Dostępny w formacie PDF - ptnss

1 /2011 (144)COMBUSTION ENGINESSILNIKI SPALINOWE

Od RedakcjiEditorialDear Readers,COMBUSTION ENGINESSILNIKI SPALINOWEScientific MagazineCzasopismo naukoweMarch 20111/2011 (144)PL ISSN 0138-0346Editor/Wydawca:Polskie Towarzystwo NaukoweSilników Spalinowych43-300 Bielsko-Biała, ul. Sarni Stok 93, Polskatel.: 33 8130402, fax: 33 8125038E-mail: sekretariat@ptnss.plWebSite: http://www.ptnss.plScientific Board/Rada Programowa:Rok XLXprof. dr hab. inż. Krzysztof Wisłocki – przewodniczącyprof. dr inż. Bernard Challenprof. dr hab. inż. Zdzisław Chłopekprof. dr hab. inż. Karol Cupiałprof. dr hab. inż. Kazimierz Lejdaprof. dr hab. inż. Janusz Mysłowskiprof. dr hab. inż. Andrzej Niewczasprof. dr hab. inż. Marek Orkiszprof. dr hab. inż. Leszek Piasecznyprof. dr inż. Stefan Pischingerprof. dr hab. inż. Maciej Sobieszczańskiprof. dr hab. inż. Piotr Wolańskiprof. dr inż. Mirosław WyszyńskiEditorial Office/Redakcja:Instytut Silników Spalinowych i TransportuPolitechnika Poznańska60-965 Poznań, ul. Piotrowo 3tel.: 61 6652207, 61 6652240, 61 6652118E-mail: silniki@ptnss.plEditorial Staff/Zespół redakcyjny:prof. dr hab. inż. Jerzy Merkisz(Editor-in-Chief/redaktor naczelny)mgr Krystyna Bubacz(Editorial Office/sekretarz redakcji) redakcja@ptnss.pldr inż. Ireneusz Pielechadr hab. inż. Marek Brzeżańskidr inż. Jacek PielechaCooperation/Współpraca:dr inż. Maciej Bajerlein, dr inż. Miłosław Kozak,mgr Tomasz Pawlak, dr inż. Marek WaligórskiIt is our pleasure to present to you the first issue of the 2011 editionof Combustion Engines/Silniki Spalinowe. This year is alreadythe eighth in the history of the magazine when its publication wasresumed in 2004. In the years 2004–2010 26 issues of CombustionEngines/Silniki Spalinowe were published (including two special –congress issues) in which approximately 200 papers were printed.Throughout this period professor Krzysztof Wisłocki led the teamas editor-in-chief. In the beginning of 2011 the position of theeditor-in-chief was assumed by professor Jerzy Merkisz. ProfessorWisłocki is yet far from ending his collaboration with CombustionEngines as he has now shifted to assume the position of Chairmanof the Magazine Program Committee. The management of PTNSSon behalf of all the members of the society wish to thank professorWisłocki for his efforts and great input in the successful publishingand constant development of the magazine. It is an undisputablefact that it is chiefly professor Wisłocki to whom we owe the highscientific and editorial standards of the magazine as well as its highrankingposition in the specialized literature. Our appreciation toprofessor Wisłocki is even greater as we know that his commitmentto the editorial work of Combustion Engines not just once continuedat the cost of his private life and his personal scientific career. Weare happy that professor Wisłocki will continue to assist us withhis knowledge and expertise in the continuation of the making ofCombustion Engines.Szanowni Czytelnicy,Management PTNSSScientific Board and Editorialof Combustion Engines/Silniki SpalinoweZ przyjemnością przekazujemy pierwszy numer CombustionEngines/Silników Spalinowych z 2011 roku. Bieżący rok jest jużósmym rokiem wydawania kwartalnika od czasu, gdy jego wydawaniezostało wznowione w 2004 r. W latach 2004–2010 ukazało się26 numerów Silników Spalinowych, w których opublikowano około200 artykułów naukowych oraz dwie serie specjalne (kongresowe).W okresie tym pracami redakcji kwartalnika kierował prof. KrzysztofWisłocki. Z początkiem roku 2011 funkcję Redaktora NaczelnegoSilników Spalinowych objął prof. Jerzy Merkisz. Profesor Wisłockinie kończy jednak swojej współpracy z Silnikami Spalinowymi,gdyż obejmuje funkcję Przewodniczącego Rady Programowej kwartalnika.Zarząd PTNSS w imieniu wszystkich członków Towarzystwa,składa Panu prof. Wisłockiemu wyrazy szczerej wdzięcznościi uznania za ogrom pracy i wysiłku włożonych w wydawanie irozwój Silników Spalinowych. Nie ulega wątpliwości, że w głównejmierze prof. Wisłockiemu zawdzięczamy wysoki poziom naukowyi edytorski kwartalnika oraz jego wysoką pozycję wśród literaturyspecjalistycznej. Wyrażamy szczególną wdzięczność, gdyż wiemy,że Jego zaangażowanie w pracy Redaktora Naczelnego SilnikówSpalinowych, często odbywało się kosztem życia prywatnego i pracynaukowej. Cieszymy się jednocześnie, że prof. Wisłocki będzienadal służył swoją wiedzą i doświadczeniem we współtworzeniuSilników Spalinowych.Zarząd PTNSSRada Programowa i Redakcja Silników SpalinowychCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)1

Contents/Spis treściContents/Spis treściEditorials/Od Redakcji.................................................................... 1P. Bielaczyc, A. Szczotka, P. Pajdowski, J. Woodburn:Development of vehicle exhaust emission testing methods– BOSMAL’s new emission testing laboratory/Rozwój metodbadania emisji związków szkodliwych spalin z pojazdówsamochodowych – nowe laboratorium do badania emisjiw Instytucie BOSMAL (2011-SS1-101)......................................................3S. Szwaja: Hydrogen resistance to knock combustionin spark ignition internal combustion engines/Odpornośćwodoru na spalanie stukowe w silniku z zapłonem iskrowym(2011-SS1-102)........................................................................................13J. Czarnigowski, G. Barański, M. Wendeker, M. Duk, T. Zyska:Method to measure injector opening and closing lag times/Metoda pomiaru czasu opóźnienia otwarcia i zamknięciawtryskiwacza gazu (2011-SS1-103).........................................................20J. Czerwiński, P. Comte, F. Reutimann, A. Mayer: Influenceof (hydrous) ethanol blends on (particle) emissions of small2-& 4-stroke scooters – Part 1/Wpływ mieszanek etanolowychna emisję cząstek stałych z małych skuterów dwuiczterosuwowych – Część 1 (2011-SS1-104)...........................................29K. Cupiał, W. Tutak, A. Jamrozik, A. Kociszewski: The accuracyof modelling of the thermal cycle of a compresion ignitionengine/Dokładność modelowania obiegu cieplnego silnikao zapłonie samoczynnym (2011-SS1-105)................................................37Z. Chłopek: The research of the probabilistic characteristicsof exhaust emissions from vehicle engines/Badania charakterystykprobabilistycznych emisji zanieczyszczeń z silnikówsamochodowych (2011-SS1-106).............................................................49W. Siłka: Tractive efficiency of a vehicle at variable speed/Sprawność napędu samochodu przy zmiennej prędkości(2011-SS1-107)........................................................................................56P. Bielaczyc, A. Świątek, J. Woodburn: A technical discussionof the emission of ammonia from SI vehicles fitted withthree-way catalysts/Analiza emisji amoniaku z samochodówz silnikami o zapłonie iskrowym wyposażonychw trójfunkcyjny reaktor katalityczny (2011-SS1-108)..............................63A. Ulrich, A. Mayer, M. Kasper, A. Wichser, J. Czerwiński:Emission of metal-oxide particles from IC-engines/Emisja cząstektlenków metali z silnika spalinowego (2011-SS1-109).............................72Aktualności silnikowe..............................................................................89Books/Książki...........................................................................................93Professor Marian Zabłocki (1924-2011)– Memories/Wspomnienie........................................................................93Professor Jerzy Kuśmidrowicz (1924-2011)– Memories/Wspomnienie........................................................................94Instrukcja przygotowania artykułów do kwartalnikaCombustion Engines/Silniki Spalinowe....................................................96Publikacje naukowe drukowane w kwartalnikuCombustion Engines/Silniki Spalinoweotrzymują 9 punktówzgodnie z Komunikatem nr 16/2010 Ministra Naukii Szkolnictwa Wyższego z dnia 21 czerwca 2010 r.Editor/WydawcaPolskie Towarzystwo NaukoweSilników Spalinowych43-300 Bielsko-Biała, ul. Sarni Stok 93, Polskatel.: 33 8130402, fax: 33 8125038E-mail: sekretariat@ptnss.plWebSite: http://www.ptnss.plThe Publisher of this magazine does not endorsethe products or services advertised herein. Thepublished materials do not necessarily reflect theviews and opinions of the Publisher./Redakcja nieponosi odpowiedzialności za treść reklam i ogłoszeń.Publikowane materiały i artykuły wyrażają poglądyautorów, a nie Redakcji.© Copyright byPolish Scientific Society of Combustion EnginesAll rights reserved.No part of this publication may be reproduced, stored ina retrival system or transmitted, photocopying or otherwisewithout prior permission of the copyright holder.Wszelkie prawa zastrzeżone.Żaden fragment tej publikacji nie może być reprodukowany,zapamiętywany w systemie odtwarzalnym lubprzetwarzany bądź kopiowany w jakiejkolwiek formie bezwcześniejszej zgody właściciela praw wydawniczych.Subscriptions/PrenumerataSend subscription requests to the Publisher’s address.Cost of single issue PLZ25 + postage and packing.Zamówienia należy kierować na adres Wydawcy.Cena numeru czasopisma wynosi 25 zł + koszty wysyłki.Preparation to print/Przygotowanie do drukuARS NOVA Publishing House/Wydawnictwo Ars Nova60-782 Poznań, ul. Grunwaldzka 17/10ANakład: 650 egz.Printing and binding/Druk i oprawaZakad Poligraficzny Moś i Łuczak, sp.j.Poznań, ul. Piwna 1This publication is co-financed by The Ministryof Science and Higher Education./Wydaniepublikacji jest dofinansowane przez Ministerstwo Naukii Szkolnictwa Wyższego.Reviewers/Recenzenci:prof. dr hab. inż. Leszek Piasecznyprof. dr hab. inż. Kazimierz Romaniszynprof. dr hab. inż. Maciej Sobieszczańskidr hab. inż. Zdzisław Chłopek prof. nzw.dr inż. Paweł Fućdr inż. Jacek PielechaWydawnictwo rejestrowanew bazie danych o zawartościpolskich czasopism technicznych– BAZTECH www.baztech.icm.edu.plCover/OkładkaI – McLaren MP4-12C Engine (fot. www.mclarenautomotive.com),background (© Misha – Fotolia.com)IV – GM, DaimlerChrysler and BMW Two-Mode Hybrid(fot. www.gm.com)2 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Development of vehicle exhaust emission testing methods...Piotr BIELACZYCAndrzej SZCZOTKAPiotr PAJDOWSKIJoseph WOODBURNPTNSS-2011-SS1-101Development of vehicle exhaust emission testing methods– BOSMAL’s new emission testing laboratoryLegislation regarding the reduction of harmful exhaust emissions, greenhouse gases and fuel consumption is one ofthe strongest drivers of development in automobile design. Emissions standards in the European Union (EU), USA andJapan determine not only maximum permissible emissions factors, but also emissions testing methods and laboratorydesign. BOSMAL has risen to meet these challenges by investing in a new, state-of-the-art emissions testing laboratory,housed within a climate chamber. This paper presents BOSMAL’s new M1/N1 vehicular emissions and fuel consumptionlaboratory in a climatic chamber for the testing of vehicles in accordance with the Euro 5 & 6 and US EnvironmentalProtection Agency (EPA) & California Air Resources Board (CARB) standards. The specifications, capabilities and designfeatures of the sampling and analysis and climate simulation systems are presented and discussed in relation to theincreasing drive for cleaner light duty road vehicles. A recently-installed particle number counting system is describedin the context of European Union legislation on the emission of particle matter from CI and SI vehicles. The laboratorypermits BOSMAL’s engineers to compete in the international automotive arena in the development and construction ofnew, more ecologically friendly and increasingly fuel efficient vehicles.Keywords: emission testing, emission test methodes, climatic chamber, Euro 5, Euro 6, SULEVRozwój metod badania emisji związków szkodliwych spalin z pojazdów samochodowych– nowe laboratorium do badania emisji w Instytucie BOSMALZaostrzanie przepisów dotyczących redukcji emisji związków szkodliwych spalin silnikowych, emisji gazów cieplarnianychi zużycia paliwa są najważniejszymi czynnikami sterującymi rozwojem konstrukcji pojazdów samochodowych.Normy dotyczące emisji obowiązujące w Unii Europejskiej (UE), USA i Japonii określają nie tylko maksymalne poziomyemisji, ale także metodykę prowadzenia badań emisji w specjalnie skonstruowanych i zbudowanych laboratoriach. Wcelu sprostania rosnącym wymaganiom technicznym prowadzenia badań emisji spalin BOSMAL zbudował jedno z najnowocześniejszychw Europie laboratoriów do badania emisji, wyposażone w komorę klimatyczną. Artykuł ten prezentujenowe laboratorium do badania emisji związków szkodliwych spalin i zużycia paliwa z samochodów kategorii M1/N1,wyposażone w komorę klimatyczną i zbudowane zgodnie z wymaganiami przepisów Euro 5 i 6, Agencji Ochrony ŚrodowiskaUSA (EPA) i Kalifornijskiej Rady Ochrony Powietrza (CARB). Najważniejsze założenia konstrukcyjne laboratorium,specyfikacja aparatury próbkującej spaliny i pomiarowej przedstawiono w odniesieniu do wymagań przepisów dla pojazdówdrogowych o niskiej emisji. System do pomiaru liczby cząstek stałych w spalinach, który ostatnio zainstalowanow laboratorium, zaprezentowano w odniesieniu do europejskich przepisów dotyczących metod pomiarów cząstek stałychw spalinach samochodów z silnikami ZS i ZI. Nowe laboratorium badania emisji pozwala specjalistom z BOSMAL napełniejsze uczestnictwo w międzynarodowym współzawodnictwie w rozwoju przemysłu motoryzacyjnego, przy konstruowaniunowych, bardziej ekologicznych i zużywających mniej paliwa pojazdów samochodowych.Słowa kluczowe: pomiary emisji, testy emisji spalin, komora klimatyczna, normy spalin Euro 5, Euro 6, SULEV1. IntroductionFinite resources of liquid fossil fuels and the harmfulemissions associated with the combustion of such fuels –together with international commercial competition – arethe major factors driving automotive vehicle development.The main trends in engine and vehicle design are currentlydriven by the requirements of legislation concerning harmfulexhaust emissions and reducing carbon dioxide (CO 2)emissions. Vehicular transport is one of the biggest sourcesof harmful emissions and major changes in engine andvehicle design have been observed in the past few years inresponse to emissions reduction legislation (in the EU: theintroduction of the Euro 5 standard’s restrictions over theyears 2009/2011, and the scheduled introduction of Euro 61. WprowadzenieOgraniczone zasoby paliw płynnych i zapobieganieszkodliwym emisjom związanym ze spalaniem tych paliw,a także międzynarodowa konkurencja są głównymi czynnikamiprzyspieszającymi rozwój pojazdów samochodowych.Główne trendy w konstrukcji pojazdów samochodowychi ich silników napędowych są obecnie wyznaczane przezwymagania przepisów dotyczących ograniczania szkodliwychemisji w gazach spalinowych i emisji dwutlenkuwęgla (CO 2).Transport samochodowy jest jednym z największychźródeł tej emisji i główne kierunki zmian w konstrukcjisilników samochodowych i samochodów są wyznaczanew bieżących latach przez wymagania przepisów prawnychCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)3

Rozwój metod badania emisji związków szkodliwych spalin...in 2014/2015). An additional factor is widespread pressurefor the reduction of greenhouse gases, mostly by reductionof CO 2emissions. One of the major challenges for humanityis to fight global warming by reducing greenhouse gasemission (particularly CO 2) to the atmosphere, by 20 percent by 2020 and 50 per cent by 2050. Road transport iscurrently one of the largest single sources of CO 2emissionsin the EU [1, 2].The introduction of the Euro 5 and Euro 6 standards,together with general pressure to reduce greenhouse gasemissions in the EU, mainly CO 2– which is equivalent toa reduction in fuel consumption – drives research and developmentwork on new low-emission vehicles, the use ofalternative fuels, new types of engines and increasing theefficiency of engines currently produced.Maximum emission factors in the Euro 5 standard representa significant reduction in comparison to the Euro 4standard (decreases range from 20 to 80 per cent). Someof these maximum permissible masses per kilometre willbe reduced still further upon the entry into force of Euro 6[3]. The Euro 6 standard will require passenger cars to havecombined emissions of HC, CO, NO xand PM of under 1gram per kilometre, which presents a design challenge bothin terms of engines and aftertreatment systems, and emissionsanalysis systems and test installations. The lower emissionfactors specified in recent and future legislation require highsensitivitydetection methods, to minimize the effect causedby measurement uncertainties. The prospect of significantfines (€20/gCO 2/km per vehicle sold in 2012, rising to €95 in2015) underlines the need for accurate, reproducible results[4]. This general requirement for statistical significance andaccuracy is likely to be echoed in the EPA’s forthcoming‘1064’ light duty test procedure, which may be releasedthis year [5]. In addition to progressively stricter emissionslimits, efforts are underway to make testing procedures morerepresentative of real-world conditions. One effect of effortsin this area has been the introduction of cold-start testing atlow ambient temperatures in EU, EPA and CARB legislation.Type approval legislation requirements for testing at–7 °C [3] and –6.7 °C [6] necessitate facilities for simulationof such conditions on demand, all year round. To satisfythese progressively stricter emission testing requirements,BOSMAL has invested in one of the most up-to-date Euro5/6- [3], EPA- [7] and CARB- [6] compliant emissions testinglaboratories in Europe, housed within a climatic chamberfor the simulation of a wide range of ambient conditions(Figs 1&2). Knowledge of forthcoming emissions standardsis imperative for the laboratory design process [4], andBOSMAL’s investment in the new laboratory represents atechnologically a methodologically sound response to thechallenges proposed by such pieces of legislation.The new laboratory was completed in 2010, and formallyopened during the First International Exhaust EmissionsSymposium on 20 May 2010, as previously reported in[2]. The new laboratory complements BOSMAL’s existingemissions testing laboratory (Fig. 1); the focus of this paperis the new laboratory and climatic chamber.dotyczących emisji związków szkodliwych spalin orazograniczenia emisji CO 2– wprowadzenie norm emisji Euro5 w latach 2009/2011 i planowane wprowadzenie normEuro 6 w latach 2014/2015. Dodatkowym czynnikiem jestpowszechny nacisk na redukcję emisji gazów cieplarnianychw krajach Unii Europejskiej, głównie CO 2.Jednym z najważniejszych wyzwań naszej cywilizacjijest walka z globalnym ociepleniem przez obniżenie emisjigazów cieplarnianych do atmosfery, a szczególnie CO 2o20% do 2020 r. i 50% do 2050 r. Transport drogowy jestobecnie jednym z największych źródeł emisji CO 2w UniiEuropejskiej [1, 2].Wprowadzenie norm emisji Euro 5 i Euro 6 oraz powszechnynacisk na redukcję emisji gazów cieplarnianychw UE, głównie CO 2– co jest jednoznaczne z obniżaniem zużyciapaliwa – kieruje prace badawczo-rozwojowe na rozwójkonstrukcji nowych, niskoemisyjnych pojazdów, używaniepaliw alternatywnych, rozwój konstrukcji nowych typówsilników i zwiększanie sprawności jednostek napędowychobecnie produkowanych.Maksymalnie dopuszczalne poziomy emisji związkówszkodliwych spalin wprowadzone w normie Euro 5 (limityzaostrzone o 20 – 80%) są znacznie obniżone w stosunkudo wymagań przepisów Euro 4. Niektóre z dopuszczalnychwartości masowej emisji na kilometr drogi przebytej wcyklu jezdnym będą dalej obniżane po wprowadzeniu kolejnejnormy Euro 6 [3]. Przepisy Euro 6 będą mogły byćspełnione tylko przez samochody osobowe, których łącznaemisja HC, CO, NO xi PM będzie poniżej 1g/km, co stanowiwyzwanie zarówno dla konstrukcji silników wraz z układamikatalitycznego oczyszczania spalin, jak i analitycznejaparatury pomiarowej. Niższe limity emisji, wyznaczonew obecnych i przyszłych normach, wymagają urządzeń ozwiększonej dokładności pomiaru, minimalizującej wpływniepewności pomiaru na wynik. Propozycje karnych opłat zanadmierną średnią emisję CO 2floty pojazdów (od 20 Euro/gCO 2/km dla samochodów, które będą wprowadzone na rynekw 2012 r. do 95 Euro w 2015 r.) wymuszają koniecznośćwykonywania dokładnych i powtarzalnych pomiarów tejemisji. Wymagania dotyczące dokładności pomiarów i statystycznejistotności będą miały odzwierciedlenie w nowoproponowanych normach EPA dla lekkich pojazdów samochodowych(norma 1064), które mogą być wprowadzonejeszcze w bieżącym roku. Oprócz zaostrzania limitów emisjizwiązków szkodliwych trwają prace nad dostosowaniem procedurbadawczych (stosowanych w tego typu badaniach) dorzeczywistych warunków występujących w ruchu pojazdóww różnych częściach świata. Jednym z efektów tych działańbyło wprowadzenie obowiązku wykonywania testów homologacyjnychw ujemnych temperaturach otoczenia w wymaganiachUE, EPA i CARB. Podczas tych badań testy emisjiwykonywane są przy temperaturze powietrza otoczenia wlaboratorium –7 °C [3] i –6,7 °C [6], a więc laboratoriumbadawcze musi być przystosowane do prowadzenia badańw takich warunkach przez cały rok.Aby spełnić wymagania tych nowych, zaostrzonychprzepisów w BOSMAL zbudowano jedno z najnowocze-4 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Development of vehicle exhaust emission testing methods...2. Characteristics of the new laboratoryThe laboratory is an advanced, climate-controlled facilityfor performing emissions, fuel consumption and performancetests over a range of driving cycles and a broad rangeof ambient conditions. Emissions testing is carried out withthe aid of sampling bags, modal analysis and a dilution tunnel(for use with CI and SI vehicles). These facilities permit theexecution of a wide range of emissions tests, including:– CVS bag diluted and raw tailpipe emissions testing tointernational standards [3, 8]– Modal analysis of diluted and raw tailpipe gases– Measurement of the air-fuel ratio and calculation of λ– Catalytic converter efficiency testing and determinationof light-off time– CO 2emissions and fuel consumption measurement accordingto EU standards [9, 10]– Opacity measurements to EU standards [11, 12]– Gravimetric and numeric quantification of particulatematter emission according to [3, 8] (described in furtherdetail below).In addition to the chamber itself, a dedicated heat soakingarea was constructed and equipped with the necessaryinsulation and thermal control equipment. A technical drawśniejszychobecnie laboratoriów emisji związków szkodliwychspalin w Europie, wykonane zgodnie z najnowszyminormami Euro 5/6 [3], EPA [7] i CARB, wyposażone wkomorę klimatyczną do symulacji szerokiego zakresuróżnych warunków otoczenia. Podczas projektowania tegolaboratorium emisji wykorzystano wiedzę o przyszłychwymaganiach, nowych metodach pomiarowych i nowychlimitach związków szkodliwych, tak by spełnić wszystkienajnowsze światowe propozycje w tym zakresie. Budowęnowego laboratorium emisji zakończono w 2010 r., a jegooficjalne otwarcie nastąpiło w czasie Pierwszego MiędzynarodowegoSympozjum Emisji , które odbyło się 20maja 2010 r. (obszerna relacja z tego wydarzenia zostałaprzedstawiona w referacie [2]). Laboratorium to, opisaneponiżej, uzupełniło dotychczasowe laboratorium badaniaemisji z samochodów osobowych i użytkowych, działającew BOSMAL (rys. 1).Fig. 1. Technical drawing of BOSMAL’s emission testing laboratories nos. 1 and 2 and heat soak area; climatic chamber outlined in redRys. 1. Rysunek techniczny laboratoriów emisji (1 i 2) i pomieszczenia sezonowania w BOSMALU; czerwoną linią oznaczono komorę klimatyczną2. Charakterystyka nowego laboratorium badaniaemisjiLaboratorium jest zaawansowanym technologiczniestanowiskiem badawczym do wykonywania pomiarówemisji, zużycia paliwa i osiągów samochodów w szerokimCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)5

