol (jedynieenergia rys. 6a)EC elemental carbon/węgiel pierwiastkowyEH hydrous ethanol/etanol uwodnionyFHB Fachhochschule Biel/Uniwersytet Nauk Stosowanych wBiel-BienneGas gasoline leed-free, RON 95 (base fuel)/benzyna 95MD minidiluter/minitunel rozcieńczającyME Matter Engineering, CH/Inżynieria Materiałowa, SzwajcariaNanoMet minidiluter + PAS + DC (+TC)/minitunel rozcieńczający+ fotoelektryczny czujnik aerozolu + czujnik rozcieńczeniaładunku (+ termoklimatyzator)NP nanoparticulate (< 1 mm)/nanocząstki (< 1 mm)OC organic carbon/węgiel organicznyPAS photoelectric aerosol sensor/fotoelektryczny czujnik aerozoluPM particulate matter, particulate mass/cząstka stałaPMP particle measuring program (of the ECE GRPE)/programpomiaru cząstki (wg ECE GRPE)PSD particles size distribution/rozkład wymiarowy cząstekr rich basic tuning/tuning podstawowy w kierunku wzbogaceniamieszankiSAS secondary air system/system powietrza wtórnegoSMPS scanning mobility particles sizer/skaningowy analizatorwymiarowy cząstek stałych oparty na analizie ruchliwościelektrycznej cząstekSOF soluble organic fraction/frakcja rozpuszczalna cząstkistałejTC thermoconditioner, total carbon/termoklimatyzator, całkowitailość węglaTP tailpipe/przewód wylotowy silnikaTPN total particle number [#/km]/całkowita liczba cząstek [#/km]2-S 2 stroke engine/silnik dwusuwowy4-S 4 stroke engine/silnik czterosuwowyBibliography/Literatura[1] Czerwinski J., Comte P., Napoli S., Wili Ph.: Summer ColdStart and Nanoparticulates of Small Scooters. Report B086 forBUWAL (SAEFL) Bern, Lab. For Exhaust Gas Control, Univ.of Appl. Sciences, Biel-Bienne, Switzerland, Nov. 2000. SAETechn. Paper 2002-01-1096.[2] Czerwinski J., Comte P.: Limited Emissions and Nanoparticlesof a Scooter with 2-stroke Direct Injection (TSDI). SAE Techn.Paper 2003-01-2314.[3] Czerwinski J., Comte P., Reutimann F.: Nanoparticle Emissionsof a DI 2-Stroke Scooter with varying Oil- and Fuel Quality.SAE Techn. Paper 2005-01-1101.[4] Czerwinski J., Comte P., Larsen B., Martini G., Mayer A.:Research on Particle Emissions of modern 2-S Scooters. SAETechn. Paper 2006-01-1078.[5] Czerwinski J., Comte P., Astorga C., Rey M., Mayer A., ReutimannF.: (Nano) Particle from 2-S Scooters: SOF / INSOF;Improvements of Aftertreatment; Toxicity. AFHB, JRC, TTM,BAFU, SAE Techn. Paper 2007-01-1089.[6] Czerwinski J., Comte P., Violetti N., Landri P., Mayer A., ReutimannF.: Catalyst Aging and Effects on Particle Emissionsof 2-Stroke Scooters. SAE Techn. Paper 2008-01-0455.[7] Bergström K., Melin S-A., Coleman J.: General Motors Powertrain:The New ECOTEC Turbo BioPower Engine from GMPowertrain – Utilizing the Power of Nature’s resources. 28.Internationales Wiener Motorensymposium 2007, Bd.2, S. 47.[8] Bergström K., Nordin H., Königstein A., Marriott C.D., WilesM. A.: ABC – Alcohol Based Combustion Engines – Challengesand Opportunities. 16. Aachener Kolloquium FahrzeugundMotorentechnik 2007, Bd.2, S. 1031.[9] Kawai T., Tsunooka T., Chiba F., Uda H., Sonoda,Y., ToyotaMotor Corporation, Japan: Effect of high ConcentrationEthanol on SI Engine Cold Startability and Emissions. 16.Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik 2007.[10] DuMont R. J., Cunningham L.J., Oliver M.K., StudzinskiW.M., Galante-Fox J M.: Controlling Induction System Depositsin Flexible Fuel Vehicles Operating on E85. SAE Techn.Paper 2007-01-4071.[11] Galante-Fox J.M., Von Bacho P., Notaro C., Zizelman J.:E-85 Fuel Corrosivity: Effects on Port Fuel Injector DurabilityPerformance. SAE Techn. Paper 2007-01-4072.[12] CONCAWE ... Conservation of Clean Air und Water in Europe,Brussel, www.concawe.org.[13] Gottschalk A.: Gasoline Blending with Hydrous Ethanol.7th International Colloquium “Fuels”, Technische AkademieEsslingen TAE, Jan. 14-15, 2009.[14] Hydrous Ethanol Blends. HE Blends B.V. www.heblends.com[15] Czerwinski J., Comte P., Mayer A., Reutimann F., Zürcher D.:Reduction Potentials of Particle Emissions of 2-S Scooters withCombinations of Technical Measures. FISITA, Paper F2008-09-014, Congress Proceedings Vol. IV, p. 100, ATZ/ATZ autotechnology, Springer Automotive Media, Wiesbaden, D.Prof. Jan Czerwiński, DEng. – Laboratorium forIC-Engines and Exhaust Gas Control, University ofApplied Sciences Biel-Bienne, Switzerland.Prof. dr Jan Czerwiński – Laboratorium SilnikówSpalinowych i Emisji Spalin, Uniwersytet NaukStosowanych w Biel-Bienne, Szwajcaria.e-mail: jan.czerwinski@bfh.chAndreas Mayer, MEng. – Technik ThermischeMaschinen (TTM), Switzerland.Inż. Andreas Mayer – pracownik TermodynamicznejTechniki Maszyn (TTM), Szwajcaria.e-mail: ttm.a.mayer@bluewin.chPierre Comte – AFHB, University of AppliedSciences, Biel-Bienne, Switzerland.Pierre Comte – Uniwersytet Nauk Stosowanych,Biel-Bienne, Szwajcaria.e-mail: pierre.comte@bfh.chFelix Reutimann – BAFU, Federal Office of Environment,Switzerland.Felix Reutimann – BAFU, Federalne Biuro OchronyŚrodowiska, Szwajcaria.e-mail: felix.reutimann@ bafu.admin.ch16 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Distribution of piston compression ring pressure...Wojciech SERDECKIPiotr KRZYMIEŃPTNSS-2011-SS2-202Distribution of piston compression ring pressureagainst the deformed cylinder wallThe following study presents typical cylinder deformations that come up during engine assembly and operation andprovides results of analysis of how these changes affect the operation of the compression ring. Special attention has beenpaid to the effect of cylinder diameter increase on the distribution of the circumferential wall pressure and the causeof light gaps formation has been explained.The analyses presented in the following paper have been carried out using a computer program that has been formulatedbased on a compression ring mathematical model. Exemplary results of simulation have been obtained fora medium speed generator engine of a cylinder diameter of 0.48 m.Key words: marine combustion engine, piston ring, oil film, ring wall pressureRozkład nacisku tłokowego pierścienia uszczelniającego na gładź zdeformowanego cylindraW opracowaniu opisano typowe deformacje cylindra pojawiające się podczas montażu i eksploatacji silnika orazprzedstawiono wyniki analizy wpływu tych zmian na pracę pierścienia uszczelniającego. W szczególności omówionowpływ wzrostu średnicy cylindra na rozkład obwodowego nacisku pierścienia oraz wyjaśniono przyczyny powstawaniatzw. szczelin świetlnych.Prezentowane w opracowaniu analizy przeprowadzono przy wykorzystaniu programu obliczeniowego powstałego napodstawie modelu matematycznego uszczelniającego pierścienia tłokowego. Zaprezentowane w artykule przykładowewyniki symulacji uzyskano dla agregatowego silnika średnioobrotowego o średnicy cylindra równej 0,48 mm.Słowa kluczowe: silnik okrętowy, pierścień tłokowy, film olejowy, rozkład nacisków pierścienia1. IntroductionEven minor deformations of cylinder wall can cause aloss of light-tightness between the ring face and the cylinderliner influencing the tightness of the combustion chamber,deterioration of the engine parameters and increase in thewear of piston-cylinder assembly elements.Deformations of cylinder could occur both at the stageof engine assembly and during its operation. Deformationswhich could occur during installation of the cylinder heador the cylinder liner are dependent to a considerable extenton the design of the elements and the materials. Figure 1presents layouts of cylinder exemplary deformations causedby different ways the head is installed into the cylinder block.More examples of such deformations can be found in [1].Nevertheless, the major changes in geometry and innerdiameter of cylinder take place during engine operation. Atypical profile of the liner (Fig. 2a) shows that its maximalwear occurs at the liner upper part where the first compressionring contacts the cylinder wall when the piston movesclose to the TDC. This can be explained by the effect ofhigh temperature and high wall pressure (curves of wearare very similar to the curves of temperature and pressure).Precise measurements of the cylinders show that this wearis more complicated, which could not be explained directlyby the phenomena described by the hydrodynamic theoryof lubrication.It is generally believed that during engine operation thefollowing factors most significantly affect the differentiation1. WprowadzenieNawet niewielkie zmiany kształtu cylindra mogą spowodowaćpojawienie się tzw. szczelin świetlnych pomiędzypowierzchniami ślizgowymi pierścienia i cylindra, wpływającychna zmniejszenie szczelności komory spalania,pogorszenie parametrów pracy silnika oraz na wzrost zużyciaelementów układu tłokowo-cylindrowego.Odkształcenia cylindra mogą powstawać zarówno wfazie montażu silnika, jak i podczas jego eksploatacji. Dogrupy odkształceń montażowych zalicza się deformacjepowstałe podczas mocowania głowicy lub osadzania tulei wbloku cylindrowym, a na ich wielkość i kształt istotny wpływwywierają ich konstrukcja oraz materiały, z jakich wykonanote elementy. Na rysunku 1 pokazano szkice przedstawiająceprzykładowe odkształcenia cylindra, spowodowane odmiennymsposobem łączenia głowicy z blokiem cylindrowym.Więcej przykładów tego typu odkształceń można znaleźćw pracy [1].Jednak największe zmiany geometrii i średnicy wewnętrznejcylindra zachodzą podczas eksploatacji silnika.Typowy profil eksploatowanej tulei (rys. 2a) wskazuje, żejej maksymalne zużycia pojawią się w górnej części, wobszarze styku pierwszego pierścienia uszczelniającegoz gładzią cylindra w ZZ tłoka. Zjawisko to tłumaczy siędziałaniem w tym obszarze wysokiej temperatury i występowaniemdużych nacisków pierścienia (potwierdzeniemtego spostrzeżenia jest to, że krzywe zużycia wykazujądużą zbieżność z krzywymi obrazującymi rozkłady tem-COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)17

Rozkład nacisku tłokowego pierścienia uszczelniającego na gładź...a) b)Fig. 1. Changes in deformations of cylinder wall working surface causedby: a) different fixing of cylinder head, b) different thickness of cylinderwall [1]Rys. 1. Zmiany w obrazie odkształcenia powierzchni ślizgowej cylindraspowodowane: a – odmiennym sposobem osadzenia śrub mocującychgłowicę, b – różną grubością ścianek cylindra [1]peratury i nacisku). Dokładne pomiary eksploatowanychtulei cylindrowych wykazują jednak, że zużycie to mabardziej złożoną postać, niedającą się bezpośrednio wyjaśnićzjawiskami opisanymi przez hydrodynamiczną teoriąsmarowania.Uważa się, że najważniejszy wpływ na zróżnicowaniezużycia (szczególnie obwodowego) gładzi cylindra podczaseksploatacji silnika okrętowego mają [5]:– konstrukcja układu smarowania i stosowanie różnychgatunków olejów smarowych,– odmienne warunki pracy niektórych elementów układutłokowo-cylindrowego spowodowane różnego rodzaju błędamipowstającymi podczas montażu i regulacji silnika,– odmienne warunki współpracy dla pewnej grupy cylindrów(np. wspólna turbosprężarka),– indywidualne różnice konstrukcyjne, materiałowe, technologicznei montażowe poszczególnych cylindrów.Wymienienie na pierwszym miejscu jako przyczynynierównomiernego zużycia układu smarowania wynikaz faktu, że do utworzenia ciągłego filmu olejowego pomiędzywspółpracującymi powierzchniami wymaganajest odpowiednia ilość oleju smarowego. W odróżnieniuod silników mniejszej mocy, w których powierzchniecylindrów są smarowane mgłą olejową, w silnikachokrętowych olej doprowadzany jest punktowo na gładźcylindra. W starszych systemach olej dostawał się nagładź cylindra za pomocą tzw. króćców smarnych, rozmieszczonychna obwodzie cylindra, a następnie byłrozprowadzany obwodowo dzięki istnieniu specjalnychrowków smarowych. Taki sposób smarowania gładzibył mało skuteczny. Pomimo stosowania bardzo dużychdawek oleju pojawiały się obszary, w których dochodziłodo zrywania ciągłości filmu olejowego i nadmiernegozużycia gładzi. Spostrzeżenie to potwierdzają wynikipomiarów eksploatowanych tulei (rys. 3). W obszarachgładzi położonych między punktami smarowymi wystęofthe wear (circumferential in particular) of the cylinderliner [5]:– design of the lubrication system and the use of differentlube oils,– different operating conditions of some elements withinthe piston-cylinder group caused by faulty assembly andadjustment of the engine,– different operating conditions of a group of cylinders, e.g.common turbocharger,– individual constructional, material, technologic and assemblydifferences in cylinders.The lubrication system as the cause of irregular wear,mentioned in the first place, comes from the fact that acertain volume of lube oil is necessary for a formationof continuous oil film between the working surfaces.Opposite to engines of lower power output, where theworking surfaces of the liner are lubricated with the oilmist, marine engines oil is supplied directly to the spots ofthe cylinder surface. In earlier solutions the oil was suppliedby lubricating nozzles positioned along the cylindercircumference and was distributed by special lubricatinggrooves. Such a way of lubricating was highly inefficient.Fig. 3. “Clover leaf” pattern of cylinder surface wear: 1 – cylinder liner,2 – lubricating nozzle, 3 – ideal profile of the cylinder surface, 4 – profileof the worn cylinder surface [10]Rys. 3. Zużycie gładzi cylindra w kształcie „liścia koniczynki”:1 – tuleja cylindrowa, 2 – króciec smarny, 3 – idealny profil gładzicylindra, 4 – zużyty profil gładzi [10]Fig. 2. A sketch of the deformed cylinder (a) profile of the workingsurface measured in two perpendicular planes of the cylinder crosssection (b)Rys. 2. Szkic odkształconego cylindra (a) oraz profil powierzchniślizgowej mierzony w dwóch wzajemnie prostopadłych płaszczyznachprzekroju cylindra (b)18 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Rozkład nacisku tłokowego pierścienia uszczelniającego na gładź...investigations should be performed. These investigationsthe presented paper are substituted by simulations using amathematical model of the piston ring because of specificmeasuring difficulties.2. Investigations of the change in the ring wallpressure inside the cylinder of an enlargeddiameterA method of determination of the ring elastic wall pressureagainst an ideally cylindrical and deformed cylinderliner was proposed by Iskra [1]. The mathematical modelformulated according to this method, eventually developedand implemented by the authors was described in [6–8]. It isworth mentioning that the essence of this method lies in thesubstitution of the real ring with a model one, consisting ofa number of articulated rigid straight-line sections (Fig. 6).Moreover, it has been assumed that bending of a substitutering occurs only at joints and their substitutive stiffness correspondsto the stiffness of a real ring distributed along theentire circumference.Fig. 6. Schematics of the substitutive model of a piston ring [1]Rys. 6. Schemat modelu zastępczego pierścienia tłokowego [1]The above described computer program developed bythe authors has been applied to the computations aiming atthe principal goal, i.e. at a determination of the shape changeand circumferential distribution of the wall pressure insidethe cylinder of different wear level. Additionally, it has beenassumed that:– the ring touches the wall along the entire circumferencewith the preliminary pressure in new, ideally cylindricalliner,– despite the increase in the diameter, the cylinder crosssection remains circular,– independently of the cylinder diameter, an increased ratioring contacts the liner opposite the ring gap,– the surfaces of the ring face and the cylinder are ideallysmooth, i.e. the micro roughness is not taken into accountin the computations,– the working surfaces of the ring and the cylinder are notseparated with oil film,– the external forces acting on the ring (e.g. gas forces) arenot taken into consideration.fundamentowej silnika. Z kolei za przyczynę powstanianadmiernego zużycia gładzi o kształcie pokazanym na rys.4b uważa się wadliwie pracujący wtryskiwacz.Pomiary geometrii eksploatowanej tulei pozwalająocenić, czy nie zostały przekroczone wartości graniczne,tj. maksymalnie dopuszczalna średnica oraz odchyłkiokrągłości (mierzone w każdej z płaszczyzn pomiarowych)i odchyłki walcowości (mierzone w płaszczyznachprzechodzących przez kierunki pomiarów i oś tulei). Nawykresie rys. 5 pokazano opracowane na podstawie danychzestawionych w pracy [9] orientacyjne wartości granicznegozużycia i granicznej owalności tulei dla silnikówokrętowych wolnoobrotowych w zależności od średnicycylindra.Wzrost średnicy i zmiany kształtu cylindra pojawiającesię w czasie eksploatacji silnika powodują rozprężanie siępierścienia i spadek jego nacisku na gładź. Dla określeniawpływu zmian wartości tego nacisku na parametry tworzącegosię na gładzi cylindra filmu olejowego konieczne jestwykonanie badań, które, ze względu na problemy pomiarowe,w tym opracowaniu zostały zaplanowane jako badaniasymulacyjne realizowane przy wykorzystaniu modelu matematycznegopierścienia.2. Badania zmiany nacisku sprężystegopierścienia w cylindrze o powiększonej średnicyMetodę wyznaczenia rozkładu nacisku sprężystegopierścienia na ścianki idealnie okrągłego oraz zdeformowanegocylindra zaprezentował A. Iskra [1]. Opracowanyna podstawie tej metody model matematyczny,wykorzystany i rozbudowany przez autorów niniejszegoopracowania, opisano m.in. w pracach [6–8]. W tymmiejscu należy jedynie wspomnieć, że jej istota polegana zastąpieniu pierścienia rzeczywistego jego modelemobliczeniowym, składającym się z pewnej liczby sztywnychodcinków prostoliniowych połączonych przegubami(rys. 6). Założono, że zginanie pierścienia zastępczego jestmożliwe tylko w przegubach, przy czym ich zastępczasztywność odpowiada rzeczywistej sztywności rozproszonejna całym obwodzie pierścienia.Do realizacji obliczeń, których podstawowym celemjest określenie zmiany kształtu oraz obwodowego rozkładunacisku pierścienia osadzonego wewnątrz cylindra o różnymstopniu zużycia gładzi, wykorzystano program obliczeniowyopracowany przez Autorów na podstawie wcześniej wspomnianychzałożeń. Dodatkowo przyjęto, że:– w nowym, idealnie okrągłym cylindrze pierścień całymobwodem przywiera do gładzi z określonym wstępnienaciskiem,– pomimo wzrostu średnicy przekrój cylindra pozostajenadal okręgiem,– niezależnie od wielkości wzrostu średnicy cylindra pierścieńzawsze przywiera do gładzi cylindra w punkciepołożonym naprzeciw zamka pierścienia,– powierzchnie pierścienia i cylindra są idealnie gładkie,tzn. w obliczeniach nie uwzględnia się mikronierównościna powierzchniach współpracy,20 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Distribution of piston compression ring pressure...To begin the model investigationone should know thetechnical data of the ring andthe liner. For exemplary calculationsthat will be presented laterthe assumed ring is characterizedby the following data of areal ring used in medium speedengine L48/60CR type [2]:– ring radius r p= 0.24 m, (equalto R c– the radius of a newcylinder),– axial height h p= 15 mm,– radial thickness g p= 16 mm,– modulus of elasticity E == 1.2·10 5 MPa.The test have been carriedout for three cases of pressurecircumference distribution, i.e.for balanced distribution, increasedand reduced pressure close to the free gap (however, theaverage value of the pressure remained constant and was p s=0.063 MPa which corresponds to the catalogue value for the ringof this kind). The ring circumferential pressure distribution hasbeen presented as the sum of 10 Fourier harmonics. The maximumwear of the liner surface was limited to Z = 0.5 mm.3. The results of the simulation tests and theiranalysisThe results of the tests carried out, after preliminaryprocessing, have been presented in Figs. 8, 9 and 10.The shape analysis of a ring installed in the liner of agrowing diameter proved that the ring contacts the cylindersurface along the whole circumference only in a new liner(its wear Z = 0). Along with the increase in the liner wear(which is synonymous to the increase in the liner diameter)the expanding ring presses against the cylinder surface lessintensely (Fig. 8a).a) b)Fig. 7. A sketch of a piston compression ring (a) and an approximate shape of the ring inside the cylinder ofand increased diameter (b)Rys. 7. Szkic uszczelniającego pierścienia tłokowego (a) oraz orientacyjny kształt przyjmowany przez pierścieńw cylindrze towarzyszący wzrostowi jego średnicy (b)a) b)– powierzchnie współpracy pierścienia i cylindra nie sąrozdzielone warstwą oleju,– w czasie obliczeń nie uwzględnia się sił zewnętrznychdziałających na pierścień (np. sił gazowych).Rozpoczęcie badań modelowych wymaga dysponowaniainformacjami o parametrach pierścienia i cylindra. Doprzykładowych, prezentowanych dalej, obliczeń przyjętopierścień uszczelniający odpowiadający parametrom pierścieniasilnika średnioobrotowego L48/60CR o następującychparametrach (pierścień o identycznych parametrachwykorzystano podczas badań opisanych w pracy [2]):– promień pierścienia r p= 0,24 m, (równy promieniowinowego cylindra R c)– wysokość osiowa h p= 15 mm– grubość promieniowa g p= 16 mm– moduł sprężystości E = 1,2·10 5 MPaBadania przeprowadzono dla trzech przypadków obwodowegorozkładu nacisków, tzn. rozkładu zrównoważonego,Fig. 8. Variations in (a) ring circumferential pressure p(φ) and (b) slit wideness s dependent on liner surface wear Z; constant pressure distribution:p s= 0.063 MPa, p zam= 0.063 MPaRys. 8. Zmiany nacisku obwodowego p(φ) pierścienia (a) oraz szerokości s szczeliny (b) w zależności od zużycia Z gładzi cylindra; rozkład naciskówstały: p s= 0,063 MPa, p zam= 0,063 MPaCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)21

Rozkład nacisku tłokowego pierścienia uszczelniającego na gładź...a) b)Fig. 9. Variations in (a) ring circumferential pressure p(φ) and (b) slit wideness s dependent on liner surface wear Z; increased pressure distributionin the vicinity of the ring gap: p s= 0.063 MPa, p zam= 0.076 MPaRys. 9. Zmiany nacisku obwodowego p(φ) pierścienia (a) oraz szerokości s szczeliny (b) w zależności od zużycia Z gładzi cylindra; rozkład naciskówzwiększony w obszarze zamka: p s= 0,063 MPa, p zam= 0,076 MPaAt the same time the area of ring to wall contact diminishes(Fig. 8b) which results from the ring ends drifting apart (asshown in Fig. 7b). This phenomenon leads to a loss of light tightnesswhich increases along with the cylinder wear (Fig. 11).Piston ring designers are familiar with the drop in the ringwall pressure within the area of free gap, which is causedby different deformations of liners (thermal, mechanicaland relative to wear). In order to prevent the consequencesof this phenomenon (increase in the cylinder blow-bys)new rings exert a higher pressure in this region already atthe design stage. On the other hand, in engines where thering works with scavenging ports (two-stroke engines) thispressure should be reduced to avoid the ring ends breakoffs.To evaluate the effect of increased or reduced ring wallpressure (p zam) in the region of free gap on the light tightnesscomputations were carried out and results are presented inFigs. 9 and 10.A drop in the ring wall pressure, evenly distributed alongthe ring circumference is observed and it is the quickest fora unloaded ring (Fig. 11).a także powiększonego i pomniejszonego w obszarze zamka(jednak we wszystkich przypadkach średnia wartość naciskupozostawała stała i wynosiła p s= 0,063 MPa, co odpowiadawartości katalogowej dla tego pierścienia). Obwodowyrozkład nacisków pierścienia przedstawiono jako sumę 10harmonik rozkładu Fouriera. Maksymalne zużycie gładzicylindra ograniczono do wartości Z = 0,5 mm.3. Wyniki badań symulacyjnych i ich analizaWażniejsze wyniki przeprowadzonych badań, już powstępnym opracowaniu, przedstawiono na wykresach narys. 8, 9 i 10.Analiza kształtu pierścienia osadzonego w cylindrze o corazwiększej średnicy wykazała, że tylko w nowym cylindrze(dla którego zużycie Z = 0 mm) pierścień całym obwodemprzylega do gładzi cylindra. Wraz ze wzrostem zużycia gładzi(co jest równoznaczne ze wzrostem promienia cylindra) rozprężającysię pierścień coraz słabiej naciska na gładź cylindra(rys. 8a). Jednocześnie obszar jego kontaktu z gładzią ulegazmniejszeniu (rys. 8b), co jest związane z oddalaniem sięa) b)Fig. 10. Variations in (a) ring circumferential pressure p(φ) and (b) slit wideness s dependent on liner surface wear Z; reduced pressure distributionin the vicinity of the ring gap: p s= 0.063 MPa, p zam= 0.050 MPaRys. 10. Zmiany nacisku obwodowego p(f) pierścienia (a) oraz szerokości s szczeliny (b) w zależności od zużycia Z gładzi cylindra; rozkład naciskówzmniejszony w obszarze zamka: p s= 0,063 MPa, p zam= 0,050 MPa22 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Distribution of piston compression ring pressure...Fig. 11. Drop in the ring average pressure along with the wearof the cylinder surface for various types of pressure distributionin the vicinity of the gapRys. 11. Spadek średniego nacisku pierścienia wraz ze zużyciem gładzicylindra dla różnych rodzajów rozkładu nacisku w obszarze zamkaThe light tightness loosens when the wall pressure drops.To evaluate this quantitatively the relation between the Zliner wear and F area of light slit should be determined. Onecan conclude from the courses in Fig. 12 that the increase inthe slit area is most rapid for an unloaded ring.The results presented earlier have been obtained in acourse of tests carried out using mathematical models, developedusing simplifying assumptions adopted earlier. Ithas been assumed that calculations concern a ring installedon a piston of unfired engine, which leads to a lack of gasforces and oil film.The basic task for the oil film is the separation of theworking surfaces of the ring and the liner and the oil filmthickness depends on a number of parameters connectedwith the geometry of the working elements, the workingconditions as well as the properties of the lubricatingoil. The exemplary courses of the oil film thickness havebeen calculated for the first compression ring of a mediumspeed engine. The acquired courses of the oil film thickness(Fig. 13) are comparable with the thickness of theFig. 13. Exemplary distribution of oil film thickness set for the firstcompression ringRys. 13. Przykładowy rozkład grubości filmu olejowego wyznaczonydla pierwszego pierścienia uszczelniającegoFig. 12. Variations in light slit area F accompanying the cylinder surfacewear Z for three types of pressure distribution in the vicinity of the gap:1 – increased, 2 – even and 3 – reduced oneRys. 12. Zmiany pola powierzchni F szczeliny świetlnej towarzyszącezużyciu Z gładzi cylindra dla trzech rodzajów rozkładu naciskóww obszarze zamka: typów nacisku pierścienia: 1– zwiększonego,2 – równomiernego, 3 – zmniejszonegokońców pierścienia od gładzi cylindra (w sposób zbliżony dopokazanego na rys. 7b). Efektem tego zjawiska jest powstawanietzw. szczeliny świetlnej, której wymiary powiększająsię wraz ze wzrostem zużycia cylindra (rys. 11).Zjawisko spadku nacisku w obszarze zamka, spowodowaneróżnego typu deformacjami cylindra (termicznymi imechanicznymi oraz związanymi ze zużyciem), znane jestkonstruktorom pierścieni tłokowych. W celu zapobieżeniaskutkom tego zjawiska (w tym przede wszystkim wzrostowiprzedmuchów gazów do przestrzeni podtłokowej),już w fazie konstruowania w tym właśnie obszarze nadajesię pierścieniowi zwiększony nacisk. Z kolei w silnikach,w których pierścień współpracuje z cylindrami z oknamiprzepłukującymi (silniki dwusuwowe) zmniejsza się tennacisk w celu zapobieżenia zahaczaniu końców pierścieniao krawędzie okien. W celu oceny wpływu zwiększonegoi zmniejszonego nacisku pierścienia w obszarze zamka(p zam) na wielkość i kształt szczeliny świetlnej, wykonanoobliczenia, których wyniki zestawiono na wykresach narys. 9 i 10.Zwiększeniu średnicy cylindra towarzyszy spadek naciskupierścienia, równomierny na całym obszarze kontaktupierścienia z gładzią cylindra, przy czym jest on najszybszydla pierścienia odciążonego (rys. 11).Zmniejszaniu się nacisku towarzyszy wzrost wielkościszczeliny świetlnej. Do ilościowej oceny tego zjawiska zbadanozależność pomiędzy powierzchnią szczeliny świetlnej Fa zużyciem gładzi Z. Z analizy widocznych na rys. 12 przebiegówwynika, że wzrost powierzchni szczeliny następujenajszybciej dla pierścienia odciążonego.Przedstawione wyżej wyniki uzyskano podczas badańrealizowanych przy wykorzystaniu modeli matematycznych,opracowanych przy uwzględnieniu poczynionych wcześniejzałożeń upraszczających. Przyjęto m.in., że obliczeniadotyczą pierścienia osadzonego na tłoku niepracującegosilnika, czego konsekwencją jest brak sił gazowych orazfilmu olejowego.COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)23

Rozkład nacisku tłokowego pierścienia uszczelniającego na gładź...light slit, which means that those slits can be partiallyor fully filled with oil during the engine operation. Thisleads to the increase in the circumferential region of thering load transmission and the reduction in the exhaustblow-by.4. ConclusionsThe research on the phenomena accompanying thering operation on a running IC engine shows that thering wall pressure caused by the gas pressure sometimesdistinctly exceeds the pressure connected with the ring’sown elasticity. This means that momentary distributionsof ring wall pressure could differ considerably fromthose presented in this paper. In order to carry out at leastapproximate evaluation of the effect of the ring elasticpressure fluctuations on the course of the oil film thicknesstest were carried out for selected values of the ringelastic pressure. The obtained results confirmed earlierobservations (Fig. 13). The most considerable effect ofthe changes in the ring elastic pressure is visible withinthe regions where the ring speed is the highest and thiseffect is negligible in the vicinity of TDC (region of thestrongest gas forces).Paper reviewed/Artykuł recenzowanyPodstawowym zadaniem filmu olejowego jest rozdzieleniepowierzchni współpracy pierścienia i cylindra,a jego grubość zależy od wielu parametrów, związanychz geometrią współpracujących elementów, warunkami ichwspółpracy, a także z właściwościami oleju smarowego.Przykładowe przebiegi grubości filmu olejowego wyznaczonodla silnika średnioobrotowego, dla przypadku pracytylko pierwszego pierścienia uszczelniającego. Uzyskaneprzebiegi wartości grubości filmu olejowego (rys. 13) sąporównywalne z wartościami grubości szczeliny świetlnej,co oznacza, że podczas pracy w silniku mogą one być całkowicielub częściowo wypełnione olejem. Efektem tegozjawiska będzie wzrost obwodowego obszaru przenoszeniaobciążenia pierścienia oraz zmniejszenie przedmuchugazów spalinowych.4. PodsumowanieBadanie zjawisk towarzyszących pracy pierścienia wsilniku spalinowym wskazuje, że nacisk pierścienia, wywołanydziałaniem ciśnienia gazów, w niektórych obszarachdrogi pierścienia znacznie przekracza nacisk wynikającyze sprężystości własnej pierścienia. W efekcie chwilowerozkłady nacisków pierścienia na gładź będą się znacznieróżnić od prezentowanych w tym artykule. W celu chociażprzybliżonej oceny wpływu zmiany nacisku własnego pierścieniana przebiegi grubości filmu olejowego wykonanoobliczenia kontrolne dla wybranych wartości nacisku własnegopierścienia. Wyniki badań potwierdziły wcześniejszespostrzeżenia (rys. 13). Największy wpływ zmian naciskuwłasnego pierścienia jest widoczny w obszarach największejprędkości przemieszczania się pierścienia, przy czymw obszarach działania największych sił gazowych (obszarZZ) wpływ ten jest pomijalnie mały.Bibliography/Literatura[1] Iskra A.: Studium konstrukcji i funkcjonalności pierścieniw grupie tłokowo-cylindrowej. Wydawnictwo PP, Poznań1996.[2] Marine Engine Programme – MAN B&W, informator, 2008.[3] Merkisz J.: Zużycie oleju w szybkoobrotowych silnikachspalinowych, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań1994.[4] Piston Ring Manual. Published by Goetze.[5] Piaseczny L.: Technologia naprawy okrętowych silnikówspalinowych. Wydawnictwo Morskie, Gdańsk 1992.[6] Serdecki W.: Badania współpracy elementów układu tłokowocylindrowegosilnika spalinowego. Wydawnictwo PolitechnikiPoznańskiej, Poznań 2002.[7] Serdecki W.: Wpływ zmian nacisku sprężystego pierścieniatłokowego na parametry filmu olejowego, Kones 2002.[8] Serdecki W., Krzymień P.: Compression rings of low-speedhigh power engines. Journal of Kones, Warsaw 2010.[9] Włodarski J.K.: Zużycie i smarowanie maszyn okrętowych.Wydawnictwo Morskie, Gdańsk 1979.[10] Włodarski J.K.: Podstawy eksploatacji maszyn okrętowych.Tarcie i zużycie. Akademia Morska, Gdynia 2006.Wojciech Serdecki, DSc., DEng. – Professor in theFaculty of Mechanical Engineering at Poznan Universityof Technology.Dr hab. inż. Wojciech Serdecki – profesor na WydzialeMaszyn Roboczych i Transportu PolitechnikiPoznańskiej.e-mail: wojciech.serdecki@put.poznan.plPiotr Krzymień, DEng. – doctor in the Faculty ofMechanical Engineering at Poznan University ofTechnology.Dr inż. Piotr Krzymień – adiunkt na Wydziale MaszynRoboczych i Transportu Politechniki Poznańskiej.e-mail: piotr.krzymien@put.poznan.pl24 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

A study of charge exchange in a residual-effected...Jacek HUNICZPTNSS-2011-SS2-203A study of charge exchange in a residual-effected HCCI gasoline engineAn in-cylinder charge exchange process in a gasoline homogeneous charge compression ignition (HCCI) engine operatedin a negative valve overlap (NVO) mode was studied. Research was performed using a single-cylinder researchengine with fully variable valve actuation. Combination of in-cylinder pressure traces processing and fluid flow modelenables cycle-by-cycle analysis of charge composition and temperature. It allows forecasting of in cylinder pressurevolumeand temperature-volume histories and can be used for physical-based engine control. In this paper influence ofvalves timings and valves lifts on the gas exchange process was analyzed. Special attention was paid to the effects ofbackflows of the in cylinder charge to an intake port.Key words: HCCI, gasoline, negative valve overlap, variable valve actuationAnaliza procesu wymiany ładunku w benzynowym silniku HCCIz wewnętrzną recyrkulacją spalinW artykule przedstawiono wyniki analizy procesu wymiany ładunku w benzynowym silniku HCCI (ang. homogeneouscharge compression ignition) działającym z ujemnym współotwarciem zaworów. Badania eksperymentalne zostały przeprowadzonena jednocylindrowym silniku badawczym wyposażonym w układ zmiany faz rozrządu i wzniosu zaworów.Połączenie analizy ciśnienia indykowanego w cylindrze i modelu przepływu czynnika roboczego pozwala na określanieskładu oraz temperatury czynnika w cylindrze z rozdzielczością cyklową. Dzięki temu możliwe jest przewidywanie przebiegówkrzywych temperatury i ciśnienia sprężania, co może być wykorzystane do sterowania silnika w oparciu o modelfizyczny. W niniejszej pracy dokonano analizy wpływu zmiennych faz rozrządu i zmiennego wzniosu zaworów na proceswymiany ładunku. Szczególną uwagę zwrócono na efekty przepływów zwrotnych z cylindra do kanału dolotowego.Słowa kluczowe: HCCI, silnik benzynowy, ujemne współotwarcie zaworów, zmienny układ rozrządu1. IntroductionAuto-ignition of homogeneous charge is an alternative tospark ignition engines, both with homogeneous and stratifiedcharge combustion. Spontaneous commencement of combustionin a whole in-cylinder volume results in a thermal efficiencycomparable to stratified mixture combustion. A decrease in thein-cylinder temperature allows a substantial reduction of theemission of nitrogen oxides. An engine able to realize HCCI(homogeneous charge compression ignition) in some part ofthe load-speed map can be equipped with a 3-way catalyticconverter, even if the engine is fed with a lean mixture.Recently, a rapid development of this combustion systemhas been observed. The most production-feasible solution fora HCCI engine is the use of internal exhaust re-circulation(residual effect) obtained by a negative valve overlap (NVO).The combination of a fully variable valvetrain system with adirect gasoline injection allows controlling of the combustioncourse and exhaust emissions.The idea of the HCCI engine with internal exhaust re-circulationis based on the organization of the charge exchangeprocess. As a result, auto-ignition temperature of the mixtureoccurs at the same crank angle position, independently ofengine load and speed conditions.The aim of this study is a presentation of the mechanism,which is the key to stable operation of HCCI engines. Suchan engine does not need active, closed loop control of theheat release rate. This paper is a continuation of author’sprevious works in this field [4, 5].1. WprowadzenieSamozapłon mieszanek jednorodnych stanowi alternatywędla silników o zapłonie iskrowym, spalających zarównoładunek homogeniczny, jak i uwarstwiony. Zapłon mieszankiw wielu miejscach komory spalania jednocześnie sprawia,że sprawność silnika jest porównywalna z systemami spalaniaładunku uwarstwionego. Dzięki obniżeniu temperaturyspalania emisja tlenków azotu ulega radykalnemu obniżeniu.Taki silnik, który realizuje proces spalania HCCI (homogeneouscharge compression ignition) może pracować przyubogich mieszankach, współpracując z trójfunkcyjnymreaktorem katalitycznym spalin.Obecnie trwają intensywne prace nad rozwojem tego systemuspalania. Jedynym rozwiązaniem, które nadaje się dopraktycznego wykorzystania jest wewnętrzna recyrkulacjaspalin uzyskana dzięki ujemnemu współotwarciu zaworów.Połączenie takiego sposobu wymiany ładunku (całkowiciezmienny układ rozrządu) z bezpośrednim wtryskiem paliwapozwala na kontrolę przebiegu spalania i emisji toksycznychskładników spalin.Istota działania silnika HCCI z wewnętrzną recyrkulacjąspalin oparta jest na unikalnym przebiegu procesu wymianyładunku. W wyniku jego realizacji temperatura samozapłonumieszanki osiągana jest przy odpowiednim położeniu wałukorbowego, niezależnie od obciążenia silnika i prędkościobrotowej.Celem pracy jest przedstawienie mechanizmu odpowiedzialnegoza stabilną pracę silnika HCCI bez koniecznościCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)25

Analiza procesu wymiany ładunku w benzynowym silniku HCCI...This method was verified by Wildman et al. [11]. Figure3 presents in-cylinder residual fraction calculated based onthe CO 2balance and using equation (2). The in-cylinderCO 2content was measured with the use of cylinder fluidsampling probe.It is noteworthy that the calculated mass of the exhausttrapped in a single engine operation cycle is not equal to there-circulated mass in the following cycle. Because of thebackflows, during the intake stroke some amount of exhaustwill flow into the intake port, while the residuals existing inthe intake system will enter the cylinder.4. Charge exchange modelThe information about the volumetric efficiency and EGRrate is insufficient in the analysis of the working cycle of anHCCI engine operated in the NVO mode. In order to definethermodynamic properties of the in-cylinder fluid the wholecharge exchange process should be known.An elaborated hybrid model uses the results of theindicated pressure measurements as one of the boundaryconditions. The mixture properties in the intake manifold arecalculated based on the mass flow of the medium throughthe throttle and the intake valve and the heat exchange withthe walls of the intake system. The aim of modeling wasnot to substitute the measurements with the simulated databut to support the experimental data analysis. ConsideringFig. 4. Schematic presentation of the mass balance during the intakeprocessRys. 4. Schematyczna prezentacja bilansu masy podczas procesu dolotuFig. 3. The comparison of the exhaust molar fractions measured with theuse of in-cylinder gas sampling system (direct method) and calculatedfrom the ideal gas equation of state at the EVC (indirect method) [11]Rys. 3. Porównanie frakcji molowych spalin w cylindrze określonychprzez pomiar składu czynnika (metodą bezpośrednią) oraz obliczonychz równania stanu gazu (metodą pośrednią) [11]natomiast część masy spalin znajdujących się w kolektorzedolotowym napłynie do cylindra.4. Model wymiany ładunkuAby przeprowadzić analizę procesu roboczego silnikaHCCI, pracującego z ujemnym współotwarciem zaworów,nie wystarczy znajomość wyłącznie współczynnika napełnieniaoraz współczynnika recyrkulacji spalin. W celu określeniaparametrów termodynamicznych czynnika koniecznajest znajomość przebiegu wymiany ładunku.Opracowany model hybrydowy wykorzystuje przebiegciśnienia w cylindrze pochodzący z pomiarów. Parametrytermodynamiczne czynnika w kolektorze dolotowym sąobliczane na podstawie masy napływającego i wypływającegoczynnika oraz ciepła wymienianego pomiędzyczynnikiem i ściankami rury dolotowej. Celem modelowaniabyło wspomaganie analizy wyników badań eksperymentalnych,a nie odtworzenie przebiegu całego cykluroboczego. W związku z tym uznano, że wystarczającybędzie 1-wymiarowy model, powszechnie wykorzystywanyw tego typu aplikacjach [9, 10]. Ze względu na znacząceróżnice pomiędzy procesami zachodzącymi w typowychsilnikach czterosuwowych a silnikiem o kontrolowanymsamozapłonie, w proponowanym modelu dokonano podziałuobjętości kontrolnej układu dolotowego na strefy.Zależnie od rodzaju przepływów zwrotnych spaliny i paliwozawrócone do układu dolotowego mogą się mieszaćlub nie mieszać z powietrzem.Proces wymiany ładunku podzielono na 4 etapy (rys. 4):a) przepływ zwrotny mieszaniny spalin z paliwem do kolektoradolotowego,b) wlot do cylindra spalin i paliwa, które wypłynęły wewczesnej fazie dolotu,c) napływ do cylindra powietrza wraz z częścią spalin i paliwa,które wypłynęły z cylindra w poprzednich cyklachpod koniec procesu dolotu,28 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Analiza procesu wymiany ładunku w benzynowym silniku HCCI...Fig. 8. The in-cylinder temperature at IVC versus in-cylinder massat various engine loadsRys. 8. Zależność temperatury początku sprężania od masy ładunkuw cylindrze przy zmiennych obciążeniach silnika5.6. Zmienność cykliczna procesu roboczegoOpisany powyżej mechanizm zapewniający właściwyprzebieg temperatury sprężania w warunkach zmiennegoobciążenia zapewnia także powtarzalną pracę silnika. Wzajemnerelacje pomiędzy warunkami panującymi w komorzespalania oraz podstawowymi wielkościami związanymi zkątowym przebiegiem spalania utrzymują stabilną pracę silnikabez konieczności aktywnego sterowania procesem wywiązywaniasię ciepła. Wielkości, które determinują chwilęsamozapłonu oraz długość procesu spalania to współczynniknadmiaru powietrza, współczynnik recyrkulacji spalin oraznatężenie przepływów zwrotnych do kanału dolotowego,które ochładzają czynnik w komorze spalania. Na rysunku9 przedstawiono przebiegi temperatury w cylindrze w kolejnychcyklach pracy silnika.Na rysunku 10 przedstawiono wartości podstawowychwielkości opisujących przebieg wymiany ładunku orazwielkości charakteryzujących przebieg spalania w kolejnychcyklach pracy silnika. Współczynnik zmienności średniegociśnienia indykowanego wynosił 0,08. Jako współczynnikwyrażający intensywność przepływów zwrotnych przyjthethermodynamic properties related to the charge exchangeprovide an appropriate temperature-volume compressioncourse, which is independent of the air excess coefficientor the volumetric efficiency.Figure 8 presents the in-cylinder temperature at the beginningof the compression against the overall fluid mass inthe cylinder. In the analyzed range of engine operation thein-cylinder mass, related to the air mass that would fill thewhole cylinder volume at normal physical conditions wasvaried in the range of only 4%, while the temperature at IVCwas varied in the range of 50 K.The increase in the charge temperature at lower fluidmass is compensated by a larger share of the heat lossesduring compression. As a result, the auto-ignition temperatureis always achieved at the appropriate crank angle.The auto-ignition temperature itself is also nearly constant(approximately 775 K). This value insignificantly increaseswith the rising mixture dilution coefficient.5.6. Cycle-to-cycle variabilityThe above-presented mechanism, which guarantees acorrect course of the compression temperature, also providesa stable engine operation. The relationship between thein-cylinder conditions and the heat release rate parametersprovides a stable engine operation without the need of activeclosed-loop engine control. The combustion onset and theheat release rate are determined by the air-excess coefficient,the EGR rate and the backflow rate, which decreases the temperatureat the start of the compression. Figure 9 presents thecourses of in cylinder temperature for consecutive cycles.Figure 10 presents the values that define the crank anglecombustion course and the charge exchange process forconsecutive engine cycles. The engine was operated at alean mixture. The coefficient of variation in the IMEP wasapproximately 0.08. The backflow rate was a ratio of fluidmass that flowed from the cylinder to the intake port duringrównym 173 °OWK. Zarówno zmniejszanie, jak i zwiększaniemasy spalin w cylindrze powoduje ograniczenienadmiaru powietrza, pozwalającego na stabilną pracę silnika.Jednakże sam graniczny stopień rozrzedzenia ładunku wzrastaprzy zwiększaniu ilości recyrkulowanych spalin.Generalnie przy zwiększaniu współczynnika l obciążeniesilnika maleje znacznie szybciej, niż wynikałoby toz samego współczynnika nadmiaru powietrza. Zubażaniemieszanki prowadzi do zwiększenia gęstości spalin, a wkonsekwencji maleje napełnienie cylindra.5.5. Zmienność masy ładunku w cylindrzeW całym zakresie obciążenia występuje pewien stanrównowagi pomiędzy parametrami termodynamicznymiczynnika zasysanego i opuszczającego cylinder. Współczynniknapełnienia cylindra, temperatura spalin i współczynnikrecyrkulacji spalin są ze sobą ściśle związane, a łączna masaładunku w cylindrze zmienia się w bardzo niewielkim stopniu.Przy właściwych nastawach układu rozrządu procesytermodynamiczne związane z wymianą ładunku gwarantująutrzymanie właściwego przebiegu krzywej temperatury sprężania,niezależnie od współczynnika nadmiaru powietrza iwspółczynnika napełnienia cylindra.Na rysunku 8 przedstawiono temperaturę w cylindrzena początku sprężania w funkcji masy czynnika roboczego.W analizowanym zakresie pracy silnika masa czynnika wcylindrze w stosunku do masy powietrza, jaka znajdowałabysię w objętości skokowej cylindra przy współczynnikunapełnienia równym jedności, zmienia się zaledwie o 4%, atemperatura w chwili zamknięcia zaworu dolotowego – o 50K. Zwiększenie temperatury przy małych masach ładunkukompensowane jest większym udziałem strat ciepła. Wwyniku tego temperatura samozapłonu zawsze uzyskiwanajest przy właściwym położeniu wału korbowego. Samawartość temperatury samozapłonu również jest prawie stała(około 775 K) i nieznacznie wzrasta wraz z rozrzedzeniemładunku.32 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

A study of charge exchange in a residual-effected...the intake process (early and late backflows) and the entirein-cylinder mass after IVC.The amount of fresh air that enters the cylinder is dependenton the mass of the trapped exhaust. As a result the temperatureduring the exhaust process is a factor determiningthe course of the compression and the start of the combustionin the engine cycle that follows.A rapid heat release rate causes a decrease in the exhausttemperature. A higher exhaust density results in a lowervolumetric efficiency and a slower combustion in the cyclethat follows.As the fuel is injected directly into the cylinder, thisprocess does not vary the mass of fuel. However, the variabilityof the air excess coefficient decreases the changes inthe combustion rate, which is a result of the variable massof air.6. ConclusionsResidual-effected gasoline HCCI engines can be operatedin a wide range of loads without the need of active,closed-loop control of the combustion onset and the rate ofheat release. A proper course of the compression temperaturethat ensures auto-ignition close to TDC is a result of theFig. 9. The in-cylinder temperature variabilityRys. 9. Zmienność temperatury w cylindrzemowano stosunek sumy mas czynnika przepływającegodo kanału dolotowego w początkowej i w końcowej fazieprocesu dolotu do całkowitej masy ładunku w cylindrze pozamknięciu zaworu dolotowego.Ponieważ ilość powietrza jaka dostanie siędo cylindra zdeterminowana jest przez ilość recyrkulowanychwewnętrznie spalin, to właśnietemperatura w trakcie procesu wylotu determinujeprzebieg procesu spalania w kolejnymcyklu. Szybkie wywiązywanie się ciepła wiążesię z obniżeniem temperatury spalin, co w efekciezwiększa współczynnik recyrkulacji spalinw kolejnym cyklu. Wynikający z tego spadekwspółczynnika napełnienia spowalnia processpalania w kolejnym cyklu. Ponieważ paliwowtryskiwane jest bezpośrednio do cylindra, jegomasa nie ulega większym zmianom. Jednakżezmiany współczynnika nadmiaru powietrzanieco kompensują zmienność procesu spalaniawynikającą z ilości powietrza w cylindrze.Fig. 10. Crank angle at 5% MFB, combustion duration, air excess coefficient, EGR rate,volumetric efficiency and backflow rate for 40 consecutive engine cyclesRys. 10. Kąt wypalenia 5% dawki paliwa, kąt spalania, współczynnik nadmiaru powietrza,współczynnik recyrkulacji spalin, współczynnik napełnienia oraz współczynnikprzepływów zwrotnych dla 40 kolejnych cykli pracy silnika6. WnioskiBenzynowy silnik HCCI z wewnętrznąrecyrkulacją spalin może pracować w szerokimzakresie obciążeń bez konieczności sterowaniaprzebiegiem procesu wywiązywania się ciepław zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego.Dostrzeżone zależności pomiędzy współczynnikiemnapełnienia, współczynnikiem wewnętrznejrecyrkulacji spalin oraz temperaturąspalin stanowią mechanizm samoregulacji,zapewniający właściwy przebieg krzywychsprężania, skutkujący samozapłonem w pobliżugórnego zwrotnego położenia tłoka.Na podstawie analizy zmienności cyklicznejprocesu roboczego stwierdzono, że zmiennośćta, w przeciwieństwie do silników o zapłonieiskrowym [13], ma charakter deterministyczny.COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)33

Analiza procesu wymiany ładunku w benzynowym silniku HCCI...relationship between the volumetric efficiency, the internalEGR rate and the exhaust temperature.The analysis of the cyclic variability of the in-cylinderprocesses showed that in contrast to spark ignition engines[13], HCCI engines disclose a deterministic character of thecycle-to-cycle phenomena. This mechanism is the same asthe one identified at variable engine loads. Additionally, thebackflows of the fluid from the cylinder to the intake portplay an important role in the cyclic fluctuations.Mechanizm, który odpowiada za zmienność cykliczną jesttaki sam jak ten, który zapewnia możliwość pracy silnikaprzy zmiennych obciążeniach. Ponadto w cyklicznej zmiennościprocesu roboczego znaczną rolę odgrywają przepływyzwrotne czynnika z cylindra do kanału dolotowego.Paper reviewed/Artykuł recenzowanyNomenclature/Skróty i oznaczeniaCA Crankshaft Angle/kąt obrotu wału korbowegocyl Cylinder/cylinderEGR Exhaust Gas Recirculation/recyrkulacja spalinEV Exhaust Valve/zawór wylotowyEVC Exhaust Valve Closing/zamknięcie zaworu wylotowegoexh Exhaust/spalinyHCCI Homogeneous Charge Compression Ignition/samozapłonmieszanek jednorodnychIMEP Indicated Mean Effective Pressure/średnie ciśnienie indykowaneIV Intake Valve/zawór dolotowyIVC Intake Valve Closing/zamknięcie zaworu dolotowegoIVO Intake Valve Opening/otwarcie zaworu dolotowegoh VVolumetric efficiency/współczynnik napełnienial Lift of a valve/wznios zaworul Air excess ratio/współczynnik nadmiaru powietrzam Mass/masaMFB Mass Fraction Burnt/stopień wypalenia dawki paliwaNVO Negative Valve Overlap/ujemne współotwarcie zaworówSOC Start of Combustion/początek spalaniaT Temperature/temperaturap Pressure/ciśnienieV Volume/objętośćy Mixture dilution ratio/stopień rozrzedzenia ładunkuBibliography/Literatura[1] Heywood J.: Internal combustion engine fundamentals.McGraw-Hill Book Company, 1988.[2] Hunicz J.: Combustion control in gasoline HCCI engine withdirect fuel injection and exhaust gas trapping. Journal of KO-NES Powertrain and Transport. Vol. 17, No. 2, 2010.[3] Hunicz J., Kordos P.: An experimental study of fuel injectionstrategies in CAI gasoline engine. Experimental Thermal andFluid Science, Vol. 35, Issue 1, pp. 243-252, 2011.[4] Hunicz J., Kordos P.: Experimental study of the gasolineengine operated in spark ignition and controlled auto-ignitioncombustion modes. SAE Technical Paper no 2009-01-2667,2009[5] Hunicz J., Niewczas A., Kordos P.: Research into a gasolineHCCI engine. Combustion Engines, Vol. 140, pp. 3-13,2010.[6] Kim J.N., Kim H.Y., Yoon S.S., Sa S.D., Kim W.T.: Effect ofvalve timing and lift on flow and mixing characteristics of aCAI engine, Int. Journal of Automotive Technology. vol. 8,no. 6, pp. 687-696, 2007.[7] Koopmans L., Backlund O., Denbratt I.: Cycle to cycle variations:Their influence on cycle resolved gas temperature andJacek Hunicz, DEng. – doctor in the Faculty ofMechanical Engineering at Lublin University ofTechnology.Dr inż. Jacek Hunicz – adiunkt na Wydziale MechanicznymPolitechniki Lubelskiej.e-mail: jhunicz@pollub.plunburned hydrocarbons from a camless gasoline compressionignition engine. SAE Technical Paper 2002-01-0110, 2002.[8] Lee C.H., Lee K.H.: An experimental study of the combustioncharacteristics in SCCI and CAI based on direct-injectiongasoline engine. Experimental Thermal and Fluid Science,vol. 31, pp. 1121-1132, 2007.[9] Mahrous A-F.M., Potrzebowski A., Wyszyński M.L., Xu H.M.,Tsolakis A., Łuszcz P.: A modelling study into the effects ofvariable valve timing on the gas exchange process and performanceof a 4-valve DI homogeneous charge compressionignition (HCCI) engine. Energy Conversion and Management,vol. 50, pp. 393-398, 2009.[10] Shaver G.M., Roelle M.J., Gerdes J.Ch.: Modeling cycle-tocycledynamics and mode transition in HCCI engines withvariable valve actuation. Control Engineering Practice, vol.14, pp. 213-22, 2006.[11] Wildman C., Scaringe R.J., Cheng W.K.: On the maximumpressure rise rate in boosted HCCI operation. SAE TechnicalPaper 2009-01-2727, 2009.[12] Yamaoka S., Kakuya H., Nakagawa S., Nogi T., ShimadaA., Kihara Y.: A study of controlling the auto-ignition andcombustion in a gasoline HCCI engine, SAE Technical Paper2004-01-0942, 2004.[13] Zervas E.: Correlations between cycle-to-cycle variations andcombustion parameters of a spark ignition engine, AppliedThermal Engineering, vol. 24, pp. 2073-2081, 2004.[14] Zhao H., Li J., Ma T., Ladommatos N.: Performance andanalysis of a 4-stroke multi-cylinder gasoline engine with CAIcombustion. SAE Technical Paper 2002-01-0420, 2002.34 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Stationary simulation tests of exhaust emission...Zdzisław CHŁOPEKPTNSS-2011-SS2-204Stationary simulation tests of exhaust emission in dynamic testsfor Diesel engines with various applicationsThe significant problem of evaluation of effective properties of Diesel engines, including, among others, ecologicalproperties, is adoption of conditions of engine operation corresponding to conditions of use in testing procedures. Thepaper presents examples of stationary tests simulating the American dynamic test, i.e. Heavy Duty–Diesel–Transient–Test (HD–D–T–T). An engine with self-ignition and direct injection was tested during dynamic tests, i.e. HD–D–T–T andduring stationary tests simulating HD–D–T–T. Results of the tests were analysed. The authors found high sensitivity ofresults of ecological tests on engine properties to conditions of tests as well as criteria of similarity of engine test conditionsto conditions of operation of the engines. It was found that in relation to Diesel engines with other than vehicleapplications, i.e. which are less commonly used than in automotive industry, it is necessary to prepare statistics of theresults of research test synthesis.Key words: Diesel engines, toxicity of exhaust gases, exhaust emissions, test proceduresStatyczne badania symulacyjne emisji zanieczyszczeńw testach dynamicznych dla silników spalinowych o różnych zastosowaniachIstotnym problemem oceny użytkowych właściwości silników spalinowych, w tym m.in. właściwości ekologicznych, jestprzyjęcie w procedurach badawczych warunków pracy silników, odpowiadających warunkom użytkowania. W artykuleprzedstawiono przykładowe testy statyczne symulujące amerykański test dynamiczny Heavy Duty–Diesel–Transient–Test(HD–D–T–T). Przeprowadzono badania silnika o zapłonie samoczynnym z wtryskiem bezpośrednim w teście dynamicznymHD–D–T–T i w testach statycznych symulujących test HD–D–T–T oraz dokonano analizy wyników badań. Stwierdzonodużą wrażliwość wyników badań ekologicznych właściwości silników na warunki przeprowadzania badań, a zatem równieżna kryteria podobieństwa warunków badań silników do warunków ich eksploatacji. Stwierdzono, że w odniesieniudo silników spalinowych o zastosowaniach innych niż samochodowe, a więc o mniejszej powszechności zastosowanianiż w motoryzacji, jest konieczne statystyczne opracowanie wyników syntezy testów badawczych.Słowa kluczowe: silniki spalinowe, toksyczność spalin, emisja zanieczyszczeń, procedury badawcze1. IntroductionBasic problems of testing of effective properties of Dieselengines include adoption of testing conditions and theirsuitability for conditions of use. As a result of preparation ofsuch conditions, research procedures are created. Especiallyin the situation, in which Diesel engines are commonly used,e.g. in automotive industry, the procedures may play a roleof generally current standards [4]. However, it is also necessaryfor the tests to cover engines with other applications orengines working in other conditions. In this case, attemptsare also made in order to prepare generally applicable standardsof research procedures [4, 12, 18, 19]. However, it isoften necessary due to special targets of cognitive researchto adopt a critical approach to the existing procedures andtackle problems of methodology of evaluation of effectiveproperties of Diesel engines.As Diesel engines develop and more stringent ecologicaldemands are imposed on Diesel engines, research methods,including certification and cognitive methods, are developed [2,3, 9–11, 13–15]. It is particularly essential to test the sensitivityof emission of pollution to stationary conditions of the engineoperation as expressed in the engine speed and load as well asupon existence of dynamic conditions. The tests are particularlyrelevant in, among others, situations, in which engines are used1. WprowadzeniePodstawowymi problemami badania użytkowych właściwościsilników spalinowych są: przyjęcie warunkówbadań oraz ich odpowiedniość w stosunku do warunkówużytkowania. W wyniku opracowania takich warunkówpowstają procedury badawcze. Szczególnie w sytuacji dużejpowszechności zastosowań silników spalinowych, np.w motoryzacji, procedury te mogą odgrywać rolę ogólnieobowiązujących norm [4]. Istnieją jednak również potrzebyobjęcia badaniami silników o innych zastosowaniach lubpracujących w innych warunkach. Wtedy także są podejmowanepróby opracowania powszechnie obowiązującychstandardów procedur badawczych [4, 12, 18, 19]. Często jestjednak konieczne, ze względu na szczególne cele stawianebadaniom poznawczym, krytyczne podejście do istniejącychprocedur i podejmowanie problemów metodyki oceny użytkowychwłaściwości silników spalinowych.W miarę rozwoju silników spalinowych i stawiania imcoraz ostrzejszych wymagań ekologicznych są rozwijanemetody badawcze, nie tylko certyfikacyjne, ale i poznawcze[2, 3, 9–11, 13–15]. Szczególnie istotne jest badanie wrażliwościemisji zanieczyszczeń na stany statyczne pracy silnika,wyrażone prędkością obrotową i obciążeniem, oraz na występowaniestanów dynamicznych. Badania te mają istotneCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)35

Statyczne badania symulacyjne emisji zanieczyszczeń...for purposes other than automotive. The applications of the enginescause that most frequently occurring stationary conditionsof the engine operation differ considerably from the conditionsof automotive applications [14, 15]. Similar considerable differencesoccur within the scope of dynamic conditions [15].2. Simulations of dynamic tests of Diesel engineswith the use of stationary testsSince 1985, when HD–D–T–T dynamic test was introducedin the United States of America, a considerableinterest has been observed in preparation of both dynamicand stationary tests simulating dynamic tests [5–8, 16, 17,20]. Examples of stationary tests simulating HD–D–T–Tdynamic tests were prepared in AVL LIST (Anstalt für VerbrennungskraftmaschinenProf. Dr. H. List) – an 8-mode and14-mode test [5, 7, 8, 20] and in Steyr–Daimler–Puch AG –an 11-mode test with the use of the universal test points basedupon ECE R49 standard test [17]. The tests were prepared inaccordance with the criteria of similarity of [6]:– conditions of the engine operation: equality of averageeffective power,– parameters describing effective properties of the engine:equality of average specific brake emissions of particularexhaust components (in [5, 7, 8, 17, 20] emissions ofhydrocarbons, nitric oxides and particulate matter wereconsidered).Examples of stationary tests simulating HD–D–T–Tdynamic test are presented in Fig. 1–3.The description of research tests on Diesel engines performedin an engine test stand, the notions of relative enginespeed and relative engine torque were introduced [14, 15]:the relative engine speed iswhere: n – engine speed, n id– minimum engine speed at idlerun, n N– rated engine speed.The relative torque for the engine speed n is related tothe engine torque on the external speed characteristics forthe same speed:where: M e(n) – the engine torque for engine speed n, M ez(n)– the engine torque on the external speed characteristics forthe engine speed n.The area of particular point circles in relative coordinatesof the engine speed and torque in Fig. 1–3 are proportionalto the share of particular modes of operation in the tests.Various criteria of synthesis of stationary tests simulatingHD–D–T–T dynamic test cause that the stationary tests differconsiderably in terms of shares of particular modes.3. Results of tests of exhaust emissions in stationarytests simulating the dynamic testComparative tests in HD–D–T–T dynamic test andstationary tests simulating HD–D–T–T dynamic test were(1)(2)znaczenie m.in. wtedy, gdy silniki mają inne zastosowanianiż motoryzacyjne. Zastosowania te powodują, że najczęściejwystępujące statyczne stany pracy silników znaczniesię różnią od stanów do zastosowań motoryzacyjnych [14,15]. Podobnie znaczne różnice występują w zakresie występowaniastanów dynamicznych [15].2. Symulacje testów dynamicznych silnikówspalinowych testami statycznymiOd roku 1985, gdy w Stanach Zjednoczonych Amerykiwprowadzono test dynamiczny HD–D–T–T, zauważa sięduże zainteresowanie opracowywaniem zarówno testówdynamicznych, jak i statycznych, symulujących testy dynamiczne[5–8, 16, 17, 20]. Przykładowe testy statycznesymulujące test dynamiczny HD–D–T–T opracowano wAVL LIST (Anstalt für Verbrennungskraftmaschinen Prof.Dr. H. List) – test ośmiofazowy i czternastofazowy [5, 7, 8,20] oraz w Steyr–Daimler–Puch AG – test jedenastofazowy,z zastosowaniem punktów testu uniwersalnego, opartegona standardzie testu ECE R49 [17]. Testy te opracowanozgodnie z kryteriami podobieństwa [6]:– stanów pracy silnika: równości średniej mocy użytecznej,– wielkości opisujących właściwości użytkowe silnika:równości średnich emisji jednostkowych poszczególnychsubstancji szkodliwych (w [5, 7, 8, 17, 20] rozpatrywanoemisję węglowodorów, tlenków azotu i cząstekstałych).Przykładowe testy statyczne symulujące test HD–D–T–Tprzedstawiono na rysunkach 1–3.Do opisu testów badawczych silników spalinowych,wykonywanych na hamowni silnikowej, wprowadzonopojęcia względnej prędkości obrotowej i względnego momentuobrotowego [14, 15]; względna prędkość obrotowawynosi (1), gdzie: n – prędkość obrotowa, n id– minimalnaprędkość obrotowa biegu jałowego, n N– znamionowa prędkośćobrotowa.Względny moment obrotowy dla prędkości obrotowejn jest odnoszony do momentu obrotowego na zewnętrznejcharakterystyce prędkościowej dla tej samej prędkości –wzór (2), gdzie: M e(n) – moment obrotowy dla prędkościobrotowej n, M ez(n) – moment obrotowy na zewnętrznejcharakterystyce prędkościowej dla prędkości obrotowej n.Pola powierzchni kół poszczególnych punktów wewspółrzędnych względnych prędkości obrotowej i momentuobrotowego na rysunkach 1–3 są proporcjonalne do udziałówposzczególnych faz pracy w testach.Różne kryteria syntezy testów statycznych, symulującychtest dynamiczny HD–D–T–T, powodują, że testy statyczneznacznie się różnią ze względu na udziały poszczególnychfaz.3. Wyniki badań emisji spalin w testachstatycznych symulujących test dynamicznyBadania porównawcze w teście dynamicznym HD–D–T–T oraz w testach statycznych symulujących test dynamicznyHD–D–T–T wykonano na silniku Detroit Diesel36 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Stationary simulation tests of exhaust emission...Fig. 1. The diagram depicting the 14-mode test simulatingHD–D–T–T test in accordance with the criterion of equality of relativeeffective powerRys. 1. Schemat testu czternastofazowego symulującego test HD–D–T–Tzgodnie z kryterium równości średniej mocy użytecznejFig. 2. The diagram depicting the 8-mode test simulating HD–D–T–Ttest in accordance with the criterion of equality of average specific brakeemission of nitric oxidesRys. 2. Schemat testu ośmiofazowego symulującego test HD–D–T–Tzgodnie z kryterium równości średniej emisji jednostkowej tlenków azotuperformed on Detroit Diesel Series 50. It is a 4-cylinderself-ignition straight engine, direct injection and of enginedisplacement of 8.5 dm 3 . The rated effective power is 205kW for engine speed of 2100 min –1 , maximum engine torqueis 1207 N∙m at 1200 min –1 . The tests were performed inHD–D–T–T dynamic test and stationary conditions in theuniversal test points. The test results in 8-mode and 14-modetest points, which do not correlate with the universal testpoints, were determined with the use of linear interpolationin 3D for results of empirical tests [1].Figures 4–9 present examples of test results: specificbrake emissions of carbon oxide – e CO, hydrocarbons – e HC,nitric oxides – e NOxand particulate matter – e PMwere determinedin the following tests:– ECE R49,– HD–D–T–T,– 11–mode – stationary one-mode test simulating HD–D–T–T,– 8–mode – stationary 8-mode test simulating HD–D–T–T,– 14–mode – stationary 14-mode test simulating HD–D–T–T.In accordance with the criteria: for all tests of equalityof average effective power – marking – N eand for 11–Modeand 8–Mode tests:– average specific brake emission of hydrocarbons –marking HC,– average specific brake emission of nitric oxides – NO x,– average specific brake emission of particulate matter –PM.The tests confirm regularity of greater values ofspecific brake emission of carbon oxide, hydrocarbonsand particulate matter in the dynamic test. In relationto carbon monoxide and hydrocarbons, engine brakingphases in the dynamic test have particular significancefor this fact. In relation to particulate matter, the mostimportant dynamic phenomenon determining increase ofemissions is acceleration of the engine speed in the partof engine operation modes in the dynamic test. Specificbrake emission of nitric oxides is least sensitive bothto stationary conditions and occurrence of dynamicconditions.COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)Fig. 3. The diagram depicting the 8-mode test simulating HD–D–T–Ttest in accordance with the criterion on equality of average specific brakeemission of particulate matterRys. 3. Schemat testu ośmiofazowego symulującego test HD–D–T–Tzgodnie z kryterium równości średniej emisji jednostkowej cząstekstałychSeries 50. Jest to silnik 4-cylindrowy rzędowy o zapłoniesamoczynnym z wtryskiem bezpośrednim o objętości skokowej8,5 dm 3 . Znamionowa moc użyteczna wynosi 205 kWprzy prędkości obrotowej 2100 min –1 , maksymalny momentobrotowy 1207 N∙m przy 1200 min –1 . Badania wykonanow teście dynamicznym HD–D–T–T oraz w warunkachstatycznych w punktach testu uniwersalnego. Wyniki badańw punktach testów ośmiofazowego i czternastofazowego,niepokrywających się z punktami testu uniwersalnego,wyznaczono, stosując interpolację liniową w przestrzenitrójwymiarowej wyników badań empirycznych [1].Na rysunkach 4–9 przedstawiono przykładowe wynikibadań: wyznaczono emisje jednostkowe tlenku węgla – e CO,węglowodorów – e HC, tlenków azotu – e NOxi cząstek stałych– e PMw testach:– ECE R49,– HD–D–T–T,– 11-mode – statyczny test jedenastofazowy symulującytest HD–D–T–T,– 8-mode – statyczny test ośmiofazowy symulujący testHD–D–T–T,37

Statyczne badania symulacyjne emisji zanieczyszczeń...Fig. 4. Specific brake emission of carbon monoxide in tests determinedin accordance with the criterion of equality of average effective powerRys. 4. Emisja jednostkowa tlenku węgla w testach wyznaczonych zgodniez kryterium równości średniej mocy użytecznejFig. 5. Specific brake emission of hydrocarbons in tests determined inaccordance with the criterion of equality of average effective powerRys. 5. Emisja jednostkowa węglowodorów w testach wyznaczonychzgodnie z kryterium równości średniej mocy użytecznejFig. 6. Specific brake emission of nitric oxides in tests determined in accordancewith the criterion of equality of average effective powerRys. 6. Emisja jednostkowa tlenków azotu w testach wyznaczonych zgodniez kryterium równości średniej mocyFig. 7. Specific brake emission of particulate matter in tests determinedin accordance with the criterion of equality of average effective powerRys. 7. Emisja jednostkowa cząstek stałych w testach wyznaczonychzgodnie z kryterium równości średniej mocy użytecznejFig. 8. Specific brake emission of nitric oxides in 11-mode tests determinedin accordance with various criteria of similarityRys. 8. Emisja jednostkowa tlenków azotu w testach jedenastofazowychwyznaczonych zgodnie z różnymi kryteriami podobieństwaFig. 9. Specific brake emission of nitric oxides in 8-mode tests determinedin accordance with various criteria of similarityRys. 9. Emisja jednostkowa tlenków azotu w testach ośmiofazowychwyznaczonych zgodnie z różnymi kryteriami podobieństwaIn order to determine the sensitivity of specific brake emissionsof particular components of exhaust gases to criteria ofsynthesis of the tests, for combination of the tests and substancesvariability coefficients were determined as constituting relationsbetween average standard deviations and average values– 14-mode – statyczny test czternastofazowy symulującytest HD–D–T–Tzgodnie z kryteriami: dla wszystkich testów równości średniejmocy użytecznej – oznaczenie – N eoraz dla testów11-mode i 8-mode:38 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Stationary simulation tests of exhaust emission...where:N = 4, i = 1 – the criterion of test synthesis according to equalityof average effective power, i = 2 – the criterion of test synthesisaccording to equality of average specific brake emission ofhydrocarbons, i = 3 – the criterion of test synthesis accordingto equality of average specific brake emission of nitric oxides,i =4 – the criterion of test synthesis according to equality ofaverage specific brake emission of particulate matter.The results of tests on the sensitivity of specific brakeemissions of particular components of the exhaust gases tocriteria of test synthesis are presented in Fig. 10.The determined coefficients of variability of specific brakeemissions of particular components of exhaust gases to criteriaof the test synthesis have great values. As various criteria ofthe test synthesis imply various stationary conditions of theengine operation, this means high sensitivity of specific brakeemissions to stationary conditions of the engine operation. Adecisively greater sensitivity exists for 8-Mode test, whichresults undoubtedly from the fact that discretization of the taskof approximation of emission characteristics in coordinates ofstationary conditions of the engine operation is more syntheticfor 8-Mode than for 11-Mode test.4. ConclusionsThe experience gained during performance of stationarytests simulating HD–D–T–T dynamic test and presented inthis study and published sources [5–8, 16, 17, 20] enabledrawing the following conclusions:1. The results of tests on effective properties (and, in particular,ecological properties) of Diesel engines often dependon conditions of the tests. This complies with a generalprinciple that properties of non-linear systems depend onconditions, in which the systems exist [6].2. From the first conclusion, there results undoubtedly aconsiderable relativism of the results of tests on Dieselengines as determined with the use of various methods.Thus, unification of research methods is a necessaryprocedure, as high indefiniteness of factors determiningoperation of Diesel engines in real use makes it possibleto treat properties of the engines as accidental.3. It is especially important to determine conventional conditionsof representative tests for conditions of use in relationto Diesel engines that are used for less common purposes ascompared to use in automotive industry. Despite preparationof unified research procedures that enable conventionaland objective evaluation of ecological properties of Dieselengines it is necessary, at least on the level of cognitiveresearch, to adopt a critical approach to the issue and searchfor general regularities between ecological relations ofproperties of Diesel engines and conditions in which theyCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)(3)(4)(5)– średniej emisji jednostkowej węglowodorów – oznaczenieHC,– średniej emisji jednostkowej tlenków azotu – NO x,– średniej emisji jednostkowej cząstek stałych – PM.W badaniach potwierdza się regularność większychwartości emisji jednostkowej tlenku węgla, węglowodorówi cząstek stałych w teście dynamicznym. W odniesieniu dotlenku węgla i węglowodorów szczególne znaczenie majądla tego faktu fazy hamowania silnikiem w teście dynamicznym.W odniesieniu do cząstek stałych najważniejszymzjawiskiem determinującym zwiększanie się emisji jest przyspieszanieprędkości obrotowej w części faz pracy silnika wteście dynamicznym. Najmniej wrażliwa zarówno na stanystatyczne, jak i występowanie stanów dynamicznych jestemisji jednostkowa tlenków azotu.W celu oceny wrażliwości emisji jednostkowych poszczególnychskładników spalin na kryteria syntezy testówwyznaczono dla kombinacji testów i substancji współczynnikizmienności, będące stosunkami średnich odchyleństandardowych i wartości średnich – wzór (3), gdzie: AV(4) i D (5), N = 4, i = 1 – kryterium syntezy testu wedługrówności średniej mocy użytecznej, i = 2 – kryterium syntezytestu według równości średniej emisji jednostkowej węglowodorów,i = 3 – kryterium syntezy testu według równościśredniej emisji jednostkowej tlenków azotu, i = 4 – kryteriumsyntezy testu według równości średniej emisji jednostkowejcząstek stałych.Wyniki badań wrażliwości emisji jednostkowych poszczególnychskładników spalin na kryteria syntezy testówprzedstawiono na rysunku 10.Fig. 10. Sensitivity of specific brake emissions in particular teststo criteria of similarity of the testsRys. 10. Wrażliwość emisji jednostkowych w poszczególnych testachna kryteria podobieństwa testówWyznaczone współczynniki zmienności emisji jednostkowychposzczególnych składników spalin na kryteriasyntezy testów mają duże wartości. Ponieważ różne kryteriasyntezy testów implikują różne statyczne stany pracy silnika,oznacza to dużą wrażliwość emisji jednostkowej zanieczyszczeńna statyczne stany pracy silnika. Zdecydowanie większawrażliwość występuje dla testu 8-fazowego, co wynika niewątpliwiez bardziej syntetycznej niż dla testu 11-fazowegodyskretyzacji zadania aproksymacji charakterystyk emisji wewspółrzędnych statycznych stanów pracy silnika.39

Statyczne badania symulacyjne emisji zanieczyszczeń...operate, e.g. for some classes of accidental processes,describing conditions of the engine operation.4. For most applications of Diesel engines, dynamic researchtests ensure conditions that correspond to conditions ofuse much more than stationary tests. However, stationarytests of Diesel engines are easier to perform and do notrequire much laboratory equipment.Bibliography/Literatura[1] Achiezer N.I.: Theory of approximation. Frederick UngarPublishing. New York 1956.[2] Ajtay D., Weilenmann M.: Stationary and dynamic instantaneousemission modelling. International Journal of Environmentand Pollution 2004/22(3), 226-239.[3] Ajtay D.: Modal pollutant emissions model of diesel andgasoline engines. The dissertation for the degree of Doctor ofTechnical Sciences. Zurich 2005.[4] AVL Consulting and Information: Current and future exhaustemission legislation. AVL List GmbH. Graz 2010.[5] Cartellieri W.P., Ospelt W.M., Landfahrer K.: Erfüllung derAbgasgrenzwerte von Nutzfahrzeug–Dieselmotoren der 90erJahre. MTZ Nr. 50. 9/1989.[6] Chłopek Z.: Modelowanie procesów emisji spalin w warunkacheksploatacji trakcyjnej silników spalinowych. (Modellingof exhaust emission processes in operations conditions ofinternal combustion engines). Prace Naukowe. Seria Mechanikaz. 173. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej.Warszawa 1999 (in Polish).[7] Cornetti G.M., Klein K., Fränkle G.J., Stein H.J.: US transientcycle versus ECE R49 mode cycle. SAE Paper 880715.[8] Fränkle G., Stein H.J.: Instationäre oder stationäre Abgasprüfverfahrenfür Nutzfahrzeug–Dieselmotoren? Automobiltechnischezeitschrift90.1-11.[9] Hausberger S., Rexeis M.: Emission behaviour of modernheavy duty vehicles in real world driving. International Journalof Environment and Pollution. Issue: Volume 22, Number3/2004, 275-286.[10] Hickman A.J., Graham M.A.: Performance related exhaust emissionsfrom heavy duty diesel engines. The Science of The TotalEnvironment. Vol. 134, Issues 1–3, 25 June 1993, 211-223.[11] Hirsch M., Oppenauer K, del Re L.: Dynamic engine emissionmodels. Automotive Model Predictive Control. Lecture Notes inControl and Information Sciences, 2010, Vol. 402/2010, 73-87.[12] ISO 08178: „Reciprocating internal combustion engines– Exhaust emission measurement – Part 4: Test cycles fordifferent engine applications”.[13] Kang H., Farrell P.V.: Experimental investigation of transientemissions (HC and NO x) in a high speed direct injection(HSDI) diesel engine. SAE Technical Paper 2005-01-3883.[14] Marecka-Chłopek E., Budny E., Chłopek Z., Chłosta M.: Identificationof combustion engine stationary states in real operationconditions of a building machine. Scientific Problems of MachinesOperation and Maintenance 4(156) Vol. 43/2008, 69-84.[15] Marecka-Chłopek E., Chłopek Z.: Pollutants emission problemsfrom the combustion engines of other applications thanmotor cars. Eksploatacja i Niezawodność – Maintenance andReliability nr 3 (35)/2007, 81-85.[16] Moser F.X., Haas E., Schlögl H.: Zur Partikelemission vonNutzfahrzeug–Dieselmotoren. MTZ Nr. 51 (1990) 5.[17] Moser F.X., Haas E., Schlögl H.: Die Partikel–Hürde U.S.1991: Vergleich der Testverfahren für Nutzfahrzeugmotoren– Bewältigung mittels innermotorischer Maßnahmen. 10.4. PodsumowanieDoświadczenia z symulacji testami statycznymi testudynamicznego HD–D–T–T, wykonanymi w niniejszej pracyoraz w publikowanych źródłach [5–8, 16, 17, 20] uprawniajądo sformułowania następujących wniosków:1. Wyniki badań użytkowych właściwości (szczególnie ekologicznych)silników spalinowych często bardzo mocno zależąod warunków wykonywania badań. Jest to zgodne z ogólnieobowiązującą prawdą, że właściwości układów nieliniowychzależą od warunków, w jakich się te układy znajdują [6].2. Z pierwszego wniosku wynika w nieunikniony sposóbznaczny relatywizm wyników badań silników spalinowych,wyznaczonych różnymi metodami. Unifikacja metod badawczychjest zatem koniecznym sposobem postępowania,gdyż duża nieokreśloność czynników determinującychpracę silników spalinowych w rzeczywistym użytkowaniuuprawnia do traktowania właściwości tych silników jakoprzypadkowych.3. Szczególnie ważna jest umowa na temat warunków badańreprezentatywnych dla warunków użytkowania w odniesieniudo silników spalinowych o zastosowaniach nie tak powszechnychjak w motoryzacji. Mimo opracowania zunifikowanychprocedur badawczych, umożliwiających umownie obiektywnąocenę ekologicznych właściwości silników spalinowych, koniecznejest – przynajmniej na poziomie badań poznawczych– krytyczne podejście do tego zagadnienia i poszukiwanieogólnych prawidłowości zależności ekologicznych właściwościsilników spalinowych od warunków, w jakich się oneznajdują, np. dla pewnych klas procesów przypadkowych,opisujący warunki pracy silników.4. Dla większości zastosowań silników spalinowych dynamicznetesty badawcze zapewniają warunki znacznie bardziejodpowiadające warunkom użytkowania niż testy statyczne.Testy statyczne są jednak prostszym do przeprowadzeniasposobem badań silników spalinowych oraz stawiają przedbadającymi mniejsze wymagania sprzętowe laboratoriów.Paper reviewed/Artykuł recenzowanyInternationales Wiener Symposium. VDI Forschritt Berichte.Reihe 12. Nr. 122. VDI Verlag. Düsseldorf 1989.[18] SAE Recommended Practise: Test Procedure for the Measurementof Gaseous Exhaust Emissions from Small UtilityEngines. SAE J1088; February 1993.[19] US EPA Nonregulatory Nonroad Duty Cycles. August 1999.[20] Wachter W., Cartellieri W.: Wege zur Erfüllung zukünftigerEmissionsgrenzwerte bei LKW Dieselmotoren. 8. InternationalesMotorensymposium. VDI Fortschritt Berichte. Reihe12. Nr. 86. VDI Verlag. Düsseldorf 1987.Zdzisław Chłopek, DSc., DEng. – Professor in theFaculty Automotive and Construction Machinery Engineeringat Warsaw University of Technology.Dr hab. inż. Zdzisław Chłopek – profesor na WydzialeSamochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej.e-mail: zchlopek@simr.pw.edu.pl40 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

On-board diagnostic system for vehicle state assessmentPiotr BOGUŚRafał GRZESZCZYKJerzy MERKISZAdam WRONAPTNSS-2011-SS2-205On-board diagnostic system for vehicle state assessmentThe paper presents a concept of an on-board diagnostic system for the assessment of vehicle state in critical situation.A vehicle state assessment is done by an analysis of given signals recorded by on-board devices. A vehicle state isdescribed by providing its position, velocities, accelerations, rotations and also powetrain data related to engine andother vehicle parts in operation. The first prototype of this device has already been developed. It registers signals takenfrom inertial modules such as linear and angular accelerometers (gyroscopes) and geographical coordinates from GPS.The data from GPS together with the data from inertial modules are written into a text file and can then be visualized bygeo-information software. Accelerometers will be used for detection of engine malfunctions using vibroacoustic signalsanalysis and for vehicle position identification and the support of GPS.Key words: on-board diagnostic systems, GPS, vibroacoustic signal processingSystem diagnostyki pokładowej do oceny stanu pojazduPraca prezentuje system diagnostyki pokładowej służący do oceny stanu pojazdu w celu wykrywania sytuacji krytycznych.Ocena stanu pojazdu jest dokonywana poprzez analizę wybranych sygnałów rejestrowanych przez urządzeniadiagnostyki pokładowej. Stan pojazdu jest opisany przez podanie jego położenia, prędkości, przyspieszeń, obrotów orazdanych na temat działania silnika i innych elementów pojazdu. Prototyp takiego urządzenia został zbudowany i rejestrujesygnały otrzymywane za pomocą inercjalnych modułów, takich jak liniowe i kątowe akcelerometry oraz współrzędnegeograficzne za pomocą urządzenia GPS. Dane z GPS razem z danymi z modułów inercyjnych są zapisywane do plikutekstowego i mogą być następnie wizualizowane przez geo-informacyjne instrumenty programowe. Akcelerometry będąstosowane do detekcji uszkodzeń silnika spalinowego na bazie analizy sygnałów wibroakustycznych oraz do identyfikacjipołożenia pojazdu i wspomagania wskazań GPS.Słowa kluczowe: systemy diagnostyki pokładowej, GPS, przetwarzanie sygnałów wibroakustycznych1. IntroductionAn important element of each modern vehicle fleetmanagement system is the use of highly specializedon-board devices for recording and detection of criticalsituations. A critical situation is any risky incident inwhich a moving vehicle can fail, be damaged in a collision,which may subsequently result in passenger deathor injury, damage of goods and environment pollution.A risky incident can be predicted from data related toexceeding of the limit velocity or acceleration, impropervelocity in relation to the road conditions (e.g. bends inrailroad tracks), brake and engine damage and other malfunctionsof the vehicle. A risky incident can be influencedby a collision of two vehicles, collision of vehicle withan obstacle or a derailment, engine dysfunctions, excessspeed, inclination angle etc.The results presented in the paper can have applicationboth in railroad and vehicle industry. In the case of vehiclesthe proposed methods are generally known but also in thisarea there are some problems interesting for investigatione.g. the application of accelerometers and gyroscopes for thesupport of GPS readouts. In railroads the proposed solutionis new, especially in Poland.Railroad is becoming a more and more important, vitaland popular means of transportation and will have to fulfillCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)1. WstępWażne dla każdego nowoczesnego systemu zarządzaniaflotą pojazdów jest zastosowanie wysoko wyspecjalizowanychurządzeń pokładowych do zapisywania i wykrywaniasytuacji krytycznych. Sytuacja krytyczna to dowolny ryzykownyincydent, podczas którego poruszający się pojazdmoże być uszkodzony w wyniku awarii lub kolizji, co możeprowadzić do śmierci lub zranienia pasażerów, uszkodzeniaprzewożonych towarów lub zanieczyszczenia środowiska.Ryzykowny wypadek może być przewidziany na podstawiedanych o przekroczeniu dozwolonej prędkości lub przyspieszenia,niewłaściwej prędkości w stosunku do warunków(np. na zakrętach), uszkodzeniach silnika i hamulców orazo innych awariach pojazdu. Mogą one być wywołane przezzderzenie dwóch pojazdów, zderzenie pojazdu z przeszkodą,wypadnięcie z trasy ruchu, awarie silnika, przekroczenieprędkości lub kąta nachylenia itp.Wyniki przedstawione w pracy mają zastosowanie zarównodla ruchu kolejowego, jak i samochodowego. Dlasamochodów omówione metody są już znane, ale równieżna tym polu zastosowań istnieje nadal wiele interesującychproblemów do badań, np. zastosowanie akcelerometrów iżyroskopów do wspomagania odczytów GPS. Dla składówkolejowych proponowane rozwiązanie jest nowe, szczególniedla ruchu kolejowego w Polsce.41

System diagnostyki pokładowej do oceny stanu pojazdunew requirements and will need new management to improvesafety, comfort and reliability.The on-board diagnostic system presented in the paperis designed for an on-line monitoring and management inrailroad and vehicle traffic. The main aim of this systemis detection of critical situations in railroad traffic andperformance of a full assessment of the risk of accidentneeded for a full knowledge of a current vehicle state [12,17, 20, 21, 23].A vehicle state is acquired by determining of its position,direction, accelerations, rotations, inclination, engine stateetc. The corresponding data should contain information onthe engine malfunctions, leaks, vibrations, geographicalposition, railroad conditions etc.Accident control and management of traffic need specialsophisticated methods for detection, prediction andrecognition [11, 13, 20, 23, 24, 25]. In order to do thissome special signal processing methods and approachesbased on artificial intelligence should be applied (see e.g.[8, 11, 24, 13]). So far, they have mostly been used forvehicle motion control on highways and for modeling,prediction and prevention of railroad accidents.A practical application of the GPS systems in accidentscontrol and management of traffic should be realized togetherwith the application of GIS systems [12, 13, 17, 19, 25].This can give us the representation of a vehicle route onthe map. In general, the combination of GIS and GPS dataallows finding a vehicle position in the case of an accidentand also gives additional information such as weather andrail condition. The significant task for GPS/GIS system isautomatic vehicle location in accident management andfleet monitoring.The GPS in railroad is mostly applied in the measurementof location and geometry of the railroad track. There are alsomany practical trials with application of GPS systems for accidentmanagement and fleet monitoring, e.g. [9, 20, 21].It is worth underlining that artificial intelligence methodsare often applied in determination of vehicle state andprediction of accidents. Such automatic incident detectionsystems used e.g. the Bayesian decision systems and artificialneuranetworks [11, 13, 23].2. The on-board diagnostic system for vehiclestate assessmentThe general diagram of the proposed system is presentedin Fig. 1. As one can find from Fig. 1 the main sensors consideredand applied are:– accelerometers – trajectory reconstruction and vibroacousticdiagnosis,– GPS – position detection, trajectory reconstruction andvelocity determination,– gyroscopes – trajectory, tilts and rollovers reconstruction.The analysis of signals registered by ORD devices is avery complex process [7, 10, 14, 15, 16]. It contains bothhigh technology of signal recording and sophisticatedalgorithm and software for signal processing. One canTransport kolejowy staje się ostatnio ważnym i corazbardziej popularnym środkiem transportu. Będzie więcmusiał w najbliższej przyszłości spełnić nowe wymaganiai będzie potrzebował nowego zarządzania, aby zwiększyćbezpieczeństwo, komfort jazdy i niezawodność.Opisany w pracy system diagnostyki pokładowej jestzaprojektowany do monitorowania i zarządzania “on-line”ruchem kolejowym i samochodowym. Głównym celemsystemu jest wykrywanie krytycznych sytuacji w transporciekolejowym, a do oceny ryzyka wypadków potrzebna jestwiedza o bieżącym stanie pojazdu [12, 17, 20, 21, 23].Stan pojazdu jest dany przez określenie jego pozycji, kierunkuruchu, przyspieszeń, obrotów, nachyleń, stanu silnikaitp. Odpowiednie dane powinny więc zawierać informacjeo uszkodzeniach silnika, wyciekach, wibracjach, pozycjigeograficznej, warunkach drogowych itp.Do zarządzania ruchem i przewidywania wypadkówpotrzeba wyspecjalizowanych metod wykrywania, przewidywaniai rozpoznawania [11, 13, 20, 23, 24, 25]. Do tegocelu można zastosować metody przetwarzania sygnałów orazniektóre wybrane metody bazujące na sztucznej inteligencji(np. [8, 11, 24, 13]). Zostały one już zastosowane do kontroliruchu na autostradach oraz do modelowania, przewidywaniai zapobiegania wypadkom drogowym.Praktyczne zastosowanie systemów GPS do zarządzaniaruchem i przewidywania wypadków powinno byćrealizowane razem z użyciem systemów GIS [12, 13, 17,19, 25]. Daje to możliwość zaprezentowania trasy pojazduna mapie. Ogólnie łączenie danych GIS i GPS pozwalaznaleźć pozycję pojazdu, gdy doszło do wypadku orazdostarczyć dodatkowej informacji na temat np. warunkówpogodowych, stanu torowiska itp. Znaczącym zadaniemwypełnianym przez systemy GPS/GIS jest automatycznalokalizacja pojazdu w zarządzaniu wypadkami oraz monitorowaniufloty pojazdów.W kolejnictwie dotychczas GPS jest stosowany przedewszystkim do pomiarów położenia i geometrii szyn. Prowadzisię również dużo prób z zastosowaniem GPS dozarządzania wypadkami oraz monitorowania floty pojazdów[9, 20, 21].Warto podkreślić, że do określenia stanu pojazdu orazprzewidywania wypadków często stosowane są metodysztucznej inteligencji. Wybrane systemy automatycznego wykrywaniawypadków wykorzystują np. bayesowskie systemydecyzyjne albo sztuczne sieci neuronowe [11, 13, 23].2. System diagnostyki pokładowej do oceny stanupojazduOgólny schemat zaproponowanego systemu jest pokazanyna rys. 1. Z analizy rys. 1 wynika, że głównymirozważanymi i stosowanymi czujnikami są:– akcelerometry – rekonstrukcja trajektorii oraz diagnostykabazująca na sygnałach wibroakustycznych,– GPS – wykrywanie pozycji, rekonstrukcja trajektorii orazokreślania prędkości pojazdu,– żyroskopy – rekonstrukcja trajektorii, przechyłów i obrotów.42 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

On-board diagnostic system for vehicle state assessmentAnaliza sygnałów rejestrowanych przez urządzenie ORDjest skomplikowanym procesem [7, 10, 14, 15, 16]. Zawieraon zarówno zaawansowane technologicznie pozyskiwaniesygnału, jak i skomplikowane algorytmy i oprogramowaniedo przetwarzania sygnałów. W tym zakresie można znaleźćwiele interesujących problemów badawczych i możliwośćzastosowania specjalistycznych metod przetwarzania sygnałów(np. metod nieliniowych) oraz metod bazującychna sztucznej inteligencji.W systemie zaproponowanym w niniejszej pracy głównemetody analizy to metody przetwarzania sygnałów zastosowanedo sygnału wibroakustycznego. W tym zakresie, obokklasycznych metod spektralnych bazujących na analizieFouriera, zastosowano wybrane metody:– analiza nieliniowa (bazująca na teorii chaosu deterministycznegoi twierdzeniu Takensa i Mañé),– analiza krótkoczasowa (z zastosowaniem technik rozpoznawaniaobrazów, takich jak grupowanie danych).Początkowym celem badań była detekcja wypadaniazapłonu oraz wykrywanie stanu silnika spalinowego. Eksperymentyprzeprowadzone na silniku Diesla lokomotywyspalinowej oraz na 1-cylindrowym silniku badawczym pokazały,że maksymalne wykładniki Lapunowa miały znaczącowyższe wartości dla przypadku wypadania zapłonu niż dlaprzypadku, gdy wszystkie cylindry pracowały właściwie.Wypadanie zapłonu było symulowane przez odłączanie zasilaniajednego cylindra. Dwa podstawowe rodzaje sygnałówwibroakustycznych były porównywane: sygnał niewłaściwy(wypadanie zapłonu symulowane odłączeniem cylindra) isygnał właściwy (wszystkie cylindry pracują) [1, 2, 4].Inny rodzaj badań był przeprowadzony na bazie porównaniasygnałów wibroakustycznych zarejestrowanychz silnika Diesla lokomotywy spalinowej przed i po remoncie.Okresowy remont polegał na pełnym serwisie częściukładów oraz na wymianie elementów uszkodzonych lubzużytych. Obiektem badawczym był silnik Diesla lokomofindhere many interesting research problemsand application of specialist signal processingmethods (e.g. nonlinear methods) and artificialintelligence methods.In the system presented in the paper, themain analysis mainly concerns signal processingmethods applied into vibroacoustic signals. Inthis area, together with classic spectral methodsthat base on Fourier analysis, other methodswere applied:– nonlinear analysis (basing on deterministicchaos theory and on Takensa and Mañé theorem)– short-time signal analysis (with applicationof pattern recognition techniques like clustering).The initial aims in this area were misfire detectionand detection of an engine state. Experimentswere carried out on a Diesel locomotive engineand on one cylinder test engine and showed thedominant Lyapounov exponents were significantlyhigher for the case of misfire in comparison withthe case with all cylinders working. A misfire was simulatedby the disconnection of an injector in one cylinder of theengine. Two kinds of vibroacoustic signals were compared:an improper signal (misfire simulated by disconnection ofone cylinder) and a proper signal (all cylinders operative)[1, 2, 4].Other types of investigations were done based on thecomparison of vibroacoustic signals taken from an enginebefore and after the repair of a Diesel locomotive. Periodicinspection repair included service of sub-assemblies andassemblies, partial disassembling and change of damagedor worn-out elements. The research object was a Diesellocomotive engine in a diagnostic station. The sensors weremounted on the engine body in the spots near the enginecrankshaft bearing [6].In this area short time methods showed significantdifferences between cluster centers in parameter spacefor signals before and after the repair. In turn, nonlinearmethods showed that dominant Lyapunov exponentshad higher values for signals after the repair and theydistinguished between normal and ‘worn out’ enginestate [3, 5].The simplest diagnostic method was the use of singlestatistical parameters such as the mean, the moments, themedian etc. Unfortunately the research with this methoddid not show significant results. The single parameteranalysis was insufficient to perform a complete classification.The problem was solved using the SVM method. Theexperiments were done using SVM Classifier [18] with theuse of C-SVM and nu-SVM algorithms. A comparison ofSVM algorithms was based on the classification accuracyand at the current stage of the research both linear andradial kernels showed very big efficiency (even 100% insome cases). Generally, the SVM method has shown goodresults of classification of the vibroacoustic signals takenFig. 1. General diagram of the proposed in the paper on-boarddiagnostic system for vehicle state assessmentRys. 1. Ogólny schemat zaproponowanego systemu diagnostykipokładowej do określania stanu pojazduCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)43

System diagnostyki pokładowej do oceny stanu pojazdufrom an engine before and after the repair [6, 8, 9, 22].The results show the usefulness of the SVM method in theclassification of diesel engine states. The only problem forthese investigations is the recording of a greater amountof training data.Another interesting problem in on-board recordingsystem construction is the assessment of vehicle trajectoryand its state using GPS technology together withinertial sensors. Generally, in practice one can find manysystems applied for on-line detection of a vehicle state.They are called ORD (On-Board Recording Devices)systems, OBD (On-Board Diagnostic) systems, EDR(Event Data Recorder) systems or sometimes simplyblack box systems. They are used especially in carsand planes but so far there has been no such solution inrailroad systems. Many of the considered solutions andconcepts are not new but still they constitute here a verycomplex engineering task.First experiments have shown that a trajectory reconstructiondepends on the accuracy of position determinationand precision of digital maps and satellite images.In practice, each commercial GPS receiver uses communicationprotocol NMEA (National Marine ElectronicsAssociation). Usually, not all NMEA commands are implemented.Some NMEA announcements give the directionof velocity in degrees in a system of reference connectedto the ground and a velocity module in km/h or knots. InNMEA binary mode there is access to additional informationdepending on the manufacturer and type of sensor, forexample velocity vector components (along axes: longitudinal,latitudinal and vertical). The velocity is not usuallydetermined from the calculation of the path over time butfrom the Doppler Effect.First tests were conducted with a Telit GM862-GPSmodule with an evaluation kit EVK2 that has a built-in GPSreceiver, GSM modem with GPRS technology and a Pythonscript interpreter. It comprises only one 10-bit analogue inputand the processing power of the unit is not very impressive,however is sufficient for simple tracking purposes, receiving,processing and answering text messages, e-mails and datatransmitted via GPRS.Then, some simple applets were written to tests suitabilityfor vehicle tracking and remote diagnostics. Forinstance, gathered information is sent in a text message,in a response to an SMS containing valid password andone of the available commands. The SMS solution is notan optimum one for each application, so subsequentlyother means of available communication such as SMTP/POP3, TCP/IP, UDP protocols are to be evaluated andused.The prototype of the designed recorder received a nameof MEREX. MEREX uses a GPS sensor Garmin GPS16.Using of Garmin GPS16 enables producing more accurateposition coordinates using differential corrections in theRTCM SC-104 standard with DGPS (Differential GlobalPositioning System) technology, which is an enhancementto GPS that uses a network of ground-based reference sta-tywy spalinowej na stacji diagnostycznej. Czujniki byłymocowane na korpusie silnika w miejscach odpowiadającychłożyskom wału korbowego [6].W tych badaniach interesujące wyniki dały metodykrótkoczasowe. Pokazały one znaczące różnice pomiędzyśrodkami grup w zakresie parametrów odpowiadającychsygnałom przed i po naprawie. Z kolei metody nieliniowepokazały, że maksymalne wykładniki Lapunowa miały wyższewartości dla sygnału po naprawie i potrafiły rozróżnićstan silnika zużytego od pracującego normalnie [3, 5].Najprostszą metodą diagnostyczną było zastosowaniepojedynczych parametrów statystycznych, takich jak średnia,momenty, mediana itp. Niestety, badania w tym zakresienie przyniosły znaczących rezultatów. Analiza sygnałówza pomocą pojedynczych parametrów nie pozwoliła naprzeprowadzanie pełnej klasyfikacji. Problem został rozwiązanydzięki zastosowaniu metody SVM. Odpowiednieeksperymenty i badania przeprowadzono z użyciem SVMClassifier [18], który wykorzystywał algorytmy C-SVMoraz nu-SVM. Porównanie różnych wersji algorytmówSVM oparto na dokładności klasyfikacji (ang. classificationaccuracy) i na aktualnym etapie badań zarówno liniowe,jak i radialne jądra dały bardzo wysoką sprawność (nawet100% w niektórych przypadkach). Metoda SVM wykazaławysoką jakość klasyfikacji sygnałów zarejestrowanych nasilniku przed i po naprawie [6, 8, 9, 22]. Ostateczne rezultatypokazały użyteczność metody SVM do klasyfikacji stanówsilnika spalinowego. Jedynym problemem zacytowanychbadań jest ciągle mała liczba danych treningowych.Innym interesującym i znaczącym zagadnieniem podczaskonstrukcji i uruchamiania pokładowych systemówrejestrujących jest określanie trajektorii pojazdu i jego stanuna podstawie wskazań GPS oraz czujników bezwładnościowych.W praktyce można znaleźć wiele typów rozwiązaństosowanych do rejestrowania “on-line” stanu pojazdu. Sąto tzw. systemy ORD (On-Board Recording Devices), OBD(On-Board Diagnostic), EDR (Event Data Recorder) lub poporostu systemy czarnych skrzynek. Używane są one przedewszystkim w samolotach i samochodach, ale do tej pory brakjest powszechnych rozwiązań tego typu na kolei. Tak więcwiele z rozważanych w tym artykule problemów nie jestcałkiem nowych, ale cały czas stanowią one skomplikowanei istotne zadanie inżynierskie.Pierwsze eksperymenty pokazały, że rekonstrukcja trajektoriizależy mocno od dokładności określenia pozycji orazprecyzji map cyfrowych i zdjęć satelitarnych.W praktyce każdy komercyjny odbiornik GPS używa protokołukomunikacyjnego NMEA. Zwykle nie wszystkie komendyNMEA są wykorzystywane. Niektóre komunikaty NMEA podająinformację o kierunku prędkości w stopniach, w układzie współrzędnymzwiązanym z terenem oraz moduł prędkości w km/h lubwęzłach. W binarnym trybie NMEA można znaleźć dostęp dododatkowych informacji – zależnie od producenta oraz od typuczujnika, na przykład składowe wektora prędkości (wzdłuż osirównoleżnikowej, południkowej i pionowej). Warto podkreślić,że prędkość nie jest zwykle określana na podstawie obliczaniaprzebytej drogi w czasie, ale na podstawie efektu Dopplera.44 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

On-board diagnostic system for vehicle state assessmenttions and RTK (Real Time Kinematics) technique basedon the use of carrier phase measurements.MEREX recorder has a color LCD display, foil keyboard,independent battery supply, SD/MMC memory card (16 GB),Atmel AVR32UC3A0512 processor. It gives a measurementof three accelerations in three perpendicular directions.MEREX recorder allows a measurement, data acquisitionand transmission to a PC computer by a build-inUSB port. Additionally the standard GPS receiver canbe connected to MEREX. The messages in the NMEAstandard are recorded synchronously with the data fromthe inertia sensors.Fig. 2. Exemplary plots of acceleration in x, y and z directions. A recorder wasplaced in a passenger car of a fast train. A recorder was turned on during trainmoving and continued till stop and start from a stationRys. 2. Przykładowe wykresy przyspieszenia w kierunkach x, y oraz z.Rejestrator był umieszczony w wagonie osobowym pociągu pospiesznego.Rejestrator włączono podczas ruchu pociągu, pomiar był kontynuowany podczaspostoju na stacji i ponownego ruszeniaPierwsze testy przeprowadzone zostały z modułem TelitGM862-GPS (wraz z zestawem EVK2), który ma wbudowanyodbiornik GPS, modem GSM w technologii GPRSoraz interpreter skryptów Python. Ma on jedynie 10-bitowewejście analogowe, a moc przetwarzania jednostki obliczeniowejnie jest najwyższa, jednak wystarcza do prostegośledzenia, do otrzymywania, przetwarzania i odpowiadaniana wiadomości tekstowe, emaile oraz dane transmitowanetechniką GPRS.Następnie napisane zostały proste aplety w celu sprawdzeniaprzydatności do testowania śledzenia pojazdu izdalnej diagnostyki. Na przykład, zgromadzona informacjabyła wysyłana w postaci wiadomości tekstowej wodpowiedzi na SMS zawierający ważne hasło i jednąz dostępnych komend. Rozwiązanie z użyciem SMSnie jest optymalne w wielu zastosowaniach, toteżinne dostępne środki komunikacji, takie jak protokołySMTP/POP3, TCP/IP, UDP muszą być sprawdzone izastosowane.Prototyp zaprojektowanego rejestratora nazwanoMEREX. Rejestrator MEREX wykorzystujeczujnik GPS typu Garmin GPS16. Użycie urządzeniaGarmin GPS16 daje możliwość wyznaczeniabardziej dokładnych współrzędnych pozycji przyużyciu korekcji różnicowej w standardzie RTCMSC-104 w technologii DGPS (Differential GlobalPositioning System), która jest rozszerzeniemklasycznego GPS przez użycie naziemnej siecistacji odniesienia oraz techniki RTK (Real TimeKinematic), która bazuje na użyciu pomiaru przeniesieniafazy.Rejestrator MEREX ma kolorowy wyświetlaczLCD, foliową klawiaturę, niezależne zasilanie bateryjne,kartę pamięci SD/MMC oraz procesor AtmelAVR32UC3A0512. Daje on pomiar przyspieszenia wtrzech prostopadłych kierunkach przestrzennych.Rejestrator MEREX pozwala na pomiar, zapamiętaniedanych oraz ich transmisję do komputera PCprzez wbudowany port USB. Do rejestratora możnadodatkowo podłączyć standardowy odbiornik GPS.Komunikaty w standardzie NMEA są zapisywanesynchronicznie razem z danymi z czujników bezwładnościowych.MEREX używa karty MMC/SD i jest przystosowanydo rejestracji sygnałów mierzonych przezmoduł inercyjny (liniowe i kątowe przyspieszenia)oraz pozycji określanej przez podłączony czujnikGPS. Wiadomości generowane przez GPS opisującebieżąca pozycję obiektu, jego prędkość i kierunekruchu razem z danymi z modułu bezwładnościowegosą zapisywane jako plik tekstowy.Równocześnie z rejestracją trasy z użyciem GPSokreślano dodatkowe informacje opisujące dokładnośćokreślania pozycji (osłabienia precyzji VDOP, HDOP,PDOP oraz liczba satelitów).Warto podkreślić, że pozyskiwane w eksperymentachsygnały żyroskopowe byłyby bezwartościoweCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)45

System diagnostyki pokładowej do oceny stanu pojazduMEREX uses a MMC/SD card and ultimatelyregisters signals measured by an inertial module(linear acceleration, angular acceleration) and positiondetermined using the connected GPS sensor.The messages generated by the GPS describingthe current position of an object, its velocity andmovement direction together with the measurementdata from the inertial module, are recordedas a text fileRegistering of routes using GPS also givessome additional information describing positionaccuracy (dilution of precision VDOP, HDOP,PDOP and number of satellites).The semiconductor gyroscope signals acquiredin the experiments are worthless in reconstructionof the movement trajectory of vehicles withoutan application of special dedicated algorithmsfor the compensation of drift and temperaturesusceptibility.A significant variability of integrated positionreadings is found of a motionless system ofthree gyroscopes ADIS16255. Depending on thetemperature, after several hundred seconds thereadings reach the value of a full turn 360°.3. ResultsThe MEREX recorder can detect all excess accelerationsand show the admissible values of accelerations ona railroad vehicle body in Poland (1.0 m/s 2 till 5.0 m/s 2depending on vehicle type and measurement direction).The testing of the acceleration and position measurementsof the rail vehicles was done. The tests included the trafficof a typical passenger train, shunting of railroad carsand the ride of a locomotive through crossovers (e.g. seeFig. 2).The data from the MEREX recorder can be visualizedand presented as a route on a map (see Fig. 3). The preparedscripts and software allow a conversion of text communicationsin NMEA standard from the GPS to a form whichallows an easy visualization with the use of commonlyapplied formats and instruments such as Google Earth usingKML/KMZ format, one of the most popular format ofgeo-information data.4. ConclusionsThe introductory investigations on the applicationof various ORD devices (accelerometers, MEMS gyroscopes,GPS) have shown a large complexity of sensors,circuit fitting and adjustments. The problem of findinga vehicle trajectory turns out to be quite complex, especiallyin the presence of exterior disturbances and a morecomplex type of motion.In the area of on-board recording there are many importantcurrent and future problems to solve. One is a combinationof the GPS and inertial modules data to producerelevant information. Cooperation of GPS and GIS is alsoFig. 3. The example of a route registration performed with MEREX recorder and GPS.After reaching a destination when starting, after 2–3 minute stop, some significantdisturbances in GPS operation were observedRys. 3. Przykładowa rejestracja trasy przy użyciu rejestratora MEREX z GPS. Po osiągnięciucelu podróży podczas startu po 2–3-minutowym postoju zauważa się znaczącezakłócenia we wskazaniach GPSdla rekonstrukcji trajektorii bez zastosowania specjalnychdedykowanych algorytmów do kompensacji dryftu i wrażliwościna zmiany temperatury. Jest to powodowane wielkązmiennością zintegrowanych odczytów pozycji nawet nieruchomegosystemu trzech żyroskopów ADIS16255. Zależnieod temperatury po czasie kilkunastu sekund odczyty osiągająwartość pełnego obrotu, czyli 360°.3. Wybrane rezultatyRejestrator MEREX jest w stanie rejestrować wszystkieprzekroczenia wartości przyspieszenia i odtworzyć pełnyzakres dopuszczalnych przyspieszeń dla pojazdu torowego wPolsce (od 1,0 m/s 2 do 5,0 m/s 2 zależnie od rodzaju pojazdu ikierunku pomiaru). Przeprowadzono testy pomiarów przyspieszeniai pozycji dla pojazdów szynowych. Testy obejmowałyruch typowego pociągu pasażerskiego, przetaczanie wagonóworaz jazdę lokomotywy przez rozjazdy (np. rys. 2).Dane z rejestratora MEREX można wizualizować i pokazaćjako trasę na mapie (rys. 3). Przygotowane skryptyi oprogramowanie pozwalają na przetworzenie tekstowychkomunikatów w standardzie NMEA z GPS do postaci, którapozwala na łatwą wizualizację z użyciem powszechniestosowanych formatów i instrumentów, takich jak GoogleEarth w formacie KML/KMZ, który jest jednym z bardziejpopularnych formatów danych geo-informacyjnych.4. WnioskiWstępne badania nad zastosowaniem różnych urządzeńORD (akcelerometry, żyroskopy MEMS, GPS) pokazaływielką złożoność elektroniki (czujniki, dopasowanie ikorekcja obwodów). Problem znajdowania trajektorii pojazduokazał się skomplikowany, szczególnie ze względuna obecność zewnętrznych zakłóceń i bardziej złożonychrodzajów ruchu.46 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