Rozwój metod badania emisji związków szkodliwych spalin...Fig. 2. Schematic diagram of the new laboratory, showing the climatic chamber, chassis dynamometer, dilution tunnel, emissions sampling bags andall analysers, including the recently-added solid particle counting systemRys. 2. Schemat nowego laboratorium z komorą klimatyczną, hamownią podwoziową, tunelem rozcieńczającym, workami na próbki spalin, analizatoramispalin oraz zainstalowanym ostatnio licznikiem cząstek stałyching and schematic diagram of the laboratory are presentedin Figs 1 and 2.3. Climatic chamberThe base of the laboratory is a climatic chamber (Figs1&3), built by the German firm Weiss, 620 m 3 in volume(length × width × height of chamber = 14.3 × 10.1 × 4.3metres), which allows the execution of emissions, fuel consumptionand performance measurements at temperaturesranging from –35 °C to +60 °C. The chamber is equippedwith temperature and humidity control systems, which facilitatethe maintenance of the desired temperature and humiditylevels. During operation of the chamber, (including duringthe execution of emission and vehicle performance tests),the chamber permits:– temperature control over the range –35 °C to +60 °C,– control accuracy (temperature tolerance): ±1.0 °C (understatic conditions, with zero heat load); ±1.2 °C (duringemissions tests); ±2 °C (during performance tests),– control over the humidity value during emissions tests:from 5.5 to 15.0 grams of water per kilogram of dry air attemperatures ranging from +20 to +35 °C,– variation in humidity level: ≤ 5%,– temperature gradient (with the chamber empty): 0.5 °Cper minute during warm-up and cool-down phases.The chamber roof features standard lamps to provideeven illumination throughout the chamber, but may be upgradedto include high-power solar lamps in the future, asrequired for the EPA’s supplemental A/C test (‘SC03’).A high capacity ventilation system is installed in thechamber, capable of replacing 2400 m 3 of chamber air perzakresie testów jezdnych i warunków otoczenia. Testyemisji (samochodów z silnikami ZI i ZS) są wykonywanez wykorzystaniem specjalnego systemu CVS i workówpróbkujących, analizy modalnej i tunelu rozcieńczającego.Wyposażenie to pozwala na wykonywanie następującychtestów emisji:– badania próbki spalin rozcieńczonych z wykorzystaniemukładu CVS oraz badania spalin nierozcieńczonych, zgodniez międzynarodowymi przepisami [3, 8]– analiza modalna spalin rozcieńczonych i nierozcieńczonych– pomiary stosunku powietrza i paliwa oraz obliczaniewspółczynnika nadmiaru powietrza λ– pomiary sprawności reaktora katalitycznego oraz określanieczasu light-off– pomiary emisji CO 2i zużycia paliwa zgodnie z przepisamiUE [9, 10]– pomiary nieprzeźroczystości spalin zgodnie z przepisamiUE [11, 12]– masowe i liczbowe określanie emisji cząstek stałychzgodnie z [3, 8] (opisane szczegółowo poniżej)Poza komorą klimatyczną znajduje się specjalnie wydzielonei klimatyzowane pomieszczenie do sezonowaniasamochodów, w którym utrzymywana jest stała temperatura.Rysunek techniczny i schemat laboratorium przedstawionona rysunkach 1 i 2.3. Komora klimatycznaPodstawową częścią laboratorium jest komora klimatyczna(rys. 1 i 3) niemieckiej firmy WEISS o kubaturze620 m 3 (długość/szerokość/wysokość komory = 14,3 m/10,16 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Development of vehicle exhaust emission testing methods...hour, theoretically enabling all the air in the chamber to bereplaced in under 16 minutes.The chamber, together with emissions testing equipmentand analysers, make up BOSMAL’s emissions testing laboratoryno. 2 (Fig. 2).4. Chassis dynomometerIn order to carry out cycle-based emissions tests, the laboratoryfeatures a single roller chassis dynamometer (Fig. 2),made by AVL of Austria, with the following specification:Table 1. Specification of the chassis dynamometerTabela 1. Specyfikacja hamowni podwoziowejRoller diameter/średnica rolkiNominal power/moc nominalnaPeak power/moc chwilowaMaximum velocity/maksymalna prędkośćSimulated mass/symulowana masa1219.2 mm153 kW258 kW200 km/h454-5448 kgThe AVL-Zoellner 48” compact chassis dynamometersystem for exhaust emissions analysis is designed for testing2 axled motor vehicles with either front or rear wheeldrive and with axle loads of up to 2000 kg. The design ofthis chassis dynamometer is based on the guidelines of theGerman automotive industry – the AK Specification andthe EPA Bid Specification C100081T1. This test system isdesigned with the AC power engine positioned between therollers. This high-end chassis dynamometer is controlledby software which includes functions not only for emissionstesting according to international test cycles (NEDC(European Union); FTP-75, HWFET, US06, SC03 (USA);m/4,3 m). Komora wyposażona jest w system kontrolitemperatury i wilgotności, który zapewnia utrzymywanieodpowiedniej temperatury i wilgotności podczas pracy komory,uwzględniając wykonywanie testów emisji i badaniaosiągów samochodu:– regulacja temperatury odbywa się w zakresie od –35 ºCdo +60 ºC,– dokładność regulacji (dopuszczalne wahania) temperaturywynosi: ±1,0 °C – w warunkach statycznych bez obciążeniacieplnego, ±1,2 °C – podczas testów emisji, ±2,0°C – podczas badań osiągów,– regulowana wartość wilgotności podczas testów emisjiwynosi od 5,5 do 15 g wody/kg suchego powietrza wzakresie temperatur od +20 °C do +35 °C,– dokładność utrzymywania zadanej wilgotności wynosi±5%,– szybkość zmiany temperatury (dla komory bez obiektówbadawczych) wynosi 0,5 °C/min. przy schładzaniu i przynagrzewaniu.Wewnątrz komory na suficie zamontowanych jest 15lamp zapewniających oświetlenie o bardzo równomiernymnatężeniu. Istnieje również możliwość zamontowania wprzyszłości specjalnego systemu lamp symulujących promieniowaniesłoneczne, zgodnie z wymaganiami przepisówEPA dla specjalnych testów SC03 (A/C).Komora posiada bardzo wydajną wentylację, zapewniającąwymianę 2400 m 3 powietrza na godzinę, a więcteoretycznie umożliwiającą całkowitą wymianę powietrzaw komorze w ciągu 16 minut.Komora razem z układem poboru i rozcieńczania spalinoraz z analizatorami i systemem zarządzającym pomiaramiVETS tworzy laboratorium emisjinr 2 w BOSMALU.Fig. 3. Internal view of the climatic chamber, showing the windspeed fan and driver’s aid mounted in frontof a vehicleRys 3. Wewnętrzny widok komory klimatycznej z wentylatorem chłodzącym samochód i monitorem z przebiegiemcyklu jezdnego, zamontowanym przed samochodemCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)4. Hamownia podwoziowaPomiary emisji w cyklachjezdnych wykonywane są na jednorolkowejhamowni podwoziowejfirmy AVL z Austrii (rys. 2), onastępujących parametrach:Hamownia podwoziowa AVL-Zoellner 48” wykorzystywana dotestów emisji jest zaprojektowanado badań samochodów zarówno zprzednim, jak i tylnym napędemoraz o maksymalnym obciążeniuosi wynoszącym 2000 kg. Projekthamowni podwoziowej wykonanyjest na podstawie wytycznychniemieckiego przemysłu motoryzacyjnego– specyfikacji AKi specyfikacji EPA C100081T1.W systemie tym silnik asynchronicznyprądu zmiennego (AC)znajduje się między rolkami. Tenrodzaj zaawansowanej technologiczniehamowni podwoziowejsterowany jest przez specjalny7

Rozwój metod badania emisji związków szkodliwych spalin...Mode 10-15, Mode 11, JC08 (Japan)), but also for obtainingengine power measurements under both static and dynamicconditions (Figs 4, 5).program, który umożliwia nie tylko wykonywanie testówemisji według różnych cykli jezdnych obowiązującychna całym świecie (NEDC (Unia Europejska); FTP-75,HWFET, US06, SC03 (USA); Mode 10-15, Mode 11, JC08(Japonia)), ale również pozwala na wykonywanie zarównostatycznych, jak i dynamicznych pomiarów mocy na kołachpojazdu (rys. 4, 5).Podłoga komory i kanał fundamentu hamowni podwoziowejzaprojektowano tak, aby w przyszłości możliwebyło zamontowanie drugiej rolki do badania samochodówz napędem na cztery koła. Przed hamownią podwoziowąustawiony jest wentylator (rys. 3) z silnikiem o mocy 31,4kW, chłodzący samochód. Wentylator ten symuluje przepływpowietrza od 0 – 125 km/h, proporcjonalnie do prędkościjazdy samochodu na hamowni podwoziowej.Fig. 4. Dynamic engine power and torque measurement screenshotRys. 4. Przykładowe wyniki dynamicznego pomiaru mocy i momentuobrotowego silnika5. System do badań emisji spalinLaboratorium wyposażone jest w zestaw badawczy dopoboru i analizy spalin japońskiej firmy HORIBA, składającysię z układu próbkowania spalin CVS-CFV wrazz tunelem rozcieńczającym, zestawu analizatorów spalinMEXA 7400 HRTLE (rys. 6) do jednoczesnego pomiarutrzech związków chemicznych (tlenek węgla, dwutlenekwęgla i metan) i dwóch grup związków chemicznych (tlenkiazotu, całkowite węglowodory) (rys. 7, tab. 2) oraz systemuzarządzania VETS7000NT. Worki próbkujące na próbkispalin rozcieńczonych i próbki powietrza rozcieńczającegoznajdują się w zaizolowanej szafie, w której utrzymywanajest temperatura 35 °C w celu zapobieżenia skraplaniapróbek (rys. 8).System poboru i rozcieńczania spalin składa się z dwóchniezależnych linii: pierwszej dla samochodów z silnikami ZIz trójnikiem mieszającym spaliny z powietrzem i drugiej dlasamochodów z silnikami ZS z tunelem rozcieńczającym.Na końcu tunelu rozcieńczającego (rys. 9) znajduje sięsystem do masowego pomiaru emisji cząstek stałych, wFig. 5. Static engine power measurement screenshot showing staticmeasurements at six different engine speedsRys. 5. Przykładowe wyniki statycznego pomiaru mocy dla sześciu różnychprędkości obrotowych silnikaThe chamber floor and dynamometer pit were designedto have the capability for future upgrade to a twin singleroller facility, thereby making the testing of four-wheel-drivevehicles possible.A 31.4 kW windspeed fan is positioned in front on thechassis dynamometer to simulate air flow at speeds 0-125km/h (Fig. 3).5. Emissions testing systemThe laboratory features an emissions analysis suite fromthe Japanese firm Horiba, consisting of a CVS-CFV samplingsystem together with a dilution tunnel, a set of MEXA 7400HRTLE exhaust analysers (Fig. 6) for simultaneous measurementof three compounds (carbon monoxide, carbon dioxideand methane) and two compound types (oxides of nitrogen,Fig. 6. Screenshot from MEXA-7400HRTLE control system, showingthe tracer and dilute lines during testing on a Diesel vehicleRys. 6. Okno programu sterującego pracą analizatorów spalin MEXA7400 HRTLE – linia analizatorów spalin rozcieńczonych i analizatoramierzącego CO 2w powietrzu rozcieńczającym8 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Development of vehicle exhaust emission testing methods...total hydrocarbons) (Fig. 7, Table 2) and a VETS7000NTmanagement system. Sample bags for the sampling of ambientand exhaust air are housed in a heated, insulated unitmaintained at 35 °C to prevent condensation (Figure 8).którym znajdują się specjalne filtry, przez które przepływapróbka spalin rozcieńczonych. Filtry te są ważone przed ipo każdym teście w celu określenia masowej emisji cząstekstałych z samochodów z silnikami ZS i ZI. ZastosowanieFig. 7. 7400 HTRLE emissions analysis benchRys. 7. Zestaw analizatorów spalin 7400 HTRLEFig. 8. Sample bags within insulated housingRys. 8. Worki próbkujące w zaizolowanej szafieTable 2. Component detection ranges of the exhaust gas analysis systemTabela 2. Zakresy pomiarowe analizatorów spalinMEXA 7400 Emissions Analysis System/zestaw analizatorów spalinMEXA 7400Component/składnikRange/zakres pomiarowyCO (I line)0 – 500 ppmCO low (II line)0 – 2500 ppmCO high (II line) 0 – 12 %CO 2(I line) 0 – 20 %CO 2(II line) 0 – 20 %CO 2(Tracer) 0 – 20 %NO xlow (I line)0 – 50 ppmNO xhigh (I line)0 – 1000 ppmNO xlow (II line)0 – 500 ppmNO xhigh (II line)0 – 10000 ppmTHC (I line)0 – 50 ppmC1THC low 1 (II line)0 – 500 ppmC1THC high 1 (II line)0 – 50000 ppmC1THC low 2 (II line)0 – 500 ppmC1THC high 2 (II line)0 – 50000 ppmC1CH 4(I line)0 – 500 ppmC1kalibrowanej przed każdym pomiarem mikrowagi oraz klimatyzowanegoi filtrowanego pomieszczenia pomiarowegozapewnia bardzo dużą dokładność pomiarów masy PM, nawetdla samochodów o bardzo niskiej emisji, wyposażonychw DPF, dla których całkowita emisja PM w teście NEDCmoże być nawet poniżej 1 mg/km.System zarządzania VETS7000NT (rys. 10) steruje pracąanalizatorów podczas testów i analizy stężeń z workówpomiarowych, wykonuje kalibrację i przepłukiwanie analizatorówitp. System VETS wysyła również automatyczniedo monitora kierowcy przebieg cyklu jezdnego, wybranegospośród wymienionych wcześniej cykli. Dodatkowo systemmonitoruje warunki otoczenia (temperaturę, ciśnienie, wilgotność)oraz stężenie HC, CH 4, CO i O 2w komorze, abykażdy test był bezpieczny, pewny, powtarzalny i całkowicieudokumentowany.6. Licznik cząstek stałychNormy Euro 5+ i Euro 6 wprowadzają nowe wymaganie– limit liczby cząstek stałych dla lekkich samochodów użytkowychz silnikami ZS i ZI [4]. Jest ono znacznie bardziejwymagające w porównaniu do limitu masy cząstek stałych[2, 4], co powoduje, że pomiary liczby cząstek stałych sąCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)9