On-board diagnostic system for vehicle state assessmenta problem and it can be solved using refined artificial intelligencemethods. Full integration of signals from the inertiasensors, such as gyroscopes and accelerometers with the GPSsystem is all the time the core of the developed system. Forsensor fusion algorithms there is a need to apply powerfulmicroprocessors.Generally, the presented results indicate the usefulnessof the proposed methods for detecting critical situationsand assessment of a vehicle state in railroad transportation.The tests and the investigations in this matter are stillcontinuing. The future aim is a full study and implementationof an on-board system for monitoring, management anddetecting critical situations in railroad traffic.Paper reviewed/Artykuł recenzowanyW zakresie badań nad pokładowymi rejestratorami jestciągle wiele ważnych bieżących i przyszłych problemówdo rozwiązania. Jednym z nich jest połączenie danych GPSoraz danych pochodzących z czujników bezwładnościowych.Również współpraca GPS z GIS może stanowić duży problem,którego rozwiązanie wymaga wyrafinowanych metodsztucznej inteligencji. Pełna integracja sygnałów z czujnikówbezwładnościowych, takich jak żyroskopy i akcelerometryze wskazaniami GPS cały czas stanowi klucz do systemówrekonstrukcji trajektorii pojazdu. Algorytmy dokonującefuzji danych wymagają stosowania mikroprocesorów dużejmocy.Zaprezentowane wyniki wskazują na użyteczność zaproponowanejmetody dla detekcji sytuacji krytycznychi oceny stanu pojazdu w transporcie, a w tym również wtransporcie kolejowym.Testy i badania w tym zakresie są ciągle kontynuowane.Celem przyszłym jest pełne studium i implementacjapokładowego systemu dla monitorowania, zarządzaniai wykrywania krytycznych sytuacji w transporcie kolejowym.Nomenclature/Skróty i oznaczeniaDGPSDOPEDRGISGPRSGPSHDOPDifferential Global Positioning System/technika GPSzwiększonej dokładnościDilution of precision/osłabienie precyzjiEvent Data Recorder/rejestrator danych o wypadkachGeographical Information Systems/geograficzny systeminformacyjnyGeneral Packet Radio Service/technologia stosowanaw sieciach komórkowych do pakietowego przesyłaniadanychGlobal Positioning System/globalny system wyznaczaniapozycjiHorizontal Dilution of Precision/poziome osłabienieprecyzjiKML/KMZ Keyhole Markup Language/Keyhole Markup Language/językwykorzystywany w opisie danych geograficznychLCDMEMSNMEAOBDLiquid Crystal Display/wyświetlacz ciekłokrystalicznyMicro Electro-Mechanical Systems/mikrosystemy elektromechaniczneNational Marine Electronics Association/standard komunikacyjnyużywany w GPS opublikowany przez NationalMarine Electronics Association z USAOn-Board Diagnostic Device/pokładowe urządzeniediagnostyczneORD On-Board Recording Devices/pokładowe urządzenierejestrującePC Personal Computer/komputer osobistyPDOP Position Dilution of Precision/pozycyjne osłabienieprecyzjiRTCM Radio Technical Commision for Maritime/standardtransmisji poprawek różnicowych w systemie DGPSRTK Real Time Kinematic/technologia pomiarów GPSSD/MMC Security Digital/Multimedia Card/standard kartypamięciSMS Short Message Service/usługa przesyłania krótkichwiadomości tekstowychSMTP/POP3 Simple Mail Transfer Protocol/Post Office Protocolversion 3/protokół komunikacyjny używany przy przesyłaniuemailiSVM Support Vector Machine/maszyna wektorów wspierającychTCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol/modelprotokołów komunikacyjnych stosowany w InternecieUDP User Datagram Protocol/protokół internetowyUSB Universal Serial Bus/uniwersalna magistrala szeregowaVDOP Vertical Dilution of Precision/pionowe osłabienie precyzjiAcknowledgmentsPraca była finansowana z pracy badawczej No N509047 32/3308PodziękowaniaPraca była finansowana z pracy badawczej No N509047 32/3308COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)47

System diagnostyki pokładowej do oceny stanu pojazduBibliography/Literatura[1] Abarbanel H.D.I.: Analysis of observed chaotic data, Springer1996.[2] Boguś P., Merkisz J., Grzeszczyk R., Mazurek S.: Nonlinearanalysis of combustion engine vibroacoustic signals for misfiredetection. SAE Technical Paper Series 2003-01-0354.[3] Boguś P., Lewandowska K.: Short-time signal analysis usingpattern recognition methods. Artificial Intelligence and SoftComputing ICAISC 2004, LNAI Lecture Notes in ArtificialIntelligence, vol. 3070, Springer, pp. 550-555, 2004.[4] Boguś P., Merkisz J.: Misfire Detection of locomotive dieselengine by nonlinear analysis. Mechanical Systems and SignalProcessing vol. 19, pp. 881-899, 2005.[5] Boguś P., Merkisz J.: Short time analysis of combustionengine vibroacoustic signals with using pattern recognitiontechniques. SAE Technical Paper Series 2005-01-2529.[6] Boguś P., Sienicki A., Wojciechowska E., Merkisz J.: TheComparison of vibroacoustic signals taken from an enginebefore and after repair. Combustion Engines, vol. 2007-SC3– PTNSS, pp. 300-306, 2007.[7] Boguś P., Merkisz J., Mazurek S., Grzeszczyk R.: Detectionof critical situations in rail transport using ORD motion parameters.Proceedings of the 10th International Conferenceon Application of Advanced Technologies in Transportation,Athens, Greece, May 28th – 30st, pp. 1-10, 2008.[8] Boguś P., Merkisz J., Mazurek S.: The prospect of artificialintelligence methods in identification and prevention of criticalrailroad accidents. Computational Intelligence: Methods andApplications, EXIT, Warsaw, pp. 445-453, 2008.[9] Boguś P., Merkisz J., Idzior M., Grzeszczyk R.: Detecting criticalsituations in railroad traffic through on-board diagnsoticsystem. Proceedings of The 14th World Multi-Conference onSystemics, Cybernetics and Informatics. June 29th – July 2nd,2010 – Orlando, Florida, USA. Volume II, pp.56-61, 2010.[10] Boguś P., Grzeszczyk R.: Uncovering and detection of daildehicle state using GPS and other on-board recorders. PojazdySzynowe, No 2, pp. 13-23, 2010 (in Polish).[11] Gao X.Z., Ovaska S.J.: Soft computing methods in motor faultdiagnosis. Applied Soft Computing, vol. 1, pp. 73-81, 2001.[12] Hegyi F., Mookerjee A.K.: GIS and GPS based asset managementfor Road and Railroad Transportation Systems in India.6th Annual International Conference, Map India 2003, 28-30January, 2003, New Delhi, India, 2003.[13] Kumar P., Reddy D., Singh V.: Intelligent transport systemusing GIS. 6th Annual International Conference, Map India2003, 28-30 January, New Delhi, India, 2003.[14] Mening P., Coverdill C.: Transportation recorders on commercialvehicles. International Symposium on TransportationRecorders, Arlington, Virgina, 1999.[15] Merkisz J., Mazurek S.: On-board recording systems of cars.Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2002.[16] Merkisz J., Boguś P., Wrona A.: Using signals of registeredlinear and angular acceleration to reconstruct the trajectoryof vehicles’ movement. 9th EAEC International Congress"European Automotive Industry Driving Global Changes”,16-18 June 2003-Paris, Paper No C203, 2003.[17] Mintsis G., Basbas G., Papaioannou P., Taxiltaris C., TziavosI. N.: Application of GPS technology in the land transportationsystem. European Journal of Operational Research, vol. 152,pp. 399-409, 2004.[18] Pirooznia M., Deng Y.: SVM Classifier – a comprehensive javainterface for support vector machine classification of microarraydata. BMC Bioinformatics vol. 7, Suppl 4:S25, 2006.[19] Theiss A., Yen D.C., Ku C.Y.: Global positioning systems:an analysis of applications, current development and futureimplementations, Computer Standards and Interfaces vol. 27,pp. 89-100, 2005.[20] Thill J.C.: Geographic information systems for transportationin perspective. Transportation Researches, Part C, vol. 8, pp.3-13, 2000.[21] Tyrell D.C.: Rail passenger equipment accidents and theevaluation of crashworthiness strategies. Proceeding of theInstitution of Mechanical Engineering, Part F, Journal of Railand Rapid Transit vol. 216, pp 2002, pp. 131-147, 2002.[22] L. Wang (ed.): Support vector machines: Theory and Applications,Springer-Verlag 2005.[23] Wootton J.R., Garcia-Ortiz A.: Intelligent transportationsystems: a global perspective. Mathematical and ComputerModeling, vol. 22, pp. 259-268, 1995.[24] Yuan F., Cheu R.L.: Incident detection using support vectormachines. Transportation Reserches, Part C, vol. 11, pp. 309-328, 2003.[25] Zito R., D'Este G., Taylor M.A.P.: Global Positioning Systemin the time domain: How useful a tool for intelligent vehiclehighwaysystems? Transportation Researches C vol. 3, pp.193-209, 1995.Piotr Boguś, DSc., DEng. – Head of Departmentof Physics and Biophysics of Medical Universityof Gdańsk, docent at Rail Vehicle Institute TABORin Poznan.Dr hab. inż. Piotr Boguś – kierownik Katedry iZakładu Fizyki i Biofizyki Gdańskiego UniwersytetuMedycznego, docent w Instytucie PojazdówSzynowych TABOR w Poznaniu.e-mail: piotr.bogus@amg.gda.plProf. Jerzy Merkisz, DSc., DEng. – Professor in theFaculty of Working Machines and Transportationat Poznan University of Technology.Prof. Jerzy Merkisz – profesor na WydzialeMaszyn Roboczych i Transportu PolitechnikiPoznańskiej.e-mail: jerzy.merkisz@put.poznan.plRafał Grzeszczyk, DEng. – director of Automexsp. z o.o., Gdansk.Dr inż. Rafał Grzeszczyk – dyrektor Automex sp.z o.o., Gdańsk.e-mail: rafal.grzeszczyk@automex.plAdam Wrona, DEng. – financial director of AutomexSp o. o. in Gdansk.Dr inż. Adam Wrona – zastępca dyrektora ds. technicznychAutomex sp. z o. o., Gdańsk.e-mail: adam.wrona@automex.pl48 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Adaptive search for a PEM fuel cell maximum net powerArkadiusz MAŁEKPTNSS-2011-SS2-206Adaptive search for a PEM fuel cell maximum net powerSupply method of the fuel cell cathode side significantly affects the durability and efficiency of the hydrogen energyconversion. A fuel cell is a stochastic object. The paper presents air flow control of the PEM fuel cell in order to findand hold the maximum value of the net power produced by the fuel cell stack, regardless of changes of the parametersof the object of control and its outer environment. The Application of an adaptive extremum control with bi-parameteridentification provide automatic adjustment of the parameters of a controller to the changing characteristics of an object.The adaptive algorithm contains a number of variables and signals that support the estimation process. The quality andspeed of finding an optimal point depends on their values.Key words: PEM fuel cell, adaptive control, control algorithmAdaptacyjne poszukiwanie optimum mocy netto systemu ogniw paliwowych PEMSposób zasilania w tlen strony katodowej ogniwa paliwowego istotnie wpływa na jego żywotność i efektywność wykorzystaniaenergii chemicznej wodoru. Ogniwo paliwowe jest obiektem stochastycznym. W artykule opisano sterowaniepowietrzem zasilającym ogniwo w celu określenia i stabilizacji pracy systemu w punkcie maksymalnej mocy netto bezwzględu na zmieniające się właściwości ogniwa paliwowego i jego otoczenia. Zastosowanie adaptacyjnego sterowaniaekstremalnego z identyfikacją dwuparametryczną umożliwia dostosowanie się algorytmu sterowania do aktualnej charakterystykiogniwa paliwowego. W algorytmie adaptacyjnym istnieje wiele zmiennych i sygnałów wspomagających procesestymacji. Jak wykazano w artykule od ich wartości zależy jakość i szybkość odnajdywania punktu optymalnego.Słowa kluczowe: ogniwo paliwowe PEM, sterowanie adaptacyjne, algorytm sterujący1. IntroductionNowadays in every area of life, we can see aspirations forenhancing the productivity, efficiency and better use of feedstockto produce all kinds of products. These trends are ofgreat importance in an energy sector. As a result of shrinkingfuel resources, people are forced to use them economically. Inrecent decades, scientists have discovered many methods ofefficient use of energy. However, even more important thanbetter and cheaper technologies are revolutionary trends indesigning hardware of common use thanks to which technicalinnovations are combined together and applied in practice.An example of such a facility is the Nexa fuel cell systemthat combines the latest achievements in fuel cells, brushlessDC engines and effective control.Furthermore, it turns out that fuel cell systems can beoptimized to obtain maximum efficiency. This can be donein many ways. Proper selection of components to build sucha system and their effective control enable these objectivesto be achieved. This work will present the results of theimpact of airflow on the power generated by the PEM fuelcell. The argument that using an adaptation function in afuel cell control algorithm helps find an operating point withmaximum net power will be demonstrated, too. This meansthe best use of the chemical energy contained in fuel.2. The idea of the fuel cells air supply controlThe supply of oxygen to the cathode is one of the keyfactors in effective fuel cell control. When current is drawnfrom a fuel cell, the air supply system should replace the reactedoxygen. Otherwise the cathode will suffer from oxygenstarvation, which damages the stack and limits the powerCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)1. WprowadzenieW każdej dziedzinie życia można obecnie zaobserwowaćdążenia związane ze zwiększaniem wydajności, sprawnościczy lepszym wykorzystaniem substratów do produkcjiwszelkiego rodzaju wyrobów. Tendencje te mają ogromneznaczenie w sektorze energetycznym. Na skutek kurczeniasię zasobów paliw kopalnianych ludzie są zmuszeni dooszczędnego korzystania z nich. W ciągu ostatnich kilkudziesięciulat naukowcy odkryli wiele metod efektywnegowykorzystywania energii. Jednak jeszcze większe znaczenieniż coraz lepsze i tańsze technologie mają rewolucyjne trendyw projektowaniu sprzętu powszechnego użytku, dziękiktórym techniczne nowinki są ze sobą łączone i stosowanew praktyce. Przykładem takiego obiektu jest system ogniwpaliwowych Nexa łączący najnowsze osiągnięcia w dziedzinieogniw paliwowych, silników bezszczotkowych prądustałego i efektywnego sterowania.Jak się okazuje, również systemy ogniw paliwowychmożna optymalizować w celu uzyskiwania jak największejsprawności. Można to czynić wieloma sposobami. Odpowiednidobór komponentów do budowy takiego systemuoraz efektywne sterowanie nimi umożliwiają realizacjętakich celów. W tej pracy będą przedstawione wynikibadań wpływu wydatku powietrza na moc generowanąprzez ogniwo paliwowe typu PEM. Będzie udowodnionarównież teza, że wprowadzenie do algorytmu sterowaniaogniwem paliwowym funkcji adaptacji pozwala na odnalezieniepunktu pracy z maksymalną mocą netto. Oznaczato najlepsze wykorzystanie energii chemicznej zawartejw paliwie.49

Adaptacyjne poszukiwanie optimum mocy netto systemu ogniw paliwowych PEMresponse of the fuel cell. Also, adequate water managementis very important for performance and safe operation of thefuel cell [4]. The solution to this problem is to humidify air,hydrogen or both of these components before entering thefuel cell. Airflow functions as an internal cooling system.All this testifies to the immense role played by an air supplysystem in fuel cells. Optimizing airflow conditions cancontribute to improving the system performance increasingpower and life.While a receiver is supplied with power by the fuel cellstack, i.e. the reactions in the fuel cells proceed, the oxygenfrom the air supplied to fuel cell cathode is consumed. Letus define the momentary air excess coefficient λ as:where W air,inis the supplied air flow measured by means of avolumetric flow meter. W air,reactedis the useful airflow, actuallyneeded for chemical reactions, calculated on the basis ofthe produced current I stand the following electrochemicalequation:where n is the number of cells in the fuel cell stack, F is theFaraday’s constant (96485 C), M airis molar mass of the air,and q O2is the volume fraction of oxygen in the air.The hydrogen and air supply in a complete fuel cellsystem still remains one of the most important problems tobe solved before launching vehicles powered by fuel cellsinto the market. A freestanding stack of fuel cells has gotvery good performance characteristics, but if the requiredairflow and its pressure are not provided, these properties willnever be achieved in vehicle applications. Moreover, the airsupply system based on an electric motor/compressor systembrings a great load into the efficiency of the entire fuel cellsystem [3]. Thus, optimization of work in an electric motor/compressor system, and particularly the strategy of controlin such a system, is an essential condition to commercializefuel cell powered vehicles.For high-pressure cells, the optimal value of an air excesscoefficient λ is independent of a cell load degree. Pukrushpan[2] examined the impact of an air excess coefficient on thenet power of high-pressure cells (Fig. 1). For certain stackcurrent, the stack voltage increases with increasing airflowrate to the stack since the cathode oxygen partial pressureincreases. High oxygen excess ratio, and thus high oxygenpartial pressure, improves P stand P net. However, after anoptimum value of λ O2, further increase will cause excessiveincrease of compressor power and, thus deteriorate the systemnet power. Air compressor power consumption P cmwasthe only parasitic loss considered in this study(1)(2)2. Idea sterowania zasilaniem powietrzem ogniwpaliwowychZasilanie w tlen katody ogniwa paliwowego jest jednymz kluczy do sukcesu w efektywnym sterowaniu ogniwempaliwowym. Wynika to z wielu zadań, jakie pełni powietrzew układach tego typu. Kiedy prąd jest pobierany z ogniwa,konieczne jest, aby system zasilania w powietrze szybkouzupełniał zużyty tlen. W przeciwnym razie katoda ogniwaucierpi w wyniku nadmiernego zubożenia w tlen, któremoże przyczynić się do jej uszkodzenia i w ten sposób doograniczenia mocy wytwarzanej przez ogniwo [4]. Takżeodpowiednia gospodarka wodna jest bardzo ważna ze względuna osiągi i bezpieczną pracę ogniwa. Rozwiązaniem tegoproblemu jest nawilżanie powietrza, wodoru lub obu tychskładników przed wprowadzeniem ich do ogniwa paliwowego.Wraz z powietrzem zostaje odprowadzona z ogniwado otoczenia część ciepła wydzielanego w egzotermicznychreakcjach w nim zachodzących. Wszystko to świadczy oogromnej roli, jaką pełni układ zasilania w powietrze wogniwach paliwowych. Optymalizując warunki przepływupowietrza, można przyczynić się do poprawy osiągów systemu(zwiększyć moc, przedłużyć trwałość ogniwa).Podczas poboru prądu elektrycznego z ogniwa paliwowegowykorzystywany jest tlen zasilający katodę. Wprowadzamyzatem pojęcie chwilowego współczynnika nadmiarupowietrza λ – wzór (1).Wartość wydatku powietrza na wlocie do katody W pow,wlotmoże być zmierzona za pomocą objętościowego przepływomierzapowietrza.Wartość powietrza potrzebnego do reakcji W pow,reakcjijestobliczana z natężenia prądu stosu I stza pomocą elektrochemicznegorównania (2), gdzie: n – liczba ogniw w stosie, F –liczba Faraday’a (96485 C), M pow– masa molowa powietrza,q O2– objętościowy udział tlenu w powietrzu.Zasilanie wodorem i powietrzem kompletnego systemuogniw paliwowych ciągle pozostaje jednym z najważniejszychproblemów do rozwiązania przed wprowadzeniemna rynki komercyjnych pojazdów zasilanych ogniwamipaliwowymi. Wolnostojący stos ogniw paliwowych ma bardzokorzystne charakterystyki osiągów, ale gdy wymaganyprzepływ powietrza i jego ciśnienie nie są zapewnione, tewłaściwości nigdy nie będą osiągnięte w samochodowymzastosowaniu. Ponadto, system zasilania powietrzem opartyna zespole silnik/sprężarka wnosi duże obciążenie dosprawności całego systemu ogniw paliwowych [3]. Tak więcoptymalizacja pracy zespołu silnik/sprężarka, a szczególniestrategia sterowania takim zespołem, stanowi niezbędnywarunek komercjalizacji pojazdów zasilanych ogniwamipaliwowymi.Dla ogniw wysokociśnieniowych optymalna wartośćwspółczynnika nadmiaru powietrza λ jest niezależna odstopnia obciążenia ogniwa. Pukrushpan [2] wykonał badaniawpływu współczynnika nadmiaru powietrza na mocnetto ogniwa wysokociśnieniowego (rys. 1). Duży wydatekpowietrza, a w wyniku tego wysoka wartość współczynnikaλ, poprawia moc stosu ogniw P sti moc netto P net. Jednak poprzekroczeniu optymalnej wartości następuje bardzo szyki50 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Adaptive search for a PEM fuel cell maximum net powerP net= P st– P cm(3)The author concluded that the optimal air excess coefficientis λ O2= 2 for a selected compressor and applied asingle parametric control to regulate it for such a value inall system load conditions.Fig. 1. System net power at different stack current and oxygen excessratio [3]Rys. 1. Zależność mocy netto ogniwa wysokociśnieniowego od współczynnikanadmiaru tlenu [3]For the low-pressure cells, there is no information in theliterature about the optimal values of an air excess coefficientfrom the viewpoint of net power and about the impact of aload on an optimum value. This encouraged the author tomake an effort to clarify the issue.4. Test stand descriptionThe object of research was a Nexa fuel cell module (1.2kW net power) placed in the Mechanical Department at theUniversity of Trieste (Italy). In order to control the air outputof the pump, a master-slave controller was constructed. Asub-controller, co-operating with the brushless motor speedregulator to change the air pump output, was introduced intothe system to facilitate the tests. In parallel, another brushlessmotor was connected to the original controller’s output. Thissolution enabled the researchers to test a variety of airflowcontrol methods regardless of the procedures coded in theoriginal controller (Fig. 2).5. Low-pressure fuel cells net powercharacteristicsThe experiment was carried out to answer the followingquestions:– How does the fuel cell stack power (gross) increase as aresult of increasing the airflow?– How does the power necessary for an air pump driveincrease as a result of increasing the airflow?The responses will enable an obtainment of the characteristicsof the dependency of the net power of the low-pressureCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)spadek P net spowodowany zwiększonym zapotrzebowaniemmocy na napęd sprężarki P cm. Zatem moc potrzebnado napędu sprężarki jest stratą bierną dla systemu ogniwpaliwowych – równanie (3).W niniejszym artykule uznano, że optymalny współczynniknadmiaru powietrza λ = 2 dla wybranej sprężarki izastosowano sterowanie jednoparametryczne w celu regulacjina taką wartość we wszystkich warunkach obciążeniasystemu.W odniesieniu do ogniw niskociśnieniowych brak jestinformacji w literaturze o optymalnych wartościach współczynnikanadmiaru powietrza z punktu widzenia mocy nettooraz o wpływie obciążenia na wartość optymalną. Dało toimpuls do podjęcia wysiłku na rzecz wyjaśnienia tego problemuw niniejszej pracy.4. Stanowisko badawczeObiektem badań był moduł ogniw paliwowych Nexa omocy 1,2 kW znajdujący się na Wydziale MechanicznymUniwersytetu w Trieście (Włochy). W celu przeprowadzeniabadań wykonano sterownik badawczy, który współpracującz regulatorem prędkości obrotowej silnika bezszczotkowego,zmieniał wydatek sprężarki powietrza. W tym samym czasiedo wyjścia sterującego sterownika oryginalnego podłączonoinny silnik bezszczotkowy. Takie rozwiązanie umożliwiłotestowanie różnych metod sterowania wydatkiem powietrzabez względu na procedury zapisane na stałe w pamięcisterownika oryginalnego (rys. 2).Fig. 2. The test bed information flow diagramRys. 2. Schemat przepływu informacji na stanowisku badawczym5. Charakterystyka mocy nettoniskociśnieniowego ogniwa paliwowegoEksperyment przeprowadzono w celu znalezienia odpowiedzina pytania:– Jak zwiększa się moc stosu (brutto) ogniw paliwowychwskutek zwiększenia strumienia przepływu powietrza?– Jak zwiększa się moc potrzebna do napędu dmuchawywskutek zwiększenia strumienia przepływu powietrza?Na podstawie odpowiedzi możliwe będzie uzyskaniecharakterystyki zależności mocy netto niskociśnieniowegoogniwa paliwowego typu PEM od współczynnika nadmiarupowietrza dla różnych obciążeń prądowych (rys. 3).W wyniku badań eksperymentalnych wykonano charakterystykęwrażliwości generowanego przez niskociśnienioweogniwo paliwowe napięcia od wartości strumienia przepływającegopowietrza dla różnych poziomów obciążeniaprądowego systemu (rys. 4).Nieznany również pozostaje model strat na napęddmuchawy (silnika elektrycznego jak i samej dmuchawy),zwłaszcza w kontekście metod zasilania takiego silnika.51

Adaptacyjne poszukiwanie optimum mocy netto systemu ogniw paliwowych PEMPEM fuel cell on an air excess coefficient at different currentloads (Fig. 3).Basing on the experimental testing the most important characteristicsof the fuel cell system were prepared (Fig. 4).Wykonanie sterownika badawczego współpracującego zregulatorem prędkości obrotowej silnika bezszczotkowegodmuchawy powietrza umożliwiło wykonanie charakterystykipoboru mocy przez ten silnik w zależności od wydatku(rys. 5).Przedstawione wyniki porównania poboru mocy przezsilnik bezszczotkowy pracujący z dwoma rożnymi regulatoramiuświadamiają rezerwy tkwiące w efektywnym sterowaniuróżnymi urządzeniami. Pobór mocy uwzględnia równieżzasilanie regulatora. Regulator badawczy jest powszechnieużywany w modelarstwie i został zoptymalizowany podkątem osiąganej mocy i zużycia energii. W tym celu zastosowanow nim technikę PWM (zmiennego wypełnieniacyklu) w sterowaniu sekwencjami silnika bezszczotkowego.Regulator oryginalny systemu Nexa nie wykorzystuje takiejtechniki.Fig. 3. Fuel cell stack block diagramRys. 3. Schemat blokowy stosu ogniw paliwowychThe loss model of a pump drive (both in an electric motorand the pump itself), especially in the context of the methodsused to power such an engine, also remains unknown.Designing a test controller that cooperates with a rotationalspeed controller in a brushless pump motor, enabled toprepare the air pump power consumption characteristicsdepending on the airflow rate (Fig. 5).The above results concerning the comparison of thepower consumption by the brushless motor that operateswith two different regulators make us aware of the reserveinherent in the effective control of different devices. Thepower consumption includes a regulator supply, too. Theresearch regulator is commonly used in model-makingand has been optimized for the power obtained and energyconsumption. For this purpose, the PWM technique (PulseWidth Modulation) was used to control the sequences of thebrushless engine. The original Nexa system controller doesnot use such a technique.The results of tests [9, 10] indicated that for each stackcurrent there exist optimal λ by which maximal net poweris obtained (Fig. 6). The research shows that the reactionsoccurring in a fuel cell need several times more air than isapparent from the theoretical demand.Fig. 4. Polarization surface of the fuel cell systemRys. 4. Płaszczyzna polaryzacji systemu ogniw [9]Fig. 5. Power consumed by air pump – electric motor groupRys. 5. Zależność mocy pobieranej przez silnik pompy powietrzaod wydatku powietrzaFig. 6. The fuel cell stack system net power at different stack currentand air excess coefficient λRys. 6. Zależność mocy netto systemu ogniw paliwowych od współczynnikanadmiaru powietrza λ dla różnych obciążeń [9]52 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Adaptive search for a PEM fuel cell maximum net power6. Adaptive algorithmThe use of adaptive control with biparametrical identificationenables us to adapt the control algorithm for anobject, e.g. a particular copy of a fuel cell [6–8]. Therefore,such a control is called adaptive. Adaptation is needed whena designer, being uncertain, was not able to design an algorithmso that it could act optimally for a specific object anddisturbances, or when an object changes and the data adoptedduring a design phase cease to be valid after a time.Adaptive control represents an attempt to solve theproblem of a quick returning of the controller [1] (Fig. 7).Thus, the aim of the adaptive control is to determine andmaintain the top net power of the stack in any conditions ofits operation, regardless of changes of the parameters of theobject of control and its outer environment.In this paper the fuel cell stack net power model is representedin the following relationship:Fig. 7. Fuel cell stack adaptive control flowchartRys. 7. Schemat adaptacyjnego sterowania ogniwem paliwowymIn this part of paper we will use the following descriptions:y = P net, x = W air,in.The purpose of the algorithm is to determine (estimate)the value of θ 1and θ 2that ensure that a maximum net poweris reached (Fig. 8).For such a fuel cell stack model, the calculation of anadaptive control system is as follows:(4)Badania wykazały [9, 10], że dla poszczególnych poziomówobciążenia prądowego stosu ogniw istnieje optymalnawartość strumienia powietrza, której odpowiada maksimummocy netto (rys. 6). Z badań wynika, że do reakcji zachodzącychw ogniwie paliwowym konieczne jest dostarczenieo wiele więcej powietrza niż to wynika z teoretycznegozapotrzebowania.6. Algorytm adaptacyjnyZastosowanie adaptacyjnego sterowania ekstremalnegoz identyfikacją dwuparametryczną umożliwia dostosowaniealgorytmu sterowania do obiektu, na przykład do konkretnegoegzemplarza ogniwa paliwowego [6, 7, 8]. Dlatego sterowanietakie nazywa się adaptacyjnym. Adaptacja potrzebnajest wówczas, gdy z powodu niepewności projektant niemógł zaprojektować algorytmu tak, by działał on w sposóboptymalny dla konkretnego obiektu i zakłóceń lub gdyobiekt zmienia się i dane przyjęte na etapie projektowaniapo pewnym czasie przestają być aktualne.Sterowanie adaptacyjne jest próbą rozwiązaniaproblemu szybkiego przestrajania regulatora[1] – rys. 7. Zadaniem sterowania adaptacyjnegojest odnalezienie maksimum mocy netto systemuw każdych warunkach obciążenia, bez względyna zmieniające się właściwości zarówno samegosystemu, jak i otoczenia zewnętrznego.Model mocy netto wytwarzanej przez stosogniw paliwowych jest zapisany za pomocą zależności(3).Zadaniem algorytmu sterowania jest wyznaczenie(estymacja) takich wartości współczynnikówθ 1i θ 2, które odpowiadają maksymalnej mocy netto (rys.8) – wzór (4).Na podstawie modelu obliczane jest sterowanie optymalne– równanie (5), gdzie: RND – wartość losowa zzakresu 0–1 o równym prawdopodobieństwie wystąpieniaposzczególnych wartości, i – indeks kolejnych kroków czasowych,ζ – współczynnik wielkości zaburzania wielkościsterującej x(i).Gdy charakterystyka właściwości systemu jest modelowanaprzez równanie kwadratowe (3), bardzo pomocnejest skorzystanie z metody przyrostowej – rys. 9. Zastosowaniejej pozwala na zmniejszenie ilości niewiadomych(5)This is an estimate of the extremum location to which aperturbation signal is added (RND – random signal and ζ isperturbation signal).If the characteristics of the system quality is modeledby a polynomial quadratic equation (3) the incrementalmethod is very helpful – Fig. 9. A beneficial side effect ofusing the incremental method is that it removes one of theunknown parameters (y); this leaves just two parameters toestimate and makes the recursive estimation fast and morecompact [5].Fig. 8. Finding the maximum of exponential functionof the second orderRys. 8. Sposób wyznaczania maksimum funkcji wykładniczejdrugiego stopniaCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)53

Adaptacyjne poszukiwanie optimum mocy netto systemu ogniw paliwowych PEMIn he presented method (see also Fig. 9):(6)(7)(8)The estimated result of the increment of the maximumnet power in this step should obviously equal the desirablevalue:The value ofcalculation:(9)is obtained from a current model(10)In the same time the real value y(i) is measured. Controlerror is calculated on its basis:(11)and then, the “knowledge” of the adaptive system is updated:(12)Fig. 9. Graphic presentation of the incremental methodRys. 9. Zobrazowanie metody przyrostowejwystępujących w równaniach algorytmu w porównaniu zmetodą opartą na obliczeniach wartości absolutnych. W tensposób wyeliminowana zostaje wartość absolutna mocy nettoy(i). To pozostawia już tylko dwa parametry do estymacjii sprawia, że rekursywna estymacja jest szybsza i bardziejskuteczna [5].W metodzie tej przyrosty poszczególnych wartościmożna zapisać za pomocą zależności (6)–(8).Po wykorzystaniu tych zależności szacowana jest mocefektywna (9) oraz wartość efektywna (10), gdzie: RND –sygnał zaburzający, który jest wartością losową z zakresu0–1 o równym prawdopodobieństwie wystąpienia poszczególnychwartości.Z pomiaru otrzymywana jest rzeczywista wartość y(i).Następnie obliczany jest błąd szacowania (11) i przeskalowanesą wartości K, L, P i q według wzorów (12)–(16).Na podstawie modelu wyznacza się sterowanie optymalnedla kolejnego kroku czasowego – równanie (17).(13)(14)(15)Fig. 10. Forgetting factor b influence on airflow estimation time t goalRys. 10. Wpływ współczynnika b na szybkość regulacji t goal(16)7. Wyniki badańBadania polegały na zadaniu sterownikowi warunkówpoczątkowych θ 1i θ 2bardzo odległych od wartości optymalnych.Wywołało to zmianę prędkości obrotowej silnikaelektrycznego dmuchawy na obroty odpowiadające bardzodużym wydatkom powietrza (ponad 80 dm 3 /min). Z tegopoziomu następowało stopniowe zmniejszanie prędkościobrotowej aż do uzyskania maksymalnej mocy dla zadanegopoziomu obciążenia.54 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Adaptive search for a PEM fuel cell maximum net powerBasing on the model, the new optimal control for thenext time step is calculated:7. Experimental results(17)The experiment began with inputting values θ 1and θ 2that were far from values appropriate for the current workingpoint. This enforced an increase of the air supply (above 80l/min) i.e. increase of the air pump motor speed. Successively,the algorithm decreased the air supply to the levelcorresponding to the maximum power under said stackcurrent.The rate of finding of the optimal λ valuedepends mainly on the value of forgetting factorb which characterizes the operation of anadaptive algorithm (Fig. 10).The time required by the algorithm todetermine the optimal value of l depends onforgetting factor b. Low value of forgetting factorb allows quick response to sudden changeof load, but simultaneously causes reaction tonoise – which results in instability under stableload. High value of forgetting factor b givesnoise immunity but significantly increases timeof reaction to sudden change of working conditions(Fig. 10). Therefore, the value of forgettingfactor b must be a compromise between speedand stability (Fig. 11).The adaptive algorithm has got manyvariables and signals that support an estimationprocess. The quality and speed of finding anoptimal point depends on their values. Thesevariables and signals include even a disturbingsignal value (Fig. 12). In practice, these disturbancesare necessary to ensure the sustainablestimulation of an estimation process. A measurednoise and other disturbances occurring in a realresearch stand are too small to sustain the process of correctestimation. Learning the algorithm could be stopped with noadditional disturbances to occur.Also, the incidence of new control value generation affectsthe speed of system performance (Fig. 13). This valuedepends on the time constant of the entire fuel cell system,and this, in turn, on a current system state and environmentconditions.However, extreme control takes time to find optimaloperating points. In the case of using step current load thesystem needs tens of seconds to adapt to new conditions (Fig.14). If a fuel cell module cooperates with devices that havevarious current consumption, it causes a very significantloss of control. In order to reduce the time necessary for theadaptive algorithm to find a maximum net power point, onecan use an array method (a static map) or dependency as afunction that would include the approximate dependencyof the position of an optimal point on the load. In this case,Szybkość odnajdowania wartości optymalnej współczynnikaλ zależy głównie od współczynnika szybkości uczeniasię b, który charakteryzuje pracę algorytmu adaptacyjnego– rys. 10.Wartość współczynnika b ma ogromny wpływ na właściwościregulatora a tym samym na jakość regulacji. Dlamałej wartości b algorytm regulacji działa bardzo „nerwowo”,jednak czas potrzebny do odnalezienia optimumjest krótki. Praca układu z większymi współczynnikami bcharakteryzuje się większą stabilnością i odpornością nawszelkiego rodzaju zakłócenia w stanach ustalonych (rys.11). W stanach dynamicznych algorytmy te są wolniejsze,co skutkuje dłuższym okresem osiągania stabilizacji.Fig. 11. Parameters estimation for an adaptive optimizer with two parametersRys. 11. Wpływ współczynnika β na stabilność estymowanych parametrówW algorytmie adaptacyjnym istnieje wiele zmiennychi sygnałów wspomagających proces estymacji. Od ichwartości zależy jakość i szybkość odnajdywania punktuoptymalnego. Można do nich zaliczyć chociażby wartośćsygnału zaburzającego (rys. 12). W praktyce zaburzeniate są niezbędne w celu zapewnienia trwałego pobudzaniaprocesu estymacji. Szum pomiarowy i inne zakłóceniawystępujące na rzeczywistym stanowisku badawczym sązbyt małe by podtrzymać proces poprawnej estymacji. Bezdodatkowych zaburzeń procesu uczenia się algorytm mógłbyzostać zatrzymany.Także częstość generowania nowej wartości sterującejma wpływ na szybkość działania układu (rys. 13). Tawartość zależy od stałej czasowej całego systemu ogniwpaliwowych, zaś ta z kolei od aktualnego stanu systemu iwarunków otoczenia.Jednak sterowanie ekstremalne wymaga długiego czasuna odnalezienie optymalnych punktów pracy (rys. 14). PrzyCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)55

Adaptacyjne poszukiwanie optimum mocy netto systemu ogniw paliwowych PEMFig. 12. Illustrating the improved tuning performance with variable test perturbation amplitudeRys. 12. Wpływ współczynnika wielkości zaburzania ζ na szybkość regulacjithe algorithm does not have to cover the whole distancerelated to the change of load while identifying θ 1and θ 2parameters for all intermediate states. Its fine-tuning wouldalready occur in a very narrow range of mass flow changesin an air blower.The original system controls the mass flow of an airpump in an open loop, depending on the current load. Thisallows almost an immediate response by an air pump to astroke of load (a time delay is about 1 second for a strokewithin the range from idle to maximum speed). In thiscase, the author suggests updating the characteristics ofthe dependency of the air blower mass flow on the currentcharged from the cell. The first update would levelthe differences resulted from the discrepancies in the cellproperties after leaving a production line. Subsequentupdates performed, e.g. every 50 hours,would take into account object aging.The possibility of re-calibration whenambient conditions (temperature, pressurevariation associated with the elevationabove sea level and humidity) change isalso assumed here. People using a fuelcell as portable (tourist) power generatorswould gain advantage from such anopportunity.Characteristics updating would be aseveral minute test during which the systemwould calibrate algorithm parameters. Theextreme control could be, of course, used forself-calibration. The open-loop control withthe possibility of updating the mass flow inan air pump would enable a rapid systemresponse in dynamic states and its workin the area very close to the maximum netpower (obviously depending on the updatecharacteristics frequency).zastosowania skokowego obciążenia układpotrzebuje kilkadziesiąt sekund na przystosowaniesię do nowych warunków. W przypadkupracy modułu ogniw paliwowych zurządzeniami, które charakteryzuje zmiennypobór prądu, powoduje to bardzo dużestraty sterowania. W celu skrócenia czasuodnajdywania punktu z maksymalną mocąnetto przez algorytm adaptacyjny możnazastosować metodę tablicową (mapę) lubwprowadzenie zależności w postaci funkcji,która zawierałaby przybliżoną zależnośćpołożenia punktu optymalnego od obciążenia.W tej sytuacji algorytm nie musiałbypokonywać całej drogi związanej ze zmianąobciążenia, identyfikując parametry θ 1i θ 2dla wszystkich stanów pośrednich. Jegodostrojenie występowałoby już w bardzoniewielkim przedziale zmian wydatkudmuchawy powietrza.System oryginalny steruje wydatkiemdmuchawy powietrza w pętli otwartej wzależności od obciążenia prądowego. Umożliwia to prawienatychmiastową odpowiedź dmuchawy na skok obciążenia(zwłoka czasowa wynosi ok. 1 s dla skoku od prędkościbiegu jałowego do prędkości maksymalnej). W takiej sytuacjiautor proponuje uaktualnianie charakterystyki zależnościwydatku dmuchawy powietrza od pobieranego z ogniwaprądu. Pierwsza aktualizacja miałaby niwelować różnicewynikające z rozbieżności właściwości ogniwa po wyjściuz taśmy produkcyjnej. Kolejne aktualizacje przeprowadzanenp. co 50 godzin pracy uwzględniałyby starzenie obiektu.Zakłada się także możliwość przeprowadzenia ponownejkalibracji podczas zmiany warunków otoczenia (temperatura,zmiana ciśnienia związana z położeniem nad poziomemmorza, wilgotność). Ta ewentualność byłaby przydatna dlaFig. 13. Relationship between control step-time τ and lag of the controller responseRys. 13. Wpływ częstości generowania nowej wartości sterującej τ na szybkość regulacji56 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Adaptive search for a PEM fuel cell maximum net powerFig. 14. Adaptive system response for positive current jump 25–32 A for b = 0.75Rys. 14. Odpowiedź systemu na skok obciążenia 25–32 A dla b = 0,75osób wykorzystujących ogniwo paliwowejako turystyczny agregat prądotwórczy.Aktualizacja charakterystyki polegałaby nawykonaniu kilkuminutowego testu, podczasktórego system dokonałby kalibracji współczynnikówwielomianu. Do przeprowadzeniaautokalibracji można wykorzystać zaproponowanesterowanie ekstremalne. Sterowaniew pętli otwartej z możliwością uaktualnianiacharakterystyki wydatku dmuchawy powietrzaumożliwiłoby szybką reakcję systemuw stanach dynamicznych i pracę w obszarzebardzo bliskim maksymalnej mocy netto (zależnymoczywiście od częstości aktualizacjicharakterystyki).8. ConclusionIn the paper airflow control of the PEM fuel cell waspresented in order to find and hold the maximal value ofthe net power produced by the fuel cell stack, regardless ofthe changes of the parameters of the object of control andits ambient environment. The application of an adaptiveextremum control with bi-parameter identification providesautomatic adjustment of the parameters of a controller to thechanging characteristics of an object. The adaptive algorithmcontains a number of variables and signals that support theestimation process. The quality and speed of finding of anoptimal point depends on their values.8. PodsumowanieW artykule opisano sterowanie powietrzem zasilającymogniwo w celu określenia i stabilizacji pracy systemuw punkcie maksymalnej mocy netto, bez względu nazmieniające się właściwości ogniwa paliwowego i jegootoczenia. Zastosowanie adaptacyjnego sterowania ekstremalnegoz identyfikacją dwuparametryczną umożliwiadostosowanie się algorytmu sterowania do aktualnejcharakterystyki ogniwa paliwowego. W algorytmie adaptacyjnymistnieje wiele zmiennych i sygnałów wspomagającychproces estymacji. Jak wykazano w artykule,od ich wartości zależy jakość i szybkość odnajdywaniapunktu optymalnego.Paper reviewed/Artykuł recenzowanyBibliography/Literatura[1] Niedźwiedzki M.: Identyfikacja niestacjonarnych obiektówlosowych. Zeszyty Naukowe Politechniki Gdańskiej, Elektronika69, Gdańsk 1990.[2] Pukrushpan J., Peng H., Stefanopoulou A.: Simulation andanalysis of transient fuel cell system based on dynamic reactantflow model, Proceedings of IMECE’02, 2002 ASMEInternational Mechanical Engineering Congress & Exposition,November 17-22, 2002, New Orleans, Louisiana, USA, IME-CE2002-DSC-32051.[3] Tekin M., Hissel D., Pera M., Kauffmann J.: Energy consumptionreduction of a PEM fuel cell motor-compressor groupthanks to efficient control laws, Journal of Power Sources,156 (2006), 57-63.[4] Vahidi A., Stefanopoulou A., Peng H.: Model Predictive Controlfor Starvation Prevention in a Hybrid Fuel Cell System,IEEE Proceedings of 2004 American Control Conference,2004.[5] Wellstead P.E., Scotson P.G.: Self-tuning extremum control,IEE Proceedings, Vol. 137, Pt. D, No. 3, May 1990.[6] Wendeker M., Taccani R., Malek A., Czarnigowski J.: Adaptivecontrol of the fuel cell system, International Conference HY-POTHESIS V, 7-10 September 2003, Porto Conte, Sardinia,Italy, 717-726, 2003.[7] Wendeker M., Malek A., Czarnigowski J., Taccani R., BouletP., Breaban F.: Adaptive airflow control of the PEM fuel cellsystem, SAE 2007-01-2012. 2007 JSAE/SAE InternationalFuels & Lubricants Meeting, 23-26.07.2007, Kyoto, Japan.[8] Zhong Z., Huo H., Zhu X., Cao G., Ren Y.: Adaptive maximumpower point tracking control of fuel cell power plants, Journalof Power Sources, 176, 259-269 (2008).[9] Małek A.: Sterowanie przepływem powietrza w niskociśnieniowymogniwie paliwowym typu PEM. Rozprawa doktorska,Politechnika Lubelska, Lublin 2010.[10] Małek A., Wendeker M.: Ogniwa paliwowe typu PEM – teoriai praktyka. Politechnika Lubelska, Lublin 2010.Małek Arkadiusz, DEng. – doctor in the College ofEnterprise and Administration in Lublin, researcherin the Faculty of Mechanical Engineering at LublinUniversity of Technology,Dr inż. Arkadiusz Małek – wykładowca w WyższejSzkole Przedsiębiorczości i Administracji w Lublinie,pracownik naukowy na Wydziale MechanicznymPolitechniki Lubelskiej.e-mail: arkadiusz.malek@wp.plCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)57

Charakterystyka emisyjności pojazdów kategorii SUV z silnikami ZS...Jerzy MERKISZJacek PIELECHAPTNSS-2011-SS2-207The on-road exhaust emissions characteristics of SUV vehiclesfitted with diesel enginesThe paper presents the results of on-road exhaust emission tests of Sport Utility Vehicles fitted with diesel engines, anda DPF (diesel particulate filter). Under such conditions the authors could determine the actual vehicle emissions. Thetests were performed on a road portion of a hundred kilometers or so – these tests provide information on the on-roademissions and are a basis for their ecological evaluation. For the measurement of the exhaust emissions the authorsused a portable exhaust emissions analyzer SEMTECH DS by Sensors Inc. The analyzer measured the concentration ofthe exhaust components at the same time measuring the exhaust mass flow. The measurements of the particulate matter(mass, number and spectral distribution) were done with the use of particle analyzer by AVL and a mass spectrometerby TSI. The obtained data were used to calculate the relations that characterize the influence of the dynamic engine parameterson the exhaust emissions. These properties were taken into account indirectly using the whole range of speedsand accelerations of the vehicle for the preparation of the matrices of the emissions rate. The used data were averagedwithin individual speed and acceleration ranges thus obtaining the characteristics of the share of operation in individualranges and the characteristics of the emission matrices of the individual emission components. The above results servedfor defining of the emission level indicator of the vehicles that can be used for classification of vehicle fleet in terms oftheir emission level.Key words: on-road tests, exhaust emissions, ecologyCharakterystyka emisyjności pojazdów kategorii SUV z silnikami ZSw rzeczywistych warunkach ruchuW artykule przedstawiono wyniki badań emisyjnych samochodów kategorii SUV (Sport Utility Vehicle) z silnikamiZS, wyposażonych w filtr cząstek stałych w warunkach drogowych – w takich warunkach można uzyskać informację orzeczywistej ich emisji. Testy wykonywano na odcinku stu kilkudziesięciu kilometrów podczas rzeczywistych warunkówjazdy – zawierają one informację o eksploatacyjnej emisyjności pojazdów i są podstawą do ekologicznej ich oceny. Dopomiarów stężenia związków toksycznych wykorzystano mobilny analizator do badań toksyczności SEMTECH DS firmySensors Inc. Analizator umożliwiał pomiar stężenia związków szkodliwych, mierząc jednocześnie masowe natężenie spalin.Pomiary emisji cząstek stałych (masy, liczby i rozkładu widmowego) wykonano z wykorzystaniem analizatora cząstekstałych firmy AVL oraz spektrometru masowego firmy TSI. Uzyskane dane posłużyły do opracowania zależności, którecharakteryzują wpływ dynamicznych właściwości silnika na emisję związków szkodliwych. Właściwości te uwzględnionow sposób pośredni, wykorzystując przedział całego zakresu prędkości oraz zakresu przyspieszenia pojazdu do wykonaniamacierzy natężenia emisji. Wykorzystane dane uśredniono w ramach poszczególnych przedziałów prędkości i przyspieszenia,otrzymując charakterystykę udziału pracy pojazdu w poszczególnych przedziałach oraz charakterystyki macierzyemisji poszczególnych związków szkodliwych. Powyższe wyniki posłużyły do zdefiniowania wskaźnika emisyjności pojazdów,który można wykorzystać do klasyfikacji flot pojazdów pod względem emisji związków toksycznych.Słowa kluczowe: badania drogowe, emisja spalin, ekologiczność pojazdów1. IntroductionCurrently a trend has been seen of global treatment ofthe environmental perils from the automotive industry. Theregulations permitting the vehicle to drive on roads (homologationsand production conformity), periodical inspections ofthe vehicle technical condition and other legal acts directly orindirectly related to the production, use and disposal of usedup civilization products treat the environmental issues in acomplex way. In the previous years in individual countriesthere were different inspection and testing systems related tothe exhaust emissions yet for some time now there has beena far reaching unification going on [3, 7, 9].The growing number of vehicles in the world and theresultant natural environment pollution leads to a growth1. WprowadzenieObecnie zauważa się tendencję do globalnego traktowaniazagrożeń środowiska ze strony motoryzacji. Przepisyzezwalające na dopuszczenie pojazdów do użytkowania(badania homologacyjne i zgodności produkcji), okresowebadania kontroli stanu technicznego oraz pozostałe aktyprawne związane bezpośrednio i pośrednio z produkcją,użytkowaniem i zagospodarowaniem zużytych wytworówcywilizacji, traktują zagadnienia ochrony środowiska wsposób kompleksowy. Na przestrzeni minionych lat wposzczególnych państwach istniały różne systemy badań ikontroli emisji spalin z silników samochodowych, jednak odpewnego czasu następuje w tym zakresie daleko posuniętaunifikacja [3, 7, 9].58 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

The on-road exhaust emissions characteristics of SUV vehicles...in the emission related requirements. Current level of technologyadvancement in all the fields of industry includingtransport results in a growth of the requirements for the emissionmeasurement devices. In order for these requirementsto be fulfilled to comply with the ever-changing regulationsa concentration of industry became necessary in this matter.The exhaust emission tests are a sophisticated process.Modern analyzers of the emissions require special laboratoryconditions and the homologation procedures comprise testson chassis and engine dynamometers that do not entirelyreflect the emissions under real operating conditions. Thelatest results of on-road tests show that in relation to someexhaust components the emission is higher by several hundredpercent for both the gaseous compounds and [1–5, 15]particulate matter [6, 8, 10, 11]. Hence, we can see a trendattempting at a formalization and enforcement of the on-roademission testing.2. Methodology of researchThe aim of the tests was a verification of the emissionlevel of vehicles in the category of SUV (Sport Utility Vehicle)fitted with diesel engines, Euro 4/Euro 5 compliantunder real traffic conditions. At the same time the tests werean attempt to develop an on-board exhaust emission measurementsystem. The determining of the on-road emission leveland comparing it with the standards allowed a determinationof the emission indicator. The obtained emission indicatorserved as an answer to the question whether the emissionsunder traffic conditions are comparable to the emissionsobtained in the homologation tests. At the same time it isa verification of the conditions of the performance of thehomologation test and the real traffic conditions.The measurement of the on-road exhaust emission wasperformed under real traffic conditions: urban drive (sharein the whole test – 13%), extra urban (42%), freeway (45%)in the province of Wielkopolska (Fig. 1). The route profilediffered in terms of elevation above the sea level and themaximum difference was 55 meters. Two vehicles weretested for which the drives were repeated three times. Thedifferences in the values in the subsequent trials did notexceed 5% of the average value. The tests consisted in themeasurement of the exhaust components (CO, HC, NO xandparticulate matter for each vehicle) and then with the use ofthe GPS and OBD data the road emission of each exhaustcomponent was determined.The object of the investigationswere vehicles (Fig. 2) whosedrivetrain characteristics has beenpresented in Table 1. They are characterizedwith different emissionstandards, which resulted from theuse of a DPF filter or its lack. Despitedifference in the curb weightand engine capacity the commonfeature of the selected vehicles wasthe value of the volumetric poweroutput indicator that amounted to approximately50 kW/dm 3 .Rosnąca liczba pojazdów na świecie i związane z tymzanieczyszczenie środowiska naturalnego powodują wzrostwymagań w zakresie emisji szkodliwych składników spalin.Obecny stopień zaawansowania techniki i technologiiwe wszystkich dziedzinach przemysłu, w tym również wewszelkich rodzajach transportu, powoduje wzrost wymagańodnośnie do produkcji urządzeń do pomiarów emisji spalin.Aby te wymagania mogły być spełniane w stopniu koniecznymdo zmieniających się okresowo przepisów, koniecznastała się koncentracja przemysłu w tej dziedzinie. Badaniaemisji toksycznych składników spalin są procesem skomplikowanym.Obecne analizatory do pomiaru emisji wymagająszczególnych warunków laboratoryjnych, a procedury homologacyjneobejmują testy na hamowniach silnikowych ipodwoziowych, które jednak nie odzwierciedlają emisji wrzeczywistych warunkach eksploatacji. Najnowsze wynikibadań prowadzonych w warunkach rzeczywistych ukazują,że w odniesieniu do niektórych składników toksycznychspalin emisja ta jest większa o kilkaset procent zarównozwiązków gazowych [1–5, 15], jak i cząstek stałych [6, 8,10, 11]. W związku z powyższym dostrzegalny jest trendusankcjonowania pomiaru emisji w warunkach rzeczywistejeksploatacji pojazdów.2. Metodyka badańCelem badań była weryfikacja emisyjności pojazdówkategorii SUV (Sport Utility Vehicle) z silnikami ZS, spełniającychnormę Euro 4/Euro 5, podczas rzeczywistych warunkówruchu drogowego. Jednocześnie badania były próbąstworzenia pokładowego systemu pomiarowego związkówszkodliwych. Wyznaczenie emisyjności w warunkach drogowychi porównanie jej z wartościami normatywnymi, pozwoliłona określenie wskaźnika emisyjności. Wyznaczonywskaźnik emisyjności posłużył do odpowiedzi na pytanie:czy emisja w warunkach drogowych jest porównywalnaz emisją uzyskiwaną podczas testu homologacyjnego.Jednocześnie jest to weryfikacja warunków wykonywaniatestu homologacyjnego i warunków rzeczywistych ruchupojazdów.Pomiarów emisyjności w warunkach drogowych dokonanow rzeczywistych warunkach ruchu: jazda miejska (udziałw całości testu – 13%), pozamiejska (42%), autostradowa(45%) na terenie województwa wielkopolskiego (rys. 1).Profil drogi był zróżnicowany pod względem wysokościFig. 1. The route (marked) used for the testing of the exhaust emissionsRys. 1. Zaznaczona trasa wykorzystana do badania emisyjności pojazdówCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)59

Charakterystyka emisyjności pojazdów kategorii SUV z silnikami ZS...ABFig. 2. Exhaust emission analyzers fitted in vehicles A and B during the testsRys. 2. Analizatory spalin zamontowane w pojazdach A i B podczas badańTable 1. Technical specifications of the vehicles used in the testsTabela 1. Charakterystyka pojazdów wykorzystanych w badaniachParameters/parametry obiektów Unit/jednostka Vehicle A/pojazd A Vehicle B/pojazd BType of engine /aspiration/rodzaj silnika/zasilania– Diesel/turbocharged/ZS/doładowanyDiesel/turbocharged/ZS/ doładowanyCapacity/pojemność silnika dm 3 2.2 2.0Number of cylinders/liczba cylindrów – 4 4Power output/moc kW/(rpm) 110/3600 103/4200Torque/moment obrotowy N·m/(rpm) 340/2000–2800 320/1750–2500Volumetric power output indicator/objętościowy wskaźnik mocykW/dm 3 50 51.5Vehicle curb weight/masa własna pojazdu kg 1590 1550Aftertreatment /Euro standard/system oczyszczaniaspalin/norma spalin– oxycat /Euro 4/reaktor utleniający/Euro 4oxycat, DPF /Euro 5/reaktor utleniający,filtr cząstek stałych/Euro 5Vehicle mileage/przebieg pojazdu km 15 000 2000Diagnostic system/system diagnostyczny EOBD/CAN 2.0/b EOBD/CAN 2.0/bFor the measurement of the exhaust emissions the authorsused a portable exhaust emissions analyzer SEMTECHDS by Sensors Inc. (tab. 2). The analyzer enables a meas-n.p.m., a maksymalna różnica wynosiła 55 m. Badaniadotyczyły dwóch pojazdów, dla których przejazdy powtarzanotrzykrotnie. Różnice wartości w kolejnych próbach60 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

The on-road exhaust emissions characteristics of SUV vehicles...urement of the concentration s of the exhaust components(CO, HC, NO x, CO 2) and a mass flow of the exhaust gases.The exhaust gases introduced into the analyzer through ameasuring probe maintaining the temperature of 191 o Care filtered out of the particulate matter (diesel enginesonly) and directed to the flame ionization detector wherethe measurement of hydrocarbons takes place. The exhaustgases are cooled down to the temperature of 4 o C and theconcentration of nitric oxides is measured (non-dispersiveultraviolet-measuring both nitrogen monoxide and nitrogendioxide). At the end the concentration of carbon monoxideand carbon dioxide (non-dispersive infrared method) andoxygen (electrochemical) are measured. The data fromthe GPS and OBD can be fed directly to the central unitof the analyzer.In the tests the authors measured the exhaust emissionsand also, for comparison, recorded data from the on-boarddiagnostics such as engine speed, engine load and vehiclespeed. Some of these signals served for the determinationof the time density map of the engine share of operationunder traffic conditions. The GPS signal; was used for thevisualization of the obtained data.For the measurement of particulate matter the authorsused a portable analyzer by AVL 483 (Micro Soot Sensor)that enables a continuous measurement of PM in dilutedexhaust gases. The principle of operation of this device usesa photoacoustic method that allows a measurement of PMstarting from the value of 5 μg/m³. The measurement of PM(the device measures the carbon part of the particle) with thephotoacoustic method consists in a significant absorption ofthe laser light by the soot particles. This results in a periodical(interchanging) heating and cooling of the working gas(change in the pressure in the measurement chamber) andthe generated sound wave is recorded by the microphones.The basic technical specifications of the analyzer have beenshown in Table 3.nie przekraczały 5% wartości średniej. Badania polegałyna pomiarze stężenia związków szkodliwych (CO, HC, NO xoraz cząstek stałych dla każdego pojazdu), a następnie zwykorzystaniem danych z systemu lokalizacji pojazdu GPSoraz systemu diagnostycznego określono emisję drogowąkażdego związku.Obiektem badań były pojazdy (rys. 2), których charakterystykęjednostek napędowych przedstawiono w tab.1. Charakteryzowały się one spełnieniem różnych normtoksyczności spalin, co wynikało m.in. z zastosowania filtracząstek stałych lub jego braku. Pomimo różnic w masachwłasnych pojazdów i pojemności silników, cechą wspólnątak wybranych pojazdów była wartość objętościowegowskaźnika mocy, który dla wybranych pojazdów wynosiłok. 50 kW/dm 3.Do pomiarów stężenia związków toksycznych wykorzystanomobilny analizator do badań toksyczności SEMTECHDS firmy Sensors Inc. (tab. 2). Analizator umożliwiałpomiar stężenia związków szkodliwych (CO, HC, NO x,CO 2) oraz jednocześnie masowego natężenia przepływuspalin. Gazy spalinowe wprowadzane do analizatora zapomocą sondy pomiarowej utrzymującej temperaturę191 o C są filtrowane z cząstek stałych (dla silników ZS)i kierowane do analizatora płomieniowo-jonizacyjnego,w którym następuje pomiar stężenia węglowodorów.Następnie spaliny są schładzane do temperatury 4 o C iwykonywany jest pomiar stężenia tlenków azotu (metodąniedyspersyjną z wykorzystaniem promieniowania ultrafioletowego,umożliwiającą jednoczesny pomiar tlenku azotui dwutlenku azotu). Na końcu następuje pomiar stężeniatlenku węgla i dwutlenku węgla (metodą niedyspersyjnąz wykorzystaniem promieniowania podczerwonego) oraztlenu (analizatorem elektrochemicznym). Do jednostkicentralnej analizatora można doprowadzić dane przesyłanebezpośrednio z systemu diagnostycznego pojazdu orazwykorzystać sygnał lokalizacji GPS.Table 2. Technical specifications of the portable exhaust emission analyzer – SEMTECH DS [11]Tabela 2. Charakterystyka mobilnego analizatora spalin SEMTECH DS [11]Parameter/parametr Measurement method/metoda pomiaru Accuracy/dokładność1. Exhaust component concentration/stężeniezwiązków wspalinachCOHCNO x= (NO + NO 2)CO 2O 22. Exhaust gas flow/przepływspalin3. Warm up time/czas nagrzewania4. Response time/czasodpowiedzi5. Supported diagnosticsystems/obsługiwane systemydiagnostyczneNDIR analyzer/analizator, measurement range/zakrespomiarowy 0–10%FID analyzer/analizator, range/zakres 0–10 000 ppmNDUV analyzer/analizator, range/zakres 0–3000 ppmNDIR analyzer/analizator, range/zakres 0–20%Electrochemical analyzer/analizator elektrochemiczny,range/zakres 0–20%Mass flow rate/masowe natężenie przepływuT maxdo 700 o C±3% of the measurement range/zakresu pomiaru±2% of the measurement range/zakresu pomiaru±3% of the measurement range/zakresu pomiaru±3% of the measurement range/zakresu pomiaru±1% of the measurement range/zakresu pomiaru±2.5% range/zakres±1% range/zakres900 s –T 90< 1 s –SAE J1850/SAE J1979/SAE 15765OBD: ISO, CAN, VPW, PWM–COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)61

Charakterystyka emisyjności pojazdów kategorii SUV z silnikami ZS...For the measurement of the particle size distribution(as a dependence of their diameter) a mass spectrometer byTSI Incorporated – 3090 EEPS (Engine Exhaust ParticleSizer Spectrometer) was used, whose parameters havebeen shown in table 4. The analyzer continuously measuresthe distribution of the PM size. It also measures the discreterange of particle diameter (from 5.6 to 560 nm) based ontheir different velocities. The range of the electrical motilityof the particles changes exponentially and the measurementof the PM takes place with the frequency of 10 Hz.The diluted exhaust gases of proper temperature weredirected to the particle counter and mass spectrometer.Hence, the overall number of particles and the qualitative andquantitative distribution were given in each size range.Table 3. Technical specifications of the PM analyzer AVL MSS 438 [13]Tabela 3. Dane techniczne analizatora cząstek stałych AVL MSS 438 [13]Parameter/parametrValue/wartośćMeasurement range/zakres pomiaru 0÷50 mg/m 3Resolution/rozdzielczość 0.001 mg/m 3Dilution rate/stopień rozcieńczenia 5000Sample uptake/pobór próbki spalinDevice operating conditions/warunkipracy urządzenia2 dm 3 /min5÷45 o C, 0÷95%humidity/wilgotnośćTable 4. Technical specifications of the mass spectrometer by TSI [14]Tabela 4. Dane techniczne spektrometru masowego firmy TSI [14]Parameter/parametrSizes of measured particles/rozmiarmierzonych cząstekNumber of measuring channels/liczbakanałów pomiarowychSample flow/przepływ próbki spalinValue/wartość5.6–560 nm16 channels per decade/kanałów na dekadę10 dm 3 /minSample temperature/temp. próbki 10–52 °CDevice operating temperature/temp.pracy urządzenia3. Test conditions0–40 °CIn order to confirm the similarity of the drives the operatingconditions of the vehicles were compared duringreal traffic operation (Fig. 3). The drives were done on thesame route but they were done in different directions. Forvehicle A the speed (Fig. 3a) in the individual parts of thetest was as follows: urban area – V av= 30 km/h, intercityroads – V av= 70 km/h, expressway V av= 115 km/h. Forvehicle B similar values were recorded (the differences didnot exceed 10%).From the comparison of the data presented in Fig. 3 itresults that the drives were characterized by high similarity ofthe dynamic traffic conditions (the ranges of the occurrenceof acceleration, steady vehicle speed, vehicle decelerationand coming to a full halt were compared). The results of thecomparison shown in table 5 indicate that in both drives (theone without DPF, Euro 4, vehicle A and the one with DPF,Euro 5 marked B) the differences in the parameters are maximum25% (the test duration differs by approximately 19%,steady vehicle speed by 24%, acceleration time by 2.5%).W badaniach wykorzystano pomiary emisji związkówtoksycznych, a także w celach porównawczych rejestrowanosygnały z pokładowego systemu diagnostycznego,m.in. prędkość obrotową silnika, obciążenie oraz prędkośćpojazdu. Niektóre z tych sygnałów posłużyły do określeniamapy gęstości czasowej udziału czasu stanu pracy pojazduw warunkach rzeczywistej eksploatacji. Sygnał lokalizacjiGPS wykorzystano do wizualizacji uzyskanych danych.Do pomiaru masy cząstek stałych wykorzystano mobilnyanalizator AVL 483 Micro Soot Sensor umożliwiającyciągły pomiar stężenia cząstek stałych w rozcieńczonychspalinach. Zasada działania urządzenia wykorzystuje metodęfotoakustyczna i pozwala na pomiar cząstek stałych już odwartości 5 μg/m³. Pomiar cząstek stałych (urządzenie mierzyczęść węglową cząstki stałej) metodą fotoakustyczną polegana znacznej absorpcji modulowanego światła laserowegoprzez cząstki sadzy. Skutkuje to okresowym (przemiennym)ogrzewaniem i chłodzeniem gazu nośnego (zmianą ciśnieniaw komorze pomiarowej), a powstająca fala dźwiękowa jestrejestrowana przez mikrofony. Podstawowe dane techniczneanalizatora przedstawiono tab. 3.Do pomiaru rozkładu wielkości cząstek stałych (jako zależnościod ich średnicy) wykorzystano spektrometr masowyfirmy TSI Incorporated – 3090 EEPS (Engine Exhaust ParticleSizer Spectrometer), którego parametry technicznezamieszczono w tab. 4. Analizator umożliwiał ciągły pomiarrozkładu wielkości cząstek stałych emitowanych przez silnikbadanego pojazdu. Umożliwiał także pomiar dyskretnegozakresu średnic cząstek (od 5,6 do 560 nm) na podstawiezróżnicowanej ich prędkości. Zakres elektrycznej ruchliwościcząstek jest zmieniany wykładniczo, a pomiar wielkościcząstek stałych odbywa się z częstotliwością 10 Hz..Rozcieńczone spaliny o odpowiedniej temperaturze byłykierowane jednocześnie do licznika cząstek stałych i dospektrometru masowego. W związku z tym otrzymywanojednocześnie ogólną liczbę cząstek stałych, a także rozkładilościowy w każdym przedziale wymiarowym.3. Warunki testów badawczychW celu stwierdzenia podobieństwa przejazdów porównanowarunki pracy pojazdów podczas rzeczywistychwarunków ruchu (rys. 3). Przejazdy były wykonywane natej samej trasie, jednakże charakteryzowały się odwrotnymkierunkiem przejazdu. Dla pojazdu A prędkość przejazdu(rys. 3a) w poszczególnych częściach testu była następująca:miasto – V śr= 30 km/h, droga międzymiastowa – V śr= 70km/h, autostrada V śr= 115 km/h. Dla pojazdu B zanotowanopodobne wartości (różnice nie przekraczały 10%).Z porównania danych przedstawionych na rys. 3 wynika,że przejazdy charakteryzowały się dużym podobieństwemwarunków dynamicznych ruchu (porównano zakresy występowaniaprzyspieszenia, stałej prędkości jazdy, hamowaniapojazdem oraz zatrzymania). Wyniki porównania zamieszczonew tab. 5 wskazują, że w obu przejazdach (zarównopojazdem bez filtra cząstek stałych, spełniającego normęEuro 4 – dalej oznaczanego jako pojazd A, jak i pojazdemB – z filtrem cząstek stałych, spełniającym normę Euro 5),różnice w ich parametrach wynoszą maksymalnie do 25%62 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

The on-road exhaust emissions characteristics of SUV vehicles...a) b)Fig. 3. Vehicle speed during the road tests: a) vehicle A no DPF fitted, emission standard Euro 4, b) vehicle B, DPF fitted, emission standard Euro 5Rys. 3. Prędkość pojazdów podczas badań drogowych: a) pojazd A bez filtra cząstek stałych, norma emisji spalin Euro 4, b) pojazd B z filtrem cząstekstałych, norma emisji spalin Euro 5The highest difference was recorded for the time when thevehicles were stationary– that amounts to 33%.It is noteworthy that an on-road test is a type of testwhere the lack of repeatability is not a disadvantage but avirtue that provides much more information as opposed tostationary tests. When comparing the emissions the authorsdid not attempt to precisely compare the vehicles but selectthe parameters for comparison that are objective and donot depend on the repeatability of the tests. Hence, the lackof the repeatability of the tests is characteristic of the realtraffic conditions.4. Analysis of the test resultsThe obtained data served to prepare the relations thatcharacterize the influence of the dynamic engine propertieson the exhaust emissions. Dynamic engine properties wereindirectly taken into account, using the division of the wholerange of speeds and accelerations under real traffic conditionsto develop the matrices of emission intensity. The used datawere averaged within the individual speed and accelerationTable 5. The characteristics of the tests (for the vehicle A and B drives)Tabela 5. Charakterystyka testów badawczych (dla przejazdów pojazdami A i B)Test parameters/pomiarytestuTotal time/całkowity czas [s]Maximum speed/prędkośćmaksymalna [km/h]Average speed/prędkośćśrednia [km/h]Vehicle A/pojazd AVehicle B/pojazd BRelative difference/różnica względna7183 8733 –19.5125 133 –6.270.87 59.15 18.03Length/długość [km] 142.6 143.4 –0.6Share of the vehicle conditions/udziałwarunkówpracy pojazdu:V = 0 [%] 9.03 12.68 –33.6V = const [%] 13.58 10.59 24.7a > 0 [%] 39.58 38.62 2.5(czas trwania testu różni się o ok. 19%, prędkość stała o 24%,czas przyspieszania o 2,5%). Największą różnicę zanotowanodla czasu postoju pojazdów – wynosi ona 33%.Należy zwrócić uwagę, że badania drogowe należą dobadań, w których ich niepowtarzalność nie jest wadą, awartością, która powoduje duży potencjał informacyjny.Porównując emisję, autorzy nie starali się porównywaćw sposób dokładny pojazdów, lecz wybrać takie miary doporównania, które są obiektywne i nie zależą od niepowtarzalnościtestów. W związku z tym niepowtarzalność wynikówjest cechą charakterystyczną warunków rzeczywistychużytkowania pojazdów.4. Analiza wyników badańUzyskane dane posłużyły do opracowania zależnościcharakteryzujących wpływ dynamicznych właściwościsilnika na emisję związków szkodliwych. Dynamicznewłaściwości silnika uwzględniono w sposób pośredni, wykorzystującpodział całego zakresu prędkości oraz zakresuprzyspieszenia w rzeczywistych warunkach ruchu do wykonaniamacierzy natężenia emisji. Wykorzystane daneuśredniono w ramach poszczególnych przedziałówprędkości i przyspieszeń, otrzymując charakterystykęudziału pracy silnika w poszczególnych przedziałachoraz charakterystyki macierzy emisji poszczególnychzwiązków szkodliwych. Największy udział pracy silnikaw badanych warunkach ruchu przypada w obszarzebiegu jałowego oraz średnich prędkości (20–40m/s) dla stałej prędkości (a = 0 m/s 2 ) (rys. 4).Niepowtarzalność przejazdów uwidocznionajest większym udziałem biegu jałowego dla pojazduA – udział tego stanu w całkowitym teście wynosiok. 10% (dla pojazdu jest to ok. 12%). Zbliżony (niemożna uznać podobieństwa) jest także rozkład udziałuczasu pracy dla większych prędkości pojazdu; dlapojazdu A jest on skupiony w zakresie 17–39 m/s,natomiast dla pojazdu B rozkład ten jest bardziejrównomierny już od prędkości pojazdu 15 m/s.Maksymalne natężenia emisji tlenku węgla (rys.5), określone w miligramach na sekundę, rozłożonesą w obszarze wszystkich wykorzystywanych prędkościpojazdu oraz jego przyspieszenia w zakresie odCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)63

Charakterystyka emisyjności pojazdów kategorii SUV z silnikami ZS...a) b)Fig. 4. The characteristics of the operating time share in the ranges of speeds and accelerations during the road tests: a) vehicle A, b) vehicle BRys. 4. Charakterystyka udziału czasu pracy w przedziałach prędkości i przyspieszenia podczas badań drogowych: a) pojazd A, b) pojazd B–1 do 2 m/s 2 . Wartości te są skorelowane z przyspieszeniempojazdu: w miarę wzrostu przyspieszenia wzrasta równieżemisja tlenku węgla. Jednakże dla pojazdu A, spełniającegonormą Euro 4, są to wartości kilkakrotnie wyższe niżdla pojazdu typu B (norma Euro 5). Dla pojazdu B emisjatlenku węgla bardzo mocno zależy od prędkości jazdy inie obserwuje się tak wyraźnego maksimum (dla średnichprędkości pojazdu i maksymalnego przyspieszenia), jak dlapojazdu poprzedniego.Porównawczo na wykresach podano wartości średniegonatężenia emisji danego składnika wynikającego z testuNEDC, np. emisja normatywna CO wynosi 500 mg/km(dla normy Euro 4/5); po przeliczeniu na średnią emisjęsekundową uzyskuje się wynik 4,66 mg/s.Odmiennie jest z emisją węglowodorów (rys. 6): dla pojazduA znacząca występuje dla maksymalnych przyspieszeńi średniej prędkości pojazdu, w pozostałym obszarze jestznikoma. Dla pojazdu B zwiększona emisja HC występujedla małych prędkości pojazdu w pełnym zakresie przyspieszenia.Należy jednak zauważyć, że jest ona porównywalnamiędzy pojazdami. Wynika to z takiego samego normatywnegolimitu emisji węglowodorów.Obszar zwiększonego natężenia emisji tlenków azotupojazdu A (rys. 7a) przypada dla zakresu zwiększonychprędkości pojazdu oraz dla znacznego przyspieszenia porangesthus obtaining the characteristics of the share ofengine operation and the characteristics of the matrices ofthe individual exhaust emissions. The greatest share of theengine operation under the tested traffic conditions falls inthe area of idle speed and medium speeds (20–40 m/s) for aconstant acceleration (a = 0 m/s 2 ) (Fig. 4).The lack of the repeatability of the drives is seen with agreater share of idle speed for vehicle A – the share of thisstate in the whole tests amounts to approximately 10% (forthe vehicle it is approximately 12%). The distribution ofthe operating time share for higher vehicle speeds is alsoalike; for vehicle A it oscillates around 17–39 m/s and forvehicle B this distribution is more even starting from thespeed of 15 m/s.The maximum carbon monoxide emission rate (Fig. 5)given in milligrams per second falls within the area of allused vehicle speeds and its accelerations within the range of–1 to 2 m/s 2 . These values are correlated with the vehicle acceleration:as the acceleration grows the emission of carbonmonoxide grows as well. For vehicle A, however, (Euro 4)these are values several times higher than for vehicle B (Euro5). For vehicle B the emission of carbon monoxide stronglydepends on the vehicle speed and such a clear maximum (forvehicle average speeds and maximum acceleration) is notobserved as in the case of the previous vehicle.Fig. 5. The characteristics of the emission of carbon monoxide in the speed and acceleration ranges during the road tests: a) vehicle A, b) vehicle BRys. 5. Charakterystyka emisji tlenku węgla w przedziałach prędkości i przyspieszenia podczas badań drogowych: a) pojazd A, b) pojazd B64 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

The on-road exhaust emissions characteristics of SUV vehicles...Fig. 6. The characteristics of the emission of hydrocarbons in the speed and acceleration ranges during the road tests: a) vehicle A, b) vehicle BRys. 6. Charakterystyka emisji węglowodorów w przedziałach prędkości i przyspieszenia podczas badań drogowych: a) pojazd A, b) pojazd BFig. 7. The characteristics of the emission of nitric oxides in the speed and acceleration ranges during the road tests: a) vehicle A, b) vehicle BRys. 7. Charakterystyka emisji tlenków azotu w przedziałach prędkości i przyspieszenia podczas badań drogowych: a) pojazd A, b) pojazd BFig. 8. The characteristics of the emissions of PM in the speed and acceleration ranges during the road tests: a) vehicle A, b) vehicle BRys. 8. Charakterystyka emisji cząstek stałych w przedziałach prędkości i przyspieszenia podczas badań drogowych: a) pojazd A, b) pojazd BFor comparison, in the graphs the values of the emissionrates of each exhaust component have been given that resultfrom the NEDC test – normative emission of CO amounts to500 mg/km (for Euro 4/5); after converting into the averageemission per second we obtain a result of 4.66 mg/s.It is contrary for the emission of hydrocarbons (Fig. 6):for vehicle A significant emission of this component occursfor maximum accelerations and medium vehicle speed andin the other areas it is miniscule. For vehicle B an increasedemission of hydrocarbons occurs for low vehicle speeds inthe whole range of acceleration. We should note howeverCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)jazdu, a więc znacznego obciążenia silnika. Związane jestto ze zwiększeniem dawki paliwa a jednocześnie wzrostemprędkości obrotowej silnika. Dla pojazdu B obserwowanodwukrotnie mniejszą emisję tlenków azotu (ok. 50 mg/s),a jednocześnie emisja ta była większa dla maksymalnejwykorzystywanej prędkości (rys. 7b).Emisja cząstek stałych ma inny charakter dla pojazdu Ai B (rys. 8). Pojazd A niewyposażony w filtr cząstek stałychcharakteryzuje się znacznie większą emisją niż pojazd B (rys.8a). Wartości emisji w poszczególnych przedziałach różniąsię około 20 razy. Filtr cząstek stałych stanowi skuteczną65

Charakterystyka emisyjności pojazdów kategorii SUV z silnikami ZS...a) b)Fig. 9. The characteristics of the emission of carbon dioxide in the speed and acceleration ranges during the road tests: a) vehicle A, b) vehicle BRys. 9. Charakterystyka emisji dwutlenku węgla w przedziałach prędkości i przyspieszenia podczas badań drogowych: a) pojazd A, b) pojazd Bthat it is comparable between the vehicles. It results fromthe same normative HC emission limit.The area of an increased nitric oxide emission rate ofvehicle A (Fig. 7a) falls in the range of increased vehiclespeeds and significant acceleration, hence high engine load.This is related to the increase in the fuel dose and the increasein the engine speed. For vehicle B twice-lower emission ofnitric oxides was observed (approximately 50 mg/s) and atthe same time this emission was higher for the maximumused speed (Fig. 7b).The emission of particulate matter is of different naturefor vehicles A and B (Fig. 8). Vehicle A not fitted with DPF ischaracterized by a much larger emission of PM than vehicleB (Fig. 8a). The values of the emission in individual rangesare different approximately 20 times. DPF is an efficientmethod of the reduction of mass emission of PM, which iscommonly applied in modern Euro 5 engines.The emission of carbon dioxide (Fig. 9) is similar for thetested vehicles: it grows as the vehicle speed and accelerationgrow. The maximum values are comparable for bothvehicles – they amount to approximately 10 000 g/s and atidle this emission is approximately 500–800 mg/s.5. The characteristics of the PM emission in termsof their sizeAdditionally within the on-road tests in real traffic asize-related analysis of the PM was performed. For thecomparison the ranges of engine operation were used thatare most frequently utilized under real traffic conditions.They correspond to four areas of operation (Fig. 10): 1 –idle speed, 2 – medium engine speed–low load, 3 – mediumengine speed–medium load, 4 – high engine speed–highengine load. The vehicles were fitted with different powertrains,hence the selected ranges of operation do not overlap(similar areas were compared: as a criterion of similarity therelative engine speed and relative engine load were selectedreferred to the maximum values). For vehicle A the most ofthe measuring points (Fig. 10a) fall in the range of high enginespeeds and high engine load (area 4). For vehicle B thepoints are distributed in a different way: their high numbermetodę ograniczania emisji masowej cząstek stałych, którapowszechnie stosowana jest obecnie w pojazdach spełniającychnormę Euro 5.Emisja dwutlenku węgla (rys. 9) ma zbliżony charakterdla badanych pojazdów: zwiększa się w miarę wzrostu prędkościi przyspieszenia pojazdu. Maksymalne wartości są zesobą porównywalne – wynoszą one ok. 10 000 g/s, natomiastna biegu jałowym emisja ta wynosi ok. 500–800 mg/s.5. Charakterystyka wymiarowej emisji cząstekstałychDodatkowo w ramach badań drogowych w rzeczywistychwarunkach ruchu dokonano analizy emisji wymiarowejcząstek stałych. Do porównania wykorzystano zakresy pracysilnika, które w największym stopniu są wykorzystywanepodczas rzeczywistych warunków ruchu. Odpowiadają oneczterem obszarom pracy (rys. 10): 1 – bieg jałowy silnika,2 – średnia prędkość obrotowa–małe obciążenie, 3 – średniaprędkość obrotowa–średnie obciążenie, 4 – duża prędkośćobrotowa–duże obciążenie silnika. Pojazdy wyposażonebyły w różne jednostki napędowe, w związku z tym wybranezakresy pracy nie pokrywają się (porównano obszarypodobne: za kryterium podobieństwa wybrano względnąprędkość obrotową i względne obciążenie odniesione dowartości maksymalnych). Dla pojazdu A większość punktówpomiarowych (rys. 10a) przypada na zakres znacznychprędkości obrotowych i dużego obciążenia (obszar 4). Dlapojazdu B punkty są rozłożone w inny sposób: znaczna ichliczba występuje dla średniej prędkości i średniego obciążenia(obszary 2 i 3 na rys. 10b) oraz zakres dużych prędkościobrotowych i dużego obciążenia (obszar 4 na rys. 10b).Dla tak wydzielonych charakterystycznych obszarówpracy silnika dokonano analizy wymiarowej cząstek stałychprzypadających na dany zakres średnic cząstek (dla pojazduA bez filtra cząstek stałych – rys. 11):– zakres 1 (bieg jałowy silnika) – cząstki z zakresu średnic10–100 nm są rozłożone równomiernie z większą przewagąliczbową cząstek o średnicach większych (ok. 60–80nm); koncentracja cząstek dla przyjętego obszaru pracy wkażdym przedziale wymiarowym wynosi 0,8–1×10 6 cm –3 ;66 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

The on-road exhaust emissions characteristics of SUV vehicles...Fig. 10. Engine operating conditions in the coordinates of engine speed – engine load in the on-road tests: a) vehicle A, b) vehicle B (the digits denotethe area of operation for which the PM size distribution was determined)Rys. 10. Warunki pracy silnika we współrzędnych prędkość obrotowa–obciążenie podczas badań drogowych: a) pojazd A, b) pojazd B (cyfryoznaczają obszary pracy, dla których wyznaczono rozkład wymiarowy PM)occurs for medium speeds and medium loads (areas 2 and3 in Fig. 10b) and the rage of high engine speeds and highengine loads (area 4 in Fig. 10b).For such distinguished characteristics of the area of engineoperation the size-related analysis of PM was performedfalling within a given range of PM diameter (for vehicle Anot fitted with the DPF – Fig. 11):– range 1 (idle speed) – PM in the diameter range 10–100 nmis distributed evenly with the particles of diameter 60–80nm prevailing; the concentration of the PM for the assumedwork area in each size range amounts to 0.8–1×10 6cm –3 ; this results from a high air excess coefficient anda sufficient time for the combustion of a minimum fueldose;– range 2 (medium engine speed–low load) – particles inthe range 10–100 nm where the maximum falls within therange of approximately 20 nm; the concentration of PMfor the diameters of approximately 20 nm (the highestshare of such particles in the exhaust gases) amounts to7–8×10 6 cm –3 ;– range 3 (medium engine speed–medium load) – particlesin the range 7–100 nm where the maximum fallswithin approximately 10 nm and 40–60 nm; the concentrationof particles for these size ranges is 0.8–1×10 6cm –3 ; the values similar to the values of idle speed area result of a high air excess coefficient (superchargedengine) and high fuel injection pressure (approximately1300 bar);– range 4 (high engine speed–high load) – the particles inthe range 7–150 nm; the maximum falls within the rangeof 40–100 nm; the concentration of particles for this sizerange amounts to 3.5–4×10 6 cm –3 ; the particle diametercharacteristics values of this operating range refer to thelarger particles than in previous cases– this results from agreater fuel dose, lower air excess coefficient and shortertime of fuel dose combustion.For vehicle B fitted with DPF the size related analysis ofPM (Fig. 12) is different in terms of size and concentration(here we have lower values of particle count in most of thesize ranges):wynika to z dużego współczynnika nadmiaru powietrzai wystarczającego czasu do spalenia minimalnej dawkipaliwa;– zakres 2 (średnia prędkość obrotowa–małe obciążenie) –cząstki z zakresu 10–100 nm, gdzie maksimum przypadana zakres ok. 20 nm; koncentracja cząstek dla przedziałówśrednic ok. 20 nm (największy udział takich cząstekstałych w spalinach) wynosi 7–8×10 6 cm –3 ;– zakres 3 (średnia prędkość obrotowa–średnie obciążenie)– cząstki z zakresu 7–100 nm, gdzie maksimum przypadana zakresy ok. 10 nm i 40–60 nm; koncentracja cząstek dlatych przedziałów średnic wynosi 0,8–1×10 6 cm –3 ; wartościte zbliżone do wartości biegu jałowego są spowodowanedużym nadmiarem powietrza (silnik doładowany) i dużymciśnieniem wtrysku paliwa (ok. 1300 bar);– zakres 4 (duża prędkość obrotowa–duże obciążenie) –cząstki z zakresu 7–150 nm; maksimum przypada nazakres 40–100 nm; koncentracja cząstek dla tego przedziałuśrednic wynosi 3,5–4×10 6 cm –3 ; wartości charakterystyczneśrednicy cząstek tego zakresu pracy dotycząwiększych cząstek niż w poprzednich przypadkach –wynika to głównie z większej dawki paliwa, mniejszegowspółczynnika nadmiaru powietrza i krótszego czasuspalania dawki paliwa.Dla pojazdu B wyposażonego w filtr cząstek stałychanaliza wymiarowa emisji cząstek stałych (rys. 12) macharakter odmienny pod względem zarówno wymiarowym,jak i pod względem koncentracji (występują tu niższewartości liczności cząstek w większości przedziałówwymiarowych):– zakres 1 (bieg jałowy silnika) – średnica charakterystycznacząstek (o największej liczności) to zakres ok. 30 nm;koncentracja dla tego przedziału to 1×10 6 cm –3 ;– zakres 2 (średnia prędkość obrotowa–małe obciążenie)– cząstki z zakresu 10–30 nm; koncentracja cząstek dlawymienionego przedziału 4–5×10 6 cm –3 ;– zakres 3 (średnia prędkość obrotowa–średnie obciążenie)– cząstki z zakresu 10–100 nm, gdzie maksimumprzypada na zakresy ok. 10 nm; koncentracja cząstek dlatego przedziału wynosi 1,5–2,2×10 6 cm –3 ;COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)67

Charakterystyka emisyjności pojazdów kategorii SUV z silnikami ZS...– range 1 (idle speed) – the characteristic diameter of theparticles (particles highest in number) is the range ofapproximately 30 nm; the concentration of PM for thisrange is 1×10 6 cm –3 ;– zakres 4 (duża prędkość obrotowa–duże obciążenie) –cząstki z zakresu 10–150 nm; maksimum przypada nazakres 30–50 nm; koncentracja cząstek dla tego przedziałuśrednic wynosi ok. 3×10 6 cm –3 .Fig. 11. On-road test PM size distribution under traffic conditions for vehicle A without DPF (area of engine operation determined in Fig. 10a):1 – idle speed, 2 – medium engine speed–low load, 3 – medium engine speed–medium load, 4 – high engine speed–high loadRys. 11. Rozkład wymiarowy cząstek stałych w rzeczywistych warunkach ruchu dla pojazdu A bez filtra cząstek stałych (obszary pracy silnikaokreślone na rys. 10a): 1 – bieg jałowy, 2 – średnia prędkość obrotowa–małe obciążenie, 3 – średnia prędkość obrotowa–średnie obciążenie,4 – duża prędkość obrotowa–duże obciążenie– range 2 (medium engine speed–low load) – particles in therange 10–30 nm; the concentration of PM for this rangeis 4–5×10 6 cm –3 ;– range 3 (medium engine speed–medium load) – particlesin the range 10–100 nm, the maximum falls within therange of approximately 10 nm; the concentration of PMfor this range is 1.5–2.2×10 6 cm –3 ;– range 4 (high engine speed–high load) – particles in therange 10–150 nm; the maximum falls within the range ofapproximately 30–50 nm; the concentration of PM for thisranges is approximately 3×10 6 cm –3 .During the road tests for vehicle B fitted with DPF,Euro 5 compliant, the authors also observed the process ofDPF regeneration that took place under the conditions ofexpressway traffic at the speed of approximately 120 km/h(Fig. 13).This was the process of full regeneration (total durationapproximately 10 min). The size-related analysis of the PMemission shows a significant emission of PM during thisPodczas badań drogowych dla pojazdu B wyposażonegow filtr cząstek stałych, spełniającego normę Euro 5,zaobserwowano również proces regeneracji filtra cząstekstałych, który przebiegał w warunkach jazdy autostradowejprzy prędkości pojazdu ok. 120 km/h (rys. 13).Był to proces regeneracji pełnej (całkowity czas trwaniaok. 10 min). Analiza wymiarowa emisji cząstek stałych uwidaczniaemisję znacznej liczby cząstek stałych podczas tegoprocesu: początek regeneracji charakteryzuje się zwiększonąemisją cząstek o wymiarach 20–30 nm (ok. 8×10 5 cm –3 ),natomiast w procesie końcowym najwięcej (ok. 1,3×10 6cm –3 ) emitowanych jest cząstek mniejszych – o średnicycharakterystycznej ok. 10 nm.Pod względem całkowitej liczby cząstek stałych procesregeneracji filtra cząstek stałych zwiększa tę wartość około10-krotnie: w warunkach ustalonych jazdy autostradowejcałkowita koncentracja cząstek stałych wynosiła ok.0,5–1×10 5 cm –3 (z pominięciem stopnia rozcieńczenia), a wczasie regeneracji wartość ta zwiększała się do 4–5×10 5 cm –3 .Fig. 12. On-road test PM size distribution under traffic conditions for vehicle B fitted with DPF (area of engine operation determined in fig. 10a):1 – idle speed, 2 – medium engine speed–low load, 3 – medium engine speed–medium load, 4 – high engine speed–high loadRys. 12. Rozkład wymiarowy cząstek stałych w rzeczywistych warunkach ruchu dla pojazdu B z filtrem cząstek stałych (obszary pracy określonena rys. 10b): 1 – bieg jałowy, 2 – średnia prędkość obrotowa–małe obciążenie, 3 – średnia prędkość obrotowa–średnie obciążenie, 4 – duża prędkośćobrotowa–duże obciążenie68 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

The on-road exhaust emissions characteristics of SUV vehicles...Fig. 13. The recorded process of DPF regeneration, vehicle BRys. 13. Zarejestrowany proces regeneracji filtra cząstek stałych, pojazd Bprocess: the onset of the regeneration is characterized by anincreased emissions of PM of the size of 20–30 nm (ok. 8×10 5cm –3 ) and in the final phase (approximately 1.3×10 6 cm –3 ),the highest number of PM smaller in diameter is observedof the diameter of approximately 10 nm.In terms of the total number of particles the regenerationprocess increases this value approximately 10 times: understeady states of expressway drive the total concentration ofparticles was approximately 0.5–1×10 5 cm –3 (dilution levelexcluded) and during the regeneration process this valueincreased to 4–5×10 5 cm –3 .The first period of regeneration (initial 3–4 min) is characterizedwith a greater range of the emitted PM (7–100 nm)and in the subsequent period (4–10 min) – PM of smallerdiameter variability range occur (5–25 nm).It is noteworthy that no significant mass growth of PMwas recorded in this period. The normative values of the PMemission determined by the Euro 5 standard allow for theregeneration of the DPF filter hence the limit value cannot beexceeded irrespective of the fact whether the process occursin the vehicle or not.6. Quantitative emission indicatorsThe obtained results of the duration of the road testsserved for the verification of the hypothesis on the fulfillmentor non-fulfillment of the normative regulations on theon-road emissions. Such a comparison served to determinethe value of growth or reduction of the on-road vehiclesCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)Pierwszy okres regeneracji (początkowe 3–4 min) charakteryzujesię większym zakresem emitowanych cząstek(7–100 nm), w kolejnym natomiast (4–10 min) – powstającząstki o mniejszym zakresie zmienności średnic (5–25nm).Należy zaznaczyć, że nie odnotowano znaczącegowzrostu masy cząstek stałych w tym okresie. Wartościnormatywne emisji cząstek stałych określone normą Euro 5przewidują regenerację filtra cząstek stałych, a więc wartośćlimitu nie może być przekroczona, niezależnie czy procesten zachodzi w pojeździe, czy też nie.6. Ilościowe wskaźniki emisjiUzyskane wyniki czasu testów drogowych posłużyły doweryfikacji hipotezy o spełnianiu (lub nie) normatywnychprzepisów emisji w rzeczywistych warunkach użytkowaniapojazdów. Porównanie takie posłużyło do określeniawielkości zwiększenia lub zmniejszenia emisji z pojazdu wwarunkach rzeczywistych w stosunku do warunków użytkowaniapojazdu w teście homologacyjnym.Z przedstawionych wyników natężenia emisji (zaznaczonekolorem czerwonym na kolejnych rysunkach) dowolnegozwiązku można obliczyć krotność zwiększenia/zmniejszeniaemisji w rzeczywistych warunkach ruchu w stosunku dowartości normatywnych. Krotność tę zdefiniowano jakowskaźnik emisji pojazdu (dla danego związku szkodliwego)– równanie (1), gdzie: j – związek szkodliwy, dla któregookreślono wskaźnik emisji, E rzecz,j– emisja drogowa w warunkachrzeczywistych od początku testu do chwili bieżącejw g/km, E norma,j– emisja drogowa normatywna według Euro4/5 w g/km.Wskaźnik określony w ten sposób można obliczyć jakowartość:– chwilową (na kolejnych rysunkach zaznaczono koloremzielonym) – wskaźnik cechuje duża zmienność, gdyż jestobliczany w każdej sekundzie testu;– narastającą w trakcie wykonywania testu; wskaźnik jestobliczany jako bieżąca emisja drogowa danego związkuszkodliwego (od początku testu do chwili bieżącej) wstosunku do wartości normatywnej; wartość tę zaznaczonona kolejnych rysunkach kolorem niebieskim;– odnoszącą się do całego testu badawczego, jako stosunekemisji drogowej w teście drogowym wykonywanym w rzeczywistychwarunkach ruchu do wartości normatywnej.Wskaźnik emisji danego związku szkodliwego możeprzyjmować wartości z przedziału . Oznacza to, że jeżeliemisja z pojazdu nie przekracza wartości normatywnych,wskaźnik ma wartość mniejszą od jedności, natomiast przyprzekroczeniu wartości normatywnej wskaźnik jest większyod jedności, przy równości emisji rzeczywistej i normatywnejwskaźnik wynosi 1.Na wykresach z rys. 14 przedstawiono dla każdegozwiązku szkodliwego zakres zmian wskaźnika emisji, dlaktórego spełniony jest limit normatywny (kolor szary).Pomimo dużej chwilowej zmienności wskaźnika emisji, jegowartość określona w sposób narastający charakteryzuje się:– dla tlenku węgla – bardzo gwałtowny wzrost podczasuruchomienia silnika i następnie zmniejszenie jego war-69

Charakterystyka emisyjności pojazdów kategorii SUV z silnikami ZS...emissions as opposed to the homologationtests.From the presented results of the emissionrate (marked red on the figures) ofany given component we can calculate themultiplicity of the growth or reduction in theon-road emissions as opposed to the normativevalues. This multiplicity was defined asan indicator of the vehicle emission (for eachgiven exhaust component):(1)where: j – exhaust component, for which theemision indicator was determined, E rzecz,j– onroademission under real traffic from the startof the test (g/km), E norma,j– normative on-roademission according to Euro 4/5 (g/km).If we have an indicator determined in thisway we can calculate its value:– instantaneous (in figures marked green) –characterized by high variability, as it iscalculated in each second of the test;– incrementing while the test is performed;it is calculated as the on-going on-roademission of a given exhaust component(from the start of the test) as compared tothe normative value; this value is markedblue in the figures;– related to the whole test as a ratio of theon-road emission under real traffic to thenormative emission.The emission indicator of a given exhaustcomponent can assume values from therange of . This means that if the vehicleemission does not exceed the normativevalues, the indicator has a value lower than1 and when the normative value is exceededthe indicator is greater than 1. If the valuesare equal (on-road and normative) the indicatoris 1.In the graphs from Fig. 14 for each exhaust component(for which the normative limit is fulfilled) the change of theemission indicator has been presented (gray).Despite high momentary variability of the emissionindicator its value determined in an incrementing way ischaracterized as follows:– for carbon monoxide – abrupt growth during engine startand then lowering of its value; under traffic conditionsin a short time a reduction of this emission is obtainedbelow the required standard for both vehicle A and B;the indicator values are similar for both tested vehicles(Fig. 14a),– for hydrocarbons – the course of the changes of the indicatoris similar to that recorded for carbon monoxide butFig. 14. The characteristics of the on-road exhaust emissions: a) CO, b) HC, c) NO x, d) PM,e) CO 2for vehicles A and B as functions of the covered distanceRys. 14. Charakterystyka emisji związków szkodliwych podczas badań drogowych: a) CO,b) HC, c) NO x, d) PM, e) CO 2dla pojazdu A i B jako funkcji przebytej drogitości; w warunkach rzeczywistej eksploatacji w krótkimokresie uzyskiwane jest zadowalające zmniejszenie emisjiponiżej wymaganej normy zarówno dla pojazdu A, jak iB; wartości wskaźnika są porównywalne dla badanychpojazdów (rys. 14a),– dla węglowodorów – przebieg zmian wskaźnika jestpodobny do wskaźnika jaki odnotowano przy tlenkuwęgla, jednakże pojazd A wymagał krótszego dystansu(ok. 2 km), aby wartość wskaźnika była mniejsza od 1,dla pojazdu B dystans ten wynosił ok. 10 km (rys. 14b),– dla tlenków azotu – brakiem spełniania wymagań normatywnych– wynika to głównie z różnicy pracy silnika pojazduw teście NEDC i w warunkach rzeczywistych; nieznacznydystans w teście badawczym skutkuje niepełnym nagrzaniemsilnika, co w konsekwencji wyrażone jest małą emisją tlen-70 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

The on-road exhaust emissions characteristics of SUV vehicles...vehicle A required a shorter distance (approximately 2 km)to reach the value of the indicator below 1, for vehicle Bthis distance was approximately 10 km (Fig. 14b),– for the nitric oxides – no normative requirement fulfilled– this results from the fact that there is a difference inthe engine operation under the NEDC test and in thereal traffic; a small distance in the test results in anincomplete warming up of the engine, which leads toa small emission of the nitric oxides for both vehiclesA and B. The value of the emission indicator is greaterthan 1 (Fig. 14c),– for the particulate matter – the course of the changesof the emission indicator is different for the two vehicles:vehicle A was characterized by a very quickreaching of the indicator k < 1 (PM limit for Euro 4 is25 mg/km) and for vehicle B the indicator lower than1 was reached after approximately 40 km despite thefact that the vehicle was fitted with DPF; this is due toa very low value of the limit for the Euro 5 standard(5 mg/km);– for carbon dioxide – a normative value was assumed forcomparison that amounts to 160 g/km (average value of theemission from SUV vehicles in 2010 even though it is notdetermined for a single vehicle); the value of the CO 2emissionindicator was more than 1 under real traffic conditions due toa high capacity of the tested engines (2 and 2.2 dm 3 ).The obtained emission indicators for the whole test (forvehicles A and B) characterize the vehicle on-road emissionlevel against the emission standards that applied to agiven vehicle (Fig. 15). The emission indicator of carbonmonoxide (k CO= 0.1–0.2), hydrocarbons (k HC= 0.2–0.3)and PM (k PM= 0.7–0.9) for the tested vehicles confirmsthat the vehicles do not exceed the average emissions inthe on-road operation against the emission standards. Thesituation is quite contrary for the nitric oxides: for vehicleA, Euro 4 compliant, the emission indicator is 1.8, whichconfirms a much higher emission against the emissionstandard; for vehicle B this indicator is 3.9 – the averageemission is several times higher against Euro 5. For comparisonthe authors also determined this indicatorfor carbon dioxide – it exceeded the standard valuesduring the on-road tests by 10–20% (the assumedvalue 160 g/km corresponds to a fuel consumptionof approximately 6.5 dm 3 /100 km).ków azotu; zarówno dla pojazdu A, jak również B wartośćwskaźnika emisyjności jest większa od jedności (rys. 14c),– dla cząstek stałych – przebieg zmian wskaźnika nie pokrywasię dla badanych pojazdów: pojazd A charakteryzowałsię bardzo szybkim osiągnięciem wskaźnika k < 1 (limitPM dla Euro 4 wynosi 25 mg/km), natomiast dla pojazduB wskaźnik mniejszy od jedności osiągnięto po ok. 40km, pomimo wyposażenia pojazdu w filtr cząstek stałych;spowodowane jest to bardzo małą wartością limitu emisjiskładnika dla normy Euro 5 (5 mg/km);– dla dwutlenku węgla – przyjęto porównawczo wartośćnormatywną wynoszącą 160 g/km (wartość średnia emisjiz pojazdów typu SUV w 2010 roku, choć nie jest określanadla pojedynczego pojazdu); wartość wskaźnika emisji CO 2wynosiła powyżej jedności podczas badań w warunkachrzeczywistych ze względu na dużą pojemność skokowąbadanych silników (2 i 2,2 dm 3 ).Uzyskane wartości wskaźnika emisji obliczone dla całegotestu (dla pojazdu A i B) charakteryzują emisyjność pojazdu wrzeczywistych warunkach użytkowania tych pojazdów w odniesieniudo normy emisji spalin, którą pojazd powinien spełniać(rys. 15). Wartość wskaźnika emisji tlenku węgla (k CO= 0,1–0,2)i węglowodorów (k HC= 0,2–0,3) oraz cząstek stałych (k PM=0,7–0,9) dla badanych pojazdów świadczy o nieprzekraczaniuśredniej emisji tych składników w rzeczywistych warunkachdrogowych w stosunku do wartości normatywnych. Odmienniejest dla emisji tlenków azotu: dla pojazdu A, spełniającego normęEuro 4, wskaźnik emisji wynosi 1,8, co świadczy o znaczniewiększej emisji w stosunku do normy; dla pojazdu B wskaźnikten wynosi 3,9 – średnia emisja jest kilkakrotnie wyższa wstosunku do normy toksyczności spalin Euro 5. Porównawczorównież określono ten wskaźnik dla emisji dwutlenku węgla –był on przekroczony podczas testu w rzeczywistych warunkachruchu o 10–20% (przyjęta wartość 160 g/km odpowiada zużyciupaliwa ok. 6,5 dm 3 /100 km).7. PodsumowanieZ analizy danych wynika, że wartości emisji normatywnejdla badanych pojazdów typu SUV, spełniających różne7. ConclusionsFrom the analysis of the data it results that the normativeemission values for the tested SUV vehiclesmeeting different Euro emission standards and theon-road exhaust emission vary. These differences inthe case of some exhaust components under analysisare significant – these are as follows:– For the Euro 4 compliant vehicle:– The CO emission is lower by 80%,– The HC emission is lower by 80%,– The NO xemission is higher by 80%,– The PM emission is lower by 10%,– The CO 2emission is higher by 10%,COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)Fig. 15. The comparison of the emission indicators from SUV vehicles meetingdifferent Euro emission standardsRys. 15. Porównanie wskaźnika emisji pojazdów typu SUV, spełniających różnenormy toksyczności spalin71

Charakterystyka emisyjności pojazdów kategorii SUV z silnikami ZS...– For the Euro 5 compliant vehicle:– The CO emission is lower by 90%,– The HC emission is lower by 70%,– The NO xemission is four times higher,– The PM emission is lower by 30%,– The CO 2emission is higher by 20%,The on-road emission tests indicate that in relation tosome of the exhaust components the emission is severaltimes higher. Hence, a trend is seen to legalize and enforcethe on-road exhaust emission measurement in Europe.Nomenclature/Skróty i oznaczeniaa acceleration/przyspieszenieEOBD European On Board Diagnostics/europejski system diagnostykipokładowejE normaEmission rate obtained in the NEDC test/emisja normatywnaE rzeczemission rate obtained under real conditions/emisja rzeczywistaw warunkach drogowychGPS Global Positioning System/system nawigacji satelitarnejk emission indicators/wskaźnik emisjiNEDC New European Driving Cycle/europejski test jezdnyOBD On-Board Diagnostics/system diagnostyki pokładowejSUV Sport Utility Vehicle/pojazd sportowo-użytkowyu share/współczynnik udziałuV vehicle speed/prędkość pojazduZS compression ignition/zapłon samoczynnyBibliography/Literatura[1] Bougher T., Khalek I.A., Trevitz S., Akard M.: Verificationof a Gaseous Portable Emissions Measurement System witha Laboratory System Using the Code of Federal RegulationsPart 1065. SAE Technical Paper Series 2010-01-1069.[2] Jehlik H.: Challenge X 2008 – Hybrid Powered Vehicle On-Road Emissions Findings and Optimization Techniques: A 4Year Summary, Sensors 5th Annual SUN (SEMTECH UserNetwork) Conference, 25-26.09.2008.[3] Johnson T.V.: Review of Diesel Emissions and Control. SAETechnical Paper Series 2010-01-0301.[4] Merkisz J., Lijewski P., Fuć P., Pielecha J.: Exhaust EmissionTests from Agricultural Machinery under Real OperatingConditions. SAE Technical Paper Series 2010-01-1949.[5] Merkisz J., Pielecha I., Pielecha J.: Gaseous and PM Emissionfrom Combat Vehicle Engines during Start and Warm-Up. SAETechnical Paper Series 2010-01-2283.[6] Ochs T., Schittenhelm H., Genssle A., Kamp B.: ParticulateMatter Sensor for On Board Diagnostics (OBD) of Diesel ParticulateFilters (DPF). SAE Technical Paper 2010-01-0307.[7] Ortenzi F., Costagliola M.A.: A New Method to CalculateInstantaneous Vehicle Emissions using OBD Data. SAETechnical Paper 2010-01-1289.normy toksyczności oraz wartości emisji związków szkodliwych,uzyskane podczas rzeczywistych warunków ruchuróżnią się między sobą. Różnice te w przypadku niektórychzwiązków są znaczne i wynoszą odpowiednio:– dla pojazdu spełniającego normę Euro 4:– emisja CO jest mniejsza o 80%,– emisja HC jest mniejsza o 80%,– emisja NO xjest większa o 80%,– emisja PM jest mniejsza o 10%,– emisja CO 2jest większa o 10%,– dla pojazdu spełniającego normę Euro 5:– emisja CO jest mniejsza o 90%,– emisja HC jest mniejsza o 70%,– emisja NO xjest większa czterokrotnie,– emisja PM jest mniejsza o 30%,– emisja CO 2jest większa o 20%,Wyniki badań prowadzonych w warunkach rzeczywistychwskazują, że w odniesieniu do niektórych składnikówtoksycznych spalin emisja ta jest większa kilkakrotnie. Wzwiązku z powyższym dostrzegalny jest trend usankcjonowaniapomiaru emisji związków szkodliwych w warunkachrzeczywistej eksploatacji pojazdów w Europie.Paper reviewed/Artykuł recenzowany[8] Schwenger C., Wagner U., Spicher U.: Investigation of theInflow Behavior of a Diesel Particulate Filter Using Laser-Optical Measurement Techniques During Soot Loading andFilter Regeneration with the Aim of Improving these Processes.THIESEL Conference on Thermo- and Fluid DynamicProcesses in Diesel Engines, Valencia 2010.[9] Seger J.P.: Vehicle Integration for US EPA 2010 Emissionsand Lowest Cost of Ownership. SAE Technical Paper 2010-01-1956.[10] Steininger N.: Automotive particulate emissions in Europeanlegislation: state of the art and developments to come. 13thETH Conference on Combustion Generated Particles, Zurich2009.[11] Wei Q., Rooney R.: The On-Board PM Mass Calibration forthe Real-Time PM Mass Measurement. SAE Technical Paper2010-01-1283.[12] Yu Jinghong, Hosni E., Haskell J.: Application of Fuel andCost Efficient Steering Technology – Variable DisplacementPump – to SUV/SUTS. World Automotive Congress Fisita,F2010-A-032, Budapest 2010.Prof. Jerzy Merkisz, DSc., DEng., – Professor in theFaculty of Working Machines and Transportationat Poznan University of Technology.Prof. Jerzy Merkisz – profesor na WydzialeMaszyn Roboczych i Transportu PolitechnikiPoznańskiej.e-mail: jerzy.merkisz@put.poznan.plJacek Pielecha, DEng. – Doctor in the Faculty ofWorking Machines and Transportation at PoznanUniversity of Technology.Dr inż. Jacek Pielecha – adiunkt na WydzialeMaszyn Roboczych i Transportu PolitechnikiPoznańskiej.e-mail: jacek.pielecha@put.poznan.pl72 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Dual fuelling SI engine with alcohol and gasolineJerzy LARISCHZdzisław STELMASIAKPTNSS-2011-SS2-208Dual fuelling SI engine with alcohol and gasolineThe Department of Internal Combustion Engines and Vehicles, Technical University of Bielsko-Biala has carried outwork on alternative fuels in the area of dual-fueling of SI engines. The paper presents the concept of dual fuel (alcoholand gasoline) MPI injected spark-ignition engine using a fuel mixing device. The solution consists in mixing the fuel(gasoline and alcohol) before or in the fuel rail, which ensures a variable share of alcohol in the mixture in the rangefrom 0÷100%, depending on the engine operating conditions (engine revolutions and load), and its thermal state. Thefuels are delivered to the mixing chamber through the solenoid valves that allow a proper selection of the proportion ofalcohol and gasoline. The pre-prepared mixture is injected through the original injectors to the intake manifold, aroundthe intake valve. This paper presents the prototype of the mixer that allows mixing of the gasoline and alcohol in anyproportion using a PWM.Key words: dual fuel engine, alcohol, mixer, emissions, thermal efficiency, thermal loadDwupaliwowe zasilanie silnika o zapłonie iskrowym mieszaniną alkoholu i benzynyW Katedrze Silników Spalinowych i Pojazdów Akademii Techniczno-Humanistycznej w Bielsku-Białej prowadzonesą prace dotyczące wykorzystania paliw alternatywnych w ramach dwupaliwowego zasilania silników ZI. W artykuleprzedstawiono koncepcję dwupaliwowego zasilania silnika o zapłonie iskrowym z wielopunktowym wtryskiem alkoholui benzyny za pomocą mieszalnika paliw. Przedstawione rozwiązanie polega na mieszaniu paliw (benzyny i alkoholu)przed kolektorem paliwowym lub w kolektorze, co zapewnia zmienne udziały alkoholu w zakresie od 0÷100%, zależnie odwarunków pracy silnika (prędkości obrotowej i obciążenia) oraz jego stanu cieplnego. Paliwa dostarczane są do komorymieszania i za pomocą zaworów elektromagnetycznych umożliwiają odpowiedni dobór proporcji alkoholu i benzyny.Przygotowana wstępnie mieszanina wtryskiwana jest przez oryginalne wtryskiwacze silnika do kolektora, w okolicezaworu. W niniejszej pracy przedstawiono badania prototypowego mieszalnika umożliwiającego mieszanie benzynyi alkoholu w dowolnych proporcjach za pomocą sterowania impulsami PWM.Słowa kluczowe: silnik dwupaliwowy, alkohol, mieszalnik, toksyczność spalin, sprawność ogólna, obciążenie cieplne1. IntroductionThe fueling of spark ignition engines with alcohols has along established tradition. The concept was born in the periodof World War I in the field of military aviation and thenbetween the wars in sports engines. The main idea behindalcohol addition to the fuel, in most cases ethanol, was toincrease the octane number of the fuel and reduce knockingin engines of high power/capacity ratio. The positive featuresof ethanol and methanol led to a development of enginesfueled with alcohol exclusively in the period between theworld wars. Also in Poland, shortly after the war many engineswere fueled with alcohol exclusively (mostly ethanol)[1, 3, 6, 12]. The 1970s of the 20 th century saw an increasedinterest in alcohol fueling, which was caused by a seriousfuel crisis and abruptly skyrocketing crude oil prices. Thefact that the content of lead compounds (additives boostingthe fuel octane number) was limited in the fuel also contributedto the situation. In Europe the engineers began to usemixtures of gasoline and alcohol, chiefly due to the need ofboosting the fuel octane number. [2, 4, 7, 12, 14]. The basicproblem of this type of fueling was the phenomenon ofsplitting of these mixtures at lower temperatures and in thepresence of water. For this reason the alcohol content in themixtures was limited to a few percent. This content couldbe increased through the use of stabilizers such as ethers,1. WstępZasilanie silników o zapłonie iskrowym alkoholami madługą tradycję. Zostało ono zapoczątkowane w okresie Iwojny światowej w lotnictwie wojskowym, a następnie wokresie międzywojennym w silnikach sportowych. Głównymcelem dodatku alkoholu, w przeważającej większościetylowego, było zwiększenie liczby oktanowej paliwa iprzeciwdziałanie spalaniu stukowemu w wysilonych silnikach.Pozytywne cechy alkoholu etylowego i metylowegospowodowały powstanie w okresie międzywojennym konstrukcjisilników zasilanych samymi alkoholami. Równieżw Polsce w pierwszych latach po II Wojnie eksploatowanodużą liczbą silników zasilanych samym alkoholem, głównieetylowym[1, 3, 6, 12]. Ponowne zainteresowanie alkoholamiwystąpiło w latach siedemdziesiątych ubiegłego wiekui było spowodowane dużym kryzysem paliwowym orazgwałtownym wzrostem cen ropy naftowej. Nie bez znaczeniabyło również ograniczenie stosowania związków ołowiujako dodatków zwiększających liczbę oktanową benzyn.W Europie zaczęto wtedy stosować mieszaniny benzyny ialkoholu, głównie ze względu na potrzebę zwiększenia jejliczby oktanowej [2, 4, 7, 12, 14]. Podstawowym problememtego zasilania było jednak zjawisko rozwarstwieniamieszanin w niskich temperaturach i w obecności wody.Z tego powodu zawartość alkoholu w mieszaninach byłaCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)73