Rozwój metod badania emisji związków szkodliwych spalin...The dilution tunnel (Fig. 9) is connected to an installationfor filtering diluted exhaust gas through particulatematter filters, which are weighed before and after testing toquantify emission of PM from CI and SI vehicles. The useof a calibrated microbalance and climate-controlled filteracclimatisation chamber ensure that PM mass measurementerrors are kept to a minimum, even for low-emission, DPFequippedvehicles, for which total PM emission over theentire NEDC test can be well under 1 mg/km.Horiba VETS7000NT control software (Fig. 10) maintainsthe analysers and their various activities during testingand analysis of bag emissions, such as calibration, purging,etc. The VETS system automates the signal sent to thedriver’s aid, and includes options for testing over all thetest cycles previously mentioned. Additionally, the softwaremonitors chamber environmental parameters (temperature,pressure, humidity) as well as ambient concentrations of HC,CH 4, CO, and O 2within the chamber to ensure that each testis safe, reliable, repeatable and thoroughly documented.6. Particle number counterThe Euro 5+ and Euro 6 standards will introduce a particlenumber limit for light duty Diesel and gasoline-fuelledvehicles [4]. The fact that the particle number limit is considerablymore stringent than the particle mass limit [2, 4] issignificant, as this means that particle number measurementsare now the main research metric for emission of solid particulates.In anticipation of this, a particle number countingsystem was obtained and connected to the dilution tunnelat the end of 2010. The Horiba 2000-SPCS (Solid ParticleCounting System) (Fig. 11) permits the quantification of theconcentration of particles in diluted exhaust at frequenciesof up to 10 Hz. This unit features a wide range of dilutionsettings to ensure that the instrument is in range (CPC count≤ 10 000 particles/cm 3 ) for various engine-aftertreatmentcombinations, so that repeatable results can be obtained forCI vehicles with and without DPFs. A confirm (‘Chinesehat’) sampling probe, heated transfer lines (Fig. 11) and avolatile particle reducer all ensure that only solid particlesenter the condensation particle counter (as required by PMPlegislation [8]), and that large particles which could damagethe CPC are not drawn into the sampling system. While themain purpose of the system is the fulfilment of the Euro 5+/Euro 6 particulate number limit for CI and SI vehicles, thesystem also archives second-by-second analysis of PM emissions,which can be compared to second-by-second data onthe emission of HC, CO, NO x, etc. to observe the combinedemissions and the effectiveness of the aftertreatment systemat any given operating point during the driving cycle.Quantification of particle numbers in automotive exhaustis a more formal, rigorous metric than measuring exhaust gasopacity [13], and the system has shown good repeatabilitycharacteristics over several orders of magnitude. This PNcounting facility is already being put to use in the executionof projects for various BOSMAL customers.One of the design criteria for the laboratory was the possibilityof adding extra modules to fulfil additional analyticalrequirements. As an example, BOSMAL will soon be able toFig. 9. Dilution tunnel (facing downstream)Rys. 9. Tunel rozcieńczającyobecnie głównym przedmiotem badań dotyczących emisjicząstek stałych. Uwzględniając powyższe, z pewnymwyprzedzeniem pod koniec 2010 r. podłączono do tunelurozcieńczającego licznik cząstek stałych. Licznik 2000-SPCS firmy HORIBA (rys. 11) pozwala na zliczanie stężeniacząstek stałych w spalinach rozcieńczonych z częstotliwościądo 10 Hz. Urządzenie to umożliwia szeroki zakres wyborustopnia rozcieńczania spalin w celu zapewnienia zgodnychz wymaganiami (CPC ≤ 10 000 cząstek/cm –3 ) wynikówdla samochodów z różnymi układami oczyszczania spalin.Pozwala to na otrzymywanie powtarzalnych wyników dlasamochodów z silnikami ZS zarówno z filtrami, jak i bezfiltrów cząstek stałych (DPF). Stożkowa sonda próbkująca(“chiński kapelusz”), podgrzewane przewody (rys. 11) ireduktor lotnych cząstek zapewniają, że tylko cząstki stałewchodzą do licznika cząstek kondensacji (zgodnie z wymaganiamiPMP [8]), a duże cząstki, które mogłyby uszkodzićurządzenie nie dochodzą do układu pomiarowego. Głównymzadaniem urządzenia jest sprawdzenie, czy samochody z sil-Fig. 10. Screenshot from VETS during emissions testing on a DieselvehicleRys. 10. Okno programu VETS podczas testu samochodu z silnikiem ZS10 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Development of vehicle exhaust emission testing methods...nikami ZS i ZI spełniają wymagania limitów Euro 5+/Euro 6odnośnie do liczby cząstek stałych w spalinach. Dodatkowourządzenie rejestruje w sposób ciągły emisję PM, która możebyć porównywana z rejestrowaną również w sposób ciągłyemisją HC, CO, NO xitp. Umożliwia to ocenę skutecznościdziałania układów oczyszczania spalin w każdym zadanympunkcie pracy silnika podczas cyklu jezdnego.Zliczanie liczby cząstek w spalinach jest bardziej formalnymi rygorystycznym oraz charakteryzującym się dużąpowtarzalnością pomiarem niż pomiar nieprzeźroczystościspalin [13]. Pomiary te są już wykonywane w BOSMALpodczas badań dla różnych klientów.Jednym z kryteriów projektowych laboratorium byłamożliwość zainstalowania dodatkowych urządzeń w celuspełnienia wymagań, które mogą się pojawić w przyszłości.Przykładowo, BOSMAL będzie wkrótce mógł wykonywaćciągłe analizy obecnie nienormowanych związków, takichjak N 2O i NH 3. Klasyfikator cząstek można również dodatkowozainstalować do tunelu rozcieńczającego w celu prowadzeniabadań rozwojowych dotyczących różnych paliw,silników ZS i ZI oraz filtrów cząstek stałych.Fig. 11. Dilution tunnel (looking upstream), particulate numbercounter sample transfer tube (blue), HFID transfer tube (black),and HORIBA 2000-SPCS PN counter (foreground)Rys. 11. Tunel rozcieńczający, przewód do licznika cząstek (niebieski),przewód analizatora HFID (czarny) oraz licznik cząstekstałych HORIBA 2000-SPCS PN (na pierwszym planie)perform second-by-second analysis of currently unregulatedcompounds, including N 2O and NH 3. A particle size classifiercould also be added to the dilution tunnel for researchand development purposes which focus on fuels, CI and SIengines and particulate traps.7. SummaryBOSMAL Automotive R&D Institute (Bielsko-Biala,Poland) is one of the major research centres in Europe specialisingin research on engines and automotive componentsas well as complete cars. BOSMAL cooperates with manyleading car and engine manufacturers to explore and launchnew models of vehicles that meet increasingly stringentemission standards and assists in the development of newengine designs, reducing vehicular fuel consumption andthe introduction of alternative fuels.The state-of-the-art laboratory facilities described abovepermit BOSMAL’s engineers to compete in the internationalautomotive arena in the development and construction ofnew, more ecologically friendly and increasingly fuel efficientvehicles. The laboratory has already been put to usein a range of projects including exhaust emissions analysis,performance tests, fuel consumption tests, fuels testing andDiesel cold start testing at various temperatures. The performanceof the new facility has been highly satisfactory forBOSMAL and its customers alike.7. PodsumowanieInstytut Badań i Rozwoju Motoryzacji BOSMAL wBielsku-Białej jest jednym z ważniejszych centrów badawczychw Europie, specjalizujących się w badaniachsilników, poszczególnych podzespołów samochodów jakrównież kompletnych samochodów. BOSMAL współpracujez wieloma czołowymi producentami samochodów i silnikówsamochodowych przy rozwoju konstrukcji i wdrażaniu nowychmodeli pojazdów spełniających coraz surowsze normyemisji związków szkodliwych spalin oraz przy opracowaniunowych konstrukcji silników, obniżaniu zużycia paliwa przezpojazdy i wprowadzaniu paliw alternatywnych.Nowo zbudowane, bardzo nowoczesne laboratoriumbadania emisji związków szkodliwych spalin, które zaprezentowanow tym artykule, umożliwia jeszcze pełniejszeuczestnictwo inżynierów BOSMAL w międzynarodowymwspółzawodnictwie w przemyśle motoryzacyjnym wopracowywaniu nowych, bardziej ekologicznych i energooszczędnychkonstrukcji pojazdów samochodowych.Laboratorium to uczestniczyło już w wielu projektach dotyczącychanalizy poziomu emisji związków szkodliwychspalin różnych typów pojazdów, badaniach dotyczącychosiągów samochodów, zużycia paliwa, badaniach paliwsilnikowych i badaniach olejów napędowych w niskichtemperaturach otoczenia. Funkcjonowanie laboratoriumspełniło w pełni planowane założenia projektowe i jestbardzo satysfakcjonujące zarówno dla Instytutu BOSMAL,jak i dla jego klientów.Paper reviewed/Artykuł recenzowanyCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)11

Rozwój metod badania emisji związków szkodliwych spalin...Abbreviations/Skróty i oznaczeniaCARB California Air Resources Board/Kalifornijskia Rada OchronyPowietrzaCI Compression ignition/zapłon samoczynnyCVS Constant volume sampling/próbkowanie ze stałą objętościąDPF Diesel particulate filter/filtr cząstek stałychEPA Environmental Protection Agency/Agencja Ochrony ŚrodowiskaUSAEU European Union/Unia EuropejskaSI Gasoline direct injection/bezpośredni wtrysk benzynyPM Particulate matter/cząstka stałaPN Particle number/liczba cząstek stałychPNC Particle number counter/licznik cząstek stałychppm Parts per million/jedna część na milionSI Spark ignition/zapłon iskrowyVETS Vehicle emissions testing system/samochodowy system dopomiaru emisjiBibliography/Literatura[1] Bielaczyc P.: Exhaust pollutants and CO 2emissions reductionas the main drivers of automobile powertrain development.Proceedings of The First International Exhaust EmissionsSymposium, Bielsko-Biala, Poland, May 2010.[2] Bielaczyc P., Woodburn J.: Global trends in emissions regulationand reduction. Combustion Engines, 3/2010 (142),2010.[3] Commission Regulation (EC) No 692/2008 of 18 July2008 implementing and amending Regulation (EC) No715/2007 of the European Parliament and of the Council ontype-approval of motor vehicles with respect to emissionsfrom light passenger and commercial vehicles (Euro 5 andEuro 6) and on access to vehicle repair and maintenanceinformation. Official Journal of the European Union, L199,1-136, 28.7.2008.[4] Hill L.: Future trends in emissions certification legislation andsome implications for measurement techniques. Proceedingsof The First International Exhaust Emissions Symposium,Bielsko-Biala, Poland, 20 May 2010. ISBN: 978-83-931383-0-2.[5] Engeljehringer K.: Emission testing of modern vehicle concepts.Proceedings of The First International Exhaust EmissionsSymposium, Bielsko-Biala, Poland, 20 May 2010. ISBN:978-83-931383-0-2.[6] California Air Resources Board Exhaust Emission Standardsand Test Procedures for 2001 and Subsequent Model PassengerCars, Light-Duty Trucks, and Medium-Duty Vehicles.Last amended: 02.12.2009. Available online: http://www.arb.ca.gov[7] United States Code of Federal Regulations, Title 40, Chapter I,Parts 81-99, revised as of 1 July 2010. Available online: http://ecfr.gpoaccess.gov[8] United Nations Economic Commission for Europe Regulationno. 83 Series 05 Rev. 1/Add. 82/Rev. 3/Amend. 4[9] United Nations Economic Commission for Europe, Regulationno. 101, series 05[10] Council Directive 80/1268/EEC of 16 December 1980 on theapproximation of the laws of the Member States relating to thefuel consumption of motor vehicles. Official Journal L 375,36-45.[11] United Nations Economic Commission for Europe RegulationNo. 24, with amendments up to and including Revision 2,Amendment 3.[12] Council Directive 72/306/EEC of 2 August 1972 on the approximationof the laws of the Member States relating to themeasures to be taken against the emission of pollutants fromdiesel engines for use in vehicles. Official Journal L 190,1-23.[13] Bielaczyc P.: Development of automotive fuels and fuel testmethods in response to new emissions reduction and CO 2legislation. Euro Oil & Fuel Conference, Krakow, Poland,24-27 November 2010.Mr. Piotr Bielaczyc, DEng. – head of the Engine ResearchDepartment, BOSMAL Automotive Researchand Development Institute Ltd in Bielsko-Biała.Dr inż. Piotr Bielaczyc – kierownik Zakładu BadańSilników, Instytut Badań i Rozwoju MotoryzacjiBOSMAL Sp. z o.o., Bielsko-Biała.e-mail: piotr.bielaczyc@bosmal.com.plMr. Piotr Pajdowski, DEng. – doctor in the EngineResearch Department, BOSMAL Automotive Researchand Development Institute Ltd in Bielsko-Biała.Dr inż. Piotr Pajdowski – adiunkt w Zakładzie BadańSilników, Instytut Badań i Rozwoju Motoryzacji BOS-MAL Sp. z o.o., Bielsko-Biała.e-mail: piotr.pajdowski@bosmal.com.plMr. Andrzej Szczotka, DEng. – doctor in the Engine ResearchDepartment at the BOSMAL Automotive Researchand Development Institute Ltd in Bielsko-Biała.Dr inż. Andrzej Szczotka – adiunkt w Zakładzie BadańSilników, Instytut Badań i Rozwoju MotoryzacjiBOSMAL Sp. z o.o., Bielsko-Biała.e-mail: andrzej.szczotka@bosmal.com.plMr. Joseph Woodburn, MSc – researcher at the EngineResearch Department, BOSMAL Automotive Researchand Development Institute Ltd in Bielsko-Biała.Mgr inż. Joseph Woodburn – inżynier ds. badań wZakładzie Badań Silników, Instytut Badań i RozwojuMotoryzacji BOSMAL Sp. z o.o., Bielsko-Biała.12 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Hydrogen resistance to knock combustion...Stanisław SZWAJAPTNSS-2011-SS1-102Hydrogen resistance to knock combustionin spark ignition internal combustion enginesThe results of investigations focusing on knock combustion analysis of a hydrogen-fueled engine have been presentedin the paper. Knock intensity was determined as the intensity of the in-cylinder combustion pressure pulsations (recordedwith a sampling frequency of 100 kHz) and filtered through high-pass filtering with cut-off frequency of 3.5 kHz.The research was conducted on the CFR engine with a variable compression ratio ranging from 6 to 14. The researchhas shown a rapid increase in pressure pulsations amplitude was observed while the compression ratio was changedfrom 11 to 12. This was interpreted as a result of in-cylinder hydrogen-air mixture self-ignition at the end of the sparkignition controlled combustion. Supporting this observation the theorem of dual nature of hydrogen knock combustionwas postulated. Intensity of the pressure pulsations that accompany normal combustion without hydrogen self-ignitionwas in an exponential correlation with the compression ratio, which directly translates into a similar correlation of thepulsations and temperature of hydrogen-air mixture at the moment of ignition.Keywords: hydrogen, knock combustion, internal combustion engineOdporność wodoru na spalanie stukowe w silniku z zapłonem iskrowymW artykule przedstawiono wyniki badań spalania stukowego w silniku zasilanym wodorem. Intensywność spalania stukowegookreślano za pomocą intensywności pulsacji ciśnienia odfiltrowywanych filtrem górnoprzepustowym o częstotliwościgranicznej 3,5 kHz z przebiegu ciśnienia spalania rejestrowanego z częstotliwością 100 kHz. Badania przeprowadzonona silniku badawczym CFR o stopniu sprężania zmieniającym się od 6 do 14. Na podstawie przeprowadzonych badańzaobserwowano gwałtowny przyrost amplitudy pulsacji przy zmianie stopnia sprężania z 11 na 12, co zinterpretowanojako skutek pojawiania się samozapłonów mieszanki wodorowo-powietrznej w końcowej fazie spalania inicjowanegokontrolowanym zapłonem iskrowym. Na tej podstawie postawiono tezę o dwojakiej naturze stuku w silniku wodorowym.Dla przebiegu spalania bez samozapłonów intensywność pulsacji ciśnienia spalania pozostawała w wykładniczej relacjize stopniem sprężania, co bezpośrednio przekładało się na podobną zależność pomiędzy intensywnością pulsacji itemperaturą mieszanki w chwili zapłonu.Słowa kluczowe: wodór, spalanie stukowe, silnik spalinowy1. IntroductionThe basic disadvantage of fossil fuels in comparisonwith renewable fuels is their limited resources. In the nearestfuture gasoline and diesel fuel will be replaced with biomassoriginating fuels or fuels generated from electrical energyprocessing (water electrolysis through photovoltaic cells).Among the potential fuels that can be widely applied in thenear future is hydrogen. Hydrogen seems the most probablefuel for general use. It is because very strong financing stimulatesthe advancement of production and storage technologyof this fuel and the development of fuel cells. Besides, a hugepotential in the combustion engine manufacturing industryhints that the first mass-produced hydrogen engine will bea classic piston engine.The main disadvantage of hydrogen as engine fuel is itsproneness to develop knock combustion. Knock combustionis an undesired course of combustion of fuel air mixture in theengine as it generates intense pressure pulsations that exertimpact stress on the crankshaft bearings and can generatevibrations of the piston rings. Besides, the occurrence ofknock combustion results in a growth of the thermal loadsof the combustion chamber, piston crown in particular. Theseare the factors that clearly reduce the life of an engine. The1. WstępPodstawową wadą paliw kopalnych, w porównaniu dopaliw odnawialnych, są ich skończone zasoby. W niedalekiejprzyszłości benzyna i olej napędowy będą zastąpionepaliwami z biomasy lub paliwami powstającymi w wynikuprzetwarzania energii elektrycznej (np. elektroliza wodyza pomocą ogniw fotowoltaicznych). Wśród potencjalnychpaliw, które mogą być szeroko stosowane już w nieodległejprzyszłości jest wodór. Wodór wydaje się paliwem najbardziejprawdopodobnym w powszechnym użyciu, ponieważrozwój technologii wytwarzania i magazynowania tegopaliwa oraz rozwój wodorowych ogniw paliwowych są stymulowanebardzo dużymi środkami finansowymi. Ponadtoogromny potencjał przemysłu silników spalinowych skłaniado przypuszczeń, że pierwszym masowo produkowanymurządzeniem wykorzystującym wodór będzie klasyczny,tłokowy silnik spalinowy.Główną wadą wodoru jako paliwa silnikowego jest jegoskłonność do generowania spalania stukowego. Spalaniestukowe jest niepożądanym przebiegiem spalania mieszankipaliwowo-powietrznej w silniku, ponieważ generuje intensywnepulsacje ciśnienia, które oddziaływują udarowo nałożyska układu tłokowo-korbowego i mogą wprawiać wCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)13

Odporność wodoru na spalanie stukowe...proneness of a fuel to develop knock combustion is a barrierthat limits the engine compression ratio, thus reducingits efficiency.An indicator that characterizes the fuel resistance toknock combustion is the octane number (ON). This numberwas introduced for liquid fuels and characterizes the resistanceof these fuels to a knock generated by self-ignition ofthe remains of the mixture in its final phase of combustion ina piston engine. Hydrogen, in literature (Das [1], Swain andothers [2]) is characterized by RON (research octane number)with the value of 130 as a fuel of very good resistance toknock combustion. On the other hand, during combustionhydrogen can generate pressure waves of intensity higherthan gasoline combusted under the same conditions [3].In literature we thus see hydrogen resistance to knockingexpressed in ON, which is on the level of 70 [4, 5, 6]. Aswe can see, large discrepancy occurs in the evaluation of thehydrogen resistance to knocking here. A much better indicatorof gaseous fuel resistance to knock combustion, includinghydrogen is methane number (MN) expressing percentageshare of methane in the reference mixture composed ofmethane and hydrogen. MN of the value of 0 contains purehydrogen and MN of the value of 100 contains pure methane(tab. 1). For gases of the methane number higher than 100 thereference fuel are mixtures of methane and carbon dioxideand the volumetric, percentage content of CO 2correspondsto the surplus of MN above 100%. Example: according toMalenshek and Olsen [7] the fuel of the methane numberMN = 120 has a resistance to knocking as the reference fuelof the methane content of 80% and 20% carbon dioxide.Gas/gazTable 1. Methane number for selected gases [7]Tabela 1. Liczba metanowa dla wybranych gazów [7]Methane number/liczba metanowaMethane/metan 100Hydrogen/wodór 0Fermentation gas (biogas) 60%140CH 4, 40% CO 2/gaz fermentacyjny(biogaz)Typical wood gas/typowy gaz61 – 70drzewnyNatural gas/gaz ziemny 75 – 95Coal gas/gaz koksowniczy 24 – 30Based on the evaluation of MN we observe that amonggaseous fuels hydrogen is the least resistant to knock combustion.The paper presents the results of investigations of thehydrogen combustion in a piston combustion engine at differentcompression ratios. Based on these results the authorshave shown that the knocking phenomenon generated by thecombustion of hydrogen has a dual nature. In a hydrogenfueledengine of low compression ratio pressure pulsationsoccur due to an unstable course of hydrogen combustion.At a high compression ratio the pressure pulsations aregenerated by self-ignition of the hydrogen oxygen mixture.drgania pierścienie tłokowe. Ponadto występowanie spalaniastukowego prowadzi do wzrostu obciążeń termicznychkomory spalania, a szczególnie denka tłoka. Są to czynniki,które wydatnie skracają trwałość silnika. Skłonność paliwado spalania stukowego jest barierą odgórnie ograniczającąstopień sprężania silnika, a tym samym ograniczającąsprawność silnika.Wskaźnikiem charakteryzującym odporność paliwa nagenerowanie stuku jest liczba oktanowa (LO). Liczba tazostała wprowadzona dla paliw ciekłych i charakteryzujeodporność tych paliw na stuk powstający wskutek samozapłonuresztek mieszanki palnej w jej końcowej fazie spalaniaw silniku tłokowym. W odniesieniu do wodoru w literaturze(m.in. Das [1] oraz Swain i inni [2]) podaje się LOB (liczbaoktanowa badawcza) na poziomie 130, charakteryzującwodór, z jednej strony, jako paliwo o bardzo dobrej odpornościna spalanie stukowe. Z drugiej strony wodór podczasspalania może generować fale ciśnienia o intensywnościwyższej niż spalana w takich samych warunkach benzyna[3]. W literaturze podaje się wówczas, że odporność wodoruna stuk wyrażona za pomocą LO jest na poziomie około 70[4, 5, 6]. Jak można zauważyć, występuje duża rozbieżnośćw ocenie odporności wodoru na spalanie stukowe. Znacznielepszym wskaźnikiem odporności paliwa gazowego, w tymtakże wodoru, na spalanie stukowe jest liczba metanowa(LM), która wyraża udział procentowy metanu w mieszancewzorcowej złożonej z metanu i wodoru. Zdefiniowano dwiewartości referencyjne dla liczby metanowej. LM o wartości0 ma wodór, natomiast LM o wartości 100 ma metan (tab.1). Dla gazów o liczbie metanowej większej niż 100 jakopaliwo odniesienia stosuje się mieszaniny metanu i dwutlenkuwęgla, przy czym objętościowa, procentowa zawartośćCO 2odpowiada nadwyżce LM powyżej 100%. Przykładowo,według Malensheka i Olsena [7] paliwo o liczbie metanowejLM = 120 ma taką samą odporność na stuk jak paliwo wzorcoweo 80-procentowej zawartości metanu i 20-procentowejzawartości dwutlenku węgla.Na podstawie oceny LM można stwierdzić, że wodórwśród paliw gazowych jest paliwem najmniej odpornymna generowanie stuku.W artykule przedstawiono wyniki badań dotyczącychspalania wodoru w tłokowym silniku spalinowym przyróżnym stopniu sprężania. Na podstawie tych wynikówwykazano, że stuk pochodzący od spalania wodoru madwojaką naturę. W zasilanym wodorem silniku o niskimstopniu sprężania powstają pulsacje ciśnienia spowodowaneniestabilnym przebiegiem spalania wodoru. Przy wysokimstopniu sprężania spalaniu wodoru towarzyszą pulsacjeciśnienia spowodowane samozapłonem mieszanki wodorowo-powietrznej.Ich amplituda w porównaniu do pulsacji zniestabilnego spalania jest co najmniej o rząd większa.2. Stanowisko badawczePodstawowym elementem stanowiska badawczego byłsilnik o zmiennym stopniu sprężania CFR (CooperativeFuel Research) wyprodukowany przez Waukesha MotorCompany. Silnik miał zmodyfikowany tłok, aby uzyskaćzakres zmienności stopnia sprężania od 4,5 do 18,5.14 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Hydrogen resistance to knock combustion...The amplitude of the pulsations in comparison with thepulsations from unstable combustion is at least one order ofmagnitude greater.2. Test standThe basic element of the test stand was an engine of variablecompression ratio CFR (Cooperative Fuel Research)manufactured by Waukesha Motor Company. The enginehad a modified piston to obtain the range of compressionratio variability from 4.5 to 18.5.The engine technical data has been presented in table 2.The engine was fitted with a programmable ECU controlmodule enabling the control and variability of the:– ignition angle,– throttle position,– phases and opening times of the hydrogen injector placedin the intake manifold.During the tests the following quantities were measured:– intake manifold pressure,– intake air temperature,– amount of air taken by the engine,– oxygen amount in the exhaust gases measured with abroadband lambda sensor,– exhaust gases temperature,– coolant temperature,– crankshaft position and its speed,– torque on the crankshaft,– pressure in the engine cylinder.The pressure in the cylinder was recorded with the samplingfrequency of 100 kHz. The remaining quantities – withthe frequency of 200 Hz respectively.In the tests the engine was indicated at a constant ignitionangle α z= 0° and variable compression ratio from 6 to14 with the resolution of 1. The coolant temperature wason the level of 85 – 88 °C. Due to a high intensity of thepressure pulsations during the combustion of hydrogen forcompression ratios higher than 12 the tests were not carriedout at full engine load (part loads were used) at a constanthydrogen dose for all test series.3. Test results and discussionFigure 1 presents an example, extended indicator diagram,covering the course of the combustion of the hydrogenair mixture. The diagram shows the courses of pressure forindividual engine work cycles at two different compressionratios – 10 and 12. The diagram also shows the course of theaveraged pressure (for ε = 12) from the whole test series composedof 300 consequent combustion cycles. In both casesthe engine burnt the hydrogen air mixture of stoichiometriccomposition at the ignition angle of α z= 0°.Figure 2 shows example courses of the pulsations markedSZCS (combustion pressure component variable) filtered from300 consequent pressure courses included in a single test seriesfor a given compression ratio. This component was filteredwith a high-pass filter of the cut-off frequency of 3.5 kHz.A clearly noticeable hydrogen induced knocking was heardgenerated by the engine of the compression ratio of 9.COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)Dane silnika przedstawiono w tabeli 2.Silnik był wyposażony w programowalny moduł sterującyECU, za pomocą którego można było sterować:– kątem wyprzedzenia zapłonu,– położeniem przysłony przepustnicy,– fazami oraz czasem otwarcia wtryskiwacza wodoru zainstalowanegow kolektorze dolotowym.Podczas badań dokonywano pomiaru następującychwielkości:– ciśnienie w kolektorze dolotowym,– temperatura powietrza dolotowego,– wydatek powietrza pobieranego przez silnik,– zawartość tlenu w gazach spalinowych mierzona szerokopasmowąsondą lambda,– temperatura gazów spalinowych,– temperatura wody chłodzącej,– położenie wału korbowego i jego prędkość obrotowa,– moment obrotowy na wale korbowym,– ciśnienie w cylindrze silnika.Table 2. Engine technical data (CFR Waukesha)Tabela 2. Dane techniczne silnika CFR WaukeshaCompression ratio/stopieńsprężania4.5 – 18.5Bore [cm]/średnica cylindra [cm] 8.26Stroke [cm]/skok tłoka [cm] 11.43Piston rod length [cm]/długośćkorbowodu [cm]Displacement [cm 3 ]/pojemnośćskokowa [cm 3 ]Opening of the intake valve/otwarcie zaworu dolotowegoClosing of the intake valve/zamknięcie zaworu dolotowegoOpening of the exhaust valve/otwarcie zaworu wylotowegoClosing of the exhaust valve/zamknięcie zaworu wylotowegoEngine speed/prędkość obrotowa25.461110° after TDC34° after BDC40° before BDC15° after TDC0 – 900 rpmCiśnienie w cylindrze rejestrowano z częstotliwościąpróbkowania 100 kHz. Pozostałe wielkości – odpowiednioz częstotliwością 200 Hz.W ramach badań indykowano silnik przy stałym kąciezapłonu α z= 0° i różnym stopniu sprężania zmienianym co1 od 6 do 14. Temperatura wody chłodzącej utrzymywanabyła na poziomie 85 – 88 °C. Ze względu na dużą intensywnośćpulsacji ciśnienia podczas spalania wodoru dla stopnisprężania wyższych niż 12 badań nie prowadzono przypełnym obciążeniu silnika, ale przy obciążeniu częściowym,zachowując jednakże stałą dawkę wodoru dla wszystkichserii pomiarowych.3. Wyniki badań i dyskusjaNa rysunku 1 przedstawiono przykładowy, rozwiniętywykres indykatorowy, obejmujący przebieg spalania mieszankiwodorowo-powietrznej. Pokazano na nim przebiegi15

Odporność wodoru na spalanie stukowe...Fig. 1. A fragment of a single averaged (300 cycles) extended indicatorgraph for the engine of compression ratio of ε = 12 and 10 burning astoichiometric hydrogen oxygen mixture at the angle of ignition α z= 0°Rys. 1. Fragment pojedynczego i uśrednionego (300 cykli) rozwiniętegowykresu indykatorowego dla silnika o stopniu sprężania ε = 12 i 10spalającego stechiometryczną mieszankę wodorowo-powietrzną przykącie zapłonu α z= 0°a)ciśnienia dla pojedynczych cykli pracy silnika pracującegoprzy dwóch różnych stopniach sprężania 10 i 12. Pokazanotakże przebieg ciśnienia uśrednionego (dla ε = 12) z całejserii pomiarowej złożonej z 300 kolejnych cykli spalaniasilnika. W obydwu przypadkach silnik spalał mieszankęwodoru z powietrzem o składzie stechiometrycznym przykącie zapłonu α z= 0°.Na rysunku 2 pokazano przykładowe przebiegi pulsacjioznaczanych skrótem SZCS (składowa zmienna ciśnieniaspalania) odfiltrowanych z 300 kolejnych przebiegów ciśnieniaspalania wchodzących w skład danej serii pomiarowej dla wybranegostopnia sprężania. Składową tę odfiltrowano za pomocącyfrowego filtra górno-przepustowego o częstotliwości granicznej3,5 kHz. Zauważono, że wyraźnie słyszalny stuk wodorowygenerowany był przez silnik o stopniu sprężania 9.Intensywność stuku oceniano przez pomiar intensywnościodfiltrowanych pulsacji ciśnienia spalania. Do ocenyintensywności tych pulsacji przyjęto miarę polegającą napomiarze największej amplitudy (dodatniej lub ujemnej) zprzebiegu pulsacji (SZCS) z pojedynczego cyklu spalania(rys. 3a). Miarę tę oznaczoną jako PP i(Peak Pressure) dlai-tego przebiegu pulsacji można wyrazić wzorem (1).b)c)Fig. 2. 300 overlain consequent courses of the component of the combustionpressure variable (SZCS) for the combustion of a stoichiometrichydrogen air mixture at the ignition angle of α z= 0º in the engine of thecompression ratio of: 8 (a), 10 (b), 12 (c)Rys. 2. Trzysta nałożonych na siebie kolejnych przebiegów składowejzmiennej ciśnienia spalania (SZCS) dla spalania stechiometrycznejmieszanki wodoru z powietrzem przy kącie wyprzedzenia zapłonu α z= 0ºw silniku o stopniu sprężania: 8 (a), 10 (b), 12 (c)The intensity of knocking was assessed through themeasurement of the intensity of the filtered pulsations of thecombustion pressure. For the assessment of the intensity ofthe pulsations a measure was assumed that used the highestamplitude (positive or negative) from the course of thepulsations (SZCS) from a single combustion cycle (Fig. 3a).This measure, marked PP i(Peak Pressure) for the i-th courseof pulsations we can express as follows:(1)Dla całej serii pomiarowej złożonej z n przebiegówwyznacza się wartość średnią PP śr(rys. 3b) według wzoru(2), gdzie: n – liczba cykli.Na rysunku 4 przedstawiono intensywność pulsacji PP śrw zależności od stopnia sprężania.Jest bardzo prawdopodobne, że duży przyrost intensywnościpulsacji ciśnienia PP śr, występujący w silniku ostopniu sprężania 12 w porównaniu do silnika ze stopniemsprężania 11, jest spowodowany wystąpieniem samozapłonuwodoru w końcowej fazie spalania mieszanki. W przedzialestopnia sprężania od 6 do 11 pulsacje ciśnienia są wynikiem16 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Hydrogen resistance to knock combustion...For the whole test series composed of n courses we derivean average value of PP śr(Fig. 3b) that equals towhere: n – number of cycles.a)(2)niestabilnego przebiegu spalania bez samozapłonów. Narysunku 4b przedstawiono przebieg PP śrdla tego zakresuzmian stopnia sprężania. Przedstawiona na tym rysunkuwykładnicza krzywa regresji niemalże idealnie odwzorowujedane eksperymentalne. Tak dobra korelacja danycheksperymentalnych z krzywą wykładniczą może świadczyćo wykładniczym charakterze intensywności pulsacji w zależnościod temperatury mieszanki w chwili zapłonu jakowielkości zależnej od stopnia sprężania.a)b)b)Fig. 4. Intensity of the PP śrpressure pulsations depending on the compressionratio while combusting hydrogen at the ignition angle of α z= 0°(a), an enlarged fragment of the graph from fig. 4a) with the exponentialcurve of regression (b)Rys. 4. Intensywność pulsacji ciśnienia PP śrw zależności od stopniasprężania podczas spalania wodoru przy kącie zapłonu α z= 0° (a), powiększonyfragment wykresu z rys. 4a) z wykładniczą krzywą regresji (b)Fig. 3. Graphic representation of the PP measure: for a selected individualcycle (a), for the whole tests series composed of 120 individualcourses (b)Rys. 3. Graficzne przedstawienie miary PP: dla wybranego cyklupojedynczego (a), dla całej serii pomiarowej złożonej ze 120 przebiegówindywidualnych (b)Figure 4 presents the intensity of the PP śrpulsationsdepending on the compression ratio.It is very probable that a high growth of the intensityof the PP śrpressure pulsations, occurring in the engine ofthe compression ratio of 12 as compared to the engine ofthe compression ratio of 11 is caused by the occurrence ofself-ignition of hydrogen in the final phase of the mixturecombustion. In the compression ratio range from 6 to 11the pressure pulsations are a result of an unstable courseCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)Jak przedstawiono na rysunku 5, temperatura mieszankiw chwili zapłonu zależnie od stopnia sprężania zmieniałasię od około 680 do około 950 K.Dla mieszanki wodorowo-powietrznej zwłoka samozapłonumaleje wykładniczo wraz ze wzrostem temperatury,jak to pokazano na rysunku 6. Taka zależność dla spalaniapaliw w zamkniętej objętości cylindra silnika tłokowego jestbardzo niekorzystna, bowiem nadmierne skrócenie zwłokisamozapłonu prowadzi do wzrostu prawdopodobieństwawystępowania samozapłonów. Jak można zauważyć, zewzrostem temperatury o 100 K zwłoka ta maleje około10-krotnie. Zwłokę tę obliczano w programie Chemkindla modelu reaktora o stałej objętości wypełnionego homogenicznąmieszanką wodorowo-powietrzną o składziestechiometrycznym.Na podstawie przeprowadzonych badań zauważono również,że intensywny przebieg spalania stukowego prowadzi17

Odporność wodoru na spalanie stukowe...of combustion without self-ignitions. Figure 4b presentsthe course of PP śrfor this range of changes of the compressionratio. The presented exponential curve of regressionalmost ideally reflects the experimental data. Such a goodcorrelation of experimental data with the exponential curvemay confirm the exponential nature of the intensity of thepulsations depending on the temperature of the mixtureat the moment of ignition as a quantity dependent on thecompression ratio.As shown in Figure 5, the temperature of the mixture atthe moment of ignition varied from approximately 680 toapproximately 950 K depending on the compression ratio.For the hydrogen air mixture the delay in the ignitionreduces exponentially along the growth of the temperatureas shown in Figure 6. Such dependence for the combustionof fuels in a closed space of the cylinder of a piston engineis very disadvantageous, as excess reduction of the delay ofthe self-ignition leads to a growth of the probability of selfignitions.As we can see, along the growth of the temperatureby approximately 100 K this delay drops ten times. This delaywas calculated in the Chemkin software for a model of aconstant volume reactor filled with a homogenous hydrogenair stoichiometric mixture.do znaczącego obniżenia średniego ciśnienia indykowanego,co ma wpływ na moment obrotowy silnika i jego sprawność.Zależność średniego ciśnienia indykowanego od intensywnościpulsacji PP śrprzedstawiono na rysunku 7.Fig. 5. The temperature of the hydrogen air mixture at the moment ofignition depending on the compression ratio for a constant value of theignition angle α z= 0 and a constant pressure at the onset of compressionRys. 5. Temperatura wodorowej mieszanki palnej w chwili zapłonuw zależności od stopnia sprężania dla stałej wartości kąta zapłonu α z= 0i stałego ciśnienia początku sprężaniaFig. 7. Mean indicated pressure in relation to the intensity of pressurepulsation PP śrfor a constant hydrogen dose at λ = 1 and a constant ignitionangle α z= 0° for a CFR variable compression ratio engineRys. 7. Średnie ciśnienie indykowane w zależności od intensywnościpulsacji ciśnienia PP śrdla stałej dawki wodoru przy λ = 1 i stałego kątazapłonu α z= 0° dla silnika CFR o zmiennym stopniu sprężaniaBased on the performed investigations it has been observedthat an intense course of the knock combustion leadsto a significant reduction of the mean indicated pressure,which has impact on the engine torque and its efficiency. Thedependence of the mean indicated pressure on the intensityof pulsation PP śrhas been shown in Figure 7.4. Conclusions1. In a hydrogen-fueled engine the compression ratio duallyinfluences the generating processor the knocking andits intensity. The compression ratio, mainly influencesthe temperature of the mixture in the final phase of thecompression stroke. The increase in the temperatureof the hydrogen air mixture at the moment of ignitionexponentially impacts the reduction of the delay in theFig. 6. The delay of the self-ignition of the hydrogen air stoichiometricmixture in the function of temperature in a reactor of a constant volumereactor (own calculations in the Chemkin 4.1 software)Rys. 6. Zwłoka samozapłonu stechiometrycznej mieszanki wodorowo-powietrznejw funkcji temperatury w reaktorze o stałej objętości (obliczeniawłasne w programie Chemkin 4.1)4. Wnioski1. W silniku zasilanym wodorem stopień sprężania wpływadwojako na generację stuku i jego intensywność. Stopieńsprężania wpływa głównie na temperaturę mieszanki wkońcu suwu sprężania. Wzrost temperatury mieszankiwodorowo-powietrznej w chwili jej zapłonu wpływa wsposób wykładniczy na skrócenie zwłoki jej samozapłonu.W odniesieniu do spalania wodoru relatywnie wysokatemperatura w chwili zapłonu prowadzi do znacznegoprzyspieszenia przebiegu spalania, powodując gwałtownyprzyrost ciśnienia i powstanie fali ciśnieniowej o dużejamplitudzie. Drugą przyczyną potęgującą intensywnośćpulsacji ciśnienia w wyniku stosowania wyższego stopniasprężania jest skoncentrowanie takiej samej masyładunku w relatywnie mniejszej objętości komory spalania.Większe stężenie substratów wpływa na większąszybkość reakcji chemicznych i tym samym również na18 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Hydrogen resistance to knock combustion...self-ignition. In relation to the combustion of hydrogen arelatively high temperature at the moment of ignition leadsto a significant acceleration of the course of combustionresulting in an abrupt pressure surge and a high amplitudepressure wave. Another reason augmenting the intensityof the pressure pulsations resulting from higher compressionratios is concentrating of the same charge mass in arelatively smaller volume of the combustion chamber. Ahigher concentration of the substrates increases the speedof the chemical reactions thus adds to a faster combustion.Hence, the influence of the compression ratio onthe intensity of the hydrogen generated knocking can beconsidered as a joint effect of two affecting phenomena:– temperature of the mixture at the moment of ignition,– volumetric density of the mixture energy at the momentof ignition.3. The pulsations occurring during hydrogen combustion at lowcompression ratios (ε ≤ 11) are a result of a flame propagatingin an unstable manner during the combustion.4. Along the growth of the compression ratio these pulsationsgrow and at a certain compression ratio (ε = 12 – for theCFR engine) the increment is rather substantial. Due to adifferent quality of these pulsations we can assume thatthey are generated in a different way. With a high levelof probability we can state that they result from a selfignitionof the mixture.5. Because of two different reasons for the pressure pulsationswe cannot clearly determine the intensity of hydrogengenerated knocking expressed through PP śrdepending oncompression ratio ε in its wide range of changes. In the rangeof ε from 6 to 11 for which the self ignition of hydrogen didnot occur this dependence takes an exponential form.The investigations were carried out within a researchgrant no. N502 029 31/3535.Bibliography/Literatura[1] Das L.M.: Hydrogen-oxygen reaction mechanism and itsimplication to hydrogen engine combustion, Int. Journal ofHydrogen Energy, 1996, 21, 703-715.[2] Swain M.R., Filoso P.A., Swain M.N.: Ignition of lean hydrogen–airmixtures, Int. Journal of Hydrogen Energy, 2005, 30,1447-1455.[3] Szwaja S.: Geneza pulsacji ciśnienia spalania w silniku tłokowym,benzynowym i wodorowym, Archiwum Spalania, 2010,10, 1-2, 27-49.[4] Binder K., Withalm G.: Mixture formation and combustionin hydrogen engine using hydrogen storage technology, Int. J.Hydrogen Energy, 1982, 7, 651-659.[5] Karim G.A.: Hydrogen as a spark ignition engine fuel, Int.Journal of Hydrogen Energy, 2003, 28, 569-577.[6] Li H., Karim G.A.: Experimental investigation of the knockand combustion characteristics of CH4, H2, CO and some oftheir mixtures, Proc. Inst. Mech. Eng., 220, 5, Part A: J.Powerand Energy, 2006.[7] Malenshek M., Olsen D.B.: Methane number testing of alternativegaseous fuels, Fuel, 2009, 88, 650-656.większą szybkość spalania. Stąd wpływ stopnia sprężaniana intensywność stuku wodorowego można rozpatrywaćjako połączony efekt dwóch oddziaływań:– temperatury mieszanki w chwili zapłonu,– objętościowej gęstości energii mieszanki w chwilizapłonu.2. Pulsacje występujące podczas spalania wodoru przy niskichstopniach sprężania (ε ≤ 11) są wynikiem niestabilnierozchodzącego się płomienia podczas spalania.3. Ze wzrostem stopnia sprężania pulsacje te wzrastają i przypewnej wartości stopnia sprężania (ε = 12 – dla silnikaCFR) ulegają znacznemu przyrostowi. Ze względu najakościowo inny wygląd tych pulsacji, można przyjąć, żepowstają one w inny sposób. Z dużym prawdopodobieństwemmożna stwierdzić, że powstają od samozapłonumieszanki.4. Ze względu na dwie różne genezy pulsacji ciśnienia niemożna jednoznacznie określić intensywności stuku wodorowegowyrażanej za pomocą PP śrw zależności od stopniasprężania ε w jego szerokim zakresie zmian. W przedzialeε od 6 do 11, dla których nie występował samozapłonwodoru, zależność ta przyjmuje postać wykładniczą.Badania zrealizowano w ramach grantu badawczegonr N502 029 31/3535.Paper reviewed/Artykuł recenzowanyNomenclature/Oznaczeniaαz ignition angle/kąt zapłonuε compression ratio/stopień sprężaniaλ excess air coefficient/współczynnik nadmiaru powietrzaMN methane number/LM liczba metanowaON octane number/LO liczba oktanowaCA crankshaft angle/OWK obrót wału korbowegoPPi maximum amplitude of pulsations in a single combustioncycle/maksymalna amplituda pulsacji w pojedynczym cykluspalaniaPPśr average for the whole series from the maximum amplitudesof the pulsations from individual combustion cycles/średnia dla całej serii z maksymalnych amplitud pulsacjiz pojedynczych cykli spalaniaSZCS combustion pressure component variable/składowa zmiennaciśnienia spalaniaWZP bottom dead center/wewnętrzne zwrotne położenieZZP top dead center/zewnętrzne zwrotne położenieMr. Stanisław Szwaja, DEng. – doctor in the Facultyof Mechanical Engineering and Computer Scienceat Częstochowa University of Technology.Dr inż. Stanisław Szwaja – adiunkt na WydzialeInżynierii Mechanicznej i Informatyki PolitechnikiCzęstochowskiej.e-mail: szwaja@imc.pcz.czest.plCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)19