Dwupaliwowe zasilanie silnika o zapłonie iskrowym mieszaniną alkoholu i benzynyFig. 1. Comparison of thermal efficiency of the Fiat 1100MPI engine fueled with gasoline and methanol onlyRys.1. Porównanie sprawności silnika FIAT 1100 zasilanego metanolem i benzynąyet even that additive could not increase the alcohol contentmore than several percent by volume. At that time this wasa serious problem when launching this type of fuel to themarket. Much more advantageous is to use this fuel as anindependent one as it ensures high knocking resistance, thus,enabling to increase the compression ratio, overall efficiencyand unit engine power. Fig. 1 presents the comparison of theoverall efficiency of the FIAT engine 1100 MPI fueled withgasoline and methanol [12].The fueling of spark ignition engines with mixtures containingalcohol can be divided into several types:– The mixture of gasoline and alcohol with the alcoholcontent < 8%: The alcohol is added to a hydrocarbonbase fuel as an additive increasing the fuel octane number.Depending on the amount of the additive such mixturescan be used all year (low additive content) or seasonally(higher additive content). Carburetor or injection systemswith oxygen sensors do not need alignment in that case.– The mixture of gasoline and alcohol with the alcoholcontent < 16(20)%: Higher alcohol content is realizableas a three part additive with the addition of ether as thestabilizer. The most frequently used stabilizer is ether(methyl-tert-butyl). The mixtures (gasoline-alcohol-ether)do not split at lower temperatures in winters typical of theEuropean climate. The fuel system with the addition ofalcohol > 12% requires alignments.– An injection of the emulsion of gasoline alcohol emulsion‘before the engine’: This solution can be applied inboth gasoline and diesel engines. Gasoline or diesel oil ismixed with the alcohol in a mixer (homogenizer) just priorto injection. A standard fuel system injects the emulsionto the intake manifold or directly into the cylinder. A shortduration of the emulsion state does not lead to splitting.– Separate injection of the fuels through two gasolineand alcohol injectors. This solution requires a specialograniczona do kilku procent. Zawartość tę można byłozwiększyć dzięki zastosowaniu stabilizatorów takich jaketery, jednak i wtedy dodatek alkoholu nie przekraczałkilkunastu procent objętościowych. Stanowiło to w tamtymokresie znaczne utrudnienie przy wprowadzaniu tego paliwado użytku. Korzystniejsze jest stosowanie alkoholu jako paliwasamoistnego, bowiem pozwala ono w pełni wykorzystaćdużą odporność przeciwstukową alkoholu, umożliwiającązwiększenie stopnia sprężania i wzrost sprawności ogólnejmocy jednostkowej silnika. Na rysunku 1 przedstawionoporównanie sprawności ogólnej silnika FIAT 1100MPIzasilanego benzyną i metanolem [12].Zasilanie silników ZI mieszaninami z udziałem alkoholumożna podzielić na kilka odmian:– Mieszanina benzyna–alkohol o udziale alkoholu < 8%:Alkohol jest dodawany do węglowodorowego paliwabazowego jako domieszka podnosząca liczbę oktanowąpaliwa. W zależności od wielkości dodatku, paliwa takiemogą być zużywane przez cały rok (mały dodatek alkoholu)lub sezonowo (większy dodatek alkoholu). Gaźniki lubsystem wtryskowy z sondą lambda nie wymagają wtedyżadnych zmian regulacyjnych.– Mieszanina benzyna-alkohol o udziale alkoholu< 16(20)%: Większe zawartości alkoholu możliwe sąjako dodatki trójskładnikowe z zastosowaniem eteru jakostabilizatora. Najczęściej stosowanym stabilizatorem jesteter (metylo-tert-butylowy). Mieszaniny (benzyna-alkohol-eter)nie rozwarstwiają się przy obniżeniu temperaturyw zimie w granicach spotykanych w europejskiej strefieklimatycznej. Układ zasilania przy dodatku alkoholu> 12% wymaga z reguły zmian regulacyjnych.– Wtrysk emulsji benzyna-alkohol przygotowanej przedsilnikiem: Rozwiązanie to może być stosowane zarównow silnikach ZI, jak i ZS. Benzyna lub olej napędowy mieszanesą z alkoholem w mieszalniku (homogenizatorze)74 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Dual fuelling SI engine with alcohol and gasolineair intake manifold designed to allow for the trajectoryof the sprays of the atomized fuels from both injectors.A common application of multipoint injection of lightfuels creates new possibilities of use of a variety of fuel feedstrategies of alternative fuels. Both methanol and ethanolcan be used in gasoline engines as independently appliedfuels. Yet, the use of pure alcohols generates certain difficultiesrelated to the engine operation at cold start and thenecessity to heat the intake manifold in engines operating attemperatures lower than 10 oC, particularly when the engineis still heating up. For this reason it seems justified to applydual fuel (gasoline and alcohol) systems similarly to commonlyused LPG systems. The performance of engines fittedwith such systems depends on the proper control of the fuelsystem and it becomes necessary to fit such engines withelectronic control units and develop strategic, operating andaligning procedures for all the ranges of their operation. It isnoteworthy that this trend in fueling is currently investigatedby Volvo and Ford, which is confirmed in literature [10, 11].Bosch has developed a technology of dual fueling of sparkignition engines (gasoline alcohol or their mixtures [17]. Theinjection system by Bosch enables a formation of the alcoholand gasoline mixtures in any given proportions of both of thefuels. The Bosch Motronic Flex-Fuel system, based on theoxygen content in the exhaust gases determined the amountof alcohol and the engine control unit adjust the parametersof injection and ignition to a given fuel composition.2. Description of the fueling systemIn the chair of combustion engines and vehicle at theTechnical University of Bielsko-Biała scientists work ontuż przed wtryskiem. Standardowa aparatura paliwowawtryskuje emulsję do kolektora dolotowego lub bezpośredniodo cylindra. Krótki czas przebywania emulsji niepowoduje rozwarstwiania się paliw.– Wtrysk oddzielny paliw przez dwa wtryskiwacze: jedendla benzyny, drugi dla alkoholu. Rozwiązanie to wymagabudowy specjalnego kolektora dolotowego powietrza,w którym powinna być uwzględniona trajektoria strugirozpylonych paliw z obydwu wtryskiwaczy.Powszechne stosowanie wielopunktowego wtrysku paliwlekkich stwarza nowe możliwości stosowania różnychstrategii zasilania wykorzystujących paliwa alternatywne.Zarówno alkohol metylowy, jak i etylowy mogą być stosowanew silnikach o zapłonie iskrowym jako paliwa samoistne.Stosowanie czystych alkoholi w tych silnikach stwarzajednak pewne trudności eksploatacyjne, polegające na utrudnionymrozruchu oraz konieczności podgrzewania kolektoradolotowego w silniku pracującym w niskich temperaturach,niższych od 10 o C, szczególnie w fazie nagrzewania silnika.Z tego powodu wydaje się uzasadnione stosowanie wsilnikach z zapłonem iskrowym układów dwupaliwowegozasilania benzyną i alkoholem, podobnie jak w powszechniestosowanych układach zasilania LPG. Osiągi tak zasilanychdwupaliwowych silników są uzależnione od właściwegosterowania układu zasilania paliwem i koniecznością staje sięwspomaganie silników elektronicznymi układami sterującymioraz opracowanie procedur strategicznych, operacyjnychi regulacyjnych dotyczących wszystkich zakresów ich pracy.Należy zaznaczyć, że ten kierunek zasilania jest obecnie badanyprzez firmy Volvo i Ford, o czym świadczą doniesienialiteraturowe [10, 11]. Firma Bosch opracowała technologiedwupaliwowego zasilania silnikaZI benzyną, alkoholem lub mieszaninąobu paliw [17]. Systemwtryskowy firmy Bosch umożliwiadowolne mieszanie obu paliw.System Bosch Motronic Flex-Fuelna podstawie zawartości tlenu wspalinach określa zawartość alkoholuw paliwie, a układ sterowaniasilnika dostosowuje parametryzapłonu i wtrysku do aktualnegoskładu paliwa.Fig. 2. The engine test bed – Fiat 1100 MPIRys. 2. Stanowisko badawcze silnika Fiat 1100 MPI2. Opis systemu zasilaniasilnikaW Katedrze Silników Spalinowychi Pojazdów ATH rozwijanesą rozwiązania dotyczące wykorzystaniapaliw alternatywnych wramach dwupaliwowego zasilaniasilników ZI. Pierwszym zastosowanymrozwiązaniem jest zamontowaniedo kolektora dolotowegododatkowych wtryskiwaczy doalkoholu, co wymaga zmian konstrukcyjnychkolektora [12]. Alter-COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)75

Dwupaliwowe zasilanie silnika o zapłonie iskrowym mieszaniną alkoholu i benzynysolutions related to the use of alternative fuels in dual fuelingsystems in spark ignition engines. The first solution is fittingadditional alcohol injectors in the intake manifold, which requiresmodifications to the intake manifold [12]. An alternativeto the first two-injector solution is fuel mixing (gasolineand alcohol) upstream the fuel rail or in it. Such a solutionshould also ensure variable alcohol or gasoline shares in therange of 0% to 100% of the total fuel dose into the combustionchamber, depending on the engine operating conditions(engine speed and engine load) as well as its thermal state.The here presented solution is more universal compared withthe two-injector system in the intake manifold. A prototypefuel mixer that is the essential part of the concept of dualfueling system was prepared for a four cylinder multipointinjected spark ignition engine – Fiat 1100 MPI (Fig. 2). Thetechnical specifications have bee given in Table 1.In the Fiat 1100 MPI engine the injection pressureadjustment is realized through a valve located near thefeeding pump. In this particular case the injection pressureregulatory valve is not located near the fuel rail. In the caseof dual fueling when the fuels must be mixed under theconditions of working pressure (3.5 bar) in the injectionsystem, the choke adjustment of the ratio of both fuels isstrongly non-linear. An alternative to a choke adjustment isthe control of fuel mixing through electromagnetic valvescontrolled by Pulse Width Modulation. In this case becauseof the possibilities of the control devices the pulses of 45Hz were applied, generating the width of the pulse so that itwas proportional to the measured fuel flow rate (in percent).Both electromagnetic valves were opened simultaneously.An interchangeable valve opening was not applied due toa lack of repeatability of the initial measurement results.In the prototype the fuels are fed to the mixing chamberthrough electromagnetic valves letting the fuels in the fuelrail. In the prototype of the mixer instead of specializedelectromagnetic valves two typical LPG injectors were used,regularly fitted in FIAT Multipla. Both fuels were injectedthrough these injectors to a special chamber where they areFig. 3. Diagram of the fuel mixerRys. 3. Schemat ideowy mieszalnika paliwnatywnym rozwiązaniem dla układu z dwoma kompletamiwtryskiwaczy jest rozwiązanie polegające na mieszaniupaliw (benzyny i alkoholu) przed kolektorem paliwowymlub w kolektorze. Rozwiązanie to powinno również zapewnićzmienne udziały alkoholu lub benzyny w zakresie od 0%do 100% całkowitej dawki energii dostarczanej do silnika,zależnie od warunków pracy silnika (prędkości obrotoweji obciążenia) oraz jego stanu cieplnego. Przedstawione wpracy rozwiązanie jest bardziej uniwersalne w stosunku dokolektora dolotowego z dwoma kompletami wtryskiwaczy.Prototypowy mieszalnik paliw, który jest zasadniczym elementemkoncepcji układu zasilania dwupaliwowego przygotowanodla 4-cylindrowego silnika o zapłonie iskrowym zwielopunktowym wtryskiem paliwa typ Fiat 1100 MPI (rys.2). Dane techniczne silnika zamieszczono w tabeli 1.Table 1. Technical specifications of Fiat 1100 MPI engineTabela 1. Dane techniczne silnika Fiat 1100 MPIEngine type/typ silnikaBore and stroke/średnicacylindra × skokFiat 1100 MPI70 × 72 mmDisplacement/pojemność skokowa 1108 cm 3Compression ratio/stopień sprężania 9.6Rated power/engine speed/mocznamionowa/prędkość obrotowaMaximum torque/engine speed/maksymalny moment obrotowy/prędkość obrotowa40 kW/5000 rpm/obr/min88 N·m/3000 rpm/obr/minW silniku Fiat 1100 MPI regulacja ciśnienia wtryskurealizowana jest za pomocą zaworu regulacyjnego znajdującegosię w okolicy pompy zasilającej. Nie stosuje się tutajzaworu regulacyjnego ciśnienia wtrysku umieszczonegoprzy kolektorze paliwowym. Przy zasilaniu dwoma paliwami,które muszą być mieszane w warunkach panującegociśnienia roboczego (3,5 bar) w układzie wtryskowym, dławieniowaregulacja wzajemnego udziału obydwu paliw mabardzo nieliniowy charakter. Alternatywą dla dławieniowejregulacji jest kontrola mieszania paliw za pomocązaworów elekromagnetycznych sterowanychszerokością prostokątnego impulsu PWM (PulseWidth Modulation). W przypadku tego rozwiązania,z uwagi na możliwości aparatury sterującej,zastosowano impulsy o częstotliwości 45 Hz,generując szerokość impulsu proporcjonalnie domierzonego natężenia przepływu paliw (w skaliprocentowej). Obydwa zawory elektromagnetyczneotwierano jednocześnie. Przemiennegootwierania zaworów nie zastosowano z uwagi naniepowtarzalność wstępnych wyników pomiarów.W prototypie funkcjonalnym urządzenia paliwadostarczane są do komory mieszania za pomocązaworów elektromagnetycznych, umożliwiającychdoprowadzenie mieszaniny paliw do kolektorapaliwowego. W prototypie mieszalnika zamiastspecjalizowanych zaworów elektromagnetycznychwykorzystano dwa typowe wtryskiwacze z76 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Dual fuelling SI engine with alcohol and gasolinemixed. The preliminary investigations have shown that thethroughput of the used injectors is sufficient even when theengine was fueled with pure methanol (the injector openingtime is twice as long as compared to gasoline fueling). Forthe fuels to mix better in the outlet adaptorof the mixer a perlator strainer was used. Insuch a way homogenized fuel did not splitin the time estimated for the injection of arequired amount of fuel. The diagram ofthe mixer has been shown in Fig. 3 and theprototype mixer in Fig. 4.zasilania gazowego, stosowane w silniku samochodu FIATMultipla. Obydwa paliwa są wtryskiwane przez te wtryskiwaczedo specjalnej komory, gdzie ulegają wymieszaniu.Badania wstępne wykazały, że wydatek zastosowanych3. The test standThe tests on the prototype mixer wereperformed on an ‘engineless’ test bed. Aprototype fueling system adapted fromFIAT 1100 MPI was used. The system wasequipped with a gasoline tank a methanoltank and a dual fuel consumption meter. Fig.5 presents the view of the tanks including theturbine flow meters. Liquid fuel flow meterswere used manufactured by AQUA METROtype VZO 4 and VZO 4 OEM of the followingtechnical parameters:– minimum fuel flow Q min– 1 dm 3 /h,– maximum fuel flow Q nom– 50 dm 3 /h.The flow meters differed with the signal transmission andvolume recording. In order to maintain a constant pressureof the mixed fuels in the fuel rail another pressure regulatorwas applied.The diagram of the test bed has been presented in Fig. 6.For the feeding of the PWM injectors of the prototypemixer a controller was used developed in the Chair of CombustionEngines and Vehicles at the Technical Universityof Bielsko-Biala. The controller (KSSIP-3) can operate inFig. 5. The fuel supply system and the measurement systemRys. 5. Układ zasilania paliwem wraz z układem pomiarowymFig. 4. The prototype of the fuel mixerRys. 4. Prototyp funkcjonalny mieszalnika paliwwtryskiwaczy jest wystarczający nawet przy zasilaniusamym metanolem (czas otwarcia wtryskiwacza w przybliżeniudwukrotnie dłuższy od czasu przy zasilaniu benzyną).W celu lepszego mieszania paliw w króćcu wylotowymmieszalnika zastosowano sito perlatora. Homogenizowanew ten sposób paliwo nie rozwarstwiało się w czasie przewidywanymdla wtrysku wymaganej objętości paliwa dosilnika. Schemat ideowy mieszalnika przedstawiono na rys.3, a prototypowy mieszalnik paliw na rys. 4.3. Stanowisko badawczeBadania prototypu mieszalnika wykonanona stanowisku bezsilnikowym. Wykorzystanow tym celu prototypowy układzasilania silnika FIAT 1100 MPI stosowanyna stanowisku hamownianym, wyposażonyw zbiorniki metanolu i benzyny oraz podwójnyukład pomiaru zużycia paliw. Narysunku 5 przedstawiono zbiorniki paliwawraz z przepływomierzami turbinowymi.Zastosowano przepływomierze paliw płynnychfirmy AQUA METRO typ VZO 4 iVZO 4 OEM o następujących parametrachtechnicznych:– minimalny wydatek paliwa Q min–1 dm 3 /h,– maksymalny wydatek paliwa Q nom–50 dm 3 /h.Przepływomierze różniły się sposobemprzesyłania sygnału i rejestracji objętościpomiarowej. W celu utrzymania stałegociśnienia zmieszanych paliw występującychw rzeczywistym kolektorze paliwowymCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)77

Dwupaliwowe zasilanie silnika o zapłonie iskrowym mieszaniną alkoholu i benzynythe mode allowing the control of the additional two electromagneticvalves operating at the frequency of 45 Hz. In theregular mode the controller supervises synchronous operationof the engine fed with four MPI injectors.Fig. 7. Comparison of gasoline and methanol flow as a functionof changes of the PWM pulseRys. 7. Porównanie wydatku benzyny i metanolu w zależnościod rodzaju impulsu PWM4. Test resultsThe basic purpose of the measurements was to determinethe way of control of the electromagnetic valves in themixer so that the selection of PWM (the extent of the pulsemodulation set at the controller) of both electromagneticvalves secures the set methanol gasoline ratio. An additionalFig. 6. Schematic diagram of the test bedRys. 6. Schemat stanowiska badawczegozastosowano dodatkowy regulator ciśnienia paliwa.Schemat ideowy stanowiska badawczego przedstawionona rys. 6.Fig. 8. Comparison of gasoline and methanol flow dependence on thePWM pulse: methanol pulse changes, gasoline pulse constant 5%Rys. 8. Porównanie wydatku benzyny i metanolu w zależności od impulsuPWM: impuls dla metanolu zmienny, dla benzyny stały 5%Fig. 9. Comparison of gasoline and methanol flow dependence on thePWM pulse: methanol pulse changes, gasoline pulse constant 50%Rys. 9. Porównanie wydatku benzyny i metanolu w zależności od impulsuPWM: impuls dla metanolu zmienny, dla benzyny stały 50%78 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Dual fuelling SI engine with alcohol and gasolineDo zasilania PWM wtryskiwaczy prototypowego mieszalnikazastosowano zaprojektowany w Katedrze SilnikówSpalinowych i Pojazdów ATH sterownik KSSIP-3, któryposiada tryb pracy umożliwiający sterowanie dodatkowymidwoma zaworami elektromagnetycznymi, pracującymi zczęstotliwością 45 Hz. W trybie podstawowym sterowniksłuży do sterowania synchronicznej pracy silnika zasilanegoczterema wtryskiwaczami MPI.Fig. 10. Comparison of methanol flow for different PWM pulsefor gasolineRys. 10 Porównanie wydatku metanolu dla różnych impulsów PWMdla benzyny o stałych wartościachpurpose of the measurements was verification whether thecontrol of the PWM of one electromagnetic valve influencesthe outflow rate of the fuel from the other electromagneticvalve. Fig. 7 presents the relation between the methanol andgasoline flow rate and the way of control at identical PWMvalues for both valves. Based on the presented characteristicswe can state that at the same PWM pulse and simultaneousinjection for both injectors the same fuel mass flows wereobtained.Figs 8 and 9 shows example changes in the outflow rateof methanol for different values of PWM for methanol at4. Wyniki badańPodstawowym celem przeprowadzonych pomiarów byłookreślenie sposobu sterowania zaworami elektromagnetycznymimieszalnika, tak aby dobór PWM (stopień wypełnieniaimpulsu zadawany na sterowniku) obydwu zaworów elektromagnetycznychumożliwiał otrzymanie założonego stosunkumetanolu do benzyny. Dodatkowym celem pomiarów byłorównież sprawdzenie, czy sterowanie impulsem PWM najednym zaworze elektromagnetycznym ma wpływ na natężeniewypływu paliwa, na równocześnie otwieranym drugimzaworze elektromagnetycznym. Na rysunku 7 przedstawionozależność natężenia przepływu benzyny i metanolu od sposobusterowania przy tych samych wartościach PWM dlaobydwu zaworów. Na podstawie przedstawionych charakterystykmożna stwierdzić, iż przy tych samych impulsachPWM i równoczesnym wtrysku, dla obydwu wtryskiwaczyuzyskano jednakowe wydatki paliw.Na rysunku 8 i 9 przedstawiono przykładowe zmianynatężenia wypływu metanolu dla różnych wartości PWMdla metanolu, przy stałych wartościach PWM dla benzynywynoszących 5% i 50%. Zbiorczą ilustrację uzyskanychwyników pomiarów dla stałych wartości PWM benzyny izmiennych wartości PWM metanolu przedstawiono na rys.10. Widoczne rozbieżności charakterystyk natężenia wypływumetanolu wynikają z zastosowania w torze pomiarowymmetanolu przepływomierza o mniejszej dokładności pomiarowej.Przedstawione charakterystyki uzasadniają tezę,Fig. 11. Average standard deviation of gasoline flow for different PWMpulse for methanolRys. 11. Średnie odchylenie standardowe natężenia wypływu benzynydla różnych impulsów PWM dla metanoluFig.12. Comparison of methanol share for different gasolineand methanol PWM pulsesRys. 12. Porównanie udziału metanolu dla różnych warunkówsterowania benzyny i metanoluCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)79

Dwupaliwowe zasilanie silnika o zapłonie iskrowym mieszaniną alkoholu i benzynyconstant values of PWM for gasoline – 5% and 50%. Thecollective results of the measurements for constant PWMvalue for gasoline and variable values of PWM for methanolhave been presented in Fig. 10. The visible divergence of thecharacteristics of outflow rate results from the application ofa lower accuracy flow meter in the methanol measurementchain. The presented characteristics confirms the assumptionthat the control of one electromagnetic valve with avariable PWM pulse has little influence on the fuel outflowrate from the second electromagnetic valve controlled by aconstant PWM pulse.Figure 11 presents the average standard deviation of thefuel outflow rate for constant PWM values for methanol.We can see a small spread around the average of the outflowrate.Figure 12 presents the changes in the share of alcoholcontent for variable PWM for the gasoline injector andconstant PWM for the methanol injector. The changes in theopening times for the methanol injector in the tested rangePWM = 10÷50% resulted in the changes in the alcohol contentin the range of U = 18÷90%. The obtainment of the rangeof change of the alcohol content U = 0÷100% is of coursepossible and can be done through injector control (limitingof PWM for gasoline). When controlling the mere injectorswe can obtain any required alcohol content.5. Conclusions and final remarksThe performed measurements and presented characteristicsof the fuel mixer of dual fueled gasoline engines confirmthe concept of such an engine fueling. They confirm the assumptionthat it is possible to feed homogenous fuel mixturedirectly to the fuel rail of the injection system significantlylimiting the delay resulting from the change of the fuelcomposition fed to the cylinder. The adjustment of the fuelcomposition is also possible (gasoline and alcohol) dependingon the level of PWM pulse modulation of the appliedelectromagnetic valves. The measurements were made for aconstant PWM pulse frequency of 45 Hz, yet with this typeof fueling variable frequency should be used that results fromthe characteristics of the engine operation. The design ofthe prototype mixer with built-incounter injectors allows obtainingof an appropriate mixture of bothmediums, which results from theapplication of the mixing chamberwhere swirling occurs. In the furtherstage of the investigations theauthors plan to use a special mixervalve as shown in Fig. 13. Fig. 14presents a diagram describing theoperation of the said valve.Based on the performed testswe can draw the following generalconclusions:The developed fueling systemis characterized by a variety offeatures that are vital for dualfueling spark ignition systems.Fig. 13. Electromagneticvalve for fuel mixingRys. 13. Elektromagnetycznyzawór mieszający dwapaliważe sterowanie jednym zaworem elektromagnetycznym zezmiennym impulsem PWM ma niewielki wpływ na natężeniewypływu paliwa z drugiego zaworu elektromagnetycznegosterowanego stałym impulsem PWM.Na rysunku 11 przedstawiono średnie odchylenie standardowenatężenia wypływu benzyny dla stałych wartościPWM benzyny w czasie zmiany PWM metanolu. Widocznejest niewielkie rozproszenie wokół średniej natężeniawypływu.Na rysunku 12 przedstawiono zmiany udziału alkoholuprzy zmianach PWM dla wtryskiwacza benzyny i dlastałych wartości PWM wtryskiwacza metanolu. Zmianyczasu otwarcia wtryskiwacza metanolu w badanym zakresiePWM = 10÷50 [%] powodowały zmiany udziału alkoholu wzakresie U = 18÷90 [%]. Uzyskanie zakresu zmian udziałualkoholu U = 0÷100% jest oczywiście możliwe i wynika zesposobu sterowania wtryskiwaczami (ograniczenie PWMbenzyny). Sterując tylko samymi wtryskiwaczami, możnauzyskać dowolnie zadaną wartość udziału alkoholu.5. Podsumowanie i wnioski końcoweWykonane pomiary i przedstawione charakterystyki mieszalnikapaliw przeznaczonego do dwupaliwowego zasilaniasilnika o zapłonie iskrowym potwierdzają koncepcję takiegosposobu zasilania silnika. Uzasadniają tezę, że możliwe jestdoprowadzenie homogenicznej mieszaniny paliw bezpośredniodo kolektora paliwowego układu wtryskowego, ograniczającw znacznym stopniu zwłokę wynikającą ze zmianyskładu paliwa doprowadzonego do cylindra. Możliwa jestrównież regulacja składu paliwa (benzyny i alkoholu) wzależności od stopnia wypełnienia impulsów PWM zastosowanychzaworów elektromagnetycznych. Pomiary wykonanodla stałej częstotliwości impulsów PWM wynoszącej45 Hz, jednak przy takim sposobie zasilania silnika powinnabyć zastosowana zmienna częstotliwość, wynikająca zcharakterystyki pracy silnika. Konstrukcja prototypowegomieszalnika z wbudowanymi wtryskiwaczami przeciwprądowopozwala uzyskać odpowiednią mieszaninę obydwumediów, co wynika z zastosowania komory mieszającej,powodującej zawirowanie mieszanki. W następnym etapiebadań przewiduje się zastosowanie specjalnego zaworu mieszającegoprzedstawionego na rys. 13, wraz ze schematemdziałania przedstawionym na rys. 14.Fig. 14. Diagram presenting the operation of the electromagnetic valveRys. 14. Schemat działania zaworu elektromagnetycznego80 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Dual fuelling SI engine with alcohol and gasolineSome of these features are:– engine startup on gasoline only, which preserves the enginestartup specific properties as in traditional systems;– burning gasoline and any type of alcohol at activelyvariable alcohol content depending on engine load andspeed;– splitting has been eliminated at high alcohol content;– switching to pure alcohol fueling while the engine isoperating.Alcohol fueling enables a substantial reduction of theemission of NO xand hydrocarbons and an improvement inthe general efficiency and external engine parameters sucha power output and maximum torque.The external parameters of the engine can further beimproved through an increase in the compression ratio andengine tune-up.Paper reviewed/Artykuł recenzowanyNa podstawie przeprowadzonych badań można wyciągnąćnastępujące wnioski o charakterze ogólnym:Opracowany system zasilania charakteryzuje się wielomazaletami istotnymi przy dwupaliwowym zasilaniu silnika ZI.Do zalet tych należą:– możliwość rozruchu silnika na samej benzynie, co pozwalazachować jego właściwości rozruchowe jak przyzasilaniu tradycyjnym;– możliwość równoczesnego spalania benzyny i dowolnegoalkoholu, przy aktywnie zmienianym udziale alkoholuzależnie od obciążenia i prędkości obrotowej silnika;– wyeliminowanie zjawiska rozwarstwiania się mieszaninbenzyna–alkohol przy dużych udziałach alkoholu;– możliwość przechodzenia na zasilanie samym alkoholempodczas pracy silnika.Zasilanie alkoholem daje istotne możliwości zmniejszeniaemisji tlenków azotu i węglowodorów oraz poprawysprawności ogólnej i parametrów zewnętrznych silnika,takich jak moc i maksymalny moment obrotowy.Parametry zewnętrzne silnika mogą być dalej podwyższaneprzez zwiększenie stopnia sprężania silnika orazoptymalizację jego regulacji.Bibliography/Literatura[1] Baczewski K., Kałdoński T.: Paliwa do silników o zapłonieiskrowym. WKiŁ 2005.[2] Stell Lexikon, Folge 30, MTZ nr 12/1997.[3] Kotowski W., Klimiec J., Marcjasz-Siemiątkowski I.: Możliwościwykorzystania metanolu i jego pochodnych jako paliwsilnikowych. Przemysł Chemiczny nr 80/1/2001.[4] Metanol/gasoline blends and emissions. Automotive Engineeringnr 4/1992 (cz. 1), nr 5/1992 (cz. 2).[5] Mayer L.: Etanol jako komponent benzyn silnikowych.Auto Technika Motoryzacyjna nr 6/1992 (kwartalnik N-TII/1992).[6] Bednarek E., Małyska J., Kosowicz L.: Wykorzystanie alkoholuetylowego w paliwach silnikowych reformułowanych.Przemysł Chemiczny nr 76/3/1997.[7] Clarke l.: Waste not, want not. Engine Technology Internationalnr 1/2003.[8] Maćkowski J.: Emisja aldehydów z silników o ZI zasilanychpaliwami zawierającymi związki tlenowe. Paliwa, Oleje iSmary w Eksploatacji nr 91/2001 (cz. 1), nr 92/2001 (cz. 2).[9] Frączek K., Rzeczkowski S., Chojecki J., Ciok J.: Eter etylotert-butylowywysokojakościowy komponent benzynowy zsurowca odnawialnego. Przemysł Chemiczny, nr 82/5/2003.[10] biopaliwa.com[11] www.atcobr.pl[12] Stelmasiak Z., Larisch J., Semikow J.: Badania wstępnedwupaliwowego silnika o zapłonie iskrowym zasilanego alkoholemmetylowym i benzyną. Silniki Spalinowe nr 3/2008.[13] Stelmasiak Z., Larisch J., Semikow J.: Analiza wybranychparametrów spalania dwupaliwowego silnika o zapłonieiskrowym zasilanego alkoholem i benzyną. Silniki Spalinowenr 1/2009.[14] Stelmasiak Z., Larisch J., Semikow J.: Some aspects of bifuelSI engine run on alcohol and gasoline, 12th EAEC EuropeanAutomotive Congress Bratislava 2009.[15] Stelmasiak Z., Semikow J.: The possibilities of impovementof spark ignitron engine efficiency trough dual fuelling ofmethanol and gasoline, Combustion Engines 3/2010.[16] Stelmasiak Z.: Możliwości dwupaliwowego zasilania benzynąi alkoholem silników o zapłonie iskrowym, Logistyka nr6/2010.[17] rb-kwin.bosch.com /en/powercomsumptionemissions /…/flexfuelJerzy Larisch, DEng. – doctor in the Faculty ofMechanical Engineering at University of Bielsko-Biala.Dr inż. Jerzy Larisch – adiunkt na Wydziale BudowyMaszyn i Informatyki Akademii Techniczno-Humanistycznejw Bielsku-Białej.e-mail: jlarisch@ath.bielsko.plZdzisław Stelmasiak, DSc., DEng. – Professor inthe Faculty of Mechanical Engineering at Universityof Bielsko-Biala.Dr hab. inż. Zdzisław Stelmasiak – profesor na.Wydziale Budowy Maszyn i Informatyki AkademiiTechniczno-Humanistycznej w Bielsku-Białej.e-mail: zstelmasiak@ath.bielsko.plCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)81

Oddziaływanie kinematyki ładunku napływającego do komory spalania...Piotr PIĄTKOWSKIPTNSS-2011-SS2-209The impact of kinematics of the airflow on the efficiencyof combustion process in piston enginesThe technical possibility of decreasing engine emissions and fuel consumption in relation to the increase in the usableengine parameters has been presented in the paper. The above problem relates to the dynamic and kinematic propertiesof airflow into the combustion chamber. The effect of swirl in the intake manifold that refers to the achieved engineoperating parameters and emission level was presented in the paper. The included results of the experimental researchof airflow swirl in the air intake model allowed getting answers related to the issues of flow resistance. The analysis ofliterature and the analysis of the modeling results led to conclusions about the theoretical and practical possibilities offlexible intake duct implementation.Key words: kinematics of airflow, intake manifold, combustion process, gaseous fuelOddziaływanie kinematyki ładunku napływającego do komory spalaniana efektywność procesu spalania w silnikach tłokowychW artykule przedstawiono możliwości technicznej realizacji pracy silnika z uwagi na ograniczenie emisji spalin orazzmniejszenie zużycia paliwa w odniesieniu do wzrostu wartości parametrów użytkowych silnika. Problem ten związanoz modyfikacją oraz dynamicznymi zmianami właściwości kinematycznych ładunku napływającego do komory spalaniasilnika. W pracy przedstawiono zagadnienia związane z możliwością wykorzystania zjawiska zawirowania ładunku natle uzyskiwanych wartości parametrów pracy oraz emisji składników spalin. Zamieszczone wyniki badań eksperymentalnychprzeprowadzone na stanowisku modelowym pozwoliły uzyskać odpowiedź na zagadnienia oporów przepływuoraz pozwoliły określić możliwe do uzyskania wartości parametrów opisujących zawirowanie osiowo-wzdłużne ładunkuw kanale dolotowym silnika. Na podstawie analizy wyników badań modelowych oraz analizy literatury przedstawionownioski dotyczące technicznej możliwości implementacji do silnika badawczego oraz spodziewanych zmian w jegoparametrach pracy.Słowa kluczowe: dynamika ładunku, układ dolotowy, spalanie, paliwo gazowe1. IntroductionThe growth in the engine efficiency is a priority whendesigning modern engines while still working on the reductionof the negative impact on the environment. Thesaid issues have become extremely important today as theomnipresent intensification of transport leads to a growingair pollution and aiming at an economic growth results in agrowing crude oil consumption. The trends in the developmentof gasoline engines are based on the development ofthe automotive market and the related implementation ofmodern technologies as well as increasing the range andvariety of products.Currently, one of the most important objectives in enginedesign is the reduction of the fuel consumption and meetingthe ever more stringent emission requirements while still maintainingthe high usable parameters of the engines. A standardphenomenon is the formation of photochemical smog that isthe result of chemical reactions triggered by the solar radiation,particularly in large and industrialized cities.In most of the countries the limits of the engine exhaustemissions have been set forth by legislation. These are asfollows:– hydrocarbons (C nH m),– nitric oxides (NO x),– carbon monoxide (CO),1. WprowadzeniePriorytetem w konstruowaniu silników spalinowychjest uwzględnienie wzrostu efektywności ich pracy,przy jednoczesnym zmniejszeniu ich oddziaływania naśrodowisko naturalne. Zagadnienia te stały się obecnieniezwykle ważne, gdyż wszechobecna intensyfikacjatransportu powoduje wzrost zanieczyszczenia powietrza,a dążenie do wzrostu gospodarczego zwiększa intensywnośćzużycia paliw. Kierunek rozwoju silników zzapłonem iskrowym (ZI) oparty był na rozwoju rynkumotoryzacyjnego i związanym z tym wprowadzaniemcoraz nowszych technologii oraz zwiększaniem różnorodnościproduktów.Obecnie jednym z najważniejszych celów w projektowaniusilników jest zmniejszanie zużycia paliwa orazspełnianie coraz bardziej zaostrzanych norm dotyczącychemisji toksycznych składników spalin, przy zachowaniuwysokich wartości parametrów użytkowych. „Normalnym”zjawiskiem jest powstawanie nad miastami smogufotochemicznego, będącego efektem reakcji chemicznychpod wpływem promieniowania słonecznego, szczególnie wobrębie dużych i uprzemysłowionych miast. W większościkrajów administracyjnie ustalono limity najbardziej szkodliwychzwiązków, jakie mogą być emitowane przez pojazddo atmosfery. Związkami tymi są głównie:82 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

The impact of kinematics of the airflow on the efficiency...– carbon dioxide (CO 2),– particulate matter (PM),– sulfur compounds (S – its content is mainly related to thecontamination of fuel).In the phase of continuous development there are thefollowing systems that lead to a reduction of the fuel consumptionin gasoline engines and the following parametersrelate to energy and ecology:– direct fuel injection– GDI (DGI) (Gasoline Direct Injection)that form,– stratified charge:▪ wall guided (assisted by a swirl),▪ spray guided,– homogenous,– CAI/HCCI (Controlled Auto Ignition/Homogenous ChargeCompression Ignition),– VCM (Variable Charge Motion),– VVT (Variable Valve Timing),– VVA (Variable Valve Actuation),– turbocharging,– VCR (Variable Compression Ratio),– VD (Variable Displacement).Thanks to the application of various combinations ofmodern design solutions in engine construction a significantdrop in the exhaust emissions and fuel consumption has beenobtained (Fig. 1 and 2).Alternative fuels as a source of energy for modern combustionengines are being improved on a continual basisin terms of quality and engine operating parameters. Thisshould allow an efficient use of these fuels that come fromrenewable sources. Apart from these actions the engineersneed to adapt the engine design and its fuel systems forthe properties of these fuels. Hence, we will be able to efficientlyuse alternative fuels. Figure 3 presents the resultsof the measurements of the combustion time of the LPG-airmixture as compared to the gasoline-air mixture.When analyzing Figs 2 and 3 we can draw a conclusionthat using direct injection and a proper control of thecharging and discharging of the working areas allow a highefficiency of energy conversion. Besides, a proper control of– węglowodory (C nH m),– tlenki azotu (NO x),– tlenek węgla (CO),– dwutlenek węgla (CO 2),– cząstki stałe (PM),– związki siarki (S – jej zawartość głównie związana jest zzanieczyszczeniem paliwa).W fazie ciągłego rozwoju są następujące systemy prowadzącedo zmniejszenia zużycia paliwa przez silniki ZI orazpolepszające parametry energoekologiczne:– bezpośredni wtrysk paliwa – GDI (DGI) (Gasoline DirectInjection) tworzący ładunek,– uwarstwiony:▪ tworzony przez wir wspomagany oddziaływaniemścianek – wall/air guided,▪ tworzony przez strugę – spray guided,– homogeniczny,– kontrolowany samozapłon – CAI/HCCI (Controlled AutoIgnition/Homogenous Charge Compression Ignition),– zmienny przepływ ładunku – VCM (Variable ChargeMotion),– zmienne fazy rozrządu – VVT (Variable Valve Timing),– zmienne sterowanie zaworami – VVA (Variable ValveActuation),– turbodoładowanie,– zmienny stopień sprężania – VCR (Variable CompressionRatio),– zmienna objętość skokowa silnika – VD (Variable Displacement).Dzięki zastosowaniu różnych kombinacji współczesnychrozwiązań konstrukcyjnych w budowie silników spalinowychosiągnięto znaczny spadek emisji spalin oraz zużyciapaliwa (rys. 1 i 2).Paliwa alternatywne jako źródło energii dla współczesnychsilników spalinowych są ciągle udoskonalane podwzględem wymagań jakościowych i eksploatacyjnych.Pozwoli to w przyszłości efektywnie wykorzystać te paliwajako formy paliw pochodzących ze źródeł odnawialnych.Prócz tych zabiegów należy także dostosowywać budowęFig. 1. Fuel consumption by automatic transmission premium classvehicles as per the ADR 81 [12]Rys. 1. Zużycie paliwa przez samochody klasy premium z automatycznąskrzynią wg testu ADR 81 [12]Fig. 2. The comparison of the unit fuel consumption and the hydrocarbonsemission against the mixture composition and injection strategyfor GDI engines [3]Rys. 2. Porównanie jednostkowego zużycia paliwa i poziomu emisjiwęglowodorów w zależności od składu mieszanki i sposobu realizacjiwtrysku dla silnika typu GDI [3]COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)83

Oddziaływanie kinematyki ładunku napływającego do komory spalania...Fig. 3. The course of the change of combustion time (t sp) as a function of enginespeed (n) for the gasoline air and LPG air mixtures (λ = 0.92) [8]Rys. 3. Przebieg zmiany czasu spalania (t sp) jako funkcja prędkości obrotowej (n)silnika dla mieszanek benzynowo-powietrznej oraz LPG–powietrze (λ = 0,92) [8]the parameters of the charge flow to the working area allowsa high repeatability of the combustion process.A direct result of these actions that influence the mixturepreparation process and its combustion is low fuel consumptionand low exhaust emissions and an improvement of theengine parameters such as power output and torque.Many researchers [1, 6, 7, 10] have studied the influenceof the swirl intensification on the process of heatflow in piston engines, the influence of the turbulence onthe heat exchange process [2, 4, 11] and the stabilizationof the combustion processes [5]. The results of theseinvestigations in a different way present the influence ofthis swirl. The authors agree that due to the swirl processthe effectiveness of the combustion processes improves(a more homogenous air fuel mixture). This has been assumedbased on the reduced emission of carbon monoxide,carbon dioxide and hydrocarbons while the nitric oxidesgrew. As for the heat release process (combustion) thisinfluence is not clear.In the investigations in the literature the authors rarelymention the possibility of the intensification of the preliminarycharge swirl in the intake manifold. This intensificationis of particular importance in the following cases:– homogenous mixture formation,– operation at low engine speeds,– low speed engines of high single cylinder capacities,– unconventional fuel application in regular engines.Within this paper the authors present the obtainment ofthe axial swirl of the intake air in relation to the introducedflow resistance.2. The characteristics of the experimental modelThe design of the experimental model was based on theexisting four-cylinder four stroke gasoline engine of the capacityof 1598 cm 3 . The diameter of the intake duct of this enginewas 32 mm, and the diameter of the intake duct in the modelwas 34 mm. The difference results from the pipes availablefor the construction of the model.The swirl effect was obtained thanks to a geometricallyflexible element that was a steel tape of the length of 65silników i ich układów zasilania do właściwościstosowanych paliw. Dzięki temu będzie możliweefektywne wykorzystanie paliw alternatywnych.Na rysunku 3 przedstawiono wyniki pomiaru czasuspalania mieszanki LPG–powietrze w odniesieniu domieszanki benzynowo-powietrznej.Analizując rysunki 2 i 3, można postawić wniosek,że stosowanie bezpośredniego wtrysku paliwa orazodpowiednie sterowanie fazami napełniania i opróżnianiaprzestrzeni roboczej pozwalają uzyskać wysokąefektywność procesów konwersji energii. Ponadtoodpowiednie sterowanie parametrami przepływuładunku do przestrzenia roboczej pozwala uzyskaćdużą powtarzalność procesów spalania.Bezpośrednim rezultatem tych zabiegów oddziaływującychna proces przygotowania mieszaninypalnej oraz jej spalania jest uzyskanie małego zużyciapaliwa oraz niskiego poziomu emisji składnikówszkodliwych spalin przy równoczesnym wzrościeparametrów pracy silnika, takich jak moc i moment obrotowy.Wielu badaczy [1, 6, 7, 10] zajmowało się oceną wpływuintensyfikacji zawirowania typu „swirl” na proces przepływuciepła w silnikach tłokowych, a także badaniem wpływu turbulencjina proces wymiany ciepła [2, 4, 11] oraz stabilizacjiprocesu spalania [5]. Wyniki tych badań w różny sposóbprzedstawiają wpływ tego zawirowania. Autorzy badań sązgodni w tym, że dzięki zawirowaniu typu „swirl” uzyskujesię poprawę efektywności procesu spalania określaną przezuzyskanie bardziej homogenicznej mieszanki paliwowo-powietrznej.Wniosek ten postawiono na podstawie uzyskanegozmniejszenia emisji tlenku i dwutlenku węgla oraz węglowodorówprzy jednoczesnym wzroście emisji tlenków azotu.Natomiast co do wpływu na proces wywiązywania się ciepła(spalanie) oddziaływanie to nie jest jednoznaczne.W pracach badawczych rzadko wspominana jest możliwośćintensyfikacji wstępnego zawirowania ładunku w kanaledolotowym silnika. Intensyfikacja taka jest szczególnieważna w następujących przypadkach:– tworzenia mieszanki homogenicznej,– przy pracy w zakresie niskich prędkości obrotowychsilnika,– silników wolnobieżnych o dużych pojemnościach skokowychjednego cylindra,– stosowania paliw niekonwencjonalnych do zasilaniatradycyjnych tłokowych silników spalinowych.W ramach niniejszej pracy przedstawiono uzyskaniezawirowania osiowego powietrza dopływającego do komoryspalania w odniesieniu do wprowadzanych oporówprzepływu.2. Charakterystyka modelu eksperymentalnegoBudowę modelu eksperymentalnego oparto na istniejącymczterocylindrowym, czterosuwowym silniku zzapłonem iskrowym o pojemności skokowej 1598 cm 3 .Średnica kanału dolotowego dla tego silnika wynosi 32mm, natomiast średnica kanału w modelu wynosi 34 mm.Różnica wynika z dostępności rur użytych do budowy84 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

The impact of kinematics of the airflow on the efficiency...mm, width 32 mm and thickness 0.4 mm. Theschematic diagram of the model and its principleof operation have been shown in Fig. 4.Based on these assumptions a flow model ofthe intake duct has been built. The schematic ofthis model has been presented in Fig. 5.The value of the flow resistance (Δp) has beendetermined from the dependence:[Pa], (1)where: ρ – density of the liquid in the manometer,g – apparent gravity, n – manometer ratio,l – number of notches.The value of the flow velocity was determinedbased on the measurement of thedynamic pressure in two perpendicular planes. Themeasuring points were determined based on the divisionof the area of the pipe cross section. The diameter wasdivided into nine rings of the width of 2 mm. In this waythe authors obtained four velocity-measuring points fromthe rings.The flow velocity (v) at each measuring points was determinedbased on the dependence:[m/s], (2)The accuracy of the measurement was determined basedon the data contained in table 1.Table 1. The measurement ranges and accuracy classes of the Recknagelmanometer (MPR-4)Tabela 1. Zakresy pomiarowe oraz klasy dokładności manometruRecknagla MPR-4Ratio/położenienMeasurement range/zakrespomiarowy[Pa]Accuracy class/klasadokładności[%]1:10 0÷160 1.01:25 0÷64 1.51:50 0÷32 2.5The average value of the airflow velocity was calculatedbased on the formula (3):and, [m/s], (3), [m 2 ], (4)where: A – cross section area of the perpendicular channel[m 2 ], A n– area of the n-ring, n – number of ring, v n1÷4– flowvelocity in the subsequent measuring points for n-ring,d n1– outer diameter of the n-ring, d n2– inner diameter ofthe n-ring.Fig. 4. The diagram of the geometrically flexible channel: 1 – steel tape, 2 – movablering, 3 – air in the swirl motion, 4 – channel [9]Rys. 4. Schemat ideowy kanału podatnego geometrycznie: 1 – taśma stalowa,2 – pierścień ruchomy, 3 – powietrze w ruchu wirowym, 4 – kanał [9]modelu.Efekt zawirowania uzyskano dzięki zastosowaniu elementupodatnego geometrycznie, który stanowiła stalowataśma o długości 65 mm, szerokości 32 mm i grubości 0,4mm. Schemat ideowy budowy i zasady działania elementukanału przedstawiono na rys. 4.Opierając się na tych założeniach, wykonano modelprzepływowy kanału dolotowego silnika. Schemat modelueksperymentalnego przedstawiono na rys. 5.Wartość oporów przepływu (Δp) wyznaczono z zależności(1), gdzie: ρ – gęstość cieczy w manometrze,g – przyspieszenie ziemskie, n – przełożenie manometru,l – liczba działek.Wartość prędkości przepływu określono na podstawiepomiaru ciśnienia dynamicznego w dwóch wzajemnie prostopadłychpłaszczyznach. Punkty pomiarowe określono napodstawie podziału pola powierzchni przekroju rury. Średnicępodzielono na dziewięć pierścieni o szerokości 2 mm.Uzyskano w ten sposób cztery punkty pomiaru prędkościdla każdego z pierścieni.Prędkość przepływu (v) w każdym punkcie pomiarowymokreślono na podstawie zależności (2).Dokładność pomiaru określono na podstawie danychzawartych w tabeli 1.Wartość średnią prędkości przepływu powietrza obliczonona podstawie wzoru (3), natomiast A nna podstawie wzoru(4), gdzie: A – pole powierzchni przekroju prostopadłegokanału [m 2 ], A n– pole powierzchni n-pierścienia, n – numerpierścienia, v n1÷4– prędkość przepływu w kolejnych punktachpomiarowych dla n-pierścienia, d n1– średnica zewnętrznan-pierścienia, d n2– średnica wewnętrzna n-pierścienia.3. Wyniki badań eksperymentalnychBadania dotyczyły określenia wpływu geometrii kanałudolotowego podatnego geometrycznie na prędkość i opórprzepływu czynnika w postaci powietrza. Ważnym czynnikiemoceny profilu prędkości była także zmiana położeniajej ekstremów. Jak już wspomniano (rozdz. 2), elementempodatnym była taśma stalowa. Jednym końcem utwierdzonabyła w sposób stabilny w pierścieniu osadczym, natomiastdrugi koniec taśmy podlegał przemieszczeniom, co powodowałoskręcanie taśmy. Drugi pierścień umożliwiał takżekompensację zmiany długości rzeczywistej taśmy.COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)85

Oddziaływanie kinematyki ładunku napływającego do komory spalania...3. The results of the experimentalinvestigationsThe investigations pertainedto the influence of the channel geometryon the medium flow (air)velocity and flow resistance. An importantfactor in the evaluation of thevelocity profile was also the changeof the location of its extremums. Aspreviously mentioned (chapter 2) theflexible element was a steel tape. Atone end it was stable-fixed in the ringand the other end was subject to displacement,which resulted in the tapetwist. The second ring also enabled acompensation of the changes of thetape actual length.The tape twist angle began at0÷24 o and the range of the obtainedaverage velocities of the flow beganat 3.5÷9.2 m/s.The results of the experimentalinvestigations of the flow resistancein relation to the flow velocity and the twist angle of the tapehas been shown in Fig. 6.From the obtained measurements shown in Fig. 6 it resultsthat the application of a flexible element in the intakeduct does not significantly influence the flow resistance. Thedifference between the lowest value obtained for a straighttape and the highest resistance obtained for a twist angle of24 o in the tested velocity range only slightly exceeded thevalue of 5 Pa at the measurement error of 0.96 Pa. Theseresults are extremely promising in relation to the possibilityof obtaining of the change in the distribution of the velocitiesin the cross-section area. A proper distribution will enabletransportation of the charge to the combustion chamber sothat it can circumvent the valve head that bounces off thetransported charge and causes turbulence.Figures 7 and 8 present the dependence of the changeof the profile for two mutually perpendicular planeshaving the axis of parallel symmetry of the pipe. Thedetermination of the plane location is related to thelocation of the steel tape entrance shown as number 3in Fig. 5.From Figs 7 and 8 it results that the twist angle of thetape significantly influences the change of the velocityprofile in the cross section area of the flow. A very effectiveprojection of this change of the profile has beenshown by the appearance of two extremums near thewalls of the duct for the tape twist angle of 24 o and thegrowth in the flow resistance was approximately 7%.The obtained profile projection can serve to introducethe air spray modulation at the intake to thecombustion chamber in piston combustion engines.In this way, slightly increasing the flow resistance byapproximately 7%, we can obtain a profile of the flowvelocity that will circumvent the intake valve head.Fig. 5. The schematic of the experimental measurement stand: 1 – micro manometer Askania,2 and 4 – fixing rings of the steel tape 3, 5 – flow stabilizer, 6 – radial-axial fan, 7 – Recknagelmanometer for the measurement of the flow velocity, 8 – Recknagel manometer for the measurementof the flow resistance, 9 – interface, 10 – computerRys. 5. Schemat eksperymentalnego stanowiska pomiarowego: 1 – mikromanometr Askania,2 i 4 – pierścienie osadcze taśmy stalowej 3, 5 – stabilizator przepływu, 6 – wentylatorosiowo-promieniowy, 7 – manometr Recknagla do pomiaru prędkości przepływu, 8 – manometrRecknagla do pomiaru oporów przepływu, 9 – interfejs komunikacyjny, 10 – komputerKąt skręcenia taśmy wynosił od 0÷24 o , natomiast zakresuzyskanych średnich prędkości przepływu wynosił od3,5÷9,2 m/s.Zestawienie wyników badań eksperymentalnych oporówprzepływu w odniesieniu do prędkości przepływu oraz kątaskręcenia taśmy przedstawiono na rys. 6.Z uzyskanych wyników pomiarów przedstawionych narys. 6 wynika, że zastosowanie elementu podatnego w kanaledolotowym nie wpływa znacząco na wzrost oporów przepływu.Różnica pomiędzy wartością najniższą uzyskaną dlaprostej taśmy oraz największym oporem uzyskanym dla kątaskręcenia wynoszącego 24 o w badanym zakresie prędkościtylko nieznacznie przekroczyła wartość 5 Pa przy błędziepomiaru oporów przepływu na poziomie 0,96 Pa. Wynikite są bardzo obiecujące w odniesieniu do możliwości uzy-Fig. 6. The characteristics of the flow resistance (Δp) depending on the averagevelocity ( ) and tape twist angle (0, 12, 18 and 24 o )Rys. 6. Charakterystyka oporów przepływu (Δp) w zależności od prędkościśredniej ( ) i kąta skręcenia taśmy (0, 12, 18 i 24 o )86 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