Metoda pomiaru czasu opóźnienia otwarcia...Jacek CZARNIGOWSKIGrzgorz BARAŃSKIMirosław WENDEKERMariusz DUKTomasz ZYSKAPTNSS-2011-SS1-103Method to measure injector opening and closing lag timesThe paper describes a method to measure injector opening and closing lag times based on measuring the vibration inthe axis of movement of a valve. There are also some results of the studies on a plate injector. Analysing the measurementsobtained, it is demonstrated that opening and closing lag times can be determined much more precisely by measuringvibration than by the method based on analysing gas pressure directly behind an injector. The authors have noted thegreater repeatability of standard deviation expressed as the smaller standard deviation of the lag times specified andthe easy application of this method for stand testing. Consequently, this method can determine these times in a simpleand precise way.Keywords: an injector, opening lag time, closing lag time, vibrationMetoda pomiaru czasu opóźnienia otwarcia i zamknięcia wtryskiwacza gazuW artykule przedstawiono metodę pomiaru czasu opóźnienia otwarcia i zamknięcia wtryskiwacza opartą na pomiarzedrgań w osi ruchu elementu zaworowego. Przedstawiono przykładowe wyniki badań wtryskiwacza płytkowego. Analizującpomiary stanowiskowe wykazano, że pomiar drgań pozwala na znacznie dokładniejsze określenie czasu opóźnieniaotwarcia i zamknięcia wtryskiwacza w stosunku do metody opartej na analizie ciśnienia gazu bezpośrednio za wtryskiwaczem.Wykazano większą powtarzalność wyrażoną mniejszym odchyleniem standardowym wyznaczonych czasówopóźnienia oraz łatwość w implementacji metody do badań stanowiskowych. Pozwala to na stosowanie tej metody dołatwego i precyzyjnego określania tychże czasów.Słowa kluczowe: wtryskiwacz, czas opóźnienia otwarcia, czas opóźnienia zamknięcia, drgania1. IntroductionNot only are more sophisticated control algorithmsrequired, but also better actuators because of increasinglystrict environmental requirements imposed on the automotiveinternal combustion engines that are converted into gaseousfuels [7]. This is due to the need for a very precise qualitycontrol of air – fuel mixture, and consequently the amountof gas administered. Such control is based on measuring thetime a system needs to inject gasoline. Later on, this time isconverted into the time to inject gas and includes the differencebecause of a physical state of fuel (gaseous fuel displaces moreair than liquid fuel), the changes in demand for air during thecombustion of both fuels, the difference in the dynamics ofthe mixture formation and the difference in the characteristicsof the mass flow rates of petrol and gas injectors.To obtain the required accuracy, it is necessary to complywith two requirements. The first one means the correctfitting of a system [4, 5] and the calibration of a controlalgorithm that recalculates gasoline injection time into gasinjection time [3, 6]. The second requirement concerns usinga suitable actuator, i.e. an impulse gas injector. Both ofthem interact strongly. Using even the best injector withoutits appropriate algorithm and calibration will not satisfy theenvironmental and utility requirements. Nevertheless, eventhe best control algorithm will not be able to fix the faultyoperation of an injector.You can successfully optimise an injector design andmatch control algorithms to different types of injectors, if1. WprowadzenieRosnące wymagania ekologiczne dotyczące samochodowychsilników spalinowych konwertowanych na zasilaniepaliwami gazowymi [7] wymuszają stosowanie nie tylkocoraz bardziej wyrafinowanych algorytmów sterowania, aletakże coraz lepszych elementów wykonawczych. Wynika toz konieczności bardzo dokładnego sterowania jakością mieszankipaliwowo-powietrznej, a zatem ilością podawanegogazu. Sterowanie to odbywa się na podstawie pomiaru czasuwtrysku realizowanego przez układ benzynowy, przeliczanegonastępnie na czas wtrysku gazu, z uwzględnieniem:różnicy w stanie skupienia paliwa (wypieranie przez paliwogazowe większej objętości powietrza niż w odniesieniu dopaliwa płynnego), zmiany zapotrzebowania na powietrzepodczas spalania obu paliw, różnicy w dynamice tworzeniamieszanki oraz różnicy w charakterystykach wydatku wtryskiwaczybenzyny i gazu.Aby uzyskać wymaganą dokładność, konieczne jestspełnienie dwóch warunków. Pierwszym jest prawidłowymontaż układu [4, 5] i kalibracja algorytmu sterującego,przeliczającego czas wtrysku benzyny na czas wtrysku gazu[3, 6]. Drugim natomiast jest zastosowanie odpowiedniegourządzenia wykonawczego, jakim jest impulsowy wtryskiwaczgazu. Oba warunki są ze sobą bardzo powiązane. Zjednej strony – zastosowanie nawet najlepszego wtryskiwaczabez odpowiedniego algorytmu przeliczającego oraz jegokalibracji nie pozwoli na spełnienie wymagań ekologicznychi użytkowych. Z drugiej strony – nawet najlepszy algorytm20 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Method to measure injector opening...you know their characteristics. Injector opening and closinglag times are relevant operating parameters [1, 2]. As shownin the work [1], these times significantly influence the characteristicsof an injector mass flow rate as they determinethe intersection point of this characteristics with a time axis.It should be noted that the characteristics of the mass flowrate for petrol injectors intersects a time axis at 0. Thus, ifthe intersection point of the characteristics of a gas injectormass flow rate is shifted from this value, a recalculation coefficientof a control algorithm, especially for short injectiontimes (Fig. 1) becomes significantly non-linear.Figure 1 shows the characteristics of a gasoline injectorand two sample gas injectors. These are typical characteristicsof components used for gaseous power systems.Typically, the intersection point of the characteristics ofgas injectors with a time axis the is shifted within negativevalues. This is mainly due to the relatively much inertia ofan armature and a large amount of energy in a coil duringinjection [1].Figure 1 shows also the time course of the conversionfactor k aas a function of the petrol injection time t inj_gasolineforboth types of injectors. As showed in the figure below, theshift of the characteristics of an injector so as the intersectionpoint of its extension with a time axis could move fromabout –0.8 to about –1.3 changes the recalculation coefficientk afrom maximal 2.3 to 5.0 and an injection time of 2.0 msfrom 1.27 to 0.94. Thus, the measurement error for lowinjection times (due to the contrains of the control systemdesign) significantly impacts the accuracy of fuel dosing asit is amplified by the recalculation coefficient.The key information to develop a recalculation coefficient,or to properly calibrate a control system is the intersectionpoint of the characteristics of an injector mass flowrate with a time axis. As shown in the work [1], it is possibleto specify this point just by analysing injector opening andclosing lag times:t 0= t op– t clwhere: t 0– the intersection point of the characteristics of aninjector mass flow rate with a time axis, t op– injector openinglag time – the time between beginning a control signal andreal opening of a injector valve, t cl– injector closing lagtime – the time between finishing a control signal and realclosing of a injector valve.As a result, it is necessary to precisely specify injectoropening and closing lag times. The method to measure themmust be possible under operating conditions (or similar) andcannot change the characteristics of injector performance.For this assumption and the injector construction (a valvingelement is inside the injector), it is not possible to usethe methods to measure directly the position of a valvingelement.Therefore, indirect methods are used. The one usedcurrently is based on analysing the gas pressure directlybehind an injector [1]. This method works well for measuringinjector opening lag time. However, it is difficult tosterowania nie będzie w stanie skorygować błędów działaniawtryskiwacza.Optymalizacja konstrukcji wtryskiwaczy oraz dopasowaniaalgorytmów sterowania do poszczególnych typówwtryskiwaczy wymaga wiedzy o ich charakterystyce. Istotnymiparametrami pracy wtryskiwacza są czas opóźnieniaotwarcia i czas opóźnienia zamknięcia [1, 2]. Jak wykazanow pracy [1] czasy te znacząco wpływają na charakterystykęwydatku wtryskiwacza, determinując położenie punktuprzecięcia się charakterystyki wydatku wtryskiwacza z osiączasu. Należy zwrócić uwagę, że wtryskiwacze benzynymają charakterystykę wydatku przecinającą oś czasu w 0.Zatem wszelkie przesunięcia punktu przecięcia charakterystykiwydatku wtryskiwacza gazu od tej wartości powodująznaczną nieliniowość współczynnika przeliczeniowegoalgorytmu sterującego, szczególnie w obszarze małychczasów wtrysku (rys. 1).Na rysunku 1 przedstawiono charakterystyki wtryskiwaczabenzyny oraz dwóch przykładowych wtryskiwaczy gazu.Są to typowe charakterystyki elementów wykorzystywanychw układach zasilania silnika paliwami gazowymi. Charakterystycznącechą większości konstrukcji wtryskiwaczygazowych jest przesuniecie punktu przecięcia przedłużeniaich charakterystyk z osią czasu w wartościach ujemnych.Wynika to przede wszystkim ze stosunkowo dużej bezwładnościruchu zwory oraz dużej ilości energii gromadzonej wcewce w czasie wtrysku [1].Na rysunku 1 przedstawiono także przebieg współczynnikaprzeliczeniowego k aw funkcji czasu wtrysku benzynyt inj_gasolinedla obu wtryskiwaczy gazowych. Przedstawione natym rysunku przesunięcie charakterystyki wtryskiwacza, takaby punkt przecięcia jej przedłużenia z osią czasu wtryskuprzesunął się z około –0,8 do około –1,3, powoduje zmianęwspółczynnika przeliczeniowego k az maksymalnie 2,3 na5,0, a przykładowo przy czasie wtrysku 2,0 ms z 1,27 na0,94. Zatem przy małych czasach wtrysku błąd jego pomiaru(występujący w wyniku ograniczeń konstrukcyjnych układusterowania) znacząco wpływa na dokładność dawkowaniapaliwa, gdyż jest wzmacniany przez współczynnik przeliczeniowy.Znajomość punktu przecięcia charakterystyki wydatkuwtryskiwacza z osią czasu jest kluczową informacją potrzebnądo opracowania współczynnika przeliczeniowego, czylido prawidłowej kalibracji systemu sterowania. Jak wykazanow pracy [1], wyznaczenie tego punku jest możliwe bezpośredniona podstawie analizy czasów opóźnienia otwarcia izamknięcia wtryskiwacza:t 0= t op– t clgdzie: t 0– punkt przecięcia charakterystyki wydatkuwtryskiwacza z osią czasu wtrysku, t op– czas opóźnieniaotwarcia wtryskiwacza – czas miedzy rozpoczęciem sygnałusterującego a rzeczywistym otwarciem zaworu wtryskiwacza,t cl– czas opóźnienia zamknięcia wtryskiwacza – czasmiędzy zakończeniem sygnału sterującego a rzeczywistymzamknięciem zaworu wtryskiwacza.COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)21

Metoda pomiaru czasu opóźnienia otwarcia...measure closing lag time due to the inertia of the gas flowin a measurment system [1].Fig. 1. Influence of the gas injection flow characteristic on the recalculation coefficientRys. 1. Wpływ charakterystyki wtryskiwacza gazu na współczynnik przeliczeniowyFig. 2. Scheme of the injector design and the measurement methodsRys. 2. Schemat budowy wtryskiwacza oraz metody pomiaru2. Assumptions for the new method to measurelag timeBy analyzing the design of most injectors, it can be notedthat a valving element (rod, plate or tab) moves from oneresistance point to another, usually along the axis of gasoutflow. Its movement is limited by the element of a coilmagnetic circuit (i.e. a magnetic core, pin, coil carcass, etc.)and a valve seat. Thus, it can be assumed that the impactoccurs when the valving element reaches the two extremepositions (Fig. 2).It should be noted that for these extreme positions, thereare no damping elements in the injector that would slowthe movement of the valving element before it reaches itsextreme position. Some injectors only have a rubber sealingelement on the valving element placed from the side ofthe valve seat that absorbs the impact of a valving elementagainst the valve seat.By analysing the considerations, it can be assumed thatthe impact of the valving element against both the valve seatPowstaje zatem potrzeba dokładnego wyznaczaniaczasu opóźnienia otwarcia i zamknięcia wtryskiwacza.Metoda pomiarutych czasów musi byćmożliwa do zastosowaniaw warunkacheksploatacyjnych (bądźdo nich zbliżonych), ajednocześnie nie możezmieniać charakterystykipracy wtryskiwacza.Ze względu napowyższe założenieoraz konstrukcję wtryskiwacza(element zaworowyznajduje sięwewnątrz wtryskiwacza)nie jest możliwezastosowanie metodbezpośredniego pomiarupołożenia elementuzaworowego. Dlategostosowane są metodypośrednie. Obecniestosowaną metodą [1]jest analiza ciśnieniagazu bezpośrednio zawtryskiwaczem. Metodata sprawdza sięprzy pomiarze czasuopóźnienia otwarcia,natomiast pomiar opóźnieniazamknięcia jestutrudniony ze względuna bezwładność przepływugazu w układziepomiarowym [1].2. Założenia nowej metody pomiaru czasuopóźnieniaAnalizując konstrukcje większości wtryskiwaczy, możnazauważyć, że element zaworowy (w postaci trzpienia, płytkilub klapki) porusza się od jednego do drugiego punktu oporowegonajczęściej po osi wypływu gazu. Z jednej strony jegoruch ograniczony jest elementem obwodu magnetycznegocewki (magnetowodem, trzpieniem, karkasem cewki itp.), az drugiej strony gniazdem zaworu. Można zatem przypuszczać,że w momencie dotarcia elementu zaworowego do obuskrajnych położeń wystąpi uderzenie (rys. 2).Jednocześnie należy zauważyć, że w konstrukcji wtryskiwaczanie istnieją w tych skrajnych położeniach elementytłumiące – zwalniające ruch elementu zaworowego przeddotarciem do skrajnego położenia. Jedynie w niektórychwtryskiwaczach, od strony gniazda zaworowego na elemenciezaworowym znajduje się gumowy element uszczelnienia,stanowiący element amortyzacji przy uderzeniu elementuzaworowego w gniazdo zaworu.22 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Method to measure injector opening...and the element of the electromagnetic circuit will makethe injector design vibrate. Thus, these vibrations can bemeasured by such a vibration sensor mounted on the axisof the movement of the valving element. The beginning ofthis vibration and not its amplitude and frequency will beimportant for the analysis. It should also be noted that formetal components (e.g. the body of an injector or a magneticcore) the measurement error between the real impact and itsrecording with a vibration sensor is minimal due to the smalldistance between the valving element and the sensor (about20 mm on average) and high wave propagation velocity(about 4900 m/s). Accordingly, the lag should not be morethan 0.004 ms.To sum up, by measuring the vibration in the axis of themovement of the valving element it should be possible tospecify precisely the moment of the impact of the valvingelement against the magnetic circuit element to determineopening lag time as a control impulse is measured at the sametime, and the moment of the impact of this valving elementagainst the valve seat to determine closing lag time.3. Research stand and object3.1. Research standThe research was conducted on the test bench, shown inFigure 3 which consists of an air handling system, an injectorsection and measurement systems. The air handling systemincludes a piston compressor, an air dehumidifier, and amembrane input pressure regulator. This system brings airinto the injector section where the injector and measurementsystems are mounted.The stand is equipped with a research control unit developedat the Lublin University of Technology that controlsthe injector with any frequency, injection duration and timecourse of current. As a result, a wide range of tests on gasinjectors can be done.Fig. 3. Test standRys. 3. Stanowisko badawczeThe test bed was equipped with the measurement systemNI-9178 CompactDAQ cDAQ by National Instruments withthe data acquisition cards NI 9215 that enable the simultane-Analizując powyższe rozważania, można przypuszczać,że uderzenie elementu zaworowego zarówno w gniazdozaworowe, jaki i element obwodu elektromagnetycznegowywoła w konstrukcji wtryskiwacza drgania. Montujączatem czujnik drgań w osi ruchu elementu zaworowego,będzie można zarejestrować te drgania. Do analiz istotnybędzie ich początek, a nie amplituda i częstotliwość. Należytakże zauważyć, że dla elementów wykonanych z metalu(np. korpus wtryskiwacza lub magnetowodu) błąd pomiarupomiędzy rzeczywistym uderzeniem a jego rejestracją przezczujnik drgań jest minimalny ze względu na małą odległośćmiedzy elementem zaworu a czujnikiem (przeciętnie około20 mm) oraz dużą prędkość rozchodzenia się fali (około4900 m/s). Zatem opóźnienie nie powinno być większe niż0,004 ms.Podsumowując zatem, pomiar drgań w osi ruchu elementuzaworowego powinien pozwolić na precyzyjne określeniechwili uderzenia tego elementu w element obwodumagnetycznego – co przy jednoczesnym pomiarze sygnałusterującego pozwoli na określenie czasu opóźnienia otwarciaoraz chwili uderzenia tego elementu w gniazdo zaworu – ato pozwoli na określenie czasu opóźnienia zamknięcia.3. Stanowisko badawcze i obiekt badań3.1. Stanowisko badawczeBadania przeprowadzono na stanowisku badawczymprzedstawionym na rysunku 3. Stanowisko to składa się zukładu przygotowania powietrza, sekcji wtryskiwacza orazukładów pomiarowych. Układ przygotowania powietrzaobejmuje sprężarkę tłokową, osuszacz powietrza oraz membranowyregulator ciśnienia zasilania. Układ ten doprowadzapowietrze do sekcji wtryskiwaczowej, w której zamocowanyjest badany wtryskiwacz oraz układy pomiarowe.Stanowisko wyposażone jest w badawczą jednostkę sterującą,opracowaną na Politechnice Lubelskiej, pozwalającąna sterowanie wtryskiwaczem z dowolną częstotliwością,długością trwania impulsu wtrysku oraz przebiegiem prądu.Pozwala to na przeprowadzenie szerokiego zakresu badańwtryskiwaczy gazowych.Na stanowisku zamontowano układ pomiarowy firmyNational Instruments NI CompactDAQ cDAQ-9178 zkartami pomiarowymi NI 9215, umożliwiającymi pomiarsymultaniczny sygnałów napięciowych z częstotliwością do100 kHz. Podczas badań mierzono symultanicznie:– sygnał sterujący – mierzony bezpośrednio przez kartępomiarową,– prąd w obwodzie cewki wtryskiwacza – mierzony zapomocą sondy prądowej Tektronix TCP305 wraz zewzmacniaczem TCPA300,– ciśnienie przed wtryskiwaczem (ciśnienia zasilania)– mierzone za pomocą czujnika MPX5700 o zakresiepomiarowym od 0 do 700 kPa ciśnienia bezwzględnego,umieszczonego 100 mm przed wlotem do wtryskiwacza,– ciśnienie za wtryskiwaczem – mierzone za pomocą czujnikaMPX4250 o zakresie pomiarowym od 0 do 250 kPaciśnienia bezwzględnego, umieszczonego w odległości 25mm za wyjściem z wtryskiwacza,COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)23

Metoda pomiaru czasu opóźnienia otwarcia...ous measurement of voltage signals with a frequency of upto 100 kHz. During the tests the simultaneously measuredquantities included:– a control signal – measured directly with the data acquisition,– current in the injector coil circuit – measured with thecurrent sensor Tektronix TCP305 with the amplifierTCPA300,– before-injector pressure (input pressure) – measured withthe sensor MPX5700 of a measuring range from 0 to 700kPa of absolute pressure, mounted 100 mm before theinjector inlet,– behind-injector pressure – measured with the sensorMPX4250 of a measuring range from 0 to 250 kPa ofabsolute pressure, mounted 25 mm behind the injectoroutlet,– vibration along the axis of the movement of the injectorvalve – measured with the sensor PCB M353B12 of asensitivity of 5.50 mV/g with the amplifier ECElectronicsVibAMP PA-3000.At the same time mass air flow was measured with theFESTO SFE3 air flow meter. The meter was mounted behindthe element of a pulsation damper to obtain a stable valueduring the test which is the mean injector mass flow rate.During the measurements all the sensors were suppliedwith a laboratory power supply that keeps constant voltage.3.2. Research objectThe study was conducted on an experimental injectordeveloped by the authors (Fig. 4). The injector is of a platedesign – its a valving element resembles a plate movingperpendicular to the axis of gas outflow (Fig. 5). The plateworks also as the armature magnetic circuit and the valvingelement with a rubber sealing element. The movement ofthe valving element is limited by the lower surface of themagnetic core and surface of the valve seat, from above andfrom below respectively.– drgania w osi ruchu elementu zaworowego wtryskiwacza– mierzone za pomocą czujnika PCB M353B12 o czułości5,50 mV/g wraz ze wzmacniaczem ECElectronicsVibAMP PA-3000.Jednocześnie dokonywano pomiaru masowego przepływupowietrza za pomocą przepływomierza powietrzafirmy FESTO serii SFE3. Przepływomierz zabudowano zaelementem tłumika pulsacji, tak aby podczas badań uzyskiwaćstabilną wartość, będącą wartością uśrednionegowydatku wtryskiwacza.Wszystkie czujniki zasilane były z zasilacza laboratoryjnego,utrzymującego stałe napięcie zasilania w czasiepomiarów.3.2. Obiekt badańBadania przeprowadzono na eksperymentalnym wtryskiwaczuopracowanym przez autorów niniejszego artykułu(rys. 4). Wtryskiwacz ten jest konstrukcji płytkowej – posiadaelement zaworowy w postaci płytki poruszającej sięprostopadle do osi wypływu gazu (rys. 5). Płytka stanowijednocześnie zworę obwodu magnetycznego oraz elementzaworowy wyposażony w gumowy element uszczelniający.Ruch elementu zaworowego ograniczony jest od góry powierzchniądolną magnetowodu, a ruch w dół ograniczonyjest powierzchnią gniazda zaworowego.Wtryskiwacz wyposażony jest w cewkę elektromagnetycznąo rezystancji 2,4 W.Czujnik drgań zamocowano na górnej części korpusuwtryskiwacza (rys. 4), tak aby mierzył drgania w osi ruchuelementu zaworowego.Fig. 4. Research objectRys. 4. Obiekt badańThe injector is equipped with an electromagnetic coil ofa resistance of 2.4 W. The vibration sensor is mounted on theupper body of the injector (Fig. 4) to measure the vibrationin the movement axis of the valving element.3.3. Research objective and scopeThe objective was to validate a method to determineinjector opening and closing lag times based on analys-Fig. 5. Scheme of the research objectRys. 5. Schemat konstrukcji obiektu badań3.3. Cel i zakres badańCelem badań było sprawdzenie poprawności metodywyznaczania czasów opóźnienia otwarcia i zamknięcia wtryskiwaczyna podstawie analizy drgań oraz porównanie jejwyników do wyników metody obecnie stosowanej, opartejna analizie ciśnienia za wtryskiwaczem.24 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Method to measure injector opening...ing vibration and comparing these results with the resultsobtained by the current methods where the pressure behindthe injector is analysed.The research conditions were as follows:a) the injector supply pressure: 240 kPa,b) medium: air,c) the frequency of injections: 12.5 Hz,d) control:– supply: 12V DC stabilized– constant impulse time: 2.0 ms– pulse-width modulation duty cycle: 30%– pulse-width modulation frequency: 10 kHz.The scope of research included:a) impulse duration (injection time): 3.0 and 10.0 ms,b) measuring frequency: 50 kHz simultaneously,c) recorded signals:– control signal– current in the coil circuit– before-injector pressure– behind-injector pressure– vibration in the axis of movement of the valving elementd) subsequent recorded cycles: 300.4. Method to specify lag timesFigure 6 shows the courses of the behind-injector pressure,the current in the coil circuit and the vibration in the axisof the movement of the valving element that are averagedfrom the subsequent 300 cycles.The start of the control signal coincideswith the time of 0 as in the figureabove. For the first about 0.8 ms thecurrent in the coil increases only, whilethe pressure is constant. The vibrationsensor records no accelerations. At point1, corresponding to approximately 0.81ms, the acceleration in the axis of themovement of the valving element isnoted, which may indicate this elementstarted moving. Then, there is noted theimpact of the valving element against themagnetic coil (point 2) correspondingto the end of the opening of the valvingelement, and thus the injector openinglag time specified from the vibration t op_v.This time is 1.24 ms.At this point the change in thebehind-injector pressure is still not registered.This change is noted at point 3,corresponding to the injector opening lagtime that is specified on the pressure t op_p.It is 1.54 ms and therefore is delayedby 0.3 ms with respect to the injectoropening lag time specified on the vibrationt op_v. This delay is due to the inertiaof the gas flow from the injector to thesensor that is about 25 mm away fromthe injector output.Badania przeprowadzono w następujących warunkach:a) ciśnienie zasilania wtryskiwacza 240 kPa,b) medium: powietrze,c) częstotliwość wtrysków 12,5 Hz,d) sterowanie:– zasilanie: stabilizowane napięcie stałe 12V– czas impulsu ciągłego 2,0 ms– wypełnienie podtrzymania prądowego 30%– częstotliwość wypełnienia prądowego 10 kHz.Zakres badań obejmował:a) czas impulsu sterującego (czas wtrysku): 3,0 i 10,0 ms,b) częstotliwość pomiaru: symultanicznie 50 kHz,c) rejestrowane sygnały:– sygnał sterujący– prąd w obwodzie cewki– ciśnienie przed wtryskiwaczem– ciśnienie za wtryskiwaczem– drgania w osi ruchu elementu zaworowegod) liczba zarejestrowanych kolejnych cykli: 300.4. Metoda wyznaczania czasów opóźnieniaNa rysunku 6 przedstawiono uśrednione z kolejnych 300cykli przebiegi ciśnienia za wtryskiwaczem, prądu w obwodziecewki oraz drgań w osi ruchu elementu zaworowego.Początek sygnału sterującego pokrywa się z czasem 0 narysunku 6. Przez pierwsze około 0,8 ms przyrasta jedynieprąd w cewce, natomiast ciśnienie jest na stałym poziomie,a czujnik drgań nie rejestruje żadnych przyspieszeń.Fig. 6. Results for a control signal of 3 msRys. 6. Wyniki pomiarów przy czasie sygnału sterującego 3 msCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)25

Metoda pomiaru czasu opóźnienia otwarcia...The control signal is turned off in 3 ms, which is indicatedby the current drop to 0. However, gas is still flowingout of the injector, which is signalled by maintaining thebehind-injector pressure. At point 4 the acceleration in theaxis of the movement of the valving element is noted again,which means this element is moving. Therefore, this pointdetermines the injector closing lag time, i.e. 1.97 ms set bythe vibration t cl_v. It can be noted that this registered vibrationis much smaller than for injector opening, which meansthat the impact of the valving element against the valve seatthrough the sealing element is damped.The value of the injector closing lag time determinedby pressure t cl_pis determined as the injector pressure dropbelow the lowest value recorded after it opens at point 5. Thisvalue is 2.47 ms and is affected by both the error due to thegas flow inertia described and the method of the automaticdetermination of this time.Fig. 7. Results for a control signal of 10 msRys. 7. Wyniki pomiarów przy czasie sygnału sterującego 10 msSuch a method to determine the algorithm of closing lagtime has been adopted due to the time course of the beforeinjectorpressure for longer times of a control signal (Fig.7). In the system analysed (injector-test bed), the pressuredrops instantaneously after about 3.5 ms of the actual openingof the injector (approx. 5.5 ms after the start of a controlsignal at point 6) and then increases again. Then, after about3 ms, the pressure falls below the local minimum that occursW punkcie 1, odpowiadającym około 0,81 ms widocznejest pojawienie się przyspieszenia w osi ruchu elementuzaworowego, co może świadczyć o rozpoczęciu ruchu tegoelementu. Następnie widoczne jest uderzenie elementu zaworowegoo magnetowód cewki (punkt 2) odpowiadającezakończeniu otwierania się zaworu, a zatem czasowi opóźnieniaotwarcia wtryskiwacza wyznaczonemu z drgań, t op_v.Wartość ta wynosi 1,24 ms.W punkcie tym nadal nie jest rejestrowana zmianaciśnienia za wtryskiwaczem. Widoczna jest ona dopiero wpunkcie 3, odpowiadającym czasowi opóźnienia otwarciawtryskiwacza wyznaczonemu z ciśnienia t op_p. Wynosi on1,54 ms, a zatem jest opóźniony względem czasu opóźnieniaotwarcia wtryskiwacza wyznaczonego z drgań t op_vo0,3 ms. Opóźnienie to wynika z bezwładności przepływugazu z wtryskiwacza do czujnika oddalonego od wyjściawtryskiwacza o około 25 mm.W 3 ms następuje wyłączeniesygnału sterującego, co zaznaczasię w spadku prądu do wartości0. Jednocześnie nadal występujewypływ gazu z wtryskiwacza,co widoczne jest w utrzymaniuciśnienia za wtryskiwaczem. Wpunkcie 4 widoczne jest ponownewystąpienie przyspieszenia wosi ruchu elementu zaworowegoświadczące o jego ruchu. Zatempunkt ten wyznacza na podstawiedrgań t cl_vczas opóźnienia zamknięciawtryskiwacza. Wynosion 1,97 ms. Można zauważyć, żezarejestrowane drgania są znaczniemniejsze niż przy otwarciuwtryskiwacza, co świadczy otłumieniu uderzenia elementuzaworowego w gniazdo zaworuprzez element uszczelniający.Wartość opóźnienia zamknięciawtryskiwacza ustalona napodstawie ciśnienia t cl_pwyznaczanajest jako spadek ciśnieniaza wtryskiwaczem poniżej najmniejszejwartości zarejestrowanejpo jego otwarciu – punkt 5.Wartość ta wynosi 2,47 ms i jestobarczona zarówno błędem wynikającymz opisanej wcześniejbezwładności przepływu gazu,jak i z metody automatycznego wyznaczania tego czasu.Przyczyna przyjęcia do algorytmu takiej metody wyznaczaniaczasu opóźnienia zamknięcia wynika z przebieguciśnienia za wtryskiwaczem przy dłuższych czasach sygnałusterującego (rys. 7). W badanym układzie (wtryskiwacz–stanowisko)widoczny jest chwilowy spadek ciśnienia po około3,5 ms rzeczywistego otwarcia wtryskiwacza (około 5,5 msod rozpoczęcia sygnału sterującego – punkt 6), a następnie26 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Method to measure injector opening...earlier (point 7). Therefore, it is assumed that the algorithmto specify the ending of gas outflow based on pressure relieson detecting a pressure drop below the local minimum thatoccurs at injector opening (the level that corresponds topoint 7). It is therefore evident that closing lag time can bedetermined more precisely by analysing vibration.5. Research results300 consecutive cycles of the injector were analysed onthe test bench. The opening and closing lag times for eachcycle were determined by the two methods, i.e. based onpressure and vibration. Figure 8 shows the average valuesof those times for injection times of 3 and 10 ms.As noted, the average lag times specified by pressure andvibration are not identical. Lower values for both openingand closing lag times were specified by the vibration analysis.This difference of 0.30 ms for opening lag time is dueto the inertia of the gas flow, or the time required for gas toflow from the injector valve to the point where pressure ismeasured (which is 25 mm away from the valve). For closinglag time, this difference is 0.42 ms. This is due to boththe above mentioned inertia (0.30 ms) and the error of themethod to determine injector closing lag time based on apressure analysis as described in Chapter 4, i.e. 0.12 ms.Figure 9 shows the standard deviation of injector openingand closing lag time obtained from 300 subsequent injectionjego ponowny wzrost. Po około 3 ms ciśnienie spada dopoziomu poniżej minimum lokalnego występującego wcześniej(punkt 7). Zatem przyjęto, że algorytm wyznaczaniazakończenia wypływu gazu na podstawie ciśnienia bazujena wykryciu spadku ciśnienia poniżej wartości minimumlokalnego występującego w czasie otwarcia wtryskiwacza(poziom odpowiadający punktowi 7). Widoczne jest zatem,że na podstawie analizy drgań możliwe jest bardziejprecyzyjne wyznaczenie czasu opóźnienia zamknięciawtryskiwacza.5. Wyniki badańFig. 8. Mean injection opening and closing lag times specified by pressure and vibrationRys. 8. Średni czas opóźnienia otwarcia i zamknięcia wtryskiwacza wyznaczony na podstawieciśnienia i drganiaFig. 9. Standard deviation of the injector opening and closing lag times determined by pressure and vibrationRys. 9. Odchylenie standardowe czasu opóźnienia otwarcia i zamknięcia wtryskiwacza wyznaczonena podstawie ciśnienia i drganiaW ramach badań przeprowadzono analizę kolejnych300 cykli pracy wtryskiwacza na stanowisku badawczym.Dla każdego cyklu określono czasy opóźnienia otwarciai zamknięcia wtryskiwacza metodami: opartą na analizieciśnienia i opartą na analizie drgań. Na rysunku 8 przedstawionośrednie wartości tych czasów dla czasów wtryskuwynoszących odpowiednio 3 i 10 ms.Jak można zauważyć, średnie wartości czasów opóźnieniawyznaczonych na podstawie ciśnienia i drgań niesą jednakowe. Zarówno dla czasu opóźnienia otwarcia,jak i dla czasu opóźnienia zamknięcia mniejsze wartościwyznaczono na podstawie analizy drgań. W przypadkuopóźnienia otwarcia różnica ta wynosi 0,30 ms i wynika zbezwładności przepływu gazu – czyli czasu potrzebnego doprzepłynięcia gazu od zaworuwe wtryskiwaczu do punktupomiaru ciśnienia (w badaniachoddalonego od zaworuo około 25 mm). W przypadkuopóźnienia zamknięcia różnicata wynosi już 0,42 ms. Wynikato zarówno z wyżej opisanegozjawiska bezwładności (0,30ms) oraz z błędu metody określaniachwili zamknięcia wtryskiwaczana podstawie analizyciśnienia opisanej w rozdziale4 (0,12 ms).Rysunek 9 przedstawiawartości odchylenia standardowegoczasów opóźnieniaotwarcia i zamknięcia wtryskiwaczauzyskanych z kolejnych300 cykli wtrysku.Jak można zauważyć, w obuprzypadkach analiza sygnałudrgań pozwoliła na uzyskaniewyników o większej powtarzalności(mniejszym odchyleniustandardowym). Dla czasuopóźnienia otwarcia różnicata wynosi zaledwie 3% i możebyć uznana za nieistotną, natomiastw przypadku czasuopóźnienia zamknięcia różnicata wynosi aż 30%.COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)27

Metoda pomiaru czasu opóźnienia otwarcia...cycles. As seen, the vibration signal analysis made it possibleto obtain results with greater repeatability (lower standarddeviation) for the both cases. For opening lag time, this differenceis only 3% and can be considered negligible, whilefor closing lag time is as high as 30%.6. SummaryBy analysing the results, it can be concluded that:1) the new method gives results comparable to those obtainedby the standard method, but:2) the method based on vibration measurements helps eliminatethe error related to gas flow inertia, which increasedthe accuracy of specifying injector opening and closinglag times,3) the greater repeatability of the analysis is obtained, whichis signalled by smaller standard deviation. This is particularlyevident in the case of injector closing lag time.In conclusion, the proposed method allows easy and accuratemeasurement of injector opening and closing lag timeswithout interfering with an injector construction.6. PodsumowanieAnalizując wyniki można stwierdzić, że:1) opracowana metoda daje wyniki porównywalne z uzyskiwanymimetodą standardową, lecz2) metoda oparta na pomiarze drgań pozwoliła na wyeliminowaniebłędu związanego z bezwładnością przepływugazu, co zwiększyło dokładność wyznaczania czasówopóźnienia otwarcia i zamknięcia wtryskiwacza,3) uzyskano większą powtarzalność wyników analizywidoczną w mniejszym odchyleniu standardowym. Widocznejest to szczególnie w przypadku czasu opóźnieniazamknięcia wtryskiwacza.Podsumowując, można stwierdzić, że proponowanametoda pozwala na łatwy i dokładny pomiar czasów opóźnieniaotwarcia i zamknięcia wtryskiwacza bez ingerencjiw konstrukcję wtryskiwacza.Paper reviewed/Artykuł recenzowanyBibliography/Literatura[1] Czarnigowski J.: The impact of supply pressure on gas injectorexpenditure characteristics, Combustion Engines (SilnikiSpalinowe) 2/2010 (141), p. 18-26.[2] Czarnigowski J., Wendeker M., Jakliński P., Rola M., GrabowskiŁ., Pietrykowski K.: CFD model of fuel rail for LPGsystems, SAE 2007-01-2053.[3] Jakliński P., Czarnigowski J., Wendeker M.: The Effect of InjectionStart Angle of Vaporized LPG on SI Engine OperationParameters, SAE 2007-01-2054.Prof. Mirosław Wendeker, DSc., DEng. – professorin the Faculty of Mechanical Engineering at LublinUniversity of Technology.Prof. dr hab. inż. Mirosław Wendeker – profesor naWydziale Mechanicznym Politechniki Lubelskiej.e-mail: m.wendeker@pollub.pl[4] Jakliński P., Grabowski Ł., Wendeker M., Czarnigowski J.,Szczęsny P., Barański G., Sochaczewski R.: Analiza wpływuumieszczenia wtryskiwacza LPG na parametry pracy silnika ozapłonie iskrowym, PTNSS-2007-SS4-222, Silniki Spalinowenr 4/2007, s. 33-41.[5] Lee S., Kuswaka J., Daisho Y.: Mixture Formation and CombustionCharacteristics of Directly Injected LPG Spray, SAETechnical Paper 2003-01-1917.[6] Małek A, Wendeker M., Czarnigowski J., Grabowski Ł.,Jakliński P., Barański G., Sochaczewski R., Podleśny M.:Stanowisko do badań prehomologacyjnych dla pojazdówwyposażonych w układ sekwencyjnego wtrysku gazu LPG,PTNSS CONGRESS-2007 P07-C148, Silniki SpalinowePTNSS-2007-SC2.[7] Regulamin nr 83 Europejskiej Komisji Gospodarczej OrganizacjiNarodów Zjednoczonych (EKG ONZ) — jednoliteprzepisy dotyczące homologacji pojazdów w zakresie emisjizanieczyszczeń w zależności od paliwa zasilającego silnik,Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej L(legislacja) nr 119z 6.5.2008, s. 1-181.Mr. Jacek Czarnigowski, DEng. – doctor in theFaculty of Mechanical Engineering at LublinUniversity of Technology.Dr inż. Jacek Czarnigowski – adiunkt na WydzialeMechanicznym Politechniki Lubelskiej.e-mail: j.czarnigowski@pollub.plMr. Mariusz Duk, DEng. – doctor in the Facultyof Electrical Engineering and Computer Science atLublin University of Technology.Dr inż. Mariusz Duk – adiunkt na Wydziale Elektrotechnikii Informatyki Politechniki Lubelskiej.e-mail: m.duk@pollub.plMr. Grzegorz Barański, MEng. – technical workerin the Faculty of Mechanical Engineering at LublinUniversity of TechnologyMgr inż. Grzegorz Barański – pracownik technicznyna Wydziale Mechanicznym PolitechnikiLubelskiej.e-mail: g.baranski@pollub.plMr. Tomasz Zyska, MEng. – Laboratory assistant inthe Faculty of Electrical Engineering and ComputerScience at Lublin University of Technology.Mgr inż. Tomasz Zyska – pracownik techniczny naWydziale Elektrotechniki i Informatyki PolitechnikiLubelskiej.e-mail: t.zyska@pollub.pl28 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Influence of (hydrous) ethanol blends on (particle) emissions...Jan CZERWIŃSKIPierre COMTEFelix REUTIMANNAndreas MAYERPTNSS-2011-SS1-104Influence of (hydrous) ethanol blends on (particle) emissionsof small 2-& 4-stroke scootersPart 1The 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.The vehicles are with carburettor and without catalyst, which represents the most frequent technology in Eastern Asiaand offers the information of engine-out emissions. Exhaust emissions measurements have been performed with fuelscontaining ethanol (E), or hydrous ethanol (EH) in the portion of 5, 10, 15 and 20% by volume. During the test systematicalanalysis of particle mass (PM) and nanoparticles counts (NP) were carried out.The present investigations did not concern the durability of parts exposed to the chemical influences of ethanol. Alsothe cold start, particularly in extreme conditions and the lube oil dilution were not addressed.Keywords: ethanol, particle emission,2-stroke engines, scootersWpływ mieszanek etanolowych na emisję cząstek stałychz małych skuterów dwu- i czterosuwowychCzęść 1W 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.Pojazdy są wyposażone w gaźnikowy układ zasilania i nie posiadają reaktora katalitycznego, co stanowi najczęstszerozwiązanie konstrukcyjne w Azji Wschodniej, umożliwiając uzyskanie tym samym informacji o emisji z silnika.Pomiary emisji spalin przeprowadzono na paliwach zawierających etanol (E) lub wodny etanol (EH) o udziale objętościowymodpowiednio 5, 10, 15 i 20%. Podczas pomiaru dokonywano systematycznej analizy masy cząstek stałych iliczby nanocząstek (NP).Obecne prace badawcze nie dotyczyły trwałości elementów poddanych chemicznemu oddziaływaniu etanolu. Ponadtonie uwzględniono tzw. “zimnego startu”, szczególnie w warunkach granicznych oraz rozcieńczenia oleju smarującego.Słowa kluczowe: etanol, emisja cząstek stałych, silniki 2-suwowe, skutery1. IntroductionThe growth to sustainability of the transportation fuelsis highly stimulated by the EU directives and blending of5.75% fuel derived from biomass should be achieved in2010 and the legislation is aiming for 20% into the year2020. Ethanol produced by fermentation of corn (the firstgeneration) and biomass (the second generation) and methylesters of fats and oils (the first/second generation bio diesel)are the renewable fuel. Several countries have objectives tosubstitute a part of the energy of traffic by ethanol as therenewable energy source.Laboratories for IC-Engines and Exhaust EmissionControl (AFHB) of the University of Applied Sciences,Biel, Switzerland are involved since 2000 in several researchprojects about emission factors and possibilities of reductionof (nano)particle emissions of 2-wheelers. A special attentionCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)1. WprowadzenieWzrost możliwości dostarczania paliw w transporcie jestw znacznej mierze stymulowany dyrektywami Unii Europejskiej,dzięki którym w 2010 r. zastosowano mieszankęzawierającą 5,75% paliwa otrzymanego z biomasy; ustawodawcazamierza osiągnąć w 2020 r. mieszankę zawierającą20% biomasy. Etanol wytworzony w procesie fermentacjikukurydzy (pierwsza generacja) i biomasy (druga generacja)estrów metylowych tłuszczy i olejów (biodiesel pierwszej/drugiej generacji) stanowią paliwa odnawialne. Kilka państwpragnie zastąpić część energii w ruchu ulicznym tą, która jestzawarta w etanolu jako odnawialnym źródle energii.Laboratoria Silników Spalinowych i Kontroli EmisjiSpalin (AFHB) Uniwersytetu Nauk Stosowanych w Biel, wSzwajcarii, są zaangażowane od 2000 r. w kilka projektówbadawczych dotyczących czynników emisji i możliwości29