The impact of kinematics of the airflow on the efficiency...Fig. 7. The profilogram of the flow velocity in the plane perpendicularto the entrance for different angles of the tape twist: v – velocity at thepoint, a – location of the measuring point on the pipe diameter, 1 – axisof symmetry of the systemRys. 7. Profilogram prędkości przepływu w płaszczyźnie prostopadłejdo wejścia dla różnych kątów skręcenia taśmy: v – prędkość w punkcie,a – położenie punktu pomiarowego na średnicy rury, 1 – oś symetriikanałuSuch a solution will be a positive one for the process ofcylinder filling, thus eliminating the bounce-off effect ofthe charge from the valve head (this is the source of theturbulence that distorts the free flow of the charge to theworking area).Fig. 9. The profilograms of the velocities put together for two mutually perpendicularplanes: 1 – the highest flow (11.2 m/s)Rys. 9. Złożenie profilogramów prędkości przepływu dla dwu wzajemnie prostopadłychpłaszczyzn: 1 – najwyższa prędkość przepływu (11,2 m/s)Fig. 8. Profilogram of the flow velocity in the plane parallel to the wallsfor different angles of tape twist: v – velocity at the point, a – measuringpoint location in the pipe diameter, 1 – axis of symmetry of the ductRys. 8. Profilogram prędkości przepływu w płaszczyźnie równoległejdo wejścia dla różnych kątów skręcenia taśmy: v – prędkość w punkcie,a – położenie punktu pomiarowego na średnicy rury, 1 – oś symetriikanałuskania zmiany rozkładu profilu prędkości w polu przekrojupoprzecznego. Odpowiedni jej rozkład umożliwi doprowadzenieładunku do komory spalania, tak aby nie napotkał onna swojej drodze grzybka zaworu, który powodowałby jegoodbicie i powstawanie turbulencji.Na rysunkach 7 i 8 przedstawiono zależność zmianyprofilu prędkości przepływu powietrza dla dwuwzajemnie prostopadłych płaszczyzn zawierającychoś symetrii podłużnej rury. Określeniepołożenia płaszczyzny związane jest z położeniempowierzchni wejścia taśmy skrętnejprzedstawionej jako numer 3 na rys. 5.Z rysunków 7 i 8 wynika, że kąt skręceniataśmy znacząco wpływa na zmianę profiluprędkości w polu przekroju przepływu. Bardzoefektywny obraz zmiany tego profilu ujawnił sięprzez pojawienie się dwóch ekstremów bliskościanek kanału dla kąta skręcenia taśmy wynoszącego24 o , natomiast wzrost oporów przepływuwyniósł około 7%.Uzyskany obraz profilu prędkości może posłużyćdo wprowadzenia modulacji strugi powietrzana dolocie do komory spalania w tłokowychsilnikach spalinowych. W ten sposób nieznaczniezwiększając opór przepływu o około 7%, możnauzyskać profil prędkości przepływu sprzyjającyominięciu grzybka zaworów dolotowych silnika.Takie rozwiązanie wpłynie dodatnio na procesnapełniania cylindra, eliminując zjawisko odbicianapływającego ładunku od grzybka zaworu,które jest źródłem turbulencji zakłócającychswobodny przepływ ładunku do przestrzeniroboczej silnika.Odpowiednio dobrane umiejscowienie elementupodatnego w kanale dolotowym silnika wodniesieniu do położenia zaworów dolotowychpowinno przynieść efekt przenikania wstępnegoCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)87

Oddziaływanie kinematyki ładunku napływającego do komory spalania...An appropriately selected location of the flexible elementin the intake duct in relation to the location of the intake valvesshould result in the effect of the penetration of the initial swirlinto the combustion chamber. This will add to the positiveeffect of formation of a homogenous fuel-air mixture.Figure 9 presents the schematics of the velocity profilesput together in the perpendicular and parallel planes for theflexible element deformation of 24 o . On the profilograms ofvelocities a displacement of the velocity minimum from thelongitudinal axis of symmetry of the duct has been observed.This is the effect of non-axial deformation of the flexibleelement, which will be considered by the author by changingthe design of the flexible element or the material fromwhich it was made.4. ConclusionsBased on the performed experiment the following conclusionscan be formulated:1. The introduction of the geometrically flexible elementin the proposed form does not significantly influence theincrease in the flow resistance (up to 5 Pa).2. The airflow velocity and the angle of the flexible elementhave a significant influence on the change of the velocityprofile.3. The change of the velocity profile in the cross section willeliminate the problem of turbulence generated by the valvehead.4. The process of axial swirl formation while the air reachesthe combustion chamber will lead to better conditions forhomogenous mixture formation.Paper reviewed/Artykuł recenzowanyAbbreviations/Skróty i oznaczeniaΔp the axis of the air flow in the duct [Pa]/opór przepływu powietrzaw kanale [Pa]λ excess air coefficient [-] for the air fuel mixture/współczynniknadmiaru powietrza [-] dla mieszanki paliwowo-powietrznejaverage airflow velocity in the channel [m/s]/średnia prędkośćprzepływu powietrza w kanale [m/s]a the distance of the velocity measuring point from the edge ofthe inner duct [mm]/odległość punktu pomiarowego prędkościod krawędzi wewnętrznej kanału [mm]v velocity at the measuring point [m/s]/prędkość w punkciepomiaru [m/s]Piotr Piątkowski, DEng. – doctor in the Faculty ofMechanical Engineering at Koszalin Universityof Technology.Dr inż. Piotr Piątkowski – adiunkt na WydzialeMechanicznym Politechniki Koszalińskiej.e-mail: piotr.piatkowski@tu.koszalin.plzawirowania ładunku do przestrzeni roboczej silnika. Wpłynieto dodatnio na efekt tworzenia homogenicznej mieszaninypalnej.Na rysunku 9 przedstawiono schemat złożenia profiliprędkości w płaszczyźnie prostopadłej i równoległej dlaodkształcenia elementu podatnego wynoszącego 24 o . Nazłożeniu profilogramów prędkości ujawniono przesuniecieminimum prędkości od podłużnej osi symetrii kanału. Jestto efekt nieosiowego odkształcenia elementu podatnego, coautor uwzględni, zmieniając konstrukcję elementu podatnegolub materiał, z jakiego został wykonany.4. WnioskiNa podstawie przeprowadzonego eksperymentu możnasformułować następujące wnioski:1. Wprowadzenie elementu podatnego geometrycznie wzaproponowanej postaci nieznacznie wpływa na wzrostoporów powietrza (do 5 Pa).2. Prędkość przepływu powietrza oraz kąt odkształceniaelementu podatnego ma znaczący wpływ na uzyskaniezmiany profilu prędkości.3. Zmiana profilu prędkości w przekroju pozwoli uniknąćpowstawania turbulencji od grzybka zaworu.4. Proces tworzenia wiru osiowego typu “swirl” podczas dopływupowietrza do komory spalania pozwoli uzyskać lepszewarunki do tworzenia mieszanek homogenicznych.Bibliography/Literatura[1] Algifri A.H., Bhardwaj R.K., Rao Y.V.N.: Heat transfer inturbulent decaying swirl flow in a circular pipe. Int J HeatMass Transfer 1988, 31(8) pp. 1563-8.[2] Alkidas A.C.: Combustion advancements in gasoline engines,Energy Conversion&Management, 48/2007, pp. 2751-61.[3] Friedl H., Kapus P.: Kierunki rozwoju silników ZI, SilnikiSpalinowe 2/2002.[4] Fuerhapter A., Piock W.F., Fraidl G.K.: CSI – controlled autoignition – The best solution for the fuel consumption – versusemission tradeoff? SAE Paper NO. 2003-01-0754; 2003.[5] Goto Y., Narusawa K.: Combustion stabilization of spark ignitionnatural gas engine, JSAE Review 17 (1996) pp. 251-8.[6] Loosley D.J.: Heat transfer from a centrally located source ina vortex flow, MSThesis, AFIT, WPAFB, 1961.[7] Mc Kelvey R.: Heat transfer from a heated cylinder in vortextype flow, MSThesis, AFIT, WPAFB, 1960.[8] Piątkowski P.: Wpływ parametrów zasilania w układach dwupaliwowychna efektywność energetyczną tłokowego silnikaspalinowego, rozprawa doktorska, Koszalin 2007.[9] Piątkowski P., Lewkowicz R.: Wpływ kinematyki ładunku napływającegodo komory spalania na efektywność procesu spalaniaw silnikach tłokowych, Motrol nr 12/2010, s. 115-121.[10] Yilmaz M., Comakli O., Yapici S.: Enhancement of heattransfer by turbulent decaying swirl flow. Energy ConversionManage 1999;40:1365-76[11] Zhang D., Hill P.G.: Effect of swirl on combustion in a shortcylindrical chamber, Combustion and Flame 106/1996,p. 318-332.[12] http://australian-clean-energy-facts.com.88 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

The time of the first transition of the semi-Markov process...Jacek RUDNICKIPTNSS-2011-SS2-210The time of the first transition of the semi-Markov processin the evaluation of diesel engine operationThe paper presents the extension of the method discussed in the literature of quantitative evaluation of operation on theexample of a marine engine. According to this interpretation, the engine operation can be shown as a physical quantity.In this aspect, based on the main marine diesel engine an evaluation of the usefulness of this index for the descriptionof the engine reliability related properties has been performed.Apart from the generally used reliability indexes, it seems purposeful to consider the engine operation (as well as itsfunctional subsystems) in the evaluative way, so that it could be described by both energy and time.In this aspect, in the analysis the semi-Markov processes theory was used that allowed a description of the conceptof the model of the engine deterioration process as a random one. The problem of the time of the first transition of thesemi-Markov process to a subset of specified classes of states representing particular technical and reliability-relatedstates of engine was described in detail.Key words: operation, diesel engine, semi-Markov processCzas pierwszego przejścia procesu semi-Markowaw ocenie działania silnika z zapłonem samoczynnymW artykule przedstawiono rozwinięcie prezentowanej w literaturze metody ilościowej oceny działania na przykładzieokrętowego silnika głównego z zapłonem samoczynnym. Według tej interpretacji działanie silnika może być przedstawionejako wielkość fizyczna. W tym aspekcie, na przykładzie okrętowego silnika napędu głównego dokonano ocenyprzydatności tej wielkości do opisu właściwości niezawodnościowych silnika.Oprócz powszechnie stosowanych wskaźników niezawodnościowych sensowne wydaje się rozpatrywanie działaniasilnika (jego podsystemów funkcjonalnych) w takim ujęciu wartościującym, aby mogło ono być określone jednocześnieprzez energię i czas.W tym aspekcie w przeprowadzonej analizie wykorzystano teorię procesów semi-markowskich, która umożliwiłaopracowanie propozycji modelu przebiegu pogarszania działania silnika, jako procesu losowego. Szczegółowo opisanoproblem czasu pierwszego przejścia procesu semi-Markowa do podzbioru wyodrębnionych klas stanów reprezentującychokreślone stany techniczne i niezawodnościowe silnika.Słowa kluczowe: działanie, silnik z zapłonem samoczynnym, proces semi-Markowa1. IntroductionObjectivity and rationality when making a decision assumedas optimum under given conditions forces a quantitativeapproach towards that issue thus it forces a search forsuch mathematical models and their parameters (indexes)that can be deemed as most adequate under a given decisionmakingsituation.In practice, the forecasts related to the realized tasks arebased on a widely understood term of reliability of the operatedobject or system. When considering the term of reliabilityof energy-related devices (marine piston engines) we needto draw our attention to the fact that from the point of viewof the end user the most vital issue is the quality performanceof a given task (in an extreme case non-performance of thetask). Hence, the term of reliability is tightly associated witha clear determination of this task.A precise determination of the task, apart from theassumption of the conditions under which it is to be performed,requires an assumption of its duration. This taskis particularly vital in such field as sea transport where thespecificity of the tasks is usually related to the necessity of1. WprowadzenieObiektywność i racjonalność podczas wyboru decyzjiuznanej za optymalną w danych warunkach wymusza wartościujące(ilościowe) podejście do tego zagadnienia, a tymsamym poszukiwanie takich modeli matematycznych i ichparametrów (wskaźników), które w danej sytuacji decyzyjnejmogą być uznane za najbardziej adekwatne.W praktyce prognozy dotyczące realizowanych zadańnajczęściej bazują na szeroko rozumianym określeniuniezawodności eksploatowanego obiektu czy systemu.Rozpatrując z kolei pojęcie niezawodności urządzeń energetycznych(np. okrętowych tłokowych silników spalinowych),należy zwrócić uwagę na to, iż z punktu widzeniaużytkownika najistotniejszym zagadnieniem jest jakośćwykonania określonego zadania (w skrajnym przypadkuniewykonanie zadania). Tym samym pojęcie niezawodnościnierozerwalnie skojarzone jest z jednoznacznym określeniemtego zadania.Z kolei precyzyjne określenie zadania wymaga, opróczzałożenia warunków, w których będzie wykonywane,sprecyzowania również jego czasu trwania. ZagadnienieCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)89

Czas pierwszego przejścia procesu semi-Markowa...a long life functioning of the basic mechanisms and devices(a vessel).That is why particularly important becomes not only thevalue of energy that is at our disposal when using the devicebut also the time in which it will be supplied.Further considerations are limited to an individual exampleof the main marine engine.Apart from generally applied reliability indexes it seemspurposeful to consider the engine operation (its functionalsubsystems) in such an evaluative approach for it to be determinedby energy and time simultaneously.Action (D) in time range [0, t] can in this case be interpretedas a physical quantity determined by the product ofthe energy variable in time E = f(t) and time, which couldgenerally be expressed by the following dependence [1]:In the general considerations the introduction of theterms of:– Required action – D W, one that is necessary for the realizationof the task (transport task for example-carrying cargoby sea in a given time – which is maintaining a givenaverage speed hence the power output of the main marineengine(s)),– Possible action – D M, one that can be realized if the engineis in a given technical condition or works under specifiedconditions of operation,We obtain a criterion of evaluation of the level of usabilityaccording to the rules set forth in detail in [4] through averification of relation (1):(1)D M≥ D W(2)As the time elapses in the engine life cycle due to thedeterioration processes the engine overall efficiency, definedas:where: g e– unit fuel consumption, w d– fuel calorific value,is reduced, which obviously results in changes of the previouslydefined value of the possible action – D M.In the case of the main marine engine due to a considerationof the high sea margin on the design stage and operatingpower reserve for an engine operated at part loads, theprocess of engine available power decrease (possible actionD M) will proceed in two stages:– In the first stage only the increase on the hourly fuel consumptionwill take place (at a relatively steady value ofthe torque), hence the costs of operation will grow,– In the second stage due to design limitations and impossibilityof increasing of the fuel dose a reduction of theusable power will occur.The described phenomena are caused by the adjustiveaction of the fuel system, that in a given range of values willincrease the instantaneous fuel dose – g pi%(g pi%– fuel doesfor i % of the engine load in a state of full operativeness;(3)to jest szczególnie istotne w takich dziedzinach, jak np.transport morski, gdzie specyfika zadań z reguły związanajest z koniecznością długotrwałego funkcjonowaniazasadniczych mechanizmów i urządzeń (np. statku). Tymsamym szczególnie istotne staje się nie tylko to, jaka jestwartość energii, którą można dysponować użytkując daneurządzenie energetyczne, lecz także czas, w którym możebyć ona dostarczona.Dalsze rozważania ograniczone są do konkretnego przykładuokrętowego silnika napędu głównego.Oprócz powszechnie stosowanych wskaźników niezawodnościowychistotne wydaje się rozpatrywanie działaniasilnika (jego podsystemów funkcjonalnych) w takim ujęciuwartościującym, aby mogło ono być określone jednocześnieprzez energię i czas.Działanie (D) w przedziale czasu [0, t] może w tym przypadkubyć interpretowane jako wielkość fizyczna określonailoczynem energii zmiennej w czasie E = f(t) i czasu, comożna ogólnie wyrazić zależnością (1) [1].Wprowadzając w ogólnych rozważaniach pojęcia:– działania wymaganego – D W, a więc takiego, które jestniezbędne do realizacji zadania (np. zadania transportowego,czyli przewozu ładunku drogą morską w określonymczasie – co jest jednoznaczne z utrzymaniem określonejśredniej prędkości statku, a więc i mocy rozwijanej przezsilnik(i) napędu głównego),– działania możliwego – D M, a więc takiego, któresilnik, będący w określonym stanie technicznym i wokreślonych warunkach funkcjonowania, może zrealizować,uzyskuje się w wyniku sprawdzenia relacji (1) – równanie(2) kryterium oceny stopnia zdatności, według zasadszczegółowo przedstawionych w pracy [4].Wraz z upływem czasu podczas funkcjonowaniasilnika wskutek przede wszystkim degradacyjnego oddziaływaniaprocesów zużycia jego sprawność ogólna,zdefiniowana np. w postaci równania (3), gdzie: g e– jednostkowezużycie paliwa, w d– wartość opałowa dolnapaliwa, zmniejsza się, co powoduje oczywiście zmianyw odniesieniu do wartości zdefiniowanego uprzedniodziałania możliwego D M.Dla napędu głównego silnika okrętowego, z powoduuwzględnienia w czasie projektowania znacznego tzw.marginesu morskiego oraz zapasu mocy eksploatacyjnejdla silnika użytkowanego na obciążeniach częściowych,proces zmniejszania mocy dysponowanej (a więc idziałania możliwego D M) przebiegać będzie w dwóchetapach:– w pierwszym następować będzie wyłącznie wzrost godzinowegozużycia paliwa (przy względnie stałej wartościrozwijanego momentu obrotowego), a tym samym wzrosnąkoszty użytkowania,– w drugim na skutek ograniczeń konstrukcyjnych i brakumożliwości zwiększenia dawki paliwa pojawi się ograniczeniew wartości mocy użytecznej rozwijanej przezsilnik.90 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

The time of the first transition of the semi-Markov process...assuming that the maximum admissible engine load is 110%of the nominal load – i ≤ 110) until the engine reaches themaximum value – G pmax. Each further reduction of the valueof the overall engine efficiency will results in a drop of theengine power output.2. The application of the theory of semi-Markovprocesses for the evaluation of engine operationKeeping the above presented phenomena in mind andassuming the trueness of the following hypothesis that:„the process of engine deterioration (understood asa random function, whose argument is time and the variablesare random variables that at the same time denotetheir technical and energy related conditions) is a processwhose state analyzed at any given moment t n(n = 0, 1, ..., m;t 0< t 1< ... < t m) depends on the state that directly precedesit and does not stochastically depend on the previous statesand their durations”it becomes possible to develop a mathematical models usedin the evaluative description of the engine operation withthe use of the semi-Markov processes [3].The example of the {W(t): t T} process realizationhas been presented in Fig. 1.The graph of engine states – the transitions of the discussedprocess {W (t): t T} including the above describedphenomena of fuel dose and power output changes can bepresented as follows:Hence, function matrix Q ij(t) of the process under discussionhas the following form (as results from Fig. 2):The elements of this matrix depend on the distribution ofthe random variables that are the durations of the processesin the distinguished states as follows:(4)Opisane zjawiska spowodowane są regulacyjnym oddziaływaniemaparatury paliwowej, która w określonymprzedziale wartości będzie zwiększać chwilową dawkępaliwa – g pi%(g pi%– dawka paliwa dla i% obciążenia silnikaw stanie sprawności technicznej; zakładając np., żemaksymalne dopuszczalne obciążenie silnika wynosi 110%obciążenia nominalnego – i ≤ 110) aż do momentu osiągnięciajej maksymalnej wartości – G pmax. Każde następnezmniejszenie wartości sprawności ogólnej silnika spowodujerejestrowalny spadek mocy silnika.2. Zastosowanie teorii procesówsemi-markowskich w ocenie działaniaMając na uwadze przedstawione wyżej zjawiska orazprzyjmując, za prawdziwą następującą hipotezę: „procesdegradacji stanu technicznego silnika (rozumiany jakofunkcja losowa, której argumentem jest czas, a wartościamizmienne losowe, oznaczające istniejące równocześnie stanytechniczne i energetyczne silnika) jest procesem, którego stanrozpatrywany w dowolnej chwili t n(n = 0, 1, ..., m; t 0< t 1

Czas pierwszego przejścia procesu semi-Markowa...p 1= P{W (0) = s 1} = 1,p i= P{W (0) = s i} = 0 (7)for i = 2, 3, 4, …, kAs much as the determination of the presented conditionsis fully determined by the semi-Markov processes at the sametime determining all its necessary characteristics (includingthe first transition) the applicable value of so defined processis rather limited.This limitation resultsfrom the fact that it is difficultto verify the modeland these difficulties areconnected with the necessityto determine the parametersof the distribution functionsof random variables T ijthatdescribe the duration of states iunder the condition thatthe process passes to states jand that the estimationsof probabilities p ijpresentedin (5). These actions requirean application of advanceddiagnostic systems in theinvestigations that enablean identification of each ofthe possible s istates, whichin practice can turn out to bevery difficult or impossibleto realize.Hence, in order to boostthe usability-related advantagesof the presented modelit seems necessary to simplifyit so as to enable averification using standard control-measurement systems thatare usually fitted in the majority of marine engines. Such averification will be possible provided there is a reduction ofthe set of possible process states to selected subsets of theclasses of states significant in terms of engine operation andthose possible to identify with the said systems.3. The reduction of the number of elementsof the set of classes of statesWhen considering the engine operation in the quantitativeaspect from the practical point of view four sets of classesof states of the process presented in the previous point willbe significant:– Class of states s’ 1– the engine in good technical conditionsand in the state of full operativeness, there are nolimitations related to it and the efficiency indicators reachthe values assumed by the manufacturer,– Class of states s’ 2– the engine is not fully operative andis not ready for task completion, there are no limitationsas to its parameters for loads not higher than the nominalloads and the efficiency indicators (unit fuel consumption)buanta zmiennej losowej T ijstanowiącej czas trwania stanus ipod warunkiem przejścia procesu do stanu s j.Rozkład początkowy procesu w postaci równania (6)przyjmowany może być w zależności od konkretnej sytuacjizadaniowej, i tak np. w przypadku rozpatrywania silnika wstanie sprawności technicznej i pełnej zdatności zadaniowej,przyjmuje postać równania (7).Fig. 2. Graph of states – transitions of {W(t): t T} process. s a– state of engine in which increase of unit fuelconsumption emerges without noticeable increase of N evalue, a = 2, 3 …, i-1, s b– state of engine in which dueto structural restrictions and lack of possibility to increase fuel dose, limitation in useful power developed byengine will appear, b = i, i+1, …, k-1, s k– state of engine in which due to degradation of structure, it's not usedany more (no engine functioning – no operation)Rys. 2. Graf stanów – przejść procesu {W(t): t T}, s a– stan silnika, w którym następuje wzrost jednostkowegozużycia paliwa bez obserwowalnego zmniejszenia wartości N e, a = 2, 3 …, i-1; s b– stan silnika, w którym naskutek ograniczeń konstrukcyjnych i braku możliwości zwiększenia dawki paliwa pojawi się ograniczenie w wartościmocy użytecznej rozwijanej przez silnik, b = i, i+1, …, k-1; s k– stan silnika, w którym na skutek degradacjistruktury przestaje być użytkowany (brak funkcjonowania silnika – brak działania)Jakkolwiek ustalenie przedstawionych warunkówokreśla całkowicie rozpatrywany proces semi-Markowa,umożliwiając tym samym wyznaczenie wszystkichniezbędnych jego charakterystyk (w tym również czaspierwszego przejścia), aplikacyjna wartość tak zdefiniowanegoprocesu jest dość ograniczona. Ograniczenie towynika przede wszystkim z trudności weryfikacji modeluwiążących się z koniecznością wyznaczenia wartościparametrów dystrybuant zmiennych losowych T ij, opisującychczas trwania stanu s ipod warunkiem przejściaprocesu do stanu s joraz oszacowań przedstawionych wzależności (5) prawdopodobieństw p ij. Czynności te wymagająm.in. zastosowania w badaniach eksploatacyjnychzaawansowanych systemów diagnozujących, umożliwiającychidentyfikację każdego z możliwych stanów s i, cow praktyce może okazać się bardzo trudne do realizacjilub wręcz niemożliwe.W związku z powyższym, aby zwiększyć walory utylitarneprzedstawionego modelu, wydaje się konieczne takiejego uproszczenie, które umożliwi weryfikację z zastosowaniemstandardowych systemów kontrolno-pomiarowych,92 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

The time of the first transition of the semi-Markov process...reach values that are different than those assumed by themanufacturer,– Class of states s’ 3– the engine is not fully operative andis not ready for task completion, there are limitations asto its parameters for nominal and higher loads and theefficiency indicators (unit fuel consumption) reach valuesthat are substantially different than those assumed by themanufacturer,– Class of states s’ 4– the engine is not fully operative and isnot ready for task completion, the limitations of its parametersfor a wide spectrum of loads makes it impossible touse the engine for purposes for which it was designed.Thus, we can define a new semi-Markov process {W’(t):t T}, whose graph of states – transitions will be as followsin Fig. 3.Function matrix Q’ ij(t) of the analyzed process has thefollowing form (as results from the graph):Eventually, the determination of the initial distributionof the process {W’(t): t T} (for example in the case ofanalysis of a fully operative engine) as:p 1= P{W (0) = s’ 1} = 1,p i= P{W (0) = s’ i} = 0 dla i = 2, 3, 4determines the whole analyzed process enabling the determinationof its characteristics including one of the moreimportant characteristic from the practical point of view– thedistribution of time of the first transition of process {W’(t):t T} to the distinguished subset of states. In the discussedsituation the time when the process first reaches the givensubsets of classes of states can be analyzed in three alternativevariants that, if process {W’(t): t T} is recognized as areliability model, can be deemed as states of inoperativenessin the reliability sense:a) Transition from the class of states s’1 to the subset ofstates {s’ 2, s’ 2, s’ 4},b) Transition from the subset of the classes of states {s’ 1,s’ 2} to the subset of the classes of states {s’ 3, s’ 4},c) Transition from the subset of the classes of states {s’ 1, s’ 2,s’ 3} to the class of states {s’ 4}.Each of the above-presented variants represents a differentdecision-related situation where more or less restrictivelimitations of the task realizations are considered asfollows:– In the situation presented in a) – the conditions of the taskrealization by the engine are formulated as the highest limitationsbecause the subset of the classes of states deemed asstates of inoperativeness contains all the classes but s’ 1,– In the situation presented in b) – the conditions of the taskrealization by the engine are formulated taking into accountCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)(8)(9)będących na wyposażeniu większości siłowni okrętowych.Weryfikacja taka będzie możliwa pod warunkiem redukcjizbioru możliwych stanów procesu do wytypowanych podzbiorówklas stanów istotnych w aspekcie działania silnikaoraz możliwych do identyfikacji z użyciem wymienionychsystemów.3. Redukcja liczby elementów zbioru klas stanówPrzy rozpatrywaniu działania silnika w ujęciu ilościowymz praktycznego punktu widzenia znaczenie będą miećcztery podzbiory klas stanów procesu przedstawionego wpoprzednim rozdz., a mianowicie:– klasa stanów s’ 1– silnik znajduje się w stanie sprawnościtechnicznej i pełnej zdatności zadaniowej, nie występujążadne ograniczenia dotyczące jego parametrów użytkowych,a wskaźniki efektywności osiągają wartości założoneprzez producenta,– klasa stanów s’ 2– silnik znajduje się w stanie niesprawnościtechnicznej i niepełnej zdatności zadaniowej, niewystępują żadne ograniczenia dotyczące jego parametrówużytkowych dla obciążeń nie większych niż obciążenianominalne, a wskaźniki efektywności (np. jednostkowezużycie paliwa) osiągają wartości odbiegające od założonychprzez producenta,– klasa stanów s’ 3– silnik znajduje się w stanie niesprawnościtechnicznej i niepełnej zdatności zadaniowej, pojawiająsię ograniczenia dotyczące jego parametrów użytkowychdla obciążeń zbliżonych do nominalnych i większych, awskaźniki efektywności (np. jednostkowe zużycie paliwa)osiągają wartości znacznie odbiegające od założonychprzez producenta,– klasa stanów s’ 4– silnik znajduje się w stanie niesprawnościtechnicznej i niezdatności zadaniowej, ograniczeniadotyczące jego parametrów użytkowych dla szerokiegospektrum obciążeń uniemożliwiają zastosowanie silnikazgodnie z jego przeznaczeniem.Można tym samym zdefiniować nowy proces semimarkowski{W’(t): t T}, którego graf stanów – przejśćprzedstawiono na rys. 3.Macierz funkcyjna Q’ ij(t) rozpatrywanego procesu ma(jak wynika z grafu) postać równania (8).Ostatecznie określenie rozkładu początkowego procesu{W’(t): t T} np. w przypadku rozpatrywania silnika wstanie sprawności technicznej i pełnej zdatności zadaniowejjako (9)Fig. 3. States – transitions graph of {W’(t): tT} processRys. 3. Graf stanów przejść procesu {W’(t): t T}93

Czas pierwszego przejścia procesu semi-Markowa...the usability limitations i.e. the subset of classes of statesdeemed as inoperative contains the classes of states s’ 3and s’ 4,– In the situation presented in c) – the conditions of the taskrealization by the engine are formulated in the most tolerantway, irrespective of the usability limitations (also the time ofthe task realization) and the costs of its performance relatedto the increased fuel consumption (the subset of the classesof states deemed as inoperative contains only class s’ 4).4. The time of the first transition of the process tothe subset of the classes of statesThe probability of engine being placed in a given classof states can be determined based on the distribution and parametersof the time of the first transition of process {W’(t):t T} to a distinguished subset of states.Based on [2] if N S – denotes the set of states deemedas the states of inoperativeness and N` = S – A – the set ofstates of its operativeness then the Laplace transform of theprobability density of random variable Ξ iN– denoting timethat elapses from the moment of the assumption by process{W’(t): t ≥ 0} of the value i N` until a moment when theprocess assumes any value from the subset of states N willbe the solution of the equation:where:(10)(11)(12)This probability should be determined in the first placein two situations from the practical point of view:1. If the subset of the classes of states of inoperativeness Nis determined as follows:N = {s’ 3, s’ 4}.In this situation the time of the task realization is importanthence the user does not allow any potential limitations ofthe usability-related properties at the same time acceptingthe possible higher costs of the task realization.2. If the subset of the classes of states N is determined asfollows:N = {s’ 4}.in this situation the task realization is important and thetime of its completion and costs are of secondary importance(a scenario possible to accept in a situation when thesafety of the vessel is compromised).If the subset of the classes of states of inoperativeness Nis determined in this way:thus:N = {s’ 3, s’ 4},określa całkowicie rozpatrywany proces, umożliwiająctym samym wyznaczenie jego charakterystyk, w tymrównież jedną z ważniejszych z praktycznego punktuwidzenia – rozkład czasu I przejścia procesu {W’(t): tT} do wyróżnionego podzbioru stanów. W omawianejsytuacji czas pierwszego osiągnięcia przez proces określonychpodzbiorów klas stanów można rozpatrywać wtrzech alternatywnych wariantach, które w razie uznaniaprocesu {W’(t): t T} za model niezawodnościowymogą być uznane za stany niezdatności w sensie niezawodnościowym:a) przejście z klasy stanów s’ 1do podzbioru stanów {s’ 2, s’ 2,s’ 4},b) przejście z podzbioru klas stanów {s’ 1, s’ 2} do podzbioruklas stanów {s’ 3, s’ 4},c) przejście z podzbioru klas stanów {s’ 1, s’ 2, s’ 3} do klasystanów {s’ 4}.Każdy z przedstawionych wyżej wariantów reprezentujeodmienną sytuację decyzyjną, w której brane są pod uwagęmniej lub bardziej restrykcyjne ograniczenia warunkówrealizacji zadania:– w sytuacji przedstawionej w pkt. a) – warunki realizacji zadaniaprzez silnik sformułowane są w sposób największychograniczeń, ponieważ podzbiór klas stanów uznanych zastany niezdatności zawiera wszystkie klasy z wyjątkiemklasy s’ 1,– w sytuacji przedstawionej w pkt. b) – warunki realizacjizadania przez silnik sformułowane są z uwzględnieniemwyłącznie ograniczeń użytkowych, tzn. podzbiór klasstanów uznanych za stany niezdatności zawiera klasystanów s’ 3oraz s’ 4,– w sytuacji przedstawionej w pkt. c) – warunki realizacjizadania przez silnik sformułowane są w sposób najbardziejtolerancyjny, bez względu na ograniczenia użytkowe (czylirównież czas realizacji zadania) oraz podwyższone kosztyjego wykonania związane ze zwiększonym zużyciem paliwa(podzbiór klas stanów uznanych za stany niezdatnościzawiera tylko klasę s’ 4).4. Czas I przejścia procesu do podzbioru klasstanówPrawdopodobieństwo przebywania silnika w określonejklasie stanów można wyznaczyć, opierając się na rozkładziei parametrach czasu pierwszego przejścia rozpatrywanegoprocesu {W’(t): t T} do wyodrębnionego podzbiorustanów.Na podstawie [2], jeżeli N S oznacza zbiór stanówuznanych za stany niezdatności, zaś N` = S – A – zbiórstanów jego zdatności, to transformata Laplace’a gęstościprawdopodobieństwa zmiennej losowej Ξ iN– oznaczającejczas, który upływa od chwili przyjęcia przez proces {W’(t):t ≥ 0} wartości i N` do chwili, w której proces przyjmiejakąkolwiek wartość z podzbioru stanów N, będzie rozwiązaniemrównania (10), gdzie poszczególne wielkości oznaczonowzorami (11) i (12).Prawdopodobieństwo to wydaje się celowym, z praktycznegopunktu widzenia, do wyznaczenia w pierwszej94 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

The time of the first transition of the semi-Markov process...N’ = {s’ 1, s’ 2},relations (11) and (12) are as follows:• (13)• (14)• (15)where: – Laplace transform of the derivative of theelements of function matrix of process Q’ ij(t), – Laplacetransform of the probability density of random variableΞ 13-4denoting time that elapses from the assumption by process{W’(t): t ≥ 0} of state s’ 1until the process assumes a stateof s’ 3or s’ 4, – Laplace transform of the probabilitydensity of random variable Ξ 23-4denoting time that elapsesfrom the assumption by process {W’(t): t ≥ 0} of state s’ 2,until the process assumes a state of s’ 3or s’ 4.Equation (10) in this case will take a form:(16)Having performed the calculations and carried out theLaplace inverse translation, the distribution function ofrandom variables Ξ 13-4and Ξ 23-4:, (17), (18)allow determining of the functions R 13-4(t) and R 23-4(t):(19)(20)that enable the determination of the discussed probabilitiesof transition of the engine state to s’ 3s’ 4depending on itscurrent assumed state.If the subset of the classes of states of inoperativeness Nis determined as follows:N = {s’ 4},thus:N’ = {s’ 1, s’ 2, s’ 3},The relations (11) and (12) take the following form:• (21)kolejności w dwóch sytuacjach:1. Jeżeli podzbiór klas stanów niezdatności N określony jest:N = {s’ 3, s’ 4}.W sytuacji tej istotny jest czas realizacji zadania, w związkuz czym użytkownik nie dopuszcza potencjalnych ograniczeńwłaściwości użytkowych silnika z jednoczesną akceptacjąewentualnie wyższych kosztów jego wykonania.2. Jeżeli podzbiór klas stanów niezdatności N określony jest:N = {s’ 4}.W sytuacji tej istotne jest przede wszystkim wykonaniezadania, przy czym czas jego realizacji oraz kosztyodgrywają rolę drugorzędną (scenariusz możliwy do zaakceptowanianp. w sytuacji zagrożenia bezpieczeństwastatku).Jeżeli podzbiór klas stanów niezdatności N określonyjest: N = {s’ 3, s’ 4}, a tym samym: N’ = {s’ 1, s’ 2}, zależności(11) oraz (12) przedstawiają się w postaci (13)–(15),gdzie: – transformata Laplace’a pochodnej elementówmacierzy funkcyjnej procesu Q’ ij(t), – transformataLaplace’a gęstości prawdopodobieństwa zmiennejlosowej Ξ 13-4oznaczającej czas, który upływa od chwiliprzyjęcia przez proces {W’(t): t ≥ 0} stanu s’ 1, do chwili,w której proces przyjmie stan s’ 3lub s’ 4, – transformataLaplace’a gęstości prawdopodobieństwa zmiennejlosowej Ξ 23-4oznaczającej czas, który upływa od chwiliprzyjęcia przez proces {W’(t): t ≥ 0} stanu s’ 2, do chwili, wktórej proces przyjmie stan s’ 3lub s’ 4.Równanie (10) przyjmie wtedy postać równania (16).Po wykonaniu stosownych obliczeń oraz dokonaniu odwrotnegoprzekształcenia Laplace’a dystrybuanty zmiennychlosowych Ξ 13-4oraz Ξ 23-4przedstawione w postaci (17) i (18)pozwalają określić funkcje R 13-4(t) oraz R 23-4(t) w postacirównań (19) i (20), które pozwalają określić rozpatrywaneprawdopodobieństwa przejścia silnika do stanu s’ 3s’ 4wzależności od zakładanego jego stanu aktualnego.Jeżeli podzbiór klas stanów niezdatności N określonyjest: N = {s’ 4}, a tym samym: N’ = {s’ 1, s’ 2, s’ 3}, zależności(11) oraz (12) przedstawiają się następująco – równania(21)–(23), gdzie: – transformata Laplace’a pochodnejelementów macierzy funkcyjnej procesu Q’ ij(t),– transformata Laplace’a gęstości prawdopodobieństwazmiennej losowej Ξ 14oznaczającej czas, który upływa odchwili przyjęcia przez proces {W’(t): t ≥ 0} stanu s’ 1, dochwili, w której proces przyjmie stan s’ 4, – transformataLaplace’a gęstości prawdopodobieństwa zmiennejlosowej Ξ 24oznaczającej czas, który upływa od chwiliprzyjęcia przez proces {W’(t): t ≥ 0} stanu s’ 2, do chwili,w której proces przyjmie stan s’ 4, – transformataLaplace’a gęstości prawdopodobieństwa zmiennej losowejΞ 34oznaczającej czas, który upływa od chwili przyjęcia przezproces {W’(t): t ≥ 0} stanu s’ 3, do chwili, w której procesprzyjmie stan s’ 4.Równanie (10) przyjmie w tym przypadku postać równania(24).Po wykonaniu stosownych obliczeń oraz dokonaniu odwrotnegoprzekształcenia Laplace’a dystrybuanty zmiennychlosowych Ξ 14, Ξ 24oraz Ξ 34mają postać równań (25)–(27),COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)95

Czas pierwszego przejścia procesu semi-Markowa...• (22)• (23)where: – Laplace transform of the derivative of theelements of the function matrix of process Q’ ij(t),– Laplace transform of the probability density of randomvariable Ξ 14denoting time that elapses from the momentprocess {W’(t): t ≥ 0} assumes state s’ 1until the momentthe process assumes state s’ 4, – Laplace transformof the probability density of random variable Ξ 24denotingtime that elapses from the assumption by process {W’(t):t ≥ 0} of state s’ 2, until the process assumes a state of s’ 4,– Laplace transform of the probability density ofrandom variable Ξ 34denoting time that elapses from theassumption by process {W’(t): t ≥ 0} of state s’ 3, until theprocess assumes a state of s’ 4.Equation (10) in this case takes a form of:(24)Having performed the calculations and carried out theLaplace inverse translation, the distribution function of therandom variables Ξ 14, Ξ 24and Ξ 34:, (25), (26), (27)allows determining of functions R 14(t), R 24(t) and R 34(t):, (28), (29), (30)that, in turn, allow determining of the analyzed probabilitiesof the engine transition to state s’ 4depending on the assumedcurrent engine state.As results from equations (16) and (24) the vital issuewhen determining of the functions of density of the discussedrandom variables is the knowledge of the analytical form ofthe elements of the function matrix of process Q’ ij(t).pozwalają określić funkcje R 14(t), R 24(t) oraz R 34(t) za pomocąrównań (28)–(30),które pozwalają określić rozpatrywane prawdopodobieństwaprzejścia silnika do stanu s’ 4w zależności od zakładanegojego stanu aktualnego.Jak wynika z równań (16) i (24) sprawą kluczową podczaswyznaczania poszukiwanych funkcji gęstości omawianychzmiennych losowych jest znajomość analitycznejpostaci elementów macierzy funkcyjnej procesu Q’ ij(t).Jej znalezienie umożliwia wykorzystanie zależności[3] (31), gdzie: p ij– prawdopodobieństwo przejścia zestanu s’ ido stanu s’ jwłożonego w proces semi-Markowa,łańcucha Markowa (i, j S), przy czym do oszacowaniaposzczególnych prawdopodobieństw p ijnajwygodniejprzyjąć (na podstawie wyników badań empirycznych)statystykę w postaci (32), gdzie: n ij– liczba przejść procesuze stanu s’ ido stanu s’ j(i, j S, i j), F ij(t) – dystrybuantazmiennej losowej T ijoznaczającej czas trwanias’ i– tego stanu procesu, pod warunkiem, że następnymstanem będzie stan s’ j-ty.5. Zastosowanie charakterystyk czasu I przejściaprocesu do podzbioru klas stanówPraktyczne wykorzystanie funkcji opisanych zależnościami(19)–(20) lub (28)–(30) przedstawione może być napodstawie przykładowej, hipotetycznej sytuacji decyzyjnej,w której użytkownik ze względu na istniejące ograniczeniazewnętrzne (armatorskie) za kryterium nadrzędne przyjmujeczas realizacji zadania, w związku z czym nie dopuszczapotencjalnych ograniczeń właściwości użytkowych silnika zjednoczesną akceptacją ewentualnie wyższych kosztów jegowykonania (zbiór stanów niezdatności N = {s’ 3, s’ 4}).Z formalnego punktu widzenia procedurę decyzyjnąwygodnie jest w tej sytuacji przedstawić w jednej z najczęściejspotykanych strukturalnych postaci: drzewa lub tablicydecyzyjnej. Obie techniki są w zasadzie równoważne, wzwiązku z czym dalsze rozważania prowadzone są na podstawietechniki drzew decyzyjnych.Przykładowe drzewo decyzyjne przedstawiono na rys. 4.Funkcją kryterium dla przedstawionego drzewa jestmaksymalizacja wartości oczekiwanej konsekwencjic(d j, s i), którą dla poszczególnych węzłów drzewa symbolizującychpodjęcie wybranej decyzji d jmożna określić [5]na podstawie równania (33).Zastosowanie przedstawionej na rys. 4 procedury decyzyjnej,oprócz określenia repertuaru możliwych do podjęciadecyzji, wymaga dysponowania wiedzą, umożliwiającą:specyfikację wyróżnionych stanów (klas stanów) procesu,oszacowanie konsekwencji – c(d j, s’ i) oraz wyznaczeniewartości prawdopodobieństw warunkowych – p(s’ i)/d j. Wtym zakresie przydatny staje się przedstawiony w niniejszymopracowaniu model.W sytuacji podjęcia decyzji d 1(realizacja zadania powykonaniu obsługi) można z dużym prawdopodobieństwemzałożyć, że rozkład początkowy procesu {W’(t): t ≥ 0}określony jest zależnością (9), a tym samym do wyznaczeniawartości prawdopodobieństw warunkowych p(s’ i/d 1) zasto-96 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

The time of the first transition of the semi-Markov process...Finding it allows using relation [3]:(31)where: p ij– probability of the engine transition from state s’ ito state s’ jput in the semi Markov process, Markov’s chain(i, j S) and for the evaluation of the individual probabilitiespij it is most convenient to assume (based on the empiricaltest results) the following statistics:(32)where: n ij– the number of transitions of the process from states’ ito state s’ j(i, j S, i j), F ij(t) – distribution functionof random variable T ijdenoting the duration of s’ i– of thisprocess state provided that the next one is s’ j.4. The application of the characteristicsof the time of the first transition of the processto the subset of classes of statesA practical use of the functions described with relations(19)–(20) or (28)–(30) can be presented based on the exampleof a hypothetical decisionmakingsituation in which theuser, due to the existing externallimitations (shipowner’s limitations)will see the time of thetask completion as the criterionof utmost importance, hence hewill not assume potential limitationsof the usability-relatedproperties at the same acceptingthe possible higher costs of theoperation (the set of states ofinoperativeness N = {s’ 3, s’ 4}).From the formal point of viewit is convenient to represent thedecision making procedure in oneof the most frequent structuralforms: a tree or decision table.Both techniques are equivalentin principle and that is whyfurther considerations are continuedbased on the techniquesof decision-making trees.In the presented case the decisionmaking tree is as shownin Fig. 4.The criterion function forthe presented tree is the maximizationof the value of the expected consequence c(d j, s i)that (for the individual nodes of the tree denoting the takendecision d j) can be described as follows [5]:(33)sować zależności opisujące rozkład chwilowy lub granicznyprocesu {W’(t): t ≥ 0} [3].W razie podjęcia decyzji d 2(realizacja zadania bezwykonania obsługi) rozkład początkowy procesu jest wzasadzie nieznany – wykluczając z oczywistych względówprzynależność do jednego ze stanów klas s’ 3lub s’ 4. Tym samymzamiast hipotetycznie zakładać możliwe warianty tegorozkładu (w celu zastosowania rozkładu chwilowego/granicznegoprocesu) bardziej odpowiednim postępowaniem –prowadzącym do wyznaczenia wartości prawdopodobieństwwarunkowych p(s’ i/d 1) – wydaje się zastosowanie rozkładuczasu I przejścia procesu, a więc do określenia wartościprawdopodobieństwa p(s’ 1)/d 2zastosować zależność (17) zaśwartości prawdopodobieństwa p(s’ 2)/d 2– zależność (18).6. PodsumowanieTeoria procesów semi-markowskich dostarcza wieluużytecznych metod i narzędzi przydatnych w badaniachobiektów technicznych. Procesy semi-markowskie jakomodele rzeczywistych procesów eksploatacji np. silnikówokrętowych wydają się przydatne również w aspekcie ilościowegoopisu działania, co wynika przede wszystkim ztego, że w przypadku rozpatrywania procesów o ciągłymFig. 4. Example of decision tree. p(s i)/d j– conditional probability of occurrence of the state s iin the case oftaking the decision d j,; c(d j, s i) – consequence of occurrence of the state si in the case of taking the decision d jRys. 4. Przykład drzewa decyzyjnego. p(s i)/d j– prawdopodobieństwo osiągnięcia stanu s ipod warunkiempodjęcia decyzji d j; c(d j, s i) – konsekwencje wystąpienia stanu s iw sytuacji podjęcia decyzji d jparametrze czasu i skończonym zbiorze stanów przedziałyprzebywania tych procesów w poszczególnych stanach sązmiennymi losowymi o dowolnych rozkładach.Prezentowana metoda wydaje się cennym uzupełnieniemstosowanych do tej pory sposobów opisu cech niezawodnościowychtak istotnego podsystemu siłowni (i statku), jakimjest układ napędowy. Jej podstawowa zaleta to powiązanieoceny energetycznej z czasem, w którym jest realizowaneCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)97

Czas pierwszego przejścia procesu semi-Markowa...The application of the decision-making procedure presentedin Fig. 4 apart from the determining of the range ofthe possible decisions requires knowledge that enables: thespecification of the distinguished states (classes of states)of the process, evaluation of the consequences – c(d j, s’ i) anddetermining of the values of conditional probabilities – p(s’ i)/d j.In this respect the here presented model seems useful.If decision d 1is taken (realization of the task after servicing)with a high level of probability we can assume that theinitial distribution of process {W’(t): t ≥ 0} is determinedwith relation (9) thus in order to determine the values of theconditional probabilities p(s’ i/d 1) we can use the relationsthat describe instantaneous or boundary distribution ofprocess{W’(t): t ≥ 0} [3].If decision d 2is taken (realization of the task withoutservicing) the initial distribution is virtually unknown – forobvious reasons excluding the affinity to one of the statesof classes s’ 3or s’ 4. Instead of hypothetically assuming thepossible variants of this distribution (in order to use the instantaneous/boundaryprocess) a more suitable action leadingto the determining of the value of the conditional probabilitiesp(s’ i/d 1) would be the use of the distribution of the timeof the process – for the determining of probability p(s’ 1)/d 2– the relation (17) and probability p(s’ 2)/d 2relation (18).4. ConclusionsThe theory of the semi-Markov processes provides avariety of useful methods in the testing of technical objects.The semi-Markov processes as models of real operationprocesses of marine engines for example also seem usefulin terms of qualitative description of the operation, whichresults from the fact that in the case of analysis of processesof a continuous parameter of time and a finite set of statesthe ranges of the processes being set in individual states arerandom variables of any given distributions.The here presented method seems a valuable supplementof the so far applied methods of description of the reliabilityrelated properties of such an important subsystem of thevessel propulsion (including the vessel) as the drivetrain.Its basic advantage is the connection of the energy evaluationwith time in which the task is realized (the time is veryimportant when realizing long lasting marine tasks).Using this method at any given moment t we can determinethe effective power (effective energy) that can be realizedby the whole drivetrain and determine the probabilityof occurrence of such a number of events that will causeadditional limitations while performing a task (through animpossibility of a free selection of the vessel speed) or willrender the task undoable. The value of this probability canthus be treated as the value of a reliability indicator and canbe used when taking operation related decisions.Its additional advantage is its universality in the sensethat it can be used for the analysis of any marine device orenergy subsystem including devices that are not machinessuch as heat exchangers.zadanie, który ma bardzo istotne znaczenie przy realizacjidługotrwałych z reguły morskich zadań transportowych.Korzystając z niej, można dla dowolnej chwili t określićpracę użyteczną (energię użyteczną), jaka może być wykonanaprzez cały układ napędowy oraz określić wartość prawdopodobieństwapojawienia się takiej liczby zdarzeń, którespowodują powstanie dodatkowych ograniczeń podczasrealizacji zadania (przez brak możliwości dowolnej realizacjiprędkości pływania) lub jego uniemożliwienie. Wartość tegoprawdopodobieństwa może w związku z tym być traktowanajako wartość wskaźnika niezawodnościowego i wykorzystanapodczas podejmowania decyzji eksploatacyjnych.Dodatkową jej zaletą jest uniwersalność, powodująca, iżmoże być zastosowana do analizy niezawodności każdegookrętowego urządzenia lub podsystemu energetycznego, wtym również dla urządzeń niebędących maszynami, jak np.wymienników ciepła.Paper reviewed/Artykuł recenzowanyBibliography/Literatura[1] Girtler J., Kuszmider S., Plewiński L.: Wybrane zagadnieniaeksploatacji statków morskich w aspekcie bezpieczeństważeglugi. WSM, Szczecin 2003.[2] Grabski F.: Czas pierwszego przejścia procesu semi-Markowado podzbioru stanów. Zeszyty Naukowe WSMW nr 3, Gdynia1981.[3] Grabski F.: Teoria semi-markowskich procesów eksploatacjiobiektów technicznych. Zeszyty Naukowe AMW, nr 75A,Gdynia 1982.[4] Rudnicki J.: Działanie systemu energetycznego w ujęciu wartościującymz uwzględnieniem jego struktury niezawodnościowejoraz stopnia zużycia potencjału użytkowego. Praca wykonanaw ramach projektu finansowanego przez MNiSW Nr N509 04531/3500. Projekt badawczy pt.: Kształtowanie bezpieczeństwadziałania systemów energetycznych środków transportowychna przykładzie systemów okrętowych. Gdańsk 2008.[5] Sadowski W.: Teoria podejmowania decyzji. Państwowe WydawnictwoEkonomiczne. Warszawa 1976.Jacek Rudnicki, DEng. – doctor in the Faculty ofOcean Engineering and Ship Technology at GdanskUniversity of Technology.Dr inż. Jacek Rudnicki – adiunkt na WydzialeOceanotechniki i Okrętownictwa PolitechnikiGdańskiej.e-mail: jacekrud@pg.gda.pl98 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Diagnostic tolerances evalution method of the start-up exhaust temperature...Zbigniew KORCZEWSKIPTNSS-2011-SS2-211Diagnostic tolerances evalution method of the start-up exhaust temperatureof a naval gas turbineThe conducted investigations aimed at developing of the method of marking diagnostic tolerances of the exhausttemperature of a gas turbine observed during engine start-up. The diagnostic tolerances were determined by means ofstatistical inference by creating the hypothesis about a normal distribution of the start-up exhaust temperature dispersionin the moment of initial operation, which was subsequently verified applying a non-parametric statistical test χ 2 ofthe compliance between the empirical and the assumed normal distribution. A satisfactory convergence of the compareddistributions was obtained as the result of a testing of the created hypothesis, which represented the basis for the acceptanceof the three-sigma boundaries of diagnostic tolerances for the considered engine control parameter.Key words: technical diagnostics, naval gas turbines, exhaust temperature, diagnostic tolerancesMetoda wyznaczania diagnostycznych tolerancji temperatury spalin wylotowych okrętowegoturbinowego silnika spalinowegoPrzeprowadzono badania, których istotą było opracowanie metody wyznaczania diagnostycznych tolerancji temperaturyspalin wylotowych okrętowego turbinowego silnika spalinowego, obserwowanej w procesie rozruchu. Tolerancjediagnostyczne wyznaczono metodą wnioskowania statystycznego, wysuwając hipotezę o normalnym rozkładzie rozrzuturozruchowej temperatury spalin w początkowej chwili eksploatacji, którą zweryfikowano, stosując nieparametryczny teststatystyczny χ 2 zgodności rozkładu empirycznego z założonym rozkładem normalnym. W wyniku testowania postawionejhipotezy uzyskano zadowalającą zbieżność porównywanych rozkładów, co stanowiło podstawę do przyjęcia trzysigmowychgranic tolerancji diagnostycznych rozpatrywanego parametru kontrolnego silnika.Słowa kluczowe: diagnostyka techniczna, okrętowe turbinowe silniki spalinowe, temperatura spalin, tolerancje diagnostyczne1. IntroductionA general evaluation of a marine gas turbine technicalcondition might be formulated on the basis of values ofbasic parameters in general characterizing the quality of itsperformance: the power, specific fuel consumption, rotationalspeed of the rotors, mass flow rate of the fuel as well as thethermodynamic medium flowing through the engine passages[1, 2, 3]. However, in the majority of serial engines, at naturalconditions of their operation inside the ship engine room,there is no direct possibility to evaluate the basic parameters(it is complicated or economically unjustified) that, on theother hand, do not deliver sufficiently detailed informationabout the course of physical processes carried out in thebasic functional modules of the engine (gas flow paths, kinematicsystem, fuel feed system, automatic control systemetc.) [4, 5]. Hence, within the operational diagnostics of gasturbine engines the set of auxiliary (control) parameters isevaluated. They indirectly reflect the basic parameters, additionallygiving the possibility of indication of the placeswhere the largest energy losses form as well as identificationand location of the well-known and recognizable failuresof components and constructional elements during currentoperation of the engine.Every control parameter differs from its computationalvalue, which results from productive differences (inaccuracyof technological process), influence of external factors(temperature, humidity, dust, vibration, sea wavy motionCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)1. WprowadzenieOgólną ocenę stanu technicznego okrętowego turbinowegosilnika spalinowego można sformułować na podstawiewartości podstawowych parametrów charakteryzujących, wsposób ogólny, jakość funkcjonowania silnika: moc, jednostkowezużycie paliwa, prędkości obrotowe zespołów wirnikowych,natężenie przepływu paliwa zasilającego i czynnikatermodynamicznego przepływającego przez silnik [1, 2, 3].Jednak w większości silników seryjnych, w warunkach icheksploatacji w siłowni okrętowej, nie ma, z jednej strony,bezpośredniej możliwości wyznaczenia wartości parametrówpodstawowych (jest to skomplikowane lub ekonomicznienieuzasadnione), choć z drugiej strony nie dostarczająone dostatecznie szczegółowych informacji o przebieguprocesów fizycznych realizowanych w podstawowychukładach funkcjonalnych silnika (część przepływowa, układkinematyczny, instalacja paliwowa, układ automatycznegosterowania itd.) [4, 5]. Z tego względu w diagnostyce eksploatacyjnejsilników turbinowych wyznacza się zbiór parametrówpomocniczych (kontrolnych), które w sposób pośredniodzwierciedlają parametry podstawowe, dając dodatkowomożliwość wskazania miejsc powstawania największychstrat energetycznych oraz identyfikacji i lokalizacji znanychi rozpoznawalnych uszkodzeń podzespołów i elementówkonstrukcyjnych w bieżącej eksploatacji silnika.Każdy parametr kontrolny różni się od swojej wartościobliczeniowej, co wynika z różnic produkcyjnych99

Metoda wyznaczania diagnostycznych tolerancji temperatury spalin wylotowych okrętowego...etc.) as well as dirt, aging and deterioration of constructionalelements (reversible and irreversible changes in the surfacelayer) [6]. Such influences have a random character (theyare random events), determining the random changes ofvalues of the structure parameters [1, 4]. Their impact on theengine technical condition causes changes of the parametervalues of the probability distribution of their occurrence –the expected value and average deviation (dispersion aroundthe averaged value for the engine set being operated). Thesmaller the changes of the expected value and the smallerthe average deviation of the control parameter, the larger theaccuracy of the engine performance and thus, its life spanand reliability.The functioning accuracy of a module or constructionalsystem and also the whole turbine engine is defined by theparameter tolerances that reflect the most desirable and admissiblecourse of the realized physical processes:– operation tolerances (maximally admissible) – definedby the manufacturer (the constructor) on the basis of investigationscarried out on prototype copies, specify themaximum range in which the values of control parameterscan be contained during the engine operation. At the sametime, the engine performance cannot be reduced below theadmissible values – undisturbed, reliable functioning andguaranteed technical durability, according to hourly andcalendar limits of usable potential have to be maintained.An excess value of any assigned control parameter beyondthe adjusted boundaries of operating tolerances indicatesan inadmissible disturbance of energy-related processesposing a risk of damage (e.g. an unstable work of thecompressor – surging phenomenon) [2, 4, 5, 8, 9];– diagnostic tolerances – these are evaluated by means ofstatistical inference of research results of the sufficientlynumerous set of new, correctly adjusted (regulated) engines(in full serviceable state) as well as the results ofoperating investigations of the same engines in successivestages of operation. The condition that the precisefunctioning according to the changes of the values of thebasic parameters is maintained has to be fulfilled. In sucha situation the values of the control parameters, approachingthe boundaries of the diagnostic tolerance indicate thesymptoms of slight changes of the technical condition,which is characteristic of the "imminent" unserviceablestate. Moreover, they reflect a dependence of the enginetechnical condition on the time of the engine operationaluse (changes of the expected value of the control parametersas well as their average deviations in different stagesof the engine operational use).The following conclusions could be drawn – the valuetolerances of the control parameters assigned for diagnosticpurposes ought to be considerably smaller than the operationtolerances.2. Method of evaluation of diagnostic tolerancesThe measurements of the control parameters that characterizethe quality of the engine operation during start-up, layoff,rotor acceleration and deceleration as well as the enginerunning in steady ranges are carried out in the initial stage(niedokładność procesu technologicznego), oddziaływaniaczynników zewnętrznych (temperatura, wilgotność,pył, drgania, falowanie morza) oraz zanieczyszczenia,starzenia i zużycia elementów konstrukcyjnych (odwracalnei nieodwracalne zmiany warstwy wierzchniej) [6].Oddziaływania te mają charakter losowy (są zdarzeniamilosowymi), determinując losowe zmiany wartości parametrówstruktury [1, 4]. Ich wpływ na stan technicznysilnika powoduje zmiany wartości parametrów rozkładuprawdopodobieństwa ich występowania – wartościoczekiwanej i odchylenia średniego (rozrzutu wokółwartości średniej dla zbioru eksploatowanych silników).Im mniejsze są zmiany wartości oczekiwanej i odchyleniaśredniego parametru kontrolnego, tym większa jestdokładność funkcjonowania silnika, a więc jego trwałośći niezawodność.Dokładność funkcjonowania modułu czy układu konstrukcyjnego,a także całego silnika turbinowego określanajest tolerancjami parametrów, które odzwierciedlają najbardziejpożądany i dopuszczalny przebieg realizowanychprocesów fizycznych:– tolerancje eksploatacyjne (maksymalnie dopuszczalne)– określane przez producenta (konstruktora) na podstawiebadań egzemplarzy prototypowych – precyzująmaksymalny przedział, w którym mogą zawierać sięwartości parametrów kontrolnych w procesie użytkowaniasilnika, nie zmniejszając przy tym jego osiągówponiżej wartości dopuszczalnych oraz zachowując niezakłóconei niezawodne funkcjonowanie, a także gwarantowanątrwałość techniczną, zgodnie z godzinowymii kalendarzowymi limitami potencjału użytkowego.Wyjście wartości któregokolwiek z wyznaczonych parametrówkontrolnych poza ustalone granice tolerancjieksploatacyjnej sygnalizuje niedopuszczalne zakłócenieprocesów energetycznych realizowanych w silniku,grożące jego awarią (np. niestateczna praca sprężarki)[2, 4, 5, 8, 9];– tolerancje diagnostyczne – wyznaczane na drodze wnioskowaniastatystycznego wyników badania dostatecznielicznego zbioru nowych, poprawnie wyregulowanychsilników (w stanie pełnej zdatności technicznej) orazwyników badań eksploatacyjnych tych samych silnikóww kolejnych etapach eksploatacji, pod warunkiem, żezachowują one precyzyjne funkcjonowanie określanewedług zmian wartości parametrów podstawowych.W takiej sytuacji wartości parametrów kontrolnych,zbliżając się do granic przedziału tolerancji diagnostycznej,sygnalizują symptomy nieznacznych zmianstanu technicznego, charakterystyczne dla „zbliżającegosię” stanu niezdatności. Odzwierciedlają jednocześniezależność stanu technicznego silnika od czasu użytkowania(zmiany wartości oczekiwanej parametrówkontrolnych i ich odchyleń średnich w różnych etapachużytkowania).Wynika stąd wniosek, że tolerancje wartości parametrówkontrolnych dla celów diagnostycznych muszą być znaczniemniejsze od tolerancji eksploatacyjnych.100 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Diagnostic tolerances evalution method of the start-up exhaust temperature...of engine operation, directly after fitting in the engine room[11, 12]. Discrete values of diagnostic parameters, evaluatedin this way, are modeled as single-dimension, continuousrandom variables of the definite probability distribution,the expected value as well as the variance, as a measure ofdispersion of the results of the conducted measurements. Insuch a situation the method of marking diagnostic tolerancesverifies itself, first of all, in a determination of a shape of thedispersion distribution of the observed discrete value of thediagnostic parameter around the average value of the wholepopulation of operated engines, and then in a qualification ofthis distribution parameters. The hypothesis verification thatan examined dispersion of a discrete value of the diagnosticparameter can be equalized with the assumed theoreticaldistribution that is described with a well-known function ofthe probability density of the random variable in a momentof t = 0 [1, 7] represents one of the inference statisticalmethods of the shape of the random variable distribution.Having known the function form of theoretical distributionand its characteristic parameters (the expected value m andaverage deviation σ) the tolerated range of diagnostic parametervalues might be marked e.g. for the normal(Gaussian) distribution.A way of the evaluation of the boundaries of the tolerancediagnostic field for an intensity of exhaust temperaturestream growth measured behind the gas generator duringthe start-up process 1) will be demonstrated on thepopulation of 46 Zorya gas turbine engines UGT3000 typeput into operation [11, 12]. The evaluated diagnostic tolerancestake into account the productive uniqueness as wellas the impact of external operating factors. Table 1 containsthe set of realizations of the numerical values of the start-uptemperature registered during the start up process of brandnew engines (or after a rebuild) being in full serviceablestate (the values reduced to normal atmospheric conditionsaccording to International Standard Atmosphere [2, 10]).Assuming, that the values dispersion of the considereddiagnostic parameter in a moment of t = 0 has got the normaldistribution, which is confirmed by the diagnostic investigationsof aviation engines [1], a zero hypothesis H 0is put out2. Metoda wyznaczania tolerancjidiagnostycznychPomiary parametrów kontrolnych charakteryzującychjakość funkcjonowania silnika turbinowego w procesierozruchu, akceleracji i deceleracji zespołów wirnikowych,pracy na ustalonych zakresach obciążenia oraz wyłączeniasilnika z ruchu dokonuje się w początkowym etapie użytkowania,bezpośrednio po zabudowaniu w siłowni okrętowej[11, 12]. Wyznaczane w ten sposób dyskretne wartościparametrów diagnostycznych modeluje się jako jednowymiarowezmienne losowe ciągłe o określonym rozkładzieprawdopodobieństwa, wartości oczekiwanej i wariancji, jakomiary rozproszenia wyników przeprowadzonych pomiarów.W takiej sytuacji metoda wyznaczania tolerancji diagnostycznychsprowadza się przede wszystkim do określeniakształtu rozkładu rozrzutu obserwowanej wartości dyskretnejparametru diagnostycznego wokół wartości średniej dla całejpopulacji eksploatowanych silników, a następnie do określeniaparametrów tego rozkładu. Jedną z metod wnioskowaniastatystycznego o kształcie rozkładu zmiennej losowej jestweryfikacja hipotezy, że badany rozrzut dyskretnej wartościparametru diagnostycznego można wyrównać założonymrozkładem teoretycznym opisanym znaną funkcją gęstościprawdopodobieństwa zmiennej losowej w chwili t = 0 [1,7]. Znając postać funkcji rozkładu teoretycznego i jegoparametrów charakterystycznych (wartość oczekiwana m iodchylenie średnie σ) można wyznaczyć tolerowany przedziałwartości parametrów diagnostycznych, np. dlarozkładu normalnego.Sposób wyznaczenia granic diagnostycznego pola tolerancjiintensywności narastania temperatury strumieniaspalin mierzonej za wytwornicą spalin w procesie rozruchu 1), które uwzględniają niepowtarzalność produkcyjnąoraz wpływ zewnętrznych czynników eksploatacyjnych,zademonstrowany zostanie na populacji 46 turbinowychsilników spalinowych Zorya typu UGT3000 wdrażanychdo eksploatacji [11, 12]. Tabela 1 zawiera zbiór realizacjiwartości liczbowych temperatury rozruchowej zarejestrowanychw procesie rozruchu nowych (lub bezpośrednio ponaprawie głównej) silników w stanie pełnej zdatności tech-Table 1. A set of realizations of numerical values of the start-up temperature (random variable X(t)) during the start-up process registeredin the initial moment o fan operation of UGT3000 engine fitted in a ship engine roomTabela 1. Zbiór realizacji wartości liczbowych temperatury rozruchowej (zmienna losowa X(t)) podczas rozruchu zarejestrowane w początkowejchwili eksploatacji silników UGT3000 zabudowanych w siłowni okrętowejNo. x i[K/s] n iNo. x i[K/s] n i1 12 1 8 20 52 13 2 9 21 43 14 3 10 22 34 15 4 11 23 35 16 4 12 24 36 17 5 13 25 27 19 6 14 29 11)In short „start-up temperature” hereinafter.COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)1)W dalszej części artykułu określanej również krócej: „temperaturąrozruchową”.101

Metoda wyznaczania diagnostycznych tolerancji temperatury spalin wylotowych okrętowego...that an empirical distribution function introduced in Tab. 1is compatible with a normal distribution function. In order toverify the zero hypothesis a non-parametric statistical test χ 2was applied. It does not require a command of normal distributionparameter: an expected value m and variance σ 2 [7].In such a situation the statistical estimation of the expectedvalue and variance for the counted statistics is made on thebasis of an arithmetical average and standard deviationof the measurement results.In order to carry out the test, the area, in which the valuesof a random variable contain X(t) = {x i}, has been dividedinto six equal ranges of 3.0 K/s in length (the widths of theranges do not need to be equal) – Tab. 2. Boundaries of theranges have been chosen in such a way as not to make thenumbers within the individual ranges too small (5–8 resultsin one range).– arithmetic average 18.97826– standard deviation 3.784919If the number of measurement results in the range issmaller than 5, one should be connected with any neighboringrange [7].In the successive stages of calculations the followingvalues are evaluated:– normalized range boundaries relative to , recalculatedin unit:(1)nicznej (wartości zredukowane do normalnych warunkówatmosferycznych [2, 10]).Zakładając, że rozrzut wartości rozpatrywanego parametrudiagnostycznego w chwili t = 0 ma rozkład normalny, copotwierdzają badania diagnostyczne silników lotniczych [1],wysuwa się hipotezę zerową H 0, że dystrybuanta rozkładu empirycznegoprzedstawionego w tabeli 1 jest zgodna z dystrybuantąrozkładu normalnego. Do weryfikacji hipotezy zerowej zastosowanonieparametryczny test statystyczny χ 2 , który nie wymagaznajomości parametrów rozkładu normalnego: wartościoczekiwanej m i wariancji σ 2 [7]. W takiej sytuacji statystycznąestymację wartości oczekiwanej i wariancji dla obliczanej statystykidokonuje się na podstawie średniej arytmetycznej iodchylenia standardowego wyników pomiarów.W celu przeprowadzenia testu, obszar w którym zawierająsię wartości zmiennej losowej X(t = {x i}) podzielono nasześć równych przedziałów o długości 3,0 K/s (szerokościprzedziałów nie muszą być jednakowe) – tab. 2. Graniceprzedziałów dobrano w taki sposób, aby liczebności w poszczególnychprzedziałach nie były zbyt małe (5–8 wynikóww przedziale): – średnia arytmetyczna 18,97826, – odchyleniestandardowe 3,784919.Jeżeli liczba wyników pomiarowych w przedziale jestmniejsza niż 5, należy je połączyć z jednym z przedziałówsąsiednich [7].W kolejnych etapach obliczeń wyznacza się wartości:– unormowanych granic przedziałów względem , przeliczonychw jednostkach – wzór (1), przy czym począt-Range number/numer przedziałuRanges boundaries/granice przedziałówx i[K/s]Table 2. Calculation scheme of χo2 statisticsTabela 2. Schemat obliczeń statystyki χo2Numbers of measurementresults in the i-th range n i/liczbawyników pomiarów w i-tymprzedzialeNormalized range boundaries/unormowane granice przedziałówValue of the Laplace’a functionfor beginnings of the rangesΦ p(z i)/wartość funkcji Laplaceadla początków przedziałów1 2 3 4 51 11…14 6 –…–1.32 –0.52 14…17 13 –1.32…–.52 –0.40643 17…20 11 –.52…+0.27 –.19854 20…23 10 0.27…1.06 0.10655 23…26 5 1.06…1.86 0.35076 26…29 1 1.86…+∞ 0.4687Total – 46 – –Range number/numer przedziałuTheoretical probability of getting theresult from the i-th range/prawdopodobieństwoteoretyczne uzyskania wynikuz i-tego przedzialuTheoretical results’ number in the i-th range/teoretyczna liczba wyników w i-tym przedzialeStatistics’ value for the i-th range/wartość statystyki dla i-tegoprzedziału1 6 7 81 0.0936 4.3056 0.66682 0.2079 9.5634 1.23493 0.3050 14.0300 0.65444 0.2442 11.2332 0.13545 – – –6 0.1493 6.8678 0.1097Total 1.0000 46 2.8012102 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Diagnostic tolerances evalution method of the start-up exhaust temperature...the beginning of the first range and –∞ represents theend of the last range, however the end of the previousrange represents simultaneously the beginning of the nextrange;– normalized Laplace’a function of the normal distributionfor the beginnings of the range Φ p(z i) – from statisticaltables [7];– theoretical probability of getting the result from the i-thrange:(2)– theoretical number of results in the i-th range: ;– statistics χ i2for each range:In the last step of calculations a value of the statisticsfor the considered realization set of the random variable isevaluated:A counted value of χ 02statistics should be compared toits critical value defined from the statistical tables [7], at theassumed significance level α and the number of freedomdegrees f evaluated from the formula, as follows:(5)where: l –number of ranges in distributive series, k – numberof estimated parameters of the verified distribution.A critical value of the statistic, read from the statisticaltables of χ 2 distribution, equals χ kr2= 5.991 for the number offreedom degrees f = 2 (l = 5, k = 2 – there have been estimatedtwo parameters characterizing a normal distribution: i )and the assumed significance level α = 0.05 [7].The calculated value of the statistics equals χ o2= 2.8012and it is smaller than the critical value χ kr2(α = 0.05, f = 2) == 5.991. This leads to the conclusion that there is no basis toreject the zero hypothesis, and furthermore, that the empiricaldistribution might be considered as the normal distribution.In this connection the probability function of the randomvariable X(t)={x i}in the initial stage of operation (in themoment t = 0) can be defined with a formula:Having known a distribution function and its basic parametersas a consequence it is possible to evaluate boundariesof the diagnostic field of tolerance. In such a situationthe value range m ± 3σ is treated as the boundary diagnosticcondition for the observed control parameter. There has beevaluated the expected valueand averagedeviationfor the considered start-uptemperature, which gives the diagnostic tolerances of theobjective control parameter:COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)(3)(4)(6)kiem pierwszego przedziału jest –∞, a końcem ostatniego+∞, natomiast koniec poprzedzającego przedziału stanowijednocześnie początek kolejnego przedziału;– unormowanej funkcji Laplace’a rozkładu normalnego dlapoczątków przedziałów Φ p(z i) – z tablic statystycznych[7];– teoretycznego prawdopodobieństwa uzyskania wyniku zi-tego przedziału (2);– teoretycznej liczby wyników w i-tym przedziale: ;2– statystyki χ idla każdego przedziału (3).W ostatnim kroku obliczeń wyznacza się wartośćstatystyki dla rozpatrywanego zbioru realizacji zmiennejlosowej (4).2Obliczoną wartość statystyki χ 0należy porównać zjej wartością krytyczną określaną z tablic statystycznych[7], przy przyjętym poziomie istotności α i liczbie stopniswobody f wyznaczanej z zależności (5), gdzie: l – liczbaprzedziałów w szeregu rozdzielczym, k – liczba szacowanychparametrów weryfikowanego rozkładu.Dla liczby stopni swobody f = 2 (l = 5, k = 2) – na podstawiedanych empirycznych – oceniano dwa parametry charakteryzującerozkład normalny: i ) i założony poziomistotności α = 0,05; wartość krytyczna statystyki odczytanaz tablic rozkładu χ 2 2wynosi χ kr= 5,991 [7].2Wartość obliczeniowa statystyki wynosi χ o= 2,8012 ijest mniejsza od wartości krytycznej χ kr2(α = 0,05, f = 2) == 5,991. Oznacza to, że brak jest podstaw do odrzucenia hipotezyzerowej, a zatem badany rozkład empiryczny możnauznać za zgodny z rozkładem normalnym. W związku z tymfunkcję gęstości prawdopodobieństwa zmiennej losowejX(t) = {x i} w początkowym etapie eksploatacji (w chwilit = 0) można określić formułą (6).Znając funkcję rozkładu i jego podstawowe parametry,można wyznaczyć granice diagnostycznego pola tolerancji,przyjmując przedział wartości m ± 3σ jako diagnostycznewarunki graniczne obserwowanego parametru kontrolnego.Dla rozpatrywanej temperatury rozruchowej wyznaczonowartość oczekiwanąoraz odchylenieśrednie, co daje tolerancje diagnostyczneprzedmiotowego parametru kontrolnego – wzór (7).Z przeprowadzonych obliczeń wynika, że tolerancjediagnostyczne intensywności narastania temperatury spalinwylotowych w procesie rozruchu silnika turbinowegotypu UGT3000 są ograniczone jednostronnie, co oznacza,że graniczna wartość tego parametru oceniana na potrzebydiagnostyczne, w przypadku silnika nowego, nie powinnaprzekraczać 30 K/s.Wykorzystując z kolei symetrię rozkładu normalnegoi wartości funkcji Laplace’a można wyznaczyćprawdopodobieństwo przyjęcia przez zmienną losowąX(t) wartości zawierających się w tym przedziale – wzór(8).Tak więc przyjęcie trzysigmowych granic tolerancjidiagnostycznych rozpatrywanego parametru kontrolnegooznacza, że tylko niecałe 3 0 / 00(maksimum 3 na 1000)możliwych wyników pomiarowych różni się od wartościoczekiwanej o więcej niż 3σ.103

Metoda wyznaczania diagnostycznych tolerancji temperatury spalin wylotowych okrętowego...It results from the conducted calculation, that the diagnostictolerances of the growth intensity of the exhausttemperature during the start-up process of UGT300 gasturbine engine are limited one-sidedly. It leads to a conclusionthat the boundary value of this parameter estimated fordiagnostic purposes, in case of a brand new engine, mustnot exceed 30 K/s.The probability that values of the random variable X(t) fitinto this range might also be evaluated. It could be workedout using a symmetry of the normal distribution and thevalues of Laplace function:Therefore, taking three-sigma boundaries of diagnostictolerances of the considered control parameter means, thatonly less than 3 0 / 00of (maximum 3 on 1000) of the possiblemeasurement results differ from the expected value by morethan 3σ.Because of an influence of unfavorable operationalfactors on the engine running in the vessel engine room,aging, wear and tear and dirt processes of the constructionalelements occur. These are the continuous and irreversibleprocesses that are always associated with the operation ofcombustion engines in sea conditions. Hence, a waste ofthe usable potential follows denoted by deformations of thecourse of the probability function as determined with thechanges of the expected value and average deviation whilethe protected profile of the normal distribution of the random(7)(8)W procesie użytkowania silnika na okręcie, w wynikuoddziaływania niekorzystnych czynników eksploatacyjnychnastępuje starzenie, zużycie i zanieczyszczenie elementówkonstrukcyjnych, jako procesy ciągłe i nieodwracalne zawszetowarzyszące eksploatacji silników spalinowych wwarunkach morskich. Z tego względu następuje zużyciepotencjału użytkowego, którego miarą są deformacje przebiegufunkcji gęstości prawdopodobieństwa zdeterminowanezmianami wartości oczekiwanej i odchylenia średniego, przyzachowaniu normalnego rozkładu zmiennej losowej (rozrzuturozpatrywanego parametru kontrolnego). W konsekwencjiwzrasta dyspersja intensywności narastania temperaturystrumienia spalin w procesie rozruchu silnika, rozszerzają sięgranice tolerancji diagnostycznych, które w żadnym razie niemogą przekraczać granic tolerancji eksploatacyjnych – rys.1. Godzimy się zatem, że w miarę zwiększania całkowitegoczasu pracy silnika, jego funkcjonowanie będzie mniejprecyzyjne, jednak przyzachowaniu wszelkichwymogów bezpiecznegoużytkowania.Z wartości liczbowychprzedstawionych na rys. 1wynika, że wyznaczająckształt funkcji gęstościprawdopodobieństwazmiennej losowej w kolejnychetapach eksploatacjisilnika (np. w rocznychcyklach kontrolno-pomiarowychlub co 500 godzinpracy), można określićlinie trendu zmian wartościoczekiwanej orazgórnej granicy tolerancjizbioru realizacji parametrudiagnostycznego.Możliwe jest równieżwyznaczenie horyzontuprognozy czasu poprawnejpracy silnika (bezuszkodzeń) do chwili t eg1z punktu przecięcia przebiegu górnej granicy tolerancjidiagnostycznych z linią eksploatacyjnej granicy tolerancji.W tym momencie należy przeprowadzić pomiar wartościparametru diagnostycznego, na badanym silniku (np. punkt) i ekstrapolować górną granicę tolerancjidiagnostycznych do przecięcia się z linią eksploatacyjnejgranicy tolerancji (chwila t eg2) itd. W ten sposóbwprowadza się strategię eksploatacji silnika według aktualnegostanu technicznego, którego odtwarzanie (regulacja,naprawa, wymiana elementu) zależy od indywidualnychcech degradacji struktury konstrukcyjnej, związanych wgłównej mierze z charakterem zmienności jego obciążeń(liczba rozruchów, wyłączeń z ruchu, akceleracji i deceleracjizespołów wirnikowych, manewrowania oddzielnąturbiną napędową itd.).Fig. 1. Deformation of the course of the function of probability density of the considered random variable duringoperation of a marine gas turbine engineRys. 1. Deformacje przebiegu funkcji gęstości prawdopodobieństwa rozpatrywanej zmiennej losowej w czasieużytkowania turbinowego silnika spalinowego104 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Diagnostic tolerances evalution method of the start-up exhaust temperature...variable is preserved (dispersion of the considered control parameter).As a consequence dispersal of the growth intensityof the exhaust stream temperature increases during the enginestart-up and the boundaries of diagnostic tolerances widen.But they must not exceed the boundaries of the operationaltolerances – Fig. 1. It means that we therefore agree on thesituation that the total time of engine operation enlarges itsperformance but reduces its operating accuracy. It is onlyacceptable on the condition that all the requirements of thesafe engine running are fulfilled.Numerical values introduced in Fig. 1 show that by meansof precise evaluation of the shape of the probability functionof the random variable in successive operation stages of theengine (e.g. in annual control- measuring cycles, or every500 working hours) trend lines of the expected changes ofthe value as well as the upper boundary of the tolerancesof the set of the diagnostic parameter realization mightbe determined. It is also possible to evaluate the forecasthorizon of the time of the engine proper operation (withoutfailures) until the moment t eg1– from the cross point of theupper boundary of diagnostic tolerance and the line of theoperational tolerance boundary. Then the measurement ofthe diagnostic parameter's value should be conducted on theexamined engine (e.g. the pointand to extrapolate the upper diagnostic tolerance boundary tocross-cut with the line of the operational tolerance boundary(moment t eg2) etc. In this way the engine operation strategyaccording to a current technical condition is introduced. Theengine technical condition is reproduced (adjustment, repair,element's exchange) taking into consideration the individualfeatures of constructional structure degradation, mainly associatedwith the nature of the loads variability (the numberof start-ups, lay-offs, rotors accelerations and decelerations,free power turbine maneuverings etc.).3. ConclusionsThe authors have limited the paper to present only oneexample of the proposed method application to evaluatethe diagnostic tolerances of the control parameter of a marinegas turbine engine – a growth intensity of the exhausttemperature recorded during a start-up process. In general,a total number of the analyzed start-up processes equaled46. The assumption that in the initial stage of the usage theengines maintain accurate functioning, defined according tothe values of the basic parameters represented the necessarycondition for the conducted statistical inference. In such asituation the value of the observed control parameter, approachingto the ranges boundaries of diagnostic tolerancesindicates the symptom of insignificant changes of a technicalcondition, which is characteristic of the "imminent”unserviceable state, and simultaneously this value reflectsa dependence between the engine technical condition andthe time of its usage (changes of the expected values of thecontrol parameter and its average deviations in differentstages the engine's usage).Paper reviewed/Artykuł recenzowany3. PodsumowanieW artykule ograniczono się do zaprezentowania jednegoprzykładu zastosowania proponowanej metody wyznaczeniatolerancji diagnostycznych parametru kontrolnego okrętowegoturbinowego silnika spalinowego – szybkości wzrostutemperatury spalin wylotowych rejestrowanej w procesierozruchu. Ogółem liczba przeanalizowanych procesówrozruchowych wynosiła 46. Niezbędnym warunkiem przeprowadzonegownioskowania statystycznego było założenie,że w początkowym etapie użytkowania silniki zachowująprecyzyjne funkcjonowanie, określane według wartościparametrów podstawowych. W takiej sytuacji wartość obserwowanegoparametru kontrolnego, zbliżając się do granicprzedziału tolerancji diagnostycznych, sygnalizuje symptomnieznacznych zmian stanu technicznego, charakterystycznydla „zbliżającego się” stanu niezdatności, a jednocześnieodzwierciedla zależność stanu technicznego silnika odczasu jego użytkowania (zmiany wartości oczekiwanychparametru kontrolnego i jego odchyleń średnich w różnychetapach użytkowania).Bibliography/Literatura[1] Boliński B., Stelmaszczyk Z.: Napędy lotnicze. Eksploatacjasilników turbinowych. WKiŁ, Warszawa 1981.[2] Cohen H., Rogers G.F.C., Saravanamuttor H.I.H.: Gas turbinetheory. Longman Scientific & Technical, New York 1987.[3] Hardin J.R. and others: A gas turbine condition – monitoringsystem. Naval Engineers Journal, November, USA 1995.[4] Korczewski Z.: Metoda diagnozowania części przepływowejokrętowego turbinowego silnika spalinowego w eksploatacji.AMW (praca doktorska), Gdynia 1992.[5] Korczewski Z.: Identyfikacja procesów gazodynamicznychw układzie sprężarkowym okrętowego turbinowego silnikaspalinowego dla potrzeb diagnostyki. AMW Gdynia 1999.[6] Korczewski Z.: Endoskopia silników okrętowych. AMW,Gdynia 2008.[7] Korzyński M.: Metodyka eksperymentu. WNT, Warszawa2006.[8] Orkisz M.: Wybrane zagadnienia z teorii turbinowych silnikówodrzutowych. ITE, Radom 1995.[9] Pawlak W., Wiklik K., Morawski J.M.: Synteza i badanie układówsterowania lotniczych silników turbinowych metodamisymulacji komputerowej. Instytut Lotnictwa, Warszawa 1996.[10] Wiśniewski S.: Pomiary temperatury w badaniach silników iurządzeń cieplnych. WNT, Warszawa 1983.[11] Dokumentacja techniczna i eksploatacyjna okrętowych turbinowychsilników spalinowych GTU6a, DE59, Zorya typuUGT, General Electric LM2500.[12] Sprawozdania z badań diagnostycznych tłokowych i turbinowychsilników spalinowych eksploatowanych na okrętachMWRP – Prace badawcze AMW, Gdynia 1992-2008.Zbigniew Korczewski, DSc., DEng. – doctor in theFaculty of Ocean Engineering and Ship Technologyat Gdansk University of Technology.Dr hab. inż. Zbigniew Korczewski – doktor habilitowanyna Wydziale Oceanotechniki i OkrętownictwaPolitechniki Gdańskiej.e-mail: z.korczewski@gmail.comCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)105

Global trends in motor vehicle pollution control: a 2011 updateMichael WALSHPTNSS-2011-SS2-212Global trends in motor vehicle pollution control: a 2011 updatePart 11. IntroductionSince the end of the Second World War there has beena strong and steady growth in the world’s motor vehiclepopulation. Initially, this growth was focused primarily inNorth America but over the past six decades it has graduallyspread, first to Europe and now Asia and to a lesser extent,Latin America. Vehicles have brought many perceivedimprovements to the quality of lives – increased mobility,jobs, recreational opportunities – to name but a few. But theyhave also changed many cities into sprawling conurbations,developed a so far unquenchable thirst for precious andlimited oil, become a major if not dominant source of urbanair pollution and most recently the most rapidly growingcontributor to climate change.2. Trends in world motor vehicle productionOverall growth in the production of motor vehicles,especially since the end of World War II, has been quitedramatic, rising from about 5 million motor vehicles peryear to almost 70 million. As shown in Fig. 1, between 1970and 2008, approximately 1 million more vehicles have beenproduced each year compared to the year before with almost70 million vehicles produced in 2008 1) . Data regarding motorcycleproduction is less precise but one major producer 2)estimates that global production exceeded 30 million unitsin 2003 and is increasing by approximately 1 million unitseach year.3. Trends in world motor vehicle fleetsHistorically, the three primary drivers leading to growthin the world’s vehicle fleet have been population growth,urbanization, and economic improvement and all threecontinue to increase, especially in developing countries.According to the United Nations, the global populationincreased from approximately 2.5 billion people in 1950Fig. 2. Production of cars, trucks and buses in Chinato more than 6 billion today and it is projected to increaseto approximately 9 billion by 2050. Most of this growthwill be in urban areas in developing countries.Annual GDP growth rates over the next two decades areforecast to be highest in China, East Asia, Central and EasternEurope and the former Soviet Union which will stimulategrowth in vehicle populations in these regions.As a result of these factors, one can anticipate steady andsubstantial growth in the global vehicle population [47] followingthe historical trends illustrated in Fig. 3. The globalvehicle population exceeded 1 billion units in 2002 and hascontinued to climb steadily since then.Since 1990, approximately 27 million additional motorvehicles have been added to the world’s roads and highwayseach year. Newer manufactured vehicles are more durableFig. 1. Annual production of cars, trucks and busesNowhere has the growth been greater than in China whichwas an insignificant motor vehicle producer two decades agobut is now the largest producer of cars, trucks, and buses inthe world and is rapidly becoming a major market as well(see Fig. 2). It is also far and away the largest producer anduser of motorcycles.1)Wards Motor Vehicle Data, various issues2)Honda Motor Company, 2004 World Motorcycle Facts and FiguresFig. 3. World motor vehicle population106 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Global trends in motor vehicle pollution control: a 2011 updatethan in the past which will likely further increase the numberof vehicles on the road.4. Motor vehicle emissions and impactsMotor vehicles emit large quantities of carbon monoxide(CO), hydrocarbons (HC), nitrogen oxides (NO x), particulatematter (PM), sulfur oxides (SO x) and such toxic substancesas benzene, formaldehyde, acetylaldehyde, 1.3-butadieneand (where lead is still added to gasoline) lead. Each ofthese, along with secondary by-products such as ozone andsmall particles (e.g. nitrates and sulfates), can cause seriousadverse effects on health and the environment. Because ofgrowing vehicle populations and resulting emissions, thefraction of health damaging pollution due to motor vehiclesremains significant throughout the developed world and isrising in many cities in the developing world.A. Local health concernsExposure to levels of air pollutants have been associatedwith a variety of adverse health effects. Based on availableinformation, the World Health Organization (WHO) sets andperiodically updates air quality guidelines. The followingsummary is based on the guidelines adopted by the WorldHealth Organization (WHO) [44] and standards adoptedby the United States Environmental Protection Agency(USEPA).Particulate matterParticulate matter (PM) represents a broad class of chemicallyand physically diverse substances. It can be principallycharacterized as discrete particles that exist in the condensed(liquid or solid) phase spanning several orders of magnitudein size. PM10 refers to particles generally less than or equalto 10 micrometers (µm). PM2.5 refers to fine particles,those particles generally less than or equal to 2.5 µm indiameter. Inhalable (or ‘‘thoracic’’) coarse particles refer tothose particles generally greater than 2.5 µm but less than orequal to 10 µm in diameter. Ultrafine PM refers to particlesless than 100 nanometers (0.1 µm). Larger particles tend tobe removed by the respiratory clearance mechanisms (e.g.coughing), whereas smaller particles are deposited deeperin the lungs.Fine particles are produced primarily by combustionprocesses and by transformations of gaseous emissions (e.g.,SO x, NO xand VOCs) in the atmosphere. Thus, PM 2.5mayinclude a complex mixture of different pollutants includingsulfates, nitrates, organic compounds, elemental carbon andmetal compounds. These particles can remain in the atmospherefor days to weeks and travel through the atmospherehundreds to thousands of kilometers.The evidence on airborne PM and public health isconsistent in showing adverse health effects at exposuresexperienced by urban populations in cities throughout theworld, in both developed and developing countries. Therange of effects is broad, affecting the respiratory and cardiovascularsystems and extending to children and adults andto a number of large, susceptible groups within the generalpopulation. The risk for various outcomes has been shown toincrease with exposure and there is little evidence to suggestCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)a threshold below which no adverse health effects wouldbe anticipated. In fact, the lower range of concentrations atwhich adverse health effects has been demonstrated is notgreatly above the background concentration which has beenestimated at 3–5 µg/m 3 in the United States and WesternEurope for particles smaller than 2.5 micrometer, PM 2.5. Theepidemiological evidence shows adverse effects of particlesafter both short-term and long-term exposures.The WHO Air Quality Guidelines for PM are:PM 2.5: 10 µg/m 3 annual mean, 25 µg/m 3 24-hour meanPM 10: 20 µg/m 3 annual mean, 50 µg/m 3 24-hour meanHealth effects associated with short-term exposures(hours to days) to ambient PM include premature mortality,increased hospital admissions, heart and lung diseases,increased cough, adverse lower-respiratory symptoms, decrementsin lung function and changes in heart rate rhythmand other cardiac effects. Studies examining populationsexposed to different levels of air pollution over a numberof years, including the Harvard Six Cities Study [11] andthe American Cancer Society Study [32], show associationsbetween long-term exposure to ambient PM 2.5and both totaland cardiovascular and respiratory mortality. In addition, areanalysis of the American Cancer Society Study shows anassociation between fine particle and sulfate concentrationsand lung cancer mortality [28].The health effects of PM 2.5have been further documentedin local impact studies which have focused on health effectsdue to PM 2.5exposures measured on or near roadways.Taking account of all air pollution sources, including bothspark-ignition (gasoline) and diesel powered vehicles, theselatter studies indicate that exposure to PM 2.5emissions nearroadways, dominated by mobile sources, are associated withpotentially serious health effects. For instance, a recent studyfound associations between concentrations of cardiac riskfactors in the blood of healthy young police officers and PM 2.5concentrations measured in vehicles [36]. Also, a numberof studies have shown associations between residential orschool outdoor concentrations of some constituents of fineparticles found in motor vehicle exhaust and adverse respiratoryoutcomes, including asthma prevalence in children wholive near major roadways [4, 27, 43].The WHO annual average guideline value of 10 µg/m 3for PM 2.5was chosen to represent the lower end of the rangeover which significant effects on survival have been observedin the American Cancer Society Study (ACS) [33]. Adoptionof a guideline at this level places significant weight onthe long-term exposure studies using the ACS and HarvardSix-Cities data. In these studies, robust associations werereported between long-term exposure to PM 2.5and mortality.Thresholds were not apparent in either of these studies.In addition to PM 2.5and PM 10, ultra-fine particles (UF)have recently attracted significant scientific and medicalattention. These are particles smaller than 0.1 micrometerand are measured as number concentration. While there isconsiderable toxicological evidence of potential detrimentaleffects of UF particles on human health, the existing body ofepidemiological evidence is insufficient in the view of WHO107

Global trends in motor vehicle pollution control: a 2011 updateto reach a conclusion on the exposure/response relationshipto UF particles. Therefore no recommendations have beenprovided by the WHO as to guideline concentrations of UFparticles at this point.A study led by UCLA researchers has revealed that thesmallest particles from vehicle emissions may be the mostdamaging components of air pollution in triggering plaquebuildup in the arteries, which can lead to heart attack andstroke 3) . In the study, researchers exposed mice with highcholesterol to one of two sizes of air pollutant particles fromdowntown Los Angeles freeway emissions and comparedthem with mice that received filtered air that contained veryfew particles. Researchers found that mice exposed to ultrafineparticles exhibited 55 percent greater atheroscleroticplaquedevelopment than animals breathing filtered air and25 percent greater plaque development than mice exposedto fine-sized particles.Another study published in the New England Journal ofMedicine linked exposure to diesel exhaust with asthma 4) . Theresearchers recruited 60 adults with either mild or moderateasthma to participate in a randomized, crossover study. Eachparticipant walked for 2 hours along a London street (OxfordStreet) and, on a separate occasion, through a nearby park(Hyde Park). Detailed real-time exposure, physiological, andimmunologic measurements were taken. Participants hadsignificantly higher exposures to fine particles (< 2.5 μm inaerodynamic diameter), ultrafine particles, elemental carbon,and nitrogen dioxide on Oxford Street than in Hyde Park.Walking for 2 hours on Oxford Street induced asymptomaticbut consistent reductions in the forced expiratory volume in 1second (FEV 1) (up to 6.1%) and forced vital capacity (FVC)(up to 5.4%) that were significantly larger than the reductionsin FEV 1and FVC after exposure in Hyde Park (P = 0.04 andP = 0.01, respectively, for the overall effect of exposure, andP < 0.005 at some time points). The effects were greater insubjects with moderate asthma than in those with mild asthma.These changes were accompanied by increases in biomarkersof neutrophilic inflammation (sputum myeloperoxidase, 4.24ng per milliliter after exposure in Hyde Park vs. 24.5 ng permilliliter after exposure on Oxford Street; P = 0.05) and airwayacidification (maximum decrease in pH, 0.04% after exposurein Hyde Park and 1.9% after exposure on Oxford Street; P =0.003). The changes were associated most consistently withexposures to ultrafine particles and elemental carbon.OzoneGround-level ozone pollution is formed by the reactionof VOCs and NO xin the atmosphere in the presence of heatand sunlight. The science of ozone formation, transport, andaccumulation is complex. Ground-level ozone is produced3)The findings appear in the January 17 th online edition of the journalCirculation Research.4)Respiratory Effects of Exposure to Diesel Traffic in Persons with Asthma,James McCreanor, M.R.C.P., Paul Cullinan, M.D., Mark J. Nieuwenhuijsen,Ph.D., James Stewart-Evans, M.Sc., Eleni Malliarou, M.Sc., Lars Jarup,Ph.D., Robert Harrington, M.S., Magnus Svartengren, M.D., In-Kyu Han,M.P.H., Pamela Ohman-Strickland, Ph.D., Kian Fan Chung, M.D., andJunfeng Zhang, Ph.D.and destroyed in a cyclical set of chemical reactions, many ofwhich are sensitive to temperature and sunlight. When ambienttemperatures and sunlight levels remain high for severaldays and the air is relatively stagnant, ozone and its precursorscan build up and result in more ozone than typicallywould occur on a single high- temperature day. Ozone alsocan be transported from pollution sources into areas hundredsof miles downwind, resulting in elevated ozone levels evenin areas with low local VOC or NO xemissions.The health and welfare effects of ozone are well documented[41, 42]. Ozone can irritate the respiratory system,causing coughing, throat irritation, and/or uncomfortablesensation in the chest. It can reduce lung function andmake it more difficult to breathe deeply, and breathingmay become more rapid and shallow than normal, therebylimiting a person’s activity. Ozone can also aggravateasthma, leading to more asthma attacks that require adoctor’s attention and/or the use of additional medication.Animal toxicological evidence indicates that with repeatedexposure, ozone can inflame and damage the lining of thelungs, which may lead to permanent changes in lung tissueand irreversible reductions in lung function. People whoare more susceptible to effects associated with exposureto ozone include children, the elderly, and individualswith respiratory disease such as asthma. There is suggestiveevidence that certain people may have greater geneticsusceptibility. Those with greater exposures to ozone, forinstance due to time spent outdoors (e.g., children andoutdoor workers), are also of concern.Short-term exposure to current levels of ozone in manyareas is likely to contribute to premature deaths, according toa National Research Council report 5) . Evidence of a relationshipbetween short-term – less than 24 hours – exposure toozone and mortality has been mounting, but interpretationsof the evidence have differed, prompting EPA to requestthe Research Council report. Based on a review of recentresearch, the committee found that deaths related to ozoneexposure are more likely among individuals with pre-existingdiseases and other factors that could increase their susceptibility.However, premature deaths are not limited to peoplewho are already within a few days of dying.In addition, the committee examined research based onlarge population groups to find how changes in ozone airconcentration could affect mortality, specifically to determinethe existence of a threshold – a concentration of ozonebelow which exposure poses no risk of death. The committeeconcluded that if a threshold exists, it is probably at aconcentration below the current public health standard. Aspeople have individual susceptibilities to ozone exposure,not everyone may experience an altered risk of death if ozone5)Estimating Mortality Risk Reduction and Economic Benefits fromControlling Ozone Air Pollution”, National Academies Press, NationalResearch Council, Division on Earth and Life Studies, Board on EnvironmentalStudies and Toxicology, Committee on Estimating Mortality RiskReduction Benefits from Decreasing Tropospheric Ozone Exposure, JohnC. Bailar III (chair), Professor Emeritus, Department of Health StudiesUniversity of Chicago.108 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Global trends in motor vehicle pollution control: a 2011 updateair concentration also changes. The research on short-termexposure does not account for all ozone-related mortality,and the estimated risk of death may be greater than if basedsolely on these studies, the committee noted.The second edition of the WHO AQG [1] set the guidelinevalue for ozone at 120 µg/m 3 for an 8-hour daily average.Since the mid-1990s there has been no major addition to theevidence from chamber studies or field studies. There hashowever been a marked increase in health effects evidencefrom epidemiological time-series studies. Combined evidencefrom those studies shows convincing, though small,positive associations between daily mortality and ozonelevels, independent of the effects of particulate matter. Similarassociations have been observed in both North Americaand Europe. These time-series studies have shown effectsat ozone concentrations below the previous guideline of120 µg/m 3 without clear evidence of a threshold. Evidencefrom both chamber and field studies also indicate that thereis considerable individual variation in response to ozone.In view of these considerations, there was a good case forreducing the WHO AQG from the previous level of 120µg/m 3 . WHO, therefore, recommended that the air qualityguideline for ozone be set at the level of:Ozone: 100 µg/m 3 for daily maximum 8-hour meanAs concentrations increase above the guideline value,health effects at the population level become increasinglynumerous and severe. Such effects can occur in places whereconcentrations are currently high due to human activities orduring episodes of very hot weather.Nitrogen dioxideEvidence from animal toxicological studies indicates thatlong-term exposure to NO 2at concentrations above currentambient concentrations has adverse effects. In populationstudies NO 2has been associated with adverse health effectseven when the annual average NO 2concentration compliedwith the WHO-2000 annual guideline value of 40 µg/m 3 .Also some indoor studies suggest effects on respiratorysymptoms among infants at concentrations below 40 µg/m 3 .Together these results support a lowering of the annual NO 2guideline value. However, NO 2is an important constituent ofcombustion-generated air pollution and is highly correlatedwith other primary and secondary combustion products;it is unclear to what extent the health effects observed inepidemiological studies are attributable to NO 2itself or toother correlated pollutants. The current scientific literature,therefore, has not accumulated sufficient evidence to changethe WHO 2000 guideline value of 40 µg/m 3 for annual NO 2concentrations.Many short term experimental human toxicology studiesshow acute health effects at levels higher than 500 µg/m 3 , andone meta-analysis has indicated effects at levels exceeding200 µg/m 3 . The current scientific literature has not accumulatedevidence to change from the WHO 2000 guidelinevalue of 200 µg/m 3 for 1-hour NO 2concentration.In conclusion, the WHO guideline values remain unchangedat the following levels:NO 2concentration: 40 µg/m 3 for annual mean;NO 2concentration: 200 µg/m 3for 1-hour mean.The California Air Resources Board approved staffrecommendations to amend its NO 2standard on February22, 2007. The recommendations were based on a reviewof the scientific literature on the health effects of NO 2thatwas conducted by staff from the Air Resources Board andthe Office of Environmental Health Hazard Assessment. OnJanuary 5, 2007, staff recommended lowering the existing1-hour-average standard for NO 2of 0.25 ppm to 0.18 ppm,not to be exceeded, and established a new annual-averagestandard of 0.030 ppm, not to be exceeded.An Environmental Protection Agency draft risk assessmentfinds evidence from recent studies is "sufficient to infera likely causal relationship" between short-term exposureto nitrogen dioxide and adverse effects on the respiratorysystem 6) . According to the draft report, a 30-minute exposureto nitrogen dioxide concentrations between 0.2 ppm and0.3 ppm has been shown to irritate airways in asthmatics.Children, whose lung function continues to develop intoadolescence, and those over the age of 65 are also particularlysusceptible to nitrogen dioxide exposure. The riskassessment also identified as an at-risk group those whosejobs require significant periods of driving. Mean nitrogendioxide levels inside vehicles are often two to three timesthe outdoor concentrations.Sulfur dioxideShort-term exposuresControlled studies with exercising asthmatics indicatethat some of them experience changes in pulmonary functionand respiratory symptoms after periods of exposure as shortas 10 minutes. Based on this evidence, it is recommendedby WHO that a value of 500 µg/m 3 should not be exceededover averaging periods of 10 minutes. Because exposureto sharp peaks depends on the nature of local sources andmeteorological conditions, no single factor can be applied tothis value in order to estimate corresponding guideline valuesover somewhat longer periods, such as an hour.Exposure over a 24-hour period and long-term exposureDay-to-day changes in mortality, morbidity or lung functionrelated to 24-hour average concentrations of sulfur dioxideare necessarily based on epidemiological studies in whichpeople are in general exposed to a mixture of pollutants, withlittle basis for separating the contributions of each to the effects,which is why guideline values for sulfur dioxide werelinked before 1987 with corresponding values for particulatematter. This approach led to a guideline value before 1987 of125 µg/m 3 as a 24-hour average, after applying an uncertaintyfactor of 2 to the lowest-observed-adverse-effect level. In the2000 revision, it was noted that recent epidemiological studiesshowed separate and independent adverse public healtheffects for particulate matter and sulfur dioxide, and this ledto a separate WHO AQG for sulfur dioxide of 125 µg/m 3 as6)EPA published a request for comment on the draft assessment in theFederal Register on April 14 th 2008.COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)109

Global trends in motor vehicle pollution control: a 2011 updatea 24-hour average. More recent evidence, beginning with theHong Kong study of a major reduction in sulfur content infuels over a very short period of time, shows an associatedsubstantial reduction in health effects (childhood respiratorydisease and all age mortality outcomes) [17]. In time-seriesstudies on hospital admissions for cardiac disease, there isno evidence of a concentration threshold within the rangeof 5-40 µg/m 3 in both Hong Kong and London [46]. DailySO 2was significantly associated with daily mortality in 12Canadian cities with an average concentration of only 5 µg/m 3[6]. If there were an SO 2threshold for either the Burnett etal. study of daily mortality, or the annual mortality study ofPope et al. (2002), they would have to be very low. For thesignificant associations in the ACS cohort for 1982-1998 in126 US metropolitan areas, the mean SO2 was 6.7 µg/m 3 .Nevertheless, there is still considerable uncertainty as towhether sulfur dioxide is the pollutant responsible for theobserved adverse effects or, rather, a surrogate for ultra-fineparticles or some other correlated substance. For example, inGermany [45] and the Netherlands [5] a strong reduction ofSO 2concentrations occurred over a decade. Although mortalityalso decreased with time, the association of SO 2andmortality was judged to not be causal and was attributed to asimilar time trend of a different pollutant (PM). In considerationof: (1) the uncertainty of SO 2in causality; (2) the practicaldifficulty of reaching levels that are certain to be associatedwith no effects; and (3) the need to provide greater degrees ofprotection than those provided by the guidelines published in2000, and assuming that reduction in exposure to a causal andcorrelated substance is achieved by reducing sulfur dioxideconcentrations, then there is a basis for revising the 24 hourguideline downward for sulfur dioxide, and the followingguideline is recommended as a prudent precautionary level:Sulfur dioxide: 20 µg/m 3 for 24-hour mean500 µg/m 3 for 10-minute mean (unchanged)The WHO has determined that an annual guideline is notneeded, since compliance with the 24-hour level will assurelow levels for the annual average.B. Summary of the updated WHO AQG levelsTable 1 summarizes the updated WHO Air qualityguideline levels presented in the previous sections. They arerecommended to be achieved everywhere in order to significantlyreduce the adverse health effects of pollution.Carbon monoxideCarbon monoxide – an odorless, invisible gas createdwhen fuels containing carbon are burned incompletely – alsoposes a serious threat to human health. Persons afflicted withheart disease and fetuses are especially at risk. Because theaffinity of hemoglobin in the blood is 200 times greater forcarbon monoxide than for oxygen, carbon monoxide hindersoxygen transport from blood into tissues. Therefore, moreblood must be pumped to deliver the same amount of oxygen.Numerous studies in humans and animals have demonstratedthat those individuals with weak hearts are placed underadditional strain by the presence of excess CO in the blood.In particular, clinical health studies have shown a decreasein time to onset of angina pain in those individuals sufferingfrom angina pectoris and exposed to elevated levels ofambient CO [13, 15]. Some recent epidemiologic studieshave found relationships between increased CO levels andincreases in mortality and morbidity [14].Table 1. Updated WHO Air quality guideline valuesPollutant Averaging time AQG valueParticulate1 year 10 µg/m 3matter PM 2.5 24 hour (99 th percentile) 25 µg/m 3PM 101 year 20 µg/m 324 hour (99 th percentile) 50 µg/m 3Ozone, O 38 hour, daily maximum 100 µg/m 3Nitrogen1 year 40 µg/m 3dioxide, NO 2 1 hour 200 µg/m 3Sulfur24 hour 20 µg/m 3dioxide, SO 2 10 minute 500 µg/m 3Healthy individuals also are affected, but only at higherlevels. Exposure to elevated CO levels is associated withimpairment of visual perception, work capacity, manual dexterity,learning ability and performance of complex tasks.Air toxicsPeople experience elevated risk of cancer and other noncanceroushealth effects from exposure to air toxics. Mobilesources are a major source of this exposure. According tothe US National Air Toxic Assessment (NATA) for 1999,mobile sources were responsible for 44 percent of outdoortoxic emissions and almost 50 percent of the cancer riskamong the 133 pollutants quantitatively assessed. Benzeneis the largest contributor to cancer risk of all the assessedpollutants and mobile sources were responsible for about 68percent of all benzene emissions in 1999.According to the 1999 NATA, nearly the entire U.S.population was exposed to an average level of air toxics thathas the potential for adverse respiratory noncancerous healtheffects 7) . Mobile sources were responsible for 74 percent ofthe potential noncancerous hazard from outdoor air toxics.It is important to note that NATA estimates of noncanceroushazard do not include the adverse health effects associatedwith particulate matter.7)To express chronic noncancerous hazards, US EPA uses the RfC as partof a calculation called the hazard quotient (HQ), which is the ratio betweenthe concentration to which a person is exposed and the RfC. (RfC is definedby EPA as, ‘‘an estimate of a continuous inhalation exposure to the humanpopulation, including sensitive subgroups, with uncertainty spanning perhapsan order of magnitude, that is likely to be without appreciable risksof deleterious noncancerous effects during a lifetime.’’) A value of the HQless than one indicates that the exposure is lower than the RfC and that noadverse health effects would be expected. Combined noncancerous hazardswere calculated using the hazard index (HI), defined as the sum of hazardquotients for individual air toxic compounds that affect the same targetorgan or system. As with the hazard quotient, a value of the HI at or below1.0 will likely not result in adverse effects over a lifetime of exposure.However, a value of the HI greater than 1.0 does not necessarily suggesta likelihood of adverse effects. Furthermore, the HI cannot be translatedinto a probability that adverse effects will occur and is not likely to beproportional to risk.110 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Global trends in motor vehicle pollution control: a 2011 updateThe following section provides a brief overview of airtoxics which are associated with vehicles and provides adiscussion of the health risks associated with each.Diesel exhaust (DE)Diesel exhaust (DE) is a complex mixture comprisedof carbon dioxide, oxygen, nitrogen, water vapor, carbonmonoxide, nitrogen compounds, sulfur compounds andnumerous low-molecular-weight hydrocarbons. A numberof these gaseous hydrocarbon components are individuallyknown to be toxic including aldehydes, benzene and1.3-butadiene. The diesel particulate matter (DPM) present indiesel exhaust consists of fine particles (< 2.5 µm), includinga subgroup with a large number of ultrafine particles (< 0.1µm). These particles have a large surface area which makesthem an excellent medium for adsorbing organics and theirsmall size makes them highly respirable and able to reachthe deep lung. Many of the organic compounds present onthe particles and in the gases are individually known to havemutagenic and carcinogenic properties. Diesel exhaust variessignificantly in chemical composition and particle sizesbetween different engine types (heavy-duty, light-duty),engine operating conditions (idle, accelerate, decelerate),and fuel formulations (high/low sulfur fuel). After beingemitted, diesel exhaust undergoes chemical and physicalchanges in the atmosphere.(1) Diesel exhaust: potential cancer effectsIn the US EPA’s 2002 Diesel Health Assessment Document(Diesel HAD) [38], diesel exhaust was classifiedas likely to be carcinogenic to humans by inhalation atenvironmental exposures, in accordance with the reviseddraft 1996/1999 EPA cancer guidelines. A number of otheragencies (National Institute for Occupational Safety andHealth, the International Agency for Research on Cancer,the World Health Organization, California EPA, and theU.S. Department of Health and Human Services) have madesimilar classifications.For the Diesel HAD, EPA reviewed 22 epidemiologic studieson the subject of the carcinogenicity of workers exposedto diesel exhaust in various occupations, finding increasedlung cancer risk, although not always statistically significant,in 8 out of 10 cohort studies and 10 out of 12 case- controlstudies within several industries, including railroad workers.Relative risk for lung cancer associated with exposure rangedfrom 1.2 to 1.5, although a few studies show relative risksas high as 2.6. Additionally, the Diesel HAD also relied ontwo independent meta-analyses, which examined 23 and 30occupational studies respectively, which found statisticallysignificant increases in smoking-adjusted relative lung cancerrisk associated with diesel exhaust, of 1.33 to 1.47. Thesemeta-analyses demonstrate the effect of pooling many studiesand in this case show the positive relationship between dieselexhaust exposure and lung cancer across a variety of dieselexhaust- exposed occupations [2, 29].The EPA Diesel HAD concluded that environmental risksfrom diesel exhaust exposure could range from a low of 10 –4to 10 –5 to as high as 10 –3 , reflecting the range of occupationalCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)exposures that could be associated with the relative and absoluterisk levels observed in the occupational studies.Retrospective health studies of railroad workers haveplayed an important part in determining that diesel exhaustis a likely human carcinogen. Key evidence of the dieselexhaust exposure linkage to lung cancer comes from tworetrospective case-control studies of railroad workers.(2) Diesel exhaust: other health effectsNoncancerous health effects of acute and chronic exposureto diesel exhaust emissions are also of concern. EPAderived an RfC from consideration of four well-conductedchronic rat inhalation studies showing adverse pulmonaryeffects [18, 25, 30, 31]. The RfC is 5 µ/m 3 for diesel exhaustas measured by diesel PM. This RfC does not consider allergeniceffects such as those associated with asthma or immunologiceffects even though there is growing evidence thatexposure to diesel exhaust can exacerbate these effects.Other Air ToxicsVehicles contribute to ambient levels of other air toxicsknown or suspected as human or animal carcinogens, orthat have non-cancer health effects. These other compoundsinclude benzene, 1,3-butadiene, formaldehyde, acetaldehyde,acrolein, polycyclic organic matter (POM), and naphthalene.All of these compounds, except acetaldehyde, were identifiedas national or regional risk drivers in the 1999 National-ScaleAir Toxics Assessment (NATA). For a significant portion ofthe population, these compounds pose a significant portionof the total cancer and noncancerous risk from breathingoutdoor air toxics.Noncancerous health effects resulting from inhalationexposures include neurological, cardiovascular, liver, kidney,and respiratory effects as well as effects on the immune andreproductive systems.A major new comprehensive study of air pollution andhealth in Asia, issued by the Health Effects Institute (HEI)[37], seems to capture well the health risks associated withair pollution in developing countries. It found that whiledeveloping Asia has made many promising strides in improvingair quality in its cities, susceptibility to the effectsof air pollution can be expected to rise as rates of chroniccardiovascular and respiratory disease increase in an agingpopulation. With rapid urbanization, industrialization andvehicle growth, the number of cases of air-pollution relatedillness is likely to grow.The study, conducted by an international expert panelof HEI, found that the effects of short term exposure to airpollution in Asian cities is on a par with those in hundreds ofcities worldwide…and that further improvements in air qualityin Asia would be expected to improve health as they haveelsewhere. With over 530,000 premature deaths occurringeach year in Asian cities due to air pollution levels exceedingWorld Health Organization (WHO)’s guidelines, interventionsto improve air quality can be expected to mirror the healthbenefits realized in other cities around the world.Even in Europe serious health concerns related to urbanair pollution remain. For example, using traditional healthimpact assessment methods, APHEKOM (Improving111