Wpływ mieszanek etanolowych na emisję cząstek stałych...was paid to the 2-stroke scooters, which have much higherparticle emission, than the 4-strokers.In an international network project, treating about analyticsand possibilities of reduction of (nano)particle emissionsfrom 2-S scooters, several topics were investigated [1 – 6]and the combinations of technical measures to lower theparticle emissions of scooters confirmed the expected effectsand showed considerable reduction potentials. Thesetechnical measures were:– higher tier lube oils– lower oil dosing– active oxidation catalyst– supplementary filtration & oxidation device (wire-meshfilter-catalyst WFC)– special fuel.The special fuel used in those tests was Alkylat Aspengasoline with a uniform HC-matrix (mostly isooctane)and no aromatics. This special gasoline is recommendedin Switzerland for the hand-held machines in professionalapplication.The idea of using ethanol blends was known, but notapplied before in the research of scooters.Ethanol is used for passenger cars for a long time (Brazil).In the last years, due to the increasing prices of crude oil,there is a growing interest for ethanol. Several countries haveobjectives to substitute a part of the energy of traffic by therenewable energy. On the other hand there are interferenceswith the prices of food in certain regions.Some manufacturers offer FFV (flex fuel vehicles), whichis particularly challenging for high ethanol content (E85) incountries, like Sweden with colder climatic conditions. Thereare several technical problems to resolve to guarantee thelong live operation of the engine with E85 [7 – 11]:– adaptation of engine construction in regard to a changedthermal stress of combustion chamber parts,– adaptation of spark plugs and injectors,– fuel injection system,– wear of valves, pistons, rings and liners,– polymer materials and sealings,– crankcase ventilation and oil dilution,– software of engine ECU, new or flexible parameter settings.Small portions of ethanol E5 are generally accepted forthe vehicle fleets without any adaptations.Very useful information about handling of gasolineethanolblends up to 10% v/v is given in the CONCAWEreport No. 3/08 [12].The objectives of the present work are to investigate thelimited and the unregulated emissions of typical 2-strokeand 4-stroke scooters 50 cc with different ethanol blendfuels, with pure and hydrous ethanol. The vehicles are withcarburettor and without catalyst, which represents the mostfrequent technology in Eastern Asia and offers the informationof engine-out emissions.Ethanol fuel specifications worldwide traditionallydictate use of anhydrous ethanol (less than 1% water) forgasoline blending. This result in additional costs, energyzmniejszenia emisji nanocząstek pojazdów dwukołowych.Szczególną uwagę poświęcono skuterom 2-suwowym, uktórych występuje znacznie większa emisja cząstek stałychniż u skuterów z silnikami 4-suwowymi.W ramach międzynarodowego projektu sieciowego,dotyczącego obliczeń i możliwości zmniejszenia emisjinanocząstek ze skuterów 2-suwowych, rozważano wybraneproblemy naukowe [1 – 6], a zastosowane do ich rozwiązaniaśrodki techniczne zmierzające do obniżenia emisji cząstekstałych z silników tych pojazdów potwierdziły, przez odpowiedniewyniki działań, że istnieją potencjalne możliwościobniżenia emisji cząstek stałych ze skuterów.Do zastosowanych środków technicznych zmierzającychdo obniżenia emisji cząstek stałych z silników spalinowychskuterów należały:– wyższa klasa oleju smarującego– mniejsze dawkowanie oleju– aktywny utleniający reaktor katalityczny– dodatkowe urządzenie filtracyjno-utleniające (filtr siatkowy,reaktor WFC)– specjalne paliwo.Zastosowane w badaniach specjalne paliwo stanowiłabenzyna alkilat-topola (Alkylat Aspen) z jednorodną strukturąHC (głównie izooktan) bez udziału węglowodorów aromatycznych.Ta specjalna benzyna jest zalecana w Szwajcariidla maszyn ręcznych do specjalistycznych zastosowań.Idea zastosowania mieszanek etanolowych była znana,lecz nie zastosowana w badaniach skuterów.Etanol jest stosowany od dawna w samochodach osobowych(Brazylia). W ostatnich latach, z powodu wzrastającychcen ropy naftowej, zwiększa się zainteresowanie etanolem.Niektóre z państw pragną zastąpić część energii zużywanejprzez środki transportu w ruchu ulicznym energią, którajest uzyskiwana ze źródeł odnawialnych. Należy jednak pamiętać,iż takie działanie ma wpływ na wzrost cen żywnościw danych regionach.Niektórzy producenci oferują pojazdy wielopaliwowe(FFV – flex fuel vehicles), co stanowi szczególne wyzwaniedla paliw o dużej zawartości etanolu (E85) w krajacho chłodniejszym klimacie, jak np. Szwecja. Istnieje kilkaproblemów technicznych do rozwiązania celem zapewnieniadługiego okresu pracy silnika przy stosowaniu paliwa E85[7 – 11]:– przystosowanie konstrukcji silnika do zmienionych naprężeńtermicznych elementów komory spalania,– rozmieszczenie świec zapłonowych i wtryskiwaczy,– system wtrysku paliwa,– zużycie zaworów, tłoków, pierścieni tłokowych i tuleicylindrowych,– materiały polimerowe,– przewietrzanie skrzyni korbowej i rozcieńczanie olejusmarującego,– oprogramowanie sterownika ECU silnika, nowe lub elastyczneustawienia parametrów.Niewielkie udziały etanolu są ogólnie akceptowane dlafloty pojazdów bez konieczności wprowadzania jakichkolwiekzmian.30 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Influence of (hydrous) ethanol blends on (particle) emissions...usage and environmental impacts associated with the extraprocessing step required to dehydrate the hydrous ethanolproduced via distillation (4 – 5% water) to meet the currentanhydrous ethanol specifications. For saving costsand energy the hydrous ethanol may be effectively used inmost ethanol/gasoline blending applications, reducing oreliminating the need for anhydrous ethanol production anddistribution [13, 14]. The hydrous ethanol is predisposedto be a subject to standardisation and acceptance by majorstakeholders in the fuel and automotive industries.During the tests a systematical analysis of particle mass(PM) and nanoparticles counts (NP) was performed.2. Investigated scootersThe research of emissions with alcohol was performed onthe Piaggio Typhoon 2-stroke and with an older type 2-strokeKreidler Florett small motorcycle (lube oil directly mixedwith the fuel). Figure 1 shows both vehicles in the laboratoryand Table 1 represents the most important data.Bardzo pomocne informacje dotyczące mieszanek benzynyi etanolu aż do udziału objętościowego równego 10%można uzyskać w raporcie CONCAWE nr 3/08 [12].Celem niniejszej pracy jest zbadanie limitowanych oraznieuregulowanych przepisami emisji typowych skuterów dwuiczterosuwowych o objętości skokowej silnika równej 50 cm 3dla paliw o różnym udziale etanolu, czystego etanolu i etanoluz dodatkiem wody. Pojazdy są wyposażone w gaźnikowyukład zasilania i nie posiadają reaktora katalitycznego – jestto najczęściej spotykane rozwiązanie konstrukcyjne skuterówużytkowanych w Azji Wschodniej, a uzyskana emisja składnikówszkodliwych spalin z tych pojazdów daje informacje orzeczywistej emisji w układzie wylotowym silnika.Parametry techniczne paliwa etanolowego, w skali światowej,tradycyjnie wymuszają użycie bezwodnego etanolu(mniej niż 1% wody) dla mieszanek benzynowych. Prowadzito do dodatkowych kosztów związanych z jego wytworzeniem,do zwiększenia zużycia energii i wiąże się z wpływemna środowisko naturalne dodatkowego procesu jego przetwarzaniawymaganego w celu odwodnienia wodnego etanoluwytworzonego w procesie destylacji (4 – 5% wody), abyspełnić obecne wymagania techniczne bezwodnego etanolu.W celu zmniejszenia kosztów i zużycia energii, wodnyetanol może być efektywnie użyty w większości zastosowańmieszanek etanolu i benzyny, zmniejszając lub eliminującFig. 1. Investigated 2-S Scooter: a) Piaggio Typhoon 2-S 50 cc, b) Kreilder Florett 2-S 50ccRys. 1. Badane 2-suwowe skutery: a) Piaggio Typhoon o objętości skokowej 50 cm 3 , b) Kreilder Florett o objętości skokowej silnika 50 cm 3The investigated 4-S Scooter was Honda Zoomer withcarburettor and without catalyst, Fig. 2. The most importantdata of this vehicle represents Table 2.All vehicles use simple conventional carburettors witha cable-controlled throttle body and needle.FuelsAs a basic fuel a standard gasoline, lead-free, RON 95,Swiss market quality was used. At the beginning of networkprojects about the particle emissions of 2-S scooters 2004a large batch of this gasoline was purchased to perform allresearch with the same fuel.The sulphur content of this gasoline was analysed and nosulphur was found (detection limit < 2 ppm). The investigatedfuel blends contained ethanol (E), or hydrous ethanol (EH) inCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)potrzebę produkcji i dystrybucji bezwodnego etanolu [13,14]. Wodny etanol jest paliwem akceptowanym przez głównepodmioty przemysłu paliwowego i samochodowego.Podczas badań dokonywano systematycznej analizymasy cząstek (PM) i liczby nanocząstek (NP).2. Badane skuteryBadania emisji pojazdu zasilanego alkoholem przeprowadzonona 2-suwowym skuterze Piaggio Typhooni starszym małym 2-suwowym skuterze Kreidler Florett(rozwiązanie konstrukcyjne, w którym olej smarujący jestwymieszany bezpośrednio z paliwem).Na rysunku 1a i 1b przedstawiono oba pojazdy w laboratorium,a w tabeli 1 zawarto najważniejsze ich danetechniczne.31

Wpływ mieszanek etanolowych na emisję cząstek stałych...Table 1. Data of the investigated 2-S scootersTabela 1. Dane techniczne badanych skuterów– Piaggio KreidlerVehicle identification/oznaczeniepojazdutyphoonK54/511 Florett RSModel year/model roku 2004 1976Transmission no. of gears/rodzajprzekładni i liczba biegówvariomatKm at beginning/stan licznika [km] 670 8316Engine/silnikType/typDisplacement/objętość skokowa [cm 3 ]2 stroke50m52 stroke50Number of cylinders/liczba cylindrów 1 1Cooling/rodzaj chłodzenia air cooled/powietrzem air cooled/powietrzemRated power/znamionowa moc użyteczna3.2 3.93[kW]Rated speed rpm/prędkość znamionowa6500 7000[obr/min]Idling speed rpm/prędkość biegu1800 1800jałowego [obr/min]Max vehicle speed/maks. prędkość45 70pojazdu [km/h]Weight empty/masa własna [kg] 84 93Mixture preparation/przygotowaniemieszankiSAS (secondary air system)/systempowietrza wtórnegocarburettor with automaticoil pump/gaźnik z automatycznąpompą olejowąYes/takcarburettor blend 2% lube oilin gasoline/gaźnik; dodatek2% oleju smarującegow benzynieNo/nieCatalyst/reaktor katalityczny Dummy/atrapa No/nieFig. 2. Investigated 4-S scooter: Honda Zoomer 4-S 50 ccRys. 2. Badany 4-suwowy skuter Honda Zoomer o objętości skokowejWszystkie pojazdy posiadają konwencjonalnegaźniki ze sterowanąlinką przepustnicą i iglicą.PaliwaJako paliwo podstawowe zastosowanostandardową benzynę bezołowiową,RON 95, zgodną z jakościąstosowanych paliw w Szwajcarii.Na początku projektu sieciowegodotyczącego emisji cząstek stałych zeskuterów 2-suwowych 2004 zakupionoznaczną ilość benzyny w celu przeprowadzeniabadań na tym samym paliwie.Dokonano analizy zawartości siarki wpowyższej benzynie, w wyniku którejstwierdzono brak powyższego składnika(granica wykrycia < 2 ppm). Badanamieszanka paliwowa zawierała etanol(E) lub wodny etanol (EH) o udzialeobjętościowym 5, 10, 15 i 20%.Czysty etanol stanowi C 2H 5OH,a etanol wodny zawiera: etanol –94,56% objętości, wodę – 3,94% objętościi benzynę – 1,5% objętości.W tabeli 3 zamieszczono najważniejszedane o paliwach zastosowanychw badaniach. Można zauważyć,iż wraz ze wzrostem udziału etanoluwymaganie dotyczące ilości powietrzaniezbędnego do spalania stechiometrycznegozmniejsza się. Oznacza to(ze względu na w przybliżeniu stałystrumień powietrza), że mieszanka paliwowo-powietrznabędzie uboższa. Ponadto występuje mniejsza wartość ciepław etanolu. Punkt wrzenia dla stałej temperatury i duże utajoneciepło parowania etanolu mogą powodować duże trudnościpodczas uruchamiania silnika w niskich temperaturach.Oleje smarująceZastosowane oleje smarujące były zgodne z wymaganiamiproducentów pojazdów:– dla skutera Piaggio Typhoon – olej syntetyczny SeleniaHI-Scooter 2 TECH, kod produktu: 1050, Piaggio 2966,API TC ++– dla skutera Kleider Florett – olej syntetyczny MotorexNbr. 4 [15]– dla skutera Honda Zoomer – Motorex 10W-40, API SG.3. Aparatura pomiarowaHamownia podwoziowa– hamulec rolkowy: Schenk 500 G5 60– system sterowania kierowcy: Zöllner FLG, 2Typ. RP0927-3d, Progr., wersja 1.4– system CVS: Horiba CVS 9500T z dmuchawą Rootsa– klimatyzacja w hali pomiarowej (powietrze wlotowei rozcieńczające – automatyczna,temperatura: 20 – 30 o C,wilgotność: 5,5 – 12,2 g/kg32 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Influence of (hydrous) ethanol blends on (particle) emissions...the portions of 5, 10, 15 and 20% by volume. Pure ethanol isC 2H 5OH and the hydrous ethanol contains: 94.56% vol ethanol,3.94% vol water and 1.5% gasoline. The most importantparameters of the fuels used are summarized in the Table 3.It can be seen, that with increasing the ethanol ratio thestoichiometric air requirement of the blendfuel decreases.That means by an approximately equal air flow rate the airfuel-mixturewill be leaner. Furthermore there is less heatvalue in ethanol. The boiling point at a fix temperature andthe high latent heat of evaporation of ethanol may causeserious problems of cold starting.Lube oilsThe lube oils used were according to the requirementsof vehicle manufacturers:– for Piaggio Typhoon – fully synthetic Selenia HI-Scooter 2TECH oil, product code: 1050, Piaggio 2966, API TC ++– for Kleider Florett – fully synthetic oil Motorex Nbr. 4, [15]– for Honda Zoomer – Motorex 10W-40, API SG.3. Measuring apparatus & proceduresChassis dynamometr– roller dynamometer: Schenk 500 G5 60– driver conductor system: Zöllner FLG, 2Typ. RP 0927-3d,Progr., Version 1.4– CVS dilution system: Horiba CVS 9500T with Rootsblower– air conditioning in the measuring hall (intake and dilution air)automatic, temperature: 20 – 30 o C,humidity: 5.5 – 12.2. g/kgThe measuring set-up on a chassis dynamometer is representedin Fig. 3.Test equipment for regulated exshaust gas emissionsThis equipment fulfills the requirements of the Swiss andEuropean exhaust gas legislation – 70/220/EEC – 2003/76/EC; 97/24/EC – chap. 5 – 2002/51/EC.– Gaseous components:exhaust gas measuring system Horiba MEXA-9400HCO, CO 2infrared analyzers (IR)HC IRonly for idlingHC FIDflame ionization detector for total hydrocarbonsNO/NO xchemoluminescence analyzer (CLA)Magnos (paramagnetic analyzer)O 2Table 2. Date of the investigated 4-S scooterTabela 2. Dane techniczne badanego skutera 4-suwowego– HondaVehicle identification/oznaczenie pojazdu Zoomer NPS 50Model year/model roku 2004Transmission no. of gears/rodzaj przekładnii liczba biegówKm at beginning/stan licznikaEngine/silnik:Type/rodzajDisplacement/objętość skokowa [cm 3 ]Number of cylinders/liczba cylindrówCooling/rodzaj chłodzeniaRrated power/znamionowa mocużyteczna [kW]Rated speed, rpm/prędkość znamionowa[obr/min]Idling speed, rpm/prędkość biegu jałowego[obr/min]Max vehicle speed/maks. prędkość pojazdu[km/h]Na rysunku 3 przedstawiono stanowisko pomiarowe nahamowni podwoziowej.Wyposażenie badawcze dla normatywnych badańemisji spalinWyposażenie badawcze dla normatywnych badań emisjispełnia wymagania szwajcarskich i europejskich unormowańprawnych w zakresie emisji spalin: 70/220/EEC – 2003/76/EC; 97/24/EC – rozdz. 5 – 2002/51/EC.– Składniki gazowe:system do pomiaru emisji spalin Horiba MEXA-9400HCO, CO 2analizator na podczerwień (IR – infraredanalyzers)HC IRHC FIDTable 3. Parameters of fuels used [9]Tabela 3. Parametry zastosowanych paliw [9]variomat74 km4 stroke/4-suwowy501water cooled/wodne3.175001600 – 1800Weight empty/masa własna [kg] 90Mixture preparation/przygotowanie mieszankicarburettor/gaźnikSAS (secondary air system)/system powietrzayes/takwtórnegoCatalyst/reaktor katalitycznydummy/atrapaGasoline/benzynaEthanol/etanolC 2H 5OHjedynie dla biegu jałowegoanalizator płomieniowo-jonizacyjny dlacałkowitej ilości węglowodorów60E10 E15 E20 EH10 EH15 EH20Density/gęstość [g/cm 3 ] 0.737 0.789 0.742 0.745 0.747 0.743 0.746 0.749Stoichiometric air/fuel ratio/ stechiometr. wsp. powietrze/paliwo[-] 14.6 9.0 14.00 13.71 13.42 13.96 13.64 13.33Lover caloric value/dolna wartość opałowa [MJ/kg] 43.0 26.8 41.3 40.4 39.6 41.1 40.2 39.3*)boiling point/temp. wrzenia [ o C] 30 – 200 78.5*)research octane nbr./badawcza liczba oktanowa [-] 95 111*)latent heat of evaporation/utajone ciepło parowania [kJ/kg] 420 845*)according to [9]/zgodnie z [9]COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)33

Wpływ mieszanek etanolowych na emisję cząstek stałych...The dilution ratio DF in the CVS-dilution tunnel isvariable and can be controlled by means of the CO 2-analysis.– Measurement of the particulate mass (PM): sampling fromthe full-flow dilution tunnel filter temperature – 52 o Cconditioning of filter: 8 – 24 h (20 o C, rel. humidity 50%)scale: Mettler, accuracy ± 1 mgParticle size analysisIn addition to the gravimetric measurement of particulatemass, the particle size and counts distributions were analyzedwith following apparatus:– SMPS – Scanning Mobility ParticleSizer, TSI (DMA TSI 3081L, CPC TSI 3772)– NanoMet – System consisting of:– PAS – Photoelectric Aerosol Sensor (Eco Chem PAS2000)– DC – Diffusion Charging Sensor (Matter Eng. LQ1-DC)– MD19 tunable minidiluter (Matter Eng. MD19-2E, seeFig. 3).SMPS enables to count nanoparticles according to theirsize distribution (10 – 400 nm). PAS (photoelectric aerosolsensor) is sensitive to the surface of particulates and to thechemical properties of the surface. It indicates the solidparticles with carbonaceous surface. This type of particlesFig. 3. Sampling and measuring set-up for nanoparticulate analysisof scootersRys. 3. Stanowisko poboru spalin i pomiarowe do analizy nanocząstekw spalinach silników skuterówNO/NO xanalizator chemiluminescencyjny (CLA)O 2analizator paramagnetycznyWspółczynnik rozcieńczenia w tunelu rozcieńczającymCVS jest zmienny i może być regulowany za pomocąśrodków technicznych stosujących ocenę CO 2.– Pomiar masy cząstki stałej (PM): próbkowanie z pełnoprzepływowegotunelu rozcieńczającego, temperaturafiltra – 52 o C, kondycjonowanie filtra: 8 – 24 h (20 o C,wilgotność względna 50%), skala: Mettler, dokładność± 1 mg.Analiza rozmiaru cząstkiOprócz grawimetrycznego pomiaru masy cząstki, analizowanorozkład wymiarowy i liczbę cząstek z zastosowaniemnastępującej aparatury:– SMPS – skaningowy analizator wymiarowy cząstek stałychoparty na analizie ruchliwości elektrycznej cząstekSizer, TSI (DMA TSI 3081L, CPC TSI 3772)– NanoMet – system zawierający:– PAS – fotoelektryczny czujnik aerozolu (Eco ChemPAS 2000)– DC – czujnik rozcieńczenia ładunku (Matter Eng. LQ1-DC)– MD19 minitunel rozcieńczający (Matter Eng. MD19-2E, patrz rys. 3).SMPS umożliwia pomiar nanocząstek zgodnie z ichrozkładem wymiarowym (10 – 400 nm).Czujnik PAS jest wrażliwy na powierzchnię cząsteki chemiczne właściwości powierzchni. Wskazuje stałecząstki z powierzchnią węglową. Ten rodzaj cząstekjest rzadko możliwy do pomiaru w spalinach silników2-suwowych, stąd wyniki PAS nie są przedstawione wpowyższej pracy.Przetwornik DC umożliwia pomiar całkowitej powierzchnicząstki niezależnie od chemicznych właściwości.Wskazuje cząstki stałe i kondensaty. Wyniki uzyskanez zastosowaniem przetwornika DC są bardzo zgodne zezmierzoną masą cząstki stałej. Na rysunku 3 przedstawionostanowisko poboru spalin i pomiarowe zastosowane wbadaniach.Próbkowanie pomiarów nanocząstek jest dokonywanew przewodzie wylotowym silnika dla podstawowych badańprzy stałej prędkości, a dla cykli jezdnych pobór próbkijest z systemu CVS (zgodnie z PMP). Minitunel MD19jest grzany do temperatury 120 °C. Wszystkie pomiaryzrealizowane w pracy przeprowadzono bez zastosowaniatermoklimatyzatora (TC).Praca gorącego silnika w warunkach stacjonarnychzostała przedłużona do 20 minut w celu uzyskania wystarczającejmasy cząstek na filtrze pomiarowym do analizy PM.Wartości graniczne dla stanowiska pomiarowego ustalonozgodnie ze szwajcarskimi unormowaniami prawnymi w zakresieemisji spalin dla motocykli (masa odniesienia 170 kg;a/b/c= 10/0/0,0245, pochłonięta moc 0.547 kW/40 km/h).4. Procedury badawczeBadania podstawowe z zastosowaniem paliw opartychna etanolu przeprowadzono dla każdego wariantu paliwa34 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Influence of (hydrous) ethanol blends on (particle) emissions...is rarely measurable in the 2-S exhaust gas and the resultsof PAS are not represented in this paper.DC (diffusion charging sensor) measures the total particlesurface independent of the chemical properties. It indicatesthe solids and the condensates. The results of DC correspondvery well with the measured particle mass PM. The samplingand measuring set-up during the tests is shown in Fig. 3.The sampling position for NP-measurements is at tailpipe(TP) for basic investigations at constant speed and for drivingcycles the sampling position from CVS (according toPMP) is used. The minidiluter MD19 is heated to 120 °C. AllNP-measurements in this work were performed without thethermoconditioner (TC). The stationary warm operation wasprolonged until 20 min to get enough mass on the measuringfilters for the analysis of PM. The driving resistances ofthe test bench were set according to the Swiss exhaust gaslegislation for motorcycles. (reference mass 170 kg; a/b/c == 10/0/0.0245; absorbed power 0.547 kW@40 km/h).4. Research proceduresThe basic investigations with ethanol-based fuels wereperformed with each variant of fuel according to the sameprocedure:– 5 min conditioning at full load– legal test cycle– for Piaggio Typhoon limited to 45 km/h ECE 47 1)– for Kreidler and Honda unlimited speed ECE 40 2)– constant speed 40 km/h– first 5 min conditioning– further 10 min measurements of PSD’s withSMPS– last 3 min – last scan SMPS.The legal driving cycles are represented in Fig. 4.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.Paper reviewed/Artykuł recenzowanyFig. 4. Legal driving cycles used for the investigated vehiclesRys. 4. Cykle jezdne zastosowane dla badanych pojazdówzgodnie z tą samą procedurą:– 5 min kondycjonowania dla pełnego obciążenia– normatywny cykl badawczy– dla skutera Piaggio Typhoon ograniczony do 45 km/hECE 47 1)– dla skutera Kreidler i Honda prędkość bez ograniczeniaECE 40 2)– stała prędkość 40 km/h– pierwsze 5 min kondycjonowanie– następne 10 min pomiary PSD’s z zastosowaniemSMPS– ostatnie 3 min – ostatnie skanowanie SMPS.Normatywne cykle jezdne przedstawiono na rys. 4.PodziękowaniaAutorzy pragną wyrazić podziękowania za pomoc wrealizacji projektu następującym osobom i instytucjom:Federalnemu Urzędowi ds. Środowiska (Szwajcarski oddziałEPA) i dr. M. Schiess, Process Design Center B.V.NL orazTU Delft.Nomenclature/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-BiennBAFU Bundesamt für Umwelt (Swiss EPA)/Federalny Urząd ds.Środowiska (Szwajcarski oddział EPA)C Carburetor/gaźnikCarb Carburetor/gaźnikCMD count median diameter/obliczona średnia wartość średnicy1)according to 97/24/EC chap. 5 annex 12)according to 97/24/EC chap. 5 annex 2CPC condensation particle counter/kondensacyjny licznik cząstekstałychCVS constant volume sampling/stała objętość próbkowanychspalinDC 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)/czysty etanol (jedynie energia)1)zgodnie z 97/24/EC rozdz. 5 aneks 12)zgodnie z 97/24/EC rozdz. 5 aneks 2COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)35