Global trends in motor vehicle pollution control: a 2011 updateKnowledge and Communication for Decision Making on AirPollution and Health in Europe) has shown that a decrease toWHO’s annual air-quality guideline on PM 2.5fine particles(10 micrograms/cubic meter) in 25 large European citiescould add up to 22 months of life expectancy for persons 30years of age and older, depending on the city and its averagelevel of PM 2.5.In addition, the monetary health benefits from complyingwith the WHO guideline would total some €31.5 billionannually, including savings on health expenditures, absenteeismand intangible costs such as well-being, life expectancyand quality of life.There are a number of public welfare effects associatedwith the presence of ozone and PM 2.5in the ambient air includingthe impact of PM 2.5on visibility and materials and theFig. 4. Predicted average gain in life expectancy (months) for person 30 years of ageand older in 25 Aphekom cities for a decrease in average annual level of PM 2.5to 10 ug/m 3 (WHO’s Air Quality Guideline)impact of ozone on plants, including trees, agronomic cropsand urban ornamentals. These are summarized below.VisibilityVisibility can be defined as the degree to which the atmosphereis transparent to visible light. Visibility impairmentmanifests in two principal ways: as local visibility impairmentand as regional haze 8) . Local visibility impairmentmay take the form of a localized plume, a band or layer ofdiscoloration appearing well above the terrain as a resultof complex local meteorological conditions. Alternatively,local visibility impairment may manifest as an urban haze,sometimes referred to as a ‘‘brown cloud.’’ This urban hazeis largely caused by emissions from multiple sources inthe urban areas and is not typically attributable to only onenearby source or to long-range transport. The second typeof visibility impairment, regional haze, usually results frommultiple pollution sources spread over a large geographic8)See discussion in U.S. EPA, National Ambient Air Quality Standards forParticulate Matter; Proposed Rule; January 17, 2006, Vol. 71 p. 2676.region. Regional haze can impair visibility in large regionsand across states.Visibility is important because it has direct significanceto people’s enjoyment of daily activities. Individuals valuegood visibility for the well-being it provides them directly,where they live and work, and in places where they enjoyrecreational opportunities. Visibility is also highly valuedin significant natural areas such as national parks and wildernessareas and special emphasis is given to protectingvisibility in these areas [39, 40].Plant and ecosystem effects of ozoneOzone can produce both acute and chronic injury insensitive species depending on the concentration level andthe duration of the exposure [42]. Ozone effects also tend toaccumulate over the growing season of the plant,so that even lower concentrations experienced for alonger duration have the potential to create chronicstress on vegetation. Ozone damage to plants includesvisible injury to leaves and a reduction infood production through impaired photosynthesis,both of which can lead to reduced crop yields,forestry production, and use of sensitive ornamentalsin landscaping. In addition, the reduced foodproduction in plants and subsequent reduced rootgrowth and storage below ground, can result inother, more subtle plant and ecosystems impacts.These include increased susceptibility of plants toinsect attack, disease, harsh weather, interspeciescompetition and overall decreased plant vigor. Theadverse effects of ozone on forest and other naturalvegetation can potentially lead to species shiftsand loss from the affected ecosystems, resulting ina loss or reduction in associated ecosystem goodsand services. Lastly, visible ozone injury to leavescan result in a loss of aesthetic value in areas ofspecial scenic significance like national parks andwilderness areas.Acid depositionAcid deposition, or acid rain as it is commonly known,occurs when NO xand SO 2react in the atmosphere with water,oxygen and oxidants to form various acidic compounds thatlater fall to earth in the form of precipitation or dry depositionof acidic particles. It contributes to damage of treesat high elevations and in extreme cases may cause lakesand streams to become so acidic that they cannot supportaquatic life. In addition, acid deposition accelerates the decayof building materials and paints, including irreplaceablebuildings, statues, and sculptures that are part of a nation’scultural heritage.Nitrogen oxides have also been found to contribute toocean acidification, thereby amplifying one of the manydeleterious impacts of climate change [12]. Approximatelyone third of all nitrogen oxide emissions end up in the oceans.The impact of these emissions on acidification is intenselyfelt in specific, vulnerable areas; in some areas it can be ashigh as 10 to 50 percent of the impact of carbon dioxide.112 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Global trends in motor vehicle pollution control: a 2011 updateThe hardest hit areas are likely to be those directly aroundthe release site, so these emissions are especially significantin and around coastal waters.Eutrophication and nitrificationEutrophication is the accelerated production of organicmatter, particularly algae, in a water body. Nitrogen depositioncontributes to eutrophication of watersheds, particularlyin aquatic systems where atmospheric deposition of nitrogenrepresents a significant portion of total nitrogen loadings.This increased growth can cause numerous adverse ecologicaleffects and economic impacts, including nuisance algalblooms, dieback of underwater plants due to reduced lightpenetration, and toxic plankton blooms. Algal and planktonblooms can also reduce the level of dissolved oxygen, whichcan adversely affect fish and shellfish populations. In recentdecades, human activities have greatly accelerated nutrientimpacts, such as nitrogen and phosphorus, causing excessivegrowth of algae and leading to degraded water quality andassociated impairment of freshwater and estuarine resourcesfor human uses [9].Severe and persistent eutrophication often directly impactshuman activities. For example, losses in the nation’sfishery resources may be directly caused by fish kills associatedwith low dissolved oxygen and toxic blooms. Declinesin tourism occur when low dissolved oxygen causes noxioussmells and floating mats of algal blooms create unfavorableaesthetic conditions. Risks to human health increase whenthe toxins from algal blooms accumulate in edible fish andshellfish, and when toxins become airborne, causing respiratoryproblems due to inhalation.Materials damage and soilingThe deposition of airborne particles can reduce the aestheticappeal of buildings and culturally important structuresthrough soiling, and can contribute directly (or in conjunctionwith other pollutants) to structural damage by means of corrosionor erosion [40]. Particles affect materials principallyby promoting and accelerating the corrosion of metals, bydegrading paints, and by deteriorating building materialssuch as concrete and limestone. Particles contribute to theseeffects because of their electrolytic, hygroscopic, and acidicproperties, and their ability to adsorb corrosive gases (principallysulfur dioxide). The rate of metal corrosion dependson a number of factors, including the deposition rate andnature of the pollutant; the influence of the metal protectivecorrosion film; the amount of moisture present; variabilityin the electrochemical reactions; the presence and concentrationof other surface electrolytes; and the orientation ofthe metal surface.Climate changeFinally, there is no longer any scientific dispute thathuman production of greenhouse gases, including carbondioxide (CO 2), methane (CH 4), and nitrous oxide (N 2O), areresponsible for the unprecedented rate of warming observedover the past century. According to the IntergovernmentalPanel on Climate Change (“IPCC”), “[w]arming of theclimate system is unequivocal, as is now evident fromCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)observations of increases in global air and ocean temperatures,widespread melting of snow and ice, and rising globalaverage sea level” [24] Moreover, “[m]ost of the observedincrease in global average temperatures since the mid-20thcentury is very likely due to the observed increase in anthropogenicgreenhouse gas concentrations.” Thus, the world’sleading scientific body on the subject has now concluded,with greater than 90 percent certainty, that emissions ofgreenhouse gases are responsible for climate change.Concentrations of the main greenhouse gases in theatmosphere have reached their highest level since pre-industrialtimes, the World Meteorological Organization (WMO)announced recently [48]. Concentrations of the gases continuedto build up in 2009 – the latest year of observations– despite the economic slowdown, the U.N. agency said inits latest Greenhouse Gas Bulletin. Total radiative forcingof all long-lived greenhouse gases – the balance betweenradiation coming into the atmosphere and radiation goingout – increased by 1.0 percent in 2009 compared to 2008 androse by 27.5 percent from 1990 to 2009, the WMO said.Carbon dioxide is the single most important greenhousegas caused by human activity, contributing 63.5 percent oftotal radiative forcing. Its concentration has increased by38 percent since 1750, mainly because of emissions fromburning fossil fuels, deforestation and changes in land use,the WMO said. Figure 5 shows the recent global trend inCO2 emissions from the transportation sector, illustratingthe rapid rise in recent decades.Natural emissions of methane due for example to themelting of the Arctic icecap or increased rainfall on wetlands– themselves caused by global warming – are also becomingmore significant, according to the Bulletin. This couldcreate a "feedback loop" in which global warming releaseslarge quantities of methane into the atmosphere which thencontributes to further global warming. These natural emissionscould be the reason why methane has increased in theatmosphere over the past three years after nearly a decadeof no growth, the WMO said.The average concentration for carbon dioxide wasmeasured at 386.8 parts per million (ppm), the average formethane at 1,803 parts per billion (ppb), and the average fornitrous oxide at 322.5 ppb. “These values are greater thanthose in pre-industrial times (before 1750) by 38 percent,158 percent, and 19 percent respectively,” the WMO said.The U.N. agency noted that atmospheric growth rates forcarbon dioxide – the main contributor to global warming –and nitrous oxide in 2009 were consistent with recent yearsbut lower than in 2008.To highlight the most recent developments, cuttingemissions of black carbon and concentrations of ozone inthe atmosphere's lowest level, the troposphere, would havesignificant effects on climate change and health, a multiyearstudy by the United Nations Environment Program of blackcarbon and other short-lived pollutants recently concluded.Black carbon, also known as soot and tropospheric ozonehave a wide range of harmful effects on the environment andhuman health. Those effects include contributing to climate113

Global trends in motor vehicle pollution control: a 2011 updateFig. 5. Global trends in CO 2emissions from transportationchange, as black carbon limits the ability of snow coverand ice to reflect heat back into the atmosphere; changes intropical rainfall patterns; respiratory disease and prematuredeaths; and ozone-caused reductions in crop yield and foodsecurity.The report 9) highlighted several efforts that could reducethe short-lived pollutants, such as recovering methanefrom transport, which would reduce ozone concentrationsbecause methane is an integral part of the chemical reactionthat creates ozone in the troposphere. Black carbon couldbe significantly reduced by requiring the use of “particulatefilters” on vehicles, the report said.If the recommended measures are fully implemented,the authors predicted that future warming could be reducedby about 0.5 degrees Celsius (0.9 degrees Fahrenheit). Themeasures could also help to avoid about 2.4 million prematuredeaths and prevent the loss of about 52 million tons ofcorn, soybeans, and wheat.The principle motor vehicle related pollutants of concernwith regard to climate change are summarized below.Carbon dioxideAccording to the IPCC, carbon dioxide is the most importantanthropogenic greenhouse gas. The primary source ofcarbon dioxide emissions since the pre-industrial period hasbeen the combustion of fossil fuels, with land-use changesalso contributing. The global atmospheric concentration ofcarbon dioxide has increased from a pre-industrial level ofabout 280 parts per million (“ppm”) to 379 ppm in 2005, byfar exceeding the natural range over the last 650,000 years(180 to 300 ppm), as estimated by ice core samples 10) .Carbon dioxide’s behavior in the atmosphere is wellunderstood. Carbon dioxide is a “radiative forcing” gas,meaning that it alters the balance of incoming and outgoingenergy in Earth’s atmosphere 11) . Carbon dioxide absorbsradiation leaving the Earth’s surface, trapping this heat in theatmosphere. As levels of carbon dioxide increase less and lessheat escapes the atmosphere, and the planet warms.9)Integrated Assessment of Black Carbon and Tropospheric Ozone: Summaryfor Decision Makers.10)Working Group I Summary at 2.11)See Solomon, S., et al., Technical Summary, Working Group I, (2007),at 21 n.1, [hereinafter “Technical Summary”].Because CO 2concentrations are relatively well-mixed theradiative forcing that is exerted is relatively homogeneouslydistributed across the globe, although it is slightly larger inthe tropics and slightly smaller at high latitudes. The radiativeforcing in 2005 (i.e. the change owing to the increase in theCO 2concentration since 1750) is estimated to be 1 .66 W·m –2 ,which is an increase of 0.2 W·m –2 on its value for the year2000 [34], an increase that is mainly due to the continuedrise in atmospheric CO 2concentrations in the interveningtime period. The GWP of CO 2is necessarily 1 whatever thetimescale given, because it is the reference trace gas.MethaneThe mixing ratio of CH 4(1778 ppb (1191 μg/m 3 ) in 2004according to a global network of measurements performedby NOAA Climate Monitoring and Diagnostics Laboratory(C MDL)) is also increasing, although the rate has slowedin recent years. Methane has a range of sources, both naturaland anthropogenic. The change from the pre-industrialconcentration of 715 ppb (479 μg/m 3 ) to the 2004 value of1778 ppb (1191 μg/m 3 ) gives a radiative forcing of 0.48W·m –2 . The GWP is stronger than that for CO 2owing tothe stronger radiative efficiency, but the GWP decreases aslonger time horizons are considered because its atmosphericresidence time is shorter than that of CO 2. Methane has ashorter atmospheric lifetime than CO 2and, although stillquite well-mixed, its concentration shows greater variationbetween monitoring sites.Methane is removed from the atmosphere mainly by reactionwith the hydroxyl radical (OH), whose concentration isaffected by emissions of CO, VOCs and NO x. Thus, in additionto direct emissions of CH 4, anthropogenic emissions ofCO, VOCs and NO xcan respectively increase and decreasethe atmospheric CH 4burden. Positive and negative indirectGWPs can therefore be ascribed to VOCs and NO x[7, 10].Similarly CH 4itself has an indirect GWP through its effect onits own removal rate and on tropospheric O 3production.According to new calculations, methane's effect onwarming the world's climate may be double what is currentlythought. The new interpretations reveal methane emissionsmay account for a third of the climate warming from wellmixedgreenhouse gases between the 1750s and today. TheIPCC report states that methane increases in our atmosphereaccount for only about one sixth of the total effect of wellmixedgreenhouse gases on warming.Part of the reason the new calculations give a larger effectis that they include the effect methane has on air pollution.A major component of air pollution is near-surface-level ortropospheric ozone, which is not directly emitted, but is insteadformed chemically from methane other hydrocarbons,carbon monoxide and nitrogen oxides. The IPCC report includesthe effects of tropospheric ozone increases on climate,but it is not attributed to particular sources. By categorizingthe climate effects according to emissions, Shindell andcolleagues found the total effects of methane emissions aresubstantially larger. In other words, the true source of someof the warming that is normally attributed to smog is reallydue to methane that leads to increased smog.114 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Global trends in motor vehicle pollution control: a 2011 updateNitrogen oxides and nitrous oxideNitrogen oxides consist of a family of several compoundscontaining nitrogen and oxygen in varying amounts. Nitrogenoxides play a role in climate change through two primarymeans: (1) nitrogen oxides react with other substances toform the greenhouse gas ozone, and (2) nitrous oxide is itselfa highly potent and long-lived greenhouse gas. Moreover,nitrogen oxide pollution represents an additional burden onoceanic pH levels by lowering pH and increasing acidity.Emissions of nitrogen oxides contribute to the atmosphericconcentration of ozone, which the IPCC has determined isthe third most damaging greenhouse gas, after carbon dioxideand methane [8]. As nitrogen oxides react with volatileorganic compounds, they create ozone in the lower layer ofthe atmosphere, the troposphere. Through the production oftropospheric ozone, nitrogen oxide emissions contribute tothe warming of the surface-troposphere system.Nitrous oxide behaves very similarly to carbon dioxide inthat it both directly traps heat in the atmosphere and remainsin existence for many decades once emitted 12) . However,nitrous oxide is far more potent, with a global warmingpotential 298 times that of carbon dioxide over 100 years.According to the IPCC, the concentration of nitrous oxidein the atmosphere in 2005 was 319 parts per billion (ppb),approximately 18 percent higher than its pre-industrial level.Moreover, data from ice cores indicate that in the 11,500years before the Industrial Revolution, the level of nitrousoxide in the atmosphere varied by less than about ten ppb.Black carbonA product of inefficient combustion, black carbon, alsoknown as soot, consists of microscopic solid particles ofincompletely burned organic matter 13) . Black carbon is apotent warmer, exerting effects on the global climate bothwhile suspended in the atmosphere and when depositedon snow and ice. In fact, one study estimates that a givenmass of black carbon will warm the air between 360,000and 840,000 times more than an equal mass of carbondioxide [26]. While the quantification is quite variable, alarge number of recent studies have raised serious concernsregarding the climate impacts of black carbon 14) . The mostpernicious characteristic of black carbon from a climaticperspective is its dark color and correspondingly low albedo,or reflectivity. Because of this dark coloring, black carbonabsorbs heat from sunlight.12)E.g., Technical Summary at 27 (discussing the radiative forcing effectof N 2O); at 23-24 (discussing the long atmospheric lifetimes of CO 2, CH 4,and N 2O).13)See W. Chameides and M. Bergin, Soot Takes Center Stage, 297 Science2214 (Sept. 27, 2002), (explaining that “BC is produced through incompletecombustion of biomass, coal, and diesel fuel”).14)Bond TC, Sun H. 2005. Can Reducing Black Carbon Emissions CounteractGlobal Warming? Environ. Sci. Technol. 39(16):5921-5926, DelucchiMA. 2003. Appendix D: CO 2Equivalency Factors. An Appendix to theReport, "A Lifecycle Emissions Model (LEM): Lifecycle Emissions fromTransportation Fuels, Motor Vehicles, Transportation Modes, ElectricityUse, Heating and Cooking Fuels, and Materials. Davis, California: Instituteof Transportation Studies, Forster P, Ramaswamy V, Artaxo P, Berntsen TK,Betts R, Fahey DW, Haywood J, Lean J, Lowe DC, Myrhe G and others.COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)When suspended in the air, black carbon warms by trappingheat in the top of the atmosphere. The IPCC estimatesthat atmospheric black carbon exerts a positive radiativeforcing effect of +0.2 W/m 2 15) . This direct warming leads tofeedback effects which magnify the global warming contributionof black carbon [26]. For example, as black carbonparticles absorb sunlight, they warm the air around them,decreasing the relative humidity of the air and thus the liquidwater content of other particles suspended in the air. Thedrying out of these other particles reduces their reflectivity,and as they absorb more sunlight the air warms even more.Further, the water evaporated from such particles remains inthe air as water vapor, which is itself a greenhouse gas.When deposited out of the air onto a lighter surface, thedarker black carbon causes the surface to absorb more of thesun’s energy. Thus, when deposited on snow or ice, blackcarbon can reduce the snow’s reflectivity and accelerate themelting process [35]. As when suspended in the atmosphere,black carbon’s deposition onto ice and snow creates positivefeedback effects that lead to even greater warming. For example,as snow and ice around them melt away, the depositedblack carbon particles can become even more concentratedon and near the surface, further reducing the reflectivity ofthe remaining snow and ice [16]. Thus, although the IPCCestimates the radiative forcing effect of black carbon depositionon snow and ice to be +0.1 W/m 2 , it acknowledges thatthe radiative forcing metric may not accurately capture theclimatic impacts of black carbon deposition on snow and ice.In the words of the IPCC, “the ‘efficacy’ may be higher” forblack carbon radiative forcing, as it produces a temperatureresponse 1.7 times greater than an equivalent radiativeforcing due to carbon dioxide [21]. Because the Arctic haswarmed at around twice the rate of the rest of the world overthe last 100 years, controlling and reducing black carbonemissions is particularly important [22]. The impacts of blackcarbon are not limited to the Arctic, however. Black carbonmay be responsible for as much as 25 percent of observedglobal warming [19]. Thus, the overall contribution of black2007. Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative Forcing In:Solomon S, Qin D, Manning M, Chen Z, Marquis M, Averyt KB, TignorM, Miller HL, editors. Climate Change 2007: The Physical Sciences Basis.Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of theIntergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, UK and NewYork, USA, Fuglestvedt JS, Berntsen TK, Godal O, Sausen R, Shine KP,Skodvin T. 2003. Metrics of Climate Change: Assessing Radiative Forcingand Emission Indices. Climatic Change 58(3):267-331, Hansen J, Sato M,Kharecha P, Russell G, Lea DW, Siddall M. 2007. Climate change and tracegases. Philosophical Transactions of the Royal Society A 365:1925-1954,Hansen J, Sato M, Ruedy R, Lacis A, Oinas V. 2000. Global Warming inthe 21 st Century: An alternative Scenario. Proceedings of the NationalAcademy of Sciences 97(18):9875-9880, Jacobson MZ. 2007. Testimonyfor the Hearing on Black Carbon and Global Warming. House Committeeon Oversight and Government Reform. 110th Congress, First Session ed.Washington, DC, Jacobson MZ. 2002. Control of fossil-fuel particulateblack carbon and organic matter, possibly the most effective method ofslowing global warming. J Geoph Res 107(D19):16:1-16:22, RamanathanV. 2007. Role of Black Carbon on Global and Regional Climate Change.House Committee on Oversight and Government Reform, 110 th Congress,1st Session. Washington, DC.15)Technical Summary, at 29.115

Global trends in motor vehicle pollution control: a 2011 updatecarbon to global warming may be substantial, perhaps secondonly to that of carbon dioxide 16) .A very recent study indicates that black carbon has awarming effect in the atmosphere three to four times greaterthan prevailing estimates, according to scientists in a reviewarticle in the journal Nature Geoscience [3]. Scripps Institutionof Oceanography at UC San Diego atmospheric scientistV. Ramanathan and University of Iowa chemical engineerGreg Carmichael said that soot and other forms of blackcarbon could have as much as 60 percent of the current globalwarming effect of carbon dioxide, more than that of anygreenhouse gas besides CO 2. In the paper, Ramanathan andCarmichael integrated observed data from satellites, aircraftand surface instruments about the warming effect of blackGreat progress in reducing emissions of the urban airpollutants and their precursors from gasoline-fueled cars hasoccurred in the major industrialized countries and stringentrequirements for diesel vehicles are starting to be phasedin. However, the vehicle population and vehicle kilometerstraveled are expected to continue to grow rapidly in the futureespecially in developing countries which will offset manyof the gains to date [47].The next section will review the steps necessary toreduce motor vehicle emissions and the current status inmany countries.Paper reviewedFig. 6. Elements of a comprehensive vehicle pollution control strategycarbon and found that it’s forcing, or warming effect in theatmosphere, is about 0.9 watts per meter squared.Ramanathan and Carmichael said the IPCC’s conservativeestimates are based on widely used computer modelsimulations that do not take into account the amplificationof black carbon's warming effect when mixed with otheraerosols such as sulfates. The models also do not adequatelyrepresent the full range of altitudes at which the warmingeffect occurs. The most recent observations, in contrast, havefound significant black carbon warming effects at altitudesin the range of 2 kilometers (6,500 feet), levels at whichblack carbon particles absorb not only sunlight but also solarenergy reflected by clouds at lower altitudes.Water vaporAircraft are unique in that they also contribute to climatechange by altering cloud cover patterns. They do this byemitting water vapor which forms condensation trails, or“contrails,” when released at high altitude. Contrails are visibleline clouds that form in cold, humid atmospheres [23].In addition, the persistent formation of contrails is associatedwith the spread of cirrus clouds [20]. An increase in cirruscloud cover tends to warm the surface of the Earth, furthercontributing to global warming.16)Chameides and Bergin, at 2214.Bibliography[1] Air quality guidelines for Europe; second edition Copenhagen,WHO Regional Office for Europe, 2000 (WHO regionalpublications. European series; No 91).[2] Bhatia R., Lopipero P., Smith A.: (1998) Diesel exposure andlung cancer. Epidemiology 9(1):84– 91.[3] Black Carbon Pollution Emerges As Major Player In GlobalWarming. Science Daily. Retrieved March 24, 2008, Universityof California - San Diego (2008, March 24), from http://www.sciencedaily.com-/releases/2008/03/080323210225.htm[4] Brunekreef B., Janssen N.A.H., de Hartog J., Harssema H.,Knape M., van Vliet P.: (1997) Air pollution from truck trafficand lung function in children living near roadways. Epidemiology8:298–303.[5] Buringh E., Fischer P., Hoek G.: (2000) Is SO2 a causativefactor for the PM-associated mortality risks in the Netherlands?Inhalation Toxicol 12 (Suppl):55–60.[6] Burnett R.T., et al.: Associations between short-term changesin nitrogen dioxide and mortality in Canadian cities. Archivesof Environmental Health, 59: 228-236 (2004).[7] Collins W.J., Derwent R.G., Johnson C.E., Stevenson D.S.: (2002)The oxidation of organic compounds in the troposphere and theirglobal warming potentials, Climatic Change 52(4), 453-479.[8] Denman K.L., et al. Couplings Between Changes in the ClimateSystem and Biogeochemis try, (2007), at 544. In: WorkingGroup I Summary.[9] Deposition of Air Pollutants to the Great Waters, Third Reportto Congress, June 2000, EPA– 453/R–00–005.[10] Derwent R.G., Collins W.J., Johnson C.E., Stevenson D.S.:(2001) Transient behaviour of tropospheric ozone precursorsin a global 3-D CTM and their indirect greenhouse effects.Climatic Change 49 (4), 463-487.[11] Dockery D.W., Pope C.A., Xu X., et al.: (1993) An associationbetween air pollution and mortality in six U.S. cities. N EnglJ Med 329:1753–1759.[12] Doney S.C., et al.: Impact of Anthropogenic AtmosphericNitrogen and Sulfur Deposition on Ocean Acidification andthe Inorganic Carbon System, (2007), PNAS Vol. 104:14580-14585, at 14580.[13] Effect of Carbon Monoxide On Exercise Performance InChronic Obstructive pulmonary Disease, Aronow, et. al., Am.J. Med., 1977.[14] Environmental Protection Agency, Air Quality Criteria forCarbon Monoxide, Office of Research and Development,Washington, D.C., June 2000b.116 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Global trends in motor vehicle pollution control: a 2011 update[15] Ferris: Health Effects of Exposure To Low Levels of RegulatedAir Pollutants, A Critical Review, Journal of The Air PollutionControl Association, May 1978.[16] Flanner M.G., et al.: Present-Day Climate Forcing and Responsefrom Black Carbon in Snow, 112 Journal of GeophysicalResearch D1 1202 (2007) at 2.[17] Hedley A.J., et al.: Cardiorespiratory and all-cause mortalityafter restrictions on sulfur content of fuel in Hong Kong: anintervention study. Lancet, 360: 1646-1652 (2002).[18] Heinrich U., Fuhst R., Rittinghausen S., et al.: (1995) Chronicinhalation exposure of Wistar rats and two different strainsof mice to diesel engine exhaust, carbon black, and titaniumdioxide. Inhal. Toxicol. 7:553–556.[19] International Council on Clean Transportation (ICCT) (Mar.,2007) Air Pollution and Greenhouse Gas Emissions fromOcean-Going Ships: Impacts, Mitigation Options and Opportunitiesfor Managing Growth at 34.[20] IPCC, Aviation and the Global Atmosphere (1999) at Summaryfor Policymakers.[21] IPCC, Climate Change 2007: The Physical Science Basis,Contribution of Working Group I to the Fourth AssessmentReport of the Intergovernmental Panel on Climate Change,Forster, P., et al., Changes in Atmospheric Constituents andin Radiative Forcing (2007) at 184-85.[22] IPCC, Climate Change 2007: The Physical Science Basis,Contribution of Working Group I to the Fourth AssessmentReport of the Intergovernmental Panel on Climate Change,Trenberth, K.E, et al. Observations: Surface and AtmosphericClimate Change (2007) at 237.[23] IPCC, Climate Change 2007: The Physical Science Basis;Contribution of Working Group I to the Fourth AssessmentReport of the Intergovernmental Panel on Climate Change(Feb. 2007) at 186, [hereinafter Working Group I Report].[24] IPCC, Summary For Policymakers: Climate Change 2007:The Physical Science Basis; Contribution Of Working GroupI To The Fourth Assessment Report Of The IntergovernmentalPanel On Climate Change (Feb. 2007) at 5 [hereinafter WorkingGroup I Summary].[25] Ishinishi N., Kuwabara N., Takaki Y., et al.: (1988) Long-terminhalation experiments on diesel exhaust. In: Diesel exhaustand health risks. Results of the HERP studies. Ibaraki, Japan:Research Committee for HERP Studies; pp. 11–84.[26] Jacobson M.Z.: Control of Fossil-Fuel Particulate Black Carbonand Organic Matter, Possibly the Most Effective Methodof Slowing Global Warming, 107 Journal Of GeophysicalResearch 4410 (2002) at 10.[27] Kim J.J., Smorodinsky S., Lipsett M., Singer B.C., HodgsonA.T., Ostro B.: (2004) Traffic-related air pollution near busyroads: The East Bay children’s respiratory health study. Am.J. Respir. Crit. Care Med. 170: 520–526.[28] Krewski D., et al.: Reanalysis of the Harvard Six Cities Study andthe American Cancer Society Study of Particulate Air Pollutionand Mortality. Health Effects Institute Special Report, July 2000.[29] Lipsett M., Campleman S.: (1999) Occupational exposure todiesel exhaust and lung cancer: a meta- analysis. Am J PublicHealth 80(7): 1009–1017.[30] Mauderly J.L., Jones R.K., Griffith W.C., et al.:(1987) Dieselexhaust is a pulmonary carcinogen in rats exposed chronicallyby inhalation. Fundam. Appl. Toxicol. 9:208–221.[31] Nikula K.J., Snipes M.B., Barr E.B., et al.: (1995) Comparativepulmonary toxicities and carcinogenicities of chronicallyinhaled diesel exhaust and carbon black in F344 rats. Fundam.Appl. Toxicol. 25:80–94.[32] Pope C.A., Thun M.J., Namboodiri M.M., Docery D.W., EvansJ.S., Speizer F.E., Heath C.W.: (1995) Particulate air pollutionas a predictor of mortality in a prospective study of U.S. adults.Am J Respir Crit Care Med 151:669–674.[33] Pope, C.A. et al. Lung cancer, cardiopulmonary mortality, andlong-term exposure to fine particulate air pollution. Journal ofthe American Medical Association, 287: 1132–1141 (2002).[34] Ramaswamy V., Boucher O., Haigh J., Hauglustaine D., HaywoodJ., Myhre G., Nakajima T., Shi G.Y., Solomon S.: (2001)Radiative Forcing of Climate Change. In: Climate Change2001: The Scientific Basis. IPCC Special Report. Ch 6.[35] Reddy M.S., Boucher O.: Climate Impact of Black CarbonEmitted from Energy Consumption in the World’s Regions,34 Geophysical Research Letters L1 1802 (2006) at 1.[36] Riekider M., Cascio W.E., Griggs T.R., Herbst M.C., BrombergP.A., Neas L., Williams R.W., Devlin R.B.: (2003) Particulate MatterExposures in Cars is Associated with Cardiovascular Effects inHealthy Young Men. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 169: 934–940.[37] Special Report 18, Outdoor Air Pollution and Health in theDeveloping Countries of Asia: A Comprehensive Review.[38] U.S. EPA (2002) Health Assessment Document for DieselEngine Exhaust. EPA/600/8–90/057F Office of Research andDevelopment, Washington DC.[39] U.S. EPA (2004) Air Quality Criteria for Particulate Matter(Oct 2004), Volume I Document No. EPA600/P–99/002aF andVolume II Document No. EPA600/P–99/002bF.[40] U.S. EPA (2005) Review of the National Ambient Air QualityStandard for Particulate Matter: Policy Assessment ofScientific and Technical Information, OAQPS Staff Paper.EPA– 452/R–05–005.[41] U.S. EPA (2006) Review of the National Ambient Air QualityStandards for Ozone, Policy Assessment of Scientific andTechnical Information. OAQPS Staff Paper Second Draft.EPA–452/D–05–002.[42] U.S. EPA Air Quality Criteria for Ozone and Related PhotochemicalOxidants (Final). U.S. Environmental ProtectionAgency, Washington, D.C., EPA 600/R–05/004aF–cF, 2006.[43] Van Vliet P., Knape M., de Hartog J., Janssen N., HarssemaH., Brunekreef B.: (1997) Motor vehicle exhaust and chronicrespiratory symptoms in children living near freeways. Env.Research 74: 122–132.[44] WHO Air quality guidelines for particulate matter, ozone,nitrogen dioxide and sulfur dioxide: Global update 2005,Summary of risk assessment.[45] Wichmann H.E., et al.: Daily mortality and fine and ultrafineparticles in Erfurt, Germany part 1: Role of particle number andparticle mass. Research Report 98. Cambridge, MA: HealthEffects Institute (2000).[46] Wong C.M., et al.: A tale of two cities: effects of air pollutionon hospital admissions in Hong Kong and London compared.Environmental health perspectives, 110: 67–77 (2002).[47] World Business Council on Sustainable Development, Mobility2030: Meeting the Challenges to Sustainability, TheSustainable Mobility Project, Full Report 2004.[48] www.wmo.int/pages/mediacentre/press_releases/pr_903_en.htmlMichael Walsh – International Consultant, BoardChairman, International Council on Clean Transportation,USA.Michael Walsh – międzynarodowy konsultant,przewodniczący ICCT, USA.e-mail: mpwalsh@igc.orgCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)117

Książki o silnikachBooks on combustion enginesKsiążki o silnikachSAMOCHODOWE MAGISTRALE DANYCHW PRAKTYCE WARSZTATOWEJ. BUDOWA,DIAGNOSTYKA, OBSŁUGAFrei M.Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2010Książka jest praktycznym poradnikiem opisującym podstawy budowy,diagnozowanie i obsługę powszechnie stosowanych obecnie siecitransmisji danych wykorzystywanych welektronicznym wyposażeniu pojazdówsamochodowych. Zawiera klasyfikacjęsieci samochodowych, budowę i działaniemagistrali CAN, diagnozowanie magistraliLow-Speed CAN, diagnozowaniemagistrali High-Speed CAN, budowęi sprawdzanie sieci LIN, podstawoweinformacje o sterowaniu X-by-wire orazpodstawy budowy i poszukiwania usterekw sieci FlexRay. Opisy praktyczneoparto na przykładach zaczerpniętych zsamochodów VW Touran, Audi A8 orazMercedes-Benz klasy C typu W203 iW204. Dobremu zrozumieniu treści służąliczne przejrzyste ilustracje.ENGINE COMBUSTION: PRESSURE MEASUREMENTAND ANALYSISRogers D. R.SAE International, 2010Książka zawiera zagadnienia związane z procesem spalania i technikamipomiarowymi stosowanymi w silnikach spalinowych. W szczególnościomawia tematykę dotyczącą ciśnienia panującego w komorze spalania.Zawiera także praktyczne informacjena temat sposobów pomiaru ciśnieniaspalania i analizy uzyskanych danychoraz szczegółowe informacje na tematwymagań sprzętowych, oprogramowaniai innych składników systemu pomiarowego.Zaprezentowane zasady właściwegoprowadzenia pomiarów pozwalają technikomi inżynierom pozyskiwać niezbędnedane do wykonywania zadań związanychz rozwojem konstrukcji silników spalinowych.Książka ta stanowi więc cenneopracowanie wspierające prowadzenieprac badawczo-rozwojowych.Qualifying as assistant professorHabilitacjedr hab. inż. Stanisław SZWAJACombustion pressure fluctuations study in the hydrogen fueledinternal combustion engineThe qualifying procedure was held on 1 March 2011 in the Faculty of MechanicalEngineering and Computer Science of Czestochowa Universityof Technology.Main aim of the thesis was to recognize essence of hydrogencombustion knock and evaluate its intensity in the reciprocatingspark ignited combustion engine. On the basis of the conductedinvestigation it was confirmed that hydrogen combustion knockfeatures with dual nature. It can be caused by hydrogen selfignitionat the end of combustion or can occur as a result ofcombustion instabilities.The intensity of knock in the individual combustion eventswas expressed by the maximum (PP- peak pressure) of the highfrequency component of the in-cylinder combustion pressure.The high frequency pressure was separated from the combustionpressure through applying digital filtering methods. Next, themean peak pressure also called as knock intensity (PPśr) wasdetermined for the test series consisted of consecutive combustionevents with the individual PP’s at stable engine work. It isconcluded, on the basis of research, that the time based hydrogenknock intensity distribution from the test series expressed by thePPśr can be considered as a stationary and ergodic stochasticprocess with constant both the mean and the variance.Various PPśr intensity, placed in the range from 10 kPaup to 1 MPa and more, was observed with changing engineparameters and parameters of the hydrogen-air combustiblemixture. The combustion pressure fluctuations with PPśr of10–100 kPa are considered as “weak” hydrogen knock. Pres-Studium pulsacji ciśnienia spalania w tłokowym silniku spalinowymzasilanym wodoremPrzewód habilitacyjny przeprowadzono w dniu 1 marca 2011 roku naWydziale Inżynierii Mechanicznej i Informatyki Politechniki Częstochowskiej.Głównym celem pracybyło poznanie istoty stukuoraz ocena jego intensywnościw tłokowym silniku spalinowymo zapłonie iskrowymzasilanym wodorem. Napodstawie przeprowadzonychbadań stwierdzono, żewystępują dwie przyczynypowstawania stuku wodorowego:może on być spowodowanyniestabilnościamispalania wodoru lub możebyć wywołany samozapłonemtego paliwa w końcowejfazie spalania.Intensywność tego stukudla pojedynczego cyklu spalaniawyrażano za pomocąmaksymalnej amplitudy (PP)pulsacji ciśnienia w danymcyklu. Pulsacje te odfiltrowywanoz zarejestrowanegoprzebiegu ciśnienia spalania.118 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)

Qualifying as assistant professorsure fluctuations with PPśr higher 300 kPa up to several MPa are calledas “strong” hydrogen knock. Pressure fluctuations below 10 kPa are takenas “combustion noise”, which was typical in the engine with compressionratio of 8 and lower.Thus, the “weak” knock with the PPśr in the range from several dozenskPa up to 100–200 kPa was caused by combustion instabilities. The “strong”hydrogen knock resulted from hydrogen-air mixture self-ignition at the endphase of its combustion, that was a reason of very high knock intensity PPof more than 1 MPa at individual combustion events.It is found, that the mean knock intensity PPśr is in positive correlationwith engine parameters as spark advance, compression ratio, and hydrogendose. Linear negative correlation was observed between PPśr and both thealternative air-fuel ratio “lambda” and the exhaust gas recirculation ratio(EGR) with respect to their dilution effect. The correlation between PPśrand the in-cylinder mixture temperature before ignition was found as theexponential one.The investigation led to conclusion that the high knock intensity iscaused by the strong hydrogen knock taken place at the end combustionphase, just after 90% of hydrogen mass fraction burnt. The maximum of the“weak” hydrogen knock was located between 50% and 90% of hydrogenburnt, that additionally confirms conclusion on deflagration combustioninstabilities as a source for the pressure fluctuations in this case.On the basis of the results from the conducted research the thesis ofdual nature of hydrogen combustion knock was proved. The hydrogen knockcan be generated under improper engine operation and it can be caused bydeflagration combustion instabilities or by hydrogen self-ignition. Unlikegasoline knock in the IC engine, the hydrogen combustion knock can accompanycombustion from its initiating by a spark discharge.Cooling the hydrogen-air combustible mixture and mixture dilutionby applying the EGR are considered as the effective measures to reducehydrogen combustion knock.Dla serii pomiarowej złożonej z kilkuset kolejnych cykli spalania zarejestrowanychw ustalonych warunkach pracy silnika wyznaczano wartość średniąPPśr. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że intensywnośćstuku wodorowego dla indywidualnych cykli spalania można uznać zastacjonarny proces losowy o stałej wartości średniej i wariancji.W zależności od parametrów mieszanki wodorowo-powietrznej iparametrów silnika obserwowano różną intensywność pulsacji ciśnieniaPPśr, zawierającą się w dwóch przedziałach wartości:– od około 10 do około 200 kPa (pulsacje „słabe”),– do wartości na poziomie 0,3–1 MPa (pulsacje „silne”).Pulsacje mniejsze niż 10 kPa można było uznać jako tzw. szum spalania,który występował przy niewielkim stopniu sprężania silnika ε < 8.Pulsacje „słabe” o intensywności na poziomie od kilkunastu do 100–200kPa powodowane były niestabilnym przebiegiem spalania. Gwałtownywzrost pulsacji PP do wartości powyżej 1 MPa powstawał jako efekt występowaniasamozapłonu mieszanki wodorowo-powietrznej w końcowejfazie jej spalania. Badając wpływ parametrów silnikowych zaobserwowanowzrost intensywności PPśr pulsacji wraz ze wzrostem kąta wyprzedzeniazapłonu, stopnia sprężania silnika, temperatury mieszanki w chwili zapłonui dawki wodoru. Liniowy spadek intensywności pulsacji PPśr występowałnatomiast dla mieszanek o większym stopniu zubożenia oraz dla mieszanekrozcieńczanych spalinami w wyniku stosowania recyrkulacji spalin. Wyjątkiembyła zależność pulsacji od temperatury (w tym również od stopniasprężania), która przyjmowała typowo wykładniczą postać.W wyniku analizy przebiegu wypalania mieszanki palnej zaobserwowano,że intensywne pulsacje ciśnienia występują w końcowej fazieprzebiegu spalania już po 90-procentowym wypaleniu mieszanki. Natomiastmaksimum pulsacji „słabych” występowało w środkowej fazie spalania pomiędzy50% i 90% wypalenia paliwa, co potwierdza tezę, że ich przyczynąbył niestabilny przebieg spalania wodoru.DoctoratesDoktoratyDr inż. Marcin ZacharewiczMetoda diagnozowania przestrzeni roboczych silnika okrętowegona podstawie parametrów procesów gazodynamicznych w kanalezasilającym turbosprężarkęPromotor: dr hab. inż. Zbigniew Korczewski prof. nadzw. PG – PolitechnikaGdańska.Recenzenci: prof. dr hab. inż. Leszek Piaseczny – Akademia MarynarkiWojennej, prof. dr hab. inż. Marek Orkisz – Politechnika Rzeszowska.Stopień naukowy doktora nauk technicznych został nadany przez RadęWydziału Mechniczno-Elektrycznego Akademii Marynarki Wojennej 11maja 2010 r.Problemem badawczym podejmowanym w rozprawie była próba odpowiedzina pytanie: jak prowadzić badania diagnostyczne mające na celuocenę stanu technicznego przestrzeni roboczych silników okrętowych w warunkacheksploatacji przy braku możliwości indykowania cylindrów? Na tejpodstawie sformułowano tezę pracy: zmiany stanu technicznego przestrzeniroboczych silnika wywołują deformację przebiegu fali ciśnienia spalin wkanale zasilającym turbinę turbosprężarki, determinując strumień energiispalin przed turbiną, a tym samym jej moc, wydajność i spręż sprężarkidoładowującej, a w konsekwencji osiągi oraz sprawność silnika. Istniejezatem możliwość wyodrębnienia ze zbioru parametrów gazodynamicznych,charakteryzujących pulsacyjny przepływ spalin opuszczających cylindrysilnika, adekwatnych parametrów diagnostycznych, które jednoznacznieidentyfikują te zmiany. Na podstawie tak sformułowanej tezy postawionogłówny cel pracy: było opracowanie metody diagnozowania przestrzeniroboczych silników na podstawie pomiarów ciśnienia spalin w kanałachłączących cylindry silnika z turbiną turbosprężarki.Opracowanie metodyki realizacji badań diagnostycznych pozwoliło na:ocenę nierównomierności obciążenia poszczególnych cylindrów silnika,wskazanie cylindrów, w których proces roboczy w znaczący sposób odbiegaod procesu pozostałych sekcji cylindrowych, identyfikację i lokalizację stanówniezdatności technicznej elementów funkcjonalnych silnika, mającychbezpośredni wpływ na przebieg procesu spalania paliwa w cylindrach.Aby zrealizować założone cele rozprawy konieczne było:1. Przeprowadzenie identyfikacji procesów gazodynamicznych wkanałach spalin wylotowych trzech różnych typów silników okrętowych(czterosuwowych i dwusuwowych) wyposażonych w pulsacyjny układturbodoładowania. Na podstawie wyników badań eksperymentalnychopracowano charakterystyki energetyczne i widmowo-korelacyjne kanałuzasilającego turbinę turbosprężarki w różnych stanach zdatności eksploatacyjnejrozpatrywanych silników.2. Opracowanie modelu matematycznego opisującego procesygazodynamiczne w przestrzeniach roboczych silnika okrętowego, czterosuwowegoz pulsacyjnym układem turbodoładowania. Ogólny modelzostał zweryfikowany na silniku typu SULZER 6AL20/24 i potwierdzonyna silnikach ZVEZDA M401 typu A1 i A2 eksploatowanych na okrętachwojennych MW RP.3. Przeprowadzenie badań eksperymentalnych rozpatrywanych procesówgazodynamicznych na obiektach rzeczywistych. Programem badańobjęto 23 silniki okrętowe w bieżącej eksploatacji. Do realizacji pomiarówCOMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)119

Redakcyjneparametrów kontrolnych tych silników zastosowano specjalnie w tym celuzaprojektowany i zbudowany komputerowy zestaw pomiarowo-rejestracyjny.Wyniki badań wykorzystano w testach weryfikacyjnych opracowanegomodelu matematycznego. Był to wystarczający warunek do realizacjieksperymentów symulacji numerycznej procesów gazodynamicznych wprzestrzeniach roboczych silnika w warunkach wprowadzanych stanówniezdatności eksploatacyjnej. Badanie symulacyjne zrealizowano w celuilościowego i jakościowego rozpoznania deformacji charakterystyk energetycznychkanału zasilającego turbinę turbosprężarki.4. Przeprowadzenie badań symulacyjnych procesów gazodynamicznychw kanale spalin wylotowych silnika z wprowadzonymi stanaminiezdatności. Wyniki badań umożliwiły wyznaczenie zmian parametrówdiagnostycznych, które najlepiej opisują zmiany stanu technicznegoprzestrzeni roboczych silnika. Do analizy wyników badań wykorzystanopojęcie metryki odniesieniowej – w ocenie porównawczej zarejestrowanychprzebiegów parametrów gazodynamicznych oraz funkcjientropii – w ocenie informacyjności wytypowanego zbioru parametrówdiagnostycznych.5. Opracowana metoda diagnostyczna nie pozwala na jednoznacznąidentyfikację i lokalizację stanu niezdatności, lecz daje ogólną informację owystąpieniu stanu niezdatności technicznej w obrębie przestrzeni roboczychsilnika z zawężeniem rejonu poszukiwań z dokładnością do pojedynczejsekcji cylindrowej silnika.Dr inż. Wojciech KarpiukBadanie przydatności paliw alternatywnych do silników o zapłoniesamoczynnym w różnych warunkach wtrysku paliwaPromotor: dr hab. inż. Marek Idzior, prof. PP – Politechnika PoznańskaRecenzenci: prof. dr hab. inż. Jerzy Merkisz – Politechnika Poznańska, drhab. inż. Stanisław W. Kruczyński prof. PW – Politechnika WarszawskaStopień naukowy doktora nauk technicznych nadała Rada Wydziału MaszynRoboczych i Transportu Politechniki Poznańskiej 23 marca 2011 rokuW rozprawie przedstawiono ocenę możliwości poprawy wskaźnikówekologicznych silników o zapłonie samoczynnym, zasilanych olejamirzepakowymi o różnym stopniu przetworzenia. Zagadnienie to rozwiązanona podstawie szczegółowej analizy rozpylenia biopaliw rzepakowychestryfikowanych i nieprzetworzonych oraz oleju napędowego.Przyjęty projekt badawczy obejmował dwa etapy badań. Pierwszymbyły wizualizacyjne badania rozpylenia przeprowadzone na stanowiskupozasilnikowym. Sprawdzano w nim oddziaływanie konstrukcji rozpylacza,ciśnienia wtrysku oraz temperatury paliw na parametry makro- imikrostrukturalne strug rozpylanych paliw. Wykorzystano w tym celuserię prototypowych rozpylaczy, które pogrupowano w pary, dzięki czemumożliwa była ocena wpływu konkretnego parametru konstrukcyjnego narozpylenie. W etapie silnikowym stanowiącym drugą część badań analizowanowpływ wybranych z etapu pierwszego konstrukcji rozpylaczy orazciśnienia wtrysku na osiągane przez silnik wskaźniki ekologiczne. Ocenauzyskanych rezultatów zrealizowana została na podstawie porównaniaemisji związków toksycznych i zadymienia, zarejestrowanych przy zasilaniusilnika biopaliwami i olejem napędowym. Wykonano również szczegółowąanalizę koncentracji cząstek stałych z uwzględnieniem ich wymiarów.Przedstawione w pracy rezultaty badań potwierdziły możliwośćskutecznej poprawy wskaźników emisyjnych powstałych przy zasilaniubiopaliwami silnika o zapłonie samoczynnym. Udowodniono istnieniekorelacji pomiędzy wynikami badań pozasilnikowych i badań silnikowych– ujednolicenie struktury strug uzyskiwane dzięki odpowiedniej konstrukcjirozpylacza lub zwiększanie ciśnienia wtrysku paliwa zmniejszały emisjęzwiązków toksycznych spalin podczas pracy silnika zasilanego biopaliwami.Stwierdzono ponadto, że biopaliwem bardziej podatnym na możliwośćpoprawy wskaźników ekologicznych jest biopaliwo estryfikowane.Wykorzystana metoda badawcza pozwala na ograniczanie kosztownychbadań silnikowych na rzecz tanich i relatywnie łatwych do wykonaniawizualizacyjnych badań pozasilnikowych. Zastosowana koncepcja powinnapoprzedzać badania silnikowe, stanowiąc etap weryfikacji wpływu nowegorozwiązania na ekologiczne wskaźniki pracy silnika.Instrukcjaprzygotowania artykułów do kwartalnikaCombustion Engines/Silniki SpalinoweArtykuł przygotowywany do czasopisma powinienobejmować 6–8 stron formatu A4 i może być napisanyjako dwujęzyczny: w języku polskim i angielskim. Jednak,w celu ujednolicenia technicznego języka angielskiego,Redakcja preferuje własne tłumaczenie (przysłanej wersjitylko polskojęzycznej) na koszt Autora. Koszt tłumaczeniawynosi 39 zł + 23% VAT za 1 s. A4.Jeśli będzie dostarczona wersja angielska, Redakcjaprzekaże ją do weryfikacji, której koszt wynosi 19,50 zł+ 23% VAT.O przyjęciu artykułu do druku decyduje Komitet Redakcyjnypo otrzymaniu deklaracji Autora o Prawach autorskich,dostępnej na stronie internetowej www.ptnss.pl w dzialeWydawnictwo.Artykuł powinien być napisany w powszechnie dostępnymedytorze tekstów (preferowany jest MS Office Word).Wymagania techniczne:– autor,– tytuł artykułu,– streszczenie,– słowa kluczowe,– tekst artykułu wraz z czytelnymi rysunkami i podpisami,– literatura,– zdjęcie i notka o autorze (tytuł naukowy, miejsce pracy,adres e-mail).Zapis bibliograficzny powinien być kompletny: autor(nazwisko i pierwsza litera imienia): Tytuł. Wydawnictwo,miejsce i rok wydania.Artykuł powinien być dostarczony pocztą elektroniczną naadres Redakcji: redakcja@ptnss.pl lub silniki@ptnss.pl.Dostarczone teksty będą przetworzone w programachsłużących do edycji i obłamania w celu zapewnienia jednakowejszaty graficznej. Redakcja zastrzega sobie prawowprowadzenia niezbędnych poprawek redakcyjnych orazzaproponowania skrótów i uzupełnień.120 COMBUSTION ENGINES, No. 2/2011 (145)