Wpływ mieszanek etanolowych na emisję cząstek stałych...EC elemental carbon/węgiel pierwiastkowyEH hydrous ethanol/etanol uwodnionyFHB Fachhochschule Biel/Uniwersytet Nauk Stosowanych wBielGas 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 nanoparticulates (< 1 mm)/nanocząstki (< 1 mm)OC organic carbon/węgiel organicznyPAS photoelectric aerosol sensor/fotoelektryczny czujnik aerozoluPMPMPparticulate matter, particulate mass/cząstka stałaparticle 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/system utrzymania stałejtemperatury, całkowita ilość węglaTPTPNtailpipe/przewód wylotowy silnikatotal particle number [#/km]/całkowita liczba cząstek[szt./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. SAETechnical Paper 2002-01-1096.[2] Czerwinski J., Comte P.: Limited Emissions and Nanoparticlesof a Scooter with 2-stroke Direct Injection (TSDI). SAETechnical 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., GM PowertrainEurope; D. Marriott C.D., Wiles M. A., GM PowertrainNorth America: ABC - Alcohol Based Combustion Engines– Challenges and Opportunities. 16. Aachener KolloquiumFahrzeug- und Motorentechnik 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,Bd.2, S. 1075.[10] DuMont R.J., Cunningham L.J., Oliver M.K., Studzinski W.M.,Galante-Fox J.M.: Controlling Induction System Deposits inFlexible Fuel Vehicles Operating on E85. SAE Techn. Paper2007-01-4071.[11] Galante-Fox J.M., Von Bacho P., Notaro C., Zizelman J.: E-85Fuel Corrosivity: Effects on Port Fuel Injector DurabilityPerformance. SAE Techn. Paper 2007-01-4072.[12] CONCAWE ... Conservation of Clean Air und Water in Europe,Brussel, http://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 Scooterswith Combinations of Technical Measures. FISITA, Munich,Germany, Sept. 14-19.2008, Paper F2008-09-014, CongressProceedings Vol. IV, p. 100, ATZ/ATZ auto technology, SpringerAutomotive 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.chMr. Andreas Mayer, MEng. – Technik ThermischeMaschinen (TTM), Switzerland.Inż. Andreas Mayer – pracownik TermodynamicznejTechniki Maszyn (TTM), Szwajcaria.e-mail: ttm.a.mayer@bluewin.chMr. Pierre 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.ch36 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

The accuracy of modelling of the thermal cycle...Karol CUPIAŁWojciech TUTAKArkadiusz JAMROZIKArkadiusz KOCISZEWSKIPTNSS-2011-SS1-105The accuracy of modelling of the thermal cycle of a compresion ignition engineThe results of numerical analysis the combustion process in turbocharged CI engine 6CT107 are presented in thepaper. Engine was installed on the ANDORIA’s power generator of 100 kVA/80 kW. The results of modelling the combustionprocess for different angle setting fuel injection, compared with the results obtained by indicating the real engine.Numerical analysis was performed in two programs, designed for three-dimensional modelling of the thermal cycle thepiston internal combustion engine, namely AVL FIRE and the KIVA-3V.Keywords: combustion engine, modelling, combustionDokładność modelowania obiegu cieplnego silnika o zapłonie samoczynnymW artykule przedstawiono wyniki analizy numerycznej procesu spalania w doładowanym silniku spalinowym 6CT107o zapłonie samoczynnym, zainstalowanym na agregacie prądotwórczym firmy ANDORIA-MOT o mocy 100 kVA/80 kW.Wyniki modelowania procesu spalania dla różnych nastaw kąta wtrysku paliwa porównano z wynikami uzyskanymi podczasindykowania silnika rzeczywistego. Analizę numeryczną wykonano w dwóch programach przeznaczonych do trójwymiarowegomodelowania obiegu cieplnego tłokowego silnika spalinowego, a mianowicie AVL FIRE oraz KIVA-3V.Słowa kluczowe: silnik spalinowy, modelowanie, spalanie1. IntroductionEarly models of the thermal cycle of the compression ignitionengine appeared in the 20s of the last century. In 1926,Schweitzer published a model of heat release in the compressionignition engine [14]. In the 60s, the developmentof computation models followed [11, 16]. Initially, thosewere single-zone models, and later on they were extended tomulti-zone direct-injection models. Models for engines witha divided combustion chamber were then came into being[15]. Models based on the fuel injection characteristics werecreated. One of the first advanced multi-dimension combustionprocess models for engines with liquid fuel injectionto the combustion chamber was the CONCHAS-SPRAYmodel developed at the Los Alamos Scientific Laboratoryin the USA. Since the 70s, this model has been modifiedand complemented with a number of sub-models and hasbecome a basis for creating the KIVA program. The KIVA-3Vprogram [1 – 3] enables modelling of flow processes, includingcombustion, fuel injection and heat exchange. This is anincomplete model requiring a number of input quantities forconducting computation. For the description of turbulence ofthe load, the k-e model and the initial swirl model with thecapability to shape the initial fresh load profile were used.The program allows the three-dimensional engine workingspace to be modelled in either the cylindrical or Cartesianco-ordinate system. For modelling the fuel injection process,sub-models of fuel particle collisions and the size-reductionand coalescence fuel droplets and their evaporation are providedin the KIVA-3V program.Many research centres around the world are involved inthe modelling of the process of combustion in compressionignition engines. It is advanced computer programs thatCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)1. WstępPierwsze modele obiegu cieplnego silnika o zapłoniesamoczynnym pojawiały się w latach dwudziestych poprzedniegowieku. W roku 1926 Schweitzer opublikował modelwywiązywania się ciepła w silniku wysokoprężnym [14].W latach sześćdziesiątych nastąpił rozwój modeli obliczeniowych[11, 16]. Były to modele początkowo jednostrefowe,a później rozszerzano je do modeli wielostrefowych zwtryskiem bezpośrednim. Powstały modele dla silników zdzieloną komorą spalania [15]. Tworzono modele oparte nacharakterystyce wtrysku paliwa. Jednym z pierwszych zaawansowanychmodeli wielowymiarowych procesu spalaniadla silników z wtryskiem paliwa ciekłego do komory spalaniabył model CONCHAS-SPRAY, opracowany w Los AlamosScientific Laboratory w USA. Od lat siedemdziesiątychXX w. model ten ulegał modyfikacjom oraz uzupełnianiuwieloma podmodelami i stał się bazą do stworzenia programuKIVA. Program KIVA-3V [1 – 3] pozwala modelowaćprocesy przepływowe, włączając spalanie, wtrysk paliwa iwymianę ciepła. Jest to model niekompletny, wymagającywielu wartości wielkości wejściowych do prowadzenia obliczeń.Do opisu procesu turbulencji ładunku zastosowanomodel k-e oraz model wstępnego zawirowania świeżegoładunku z możliwością kształtowania jego początkowegoprofilu. Program ten pozwala na modelowanie trójwymiarowejprzestrzeni roboczej silnika w układzie współrzędnychcylindrycznych lub prostokątnych. W programie KIVA-3Vdo modelowania procesu wtrysku paliwa stworzono podmodelezderzeń cząsteczek paliwa, rozdrobnienia i koalescencjikropel paliwa oraz ich odparowania.Wiele ośrodków badawczych na całym świecie zajmujesię modelowaniem procesu spalania w silnikach z zapłonem37

Dokładność modelowania obiegu cieplnego silnika...are used for this purpose, which serve for solving flows incombustion engine chambers of any geometry by numericalmethods. These are programs belonging to the fluid mechanicsfield, where numerical methods are employed for solvingCFD (Computational Fluids Dynamics) problems.Using the STAR-CD program, Gunabalan et al. [9]subjected the operation of a single-cylinder direct-injectioncompression ignition engine to numerical analysis. Theexamination included, among other things, the effect ofthe injection advance angle on the maximum pressureand temperature magnitudes and the emission of NO xandsoot. The influence of exhaust gas recirculation (EGR)on the aforementioned engine operation parameters wasalso examined. The engine model ran at a constant speedof 1000 rpm, and the beginning of injection was set at12 o (the base value), 16 o and 20 o CRA before TDC. Theresults of the analysis showed that the maximum pressureand temperature values occurred, of course, at the earliestmoment of fuel injection to the combustion chamber, thatis at 20 o CA before TDC. A maximum pressure of 11.5 MPaand a maximum temperature of 1197 K were obtained. Forthis setting of the injection angle, the highest NO xemission(approx. 40 g/kg fuel) and, at the same time, the lowestcombustion gas soot content (approx. 0.7 g/kg fuel) wereobtained, as compared to the remaining two settings. Afterintroducing combustion gas in the amount of 20% to thefresh load, a decrease in combustion gas NO xcontent byapprox. 50%, but an increase in soot emission by approx.70% were obtained. The combination of an injection advanceof 20 o CA before TDC with 10% EGR proved to bea setting optimal in terms of the emission.Work [6] reports the results of modelling fuel mixture formationand combustion in the turbocharged direct injectioncompression ignition engine by Caterpillar. The numericalanalysis was performed using the FIRE program. The 2440cm3 displacement engine model operated at rotational speedequal to 1600 rpm and with an injection start angle of 9 o CAbefore TDC. As a result of computations, cylinder pressurevariations and the curves of NO xand soot formation in theengine exhaust gas were obtained; these results were thencompared with the result of research work carried out onthe real engine. As a result, fairly good agreement betweenthe modelling results and experimental test results wereachieved; and what the engine model reflected best was thevariation of pressure in the engine.In their work [12]. Kusakai Daisho reported the resultsof modelling the combustion and exhaust gas emission processesin the CI turbocharged engine with the common-railsystem. The numerical analysis was performed using theKIVA-3V program, as modified by being supplemented withchemical reaction sub-models taken from the CHEMKIN-II program. The object of investigation was a six-cylinderturbocharged CI engine of a total displacement of 7790 cm 3 .The most important findings derived from the modelling areas follows:a) in the first phase, the injected fuel undergoing lowtemperaturereactions decomposes into HCHO and COsamoczynnym. Wykorzystywane do tego celu są właśniezaawansowane programy komputerowe, służące do rozwiązywaniametodami numerycznymi przepływów w komorachsilników spalinowych o dowolnej geometrii. Są to programynależące do działu mechaniki płynów, wykorzystującegometody numeryczne do rozwiązywania zagadnień przepływupłynów – CFD (Computational Fluids Dynamics).Gunabalan i inni [9], wykorzystując program STAR-CD, poddali analizie numerycznej pracę jednocylindrowegosilnika o zapłonie samoczynnym z wtryskiem bezpośrednim.Zbadano m.in. wpływ kąta wyprzedzenia wtryskuna maksymalną wartość ciśnienia i temperatury oraz naemisję NO xi sadzy. Poddano również analizie wpływ recyrkulacjispalin (EGR) na wymienione parametry pracysilnika. Model silnika pracował ze stałą prędkością równą1000 obr/min, a początek wtrysku ustalono na 12° (wartośćbazowa), 16° oraz 20° OWK przed GMP. Wyniki analizypokazały, iż maksymalna wartość ciśnienia i temperaturywystępuje przy najwcześniejszej chwili wtrysku paliwado komory spalania – 20° OWK przed GMP. Otrzymanoodpowiednio ciśnienie maksymalne równe 11,5 MPa oraztemperaturę maksymalną 1197 K. Dla tej nastawy kątawtrysku otrzymano najwyższą emisję NOx (ok. 40 g/kg paliwa)i jednocześnie najmniejszą zawartość sadzy w spalinach(ok. 0,7 g/kg paliwa), w porównaniu do dwóch pozostałychustawień. Po wprowadzeniu spalin do świeżego ładunkuw wysokości 20% otrzymano spadek zawartości NO xwspalinach o ok. 50%, ale wzrost emisji sadzy o ok. 70%.Najbardziej optymalną pod względem emisji nastawą okazałasię kombinacja kąta wyprzedzenia wtrysku o wartości20° OWK przed GMP oraz 10% EGR.W pracy [6] przedstawiono wyniki modelowania tworzeniamieszanki i spalania w doładowanym silniku wysokoprężnymo wtrysku bezpośrednim firmy Caterpillar. Analizęnumeryczną wykonano przy użyciu programu FIRE. Modelsilnika o pojemności skokowej 2440 cm 3 pracował z prędkościąobrotową równą 1600 obr/min i przy kącie początkuwtrysku 9° OWK przed GMP. W wyniku obliczeń otrzymanoprzebiegi ciśnienia w cylindrze, krzywe tworzenia się NO xoraz sadzy w spalinach silnika; wyniki te porównano z wynikamiprac badawczych prowadzonych na rzeczywistymsilniku. W efekcie otrzymano dość dobrą zgodność wynikówmodelowania z wynikami prac eksperymentalnych, anajlepiej model silnika odzwierciedlił przebieg ciśnienia wcylindrze.Kusaka i Daisho w swej pracy [12] przedstawili wynikimodelowania procesu spalania i emisji spalin w doładowanymsilniku o ZS, z systemem common-rail. Analizę numerycznąwykonano z zastosowaniem programu KIVA-3V,zmodyfikowanego o podmodele reakcji chemicznych z programuCHEMKIN-II. Obiektem badań był sześciocylindrowy,doładowany silnik o ZS o pojemności całkowitej 7790cm 3 . Najważniejsze wnioski wypływające z modelowania:a) w pierwszej fazie wtryśnięte paliwo, pod wpływem reakcjiniskotemperaturowych, rozkłada się na HCHO i CO,następnie w reakcjach wysokotemperaturowych powstajeOH i CO 2,38 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

The accuracy of modelling of the thermal cycle...and then, as a result of high-temperature reactions, OHand CO 2are formed;b) NO forms immediately around the fuel-rich regions afterapprox. 376 o CA and diffuses into the combustion chamber.The formed NO partially converts to NO 2in externalregions.The numerical analysis results were compared with theresults of experimental tests. Good consistence, both qualitativeand quantitative, was obtained for pressure variationin the cylinder, the heat release degree and the NO contentsof exhaust gas. Whereas, considerable discrepancy was obtainedbetween the results for soot formation in the exhaustgas. The modelling yielded an exhaust gas soot concentrationbeing ten times that obtained in reality. It was determinedthat more detailed exhaust gas soot formation reactions wererequired to be used in further studies.In all of the cases discussed above, a turbulence modelused for computation was the k–e model, while for determiningthe NO emission an extended thermal model, as proposedby Zeldovich, was employed.In the Institute of Internal Combustion Machines andControl Engineering of the Czestochowa University ofTechnology, aside from the KIVA-3V program, the FIREprogram has also been in use for more than a year, whichwas made available by the AVL company within the UniversityPartnership Program. The FIRE program [4], beingone of the state-of-the-art and, at the same time, intensivelydeveloped computer programs, is used for modelling thethermal cycle of an internal combustion engine. The FIREprogram enabled the computation of transfer, mixing, ignitionand turbulent combustion phenomena occurring in apiston engine. The combustion of both heterogeneous andhomogeneous mixtures formed by the injection of liquidfuel to the chamber can be modelled. Computation canapply both to a spark-ignition engine and to a self-ignitionengine. The self-ignition process can be carried out usingseveral knock-combustion sub-models (AnB Knock, ShellModel, and others). The load turbulence model can bemodelled using either the k-e model, or the more modernk-zeta-f model [4].2. The object of investigationModelling of the thermal cycle of a self-ignition pistonengine in the AVL FIRE and KIVA-3V programs was carriedout within the study. The object of investigation wasa 6CT107 turbocharged self-ignition internal combustionengine fed with diesel oil (Fig. 1), installed on an ANDORIA-MOT 100 kVA/80 kW power generating set in a portableversion.Engine specification:a) CI 6-cylinder engine, supercharged,b) displacement: 6.54 dm 3c) rotational speed: 1500 rpmd) crank throw: 60.325 mme) cylinder bore: 107.19 mmf) connecting-rod length: 245 mmg) compression ratio: 16.5.b) NO tworzy się natychmiast wokół obszarów bogatychw paliwo po ok. 376° OWK i dyfunduje w głąb komoryspalania. Powstałe NO, w zewnętrznych obszarach, częściowokonwertuje na NO 2.Wyniki analizy numerycznej porównano z wynikamibadań eksperymentalnych. Otrzymano dobrą zgodnośćzarówno jakościową, jak i ilościową, w odniesieniu doprzebiegu ciśnienia w cylindrze, stopnia wydzielaniaciepła i zawartości NO w spalinach. Natomiast znacznerozbieżności otrzymano dla wyników tworzenia się sadzyw spalinach. Podczas modelowania uzyskano dziesięciokrotniewiększe wartości koncentracji sadzy w spalinachniż w rzeczywistości. Stwierdzono, iż w dalszych badaniachnależy zastosować bardziej szczegółowe reakcjetworzenia się sadzy w spalinach.We wszystkich omawianych powyżej przypadkach modelemturbulencji jaki zastosowano do obliczeń był modelk–e, natomiast do wyznaczenia emisji NO wykorzystywanorozszerzony, termiczny mechanizm Zeldowicza.W Instytucie Maszyn Tłokowych i Techniki SterowaniaPolitechniki Częstochowskiej do modelowania obiegucieplnego silnika tłokowego obok programu KIVA-3V odponad roku wykorzystywany jest także program FIRE,udostępniony przez firmę AVL w ramach UniversityPartnership Program. Program FIRE [4] należy do najnowocześniejszychi jednocześnie intensywnie rozwijanychprogramów komputerowych wykorzystywanych do modelowaniaobiegu cieplnego tłokowego silnika spalinowego.Program FIRE umożliwia obliczanie zjawisk transportu,mieszania, zapłonu i turbulentnego spalania w silnikutłokowym. Modelować można spalanie zarówno mieszanekhomogenicznych, jak i mieszanek heterogenicznychutworzonych przez wtrysk paliwa ciekłego do komory.Obliczenia mogą dotyczyć zarówno silnika o zapłonieiskrowym, jak i silnika o zapłonie samoczynnym. Processamozapłonu może być realizowany z wykorzystaniemkilku podmodeli spalania stukowego (AnB Knock, ShellModel i inne). Proces turbulencji ładunku może być modelowanyz wykorzystaniem modelu k-e oraz za pomocąnowocześniejszego modelu k-zeta-f [4].2. Obiekt badańW ramach pracy przeprowadzono modelowanie obiegucieplnego tłokowego silnika o zapłonie samoczynnym wprogramie AVL FIRE i KIVA-3V. Obiektem badań był doładowanysilnik spalinowy o zapłonie samoczynnym 6CT107zasilany olejem napędowym (rys. 1), zainstalowany naagregacie prądotwórczym firmy ANDORIA-MOT o mocy100 kVA/80 kW w wersji przewoźnej.Dane silnika:a) silnik o ZS sześciocylindrowy, doładowanyb) pojemność skokowa 6,54 dm 3c) prędkość obrotowa 1500 1/mind) promień wykorbienia 60,325 mme) średnica cylindra 107,19 mmf) długość korbowodu 245 mmg) stopień sprężania 16,5.COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)39

Dokładność modelowania obiegu cieplnego silnika...Fig. 1. The 6CT107 test internal combustion engineRys. 1. Badawczy silnik spalinowy 6CT1073. Description of the ECFM-3Z combustion modelof the AVL FIRE programThe ECFM (Extended Coherent Flame Model) model[7] was developed specially for modelling the combustionprocess in a compression ignition engine. The CFM has beensuccessfully used for modelling the process of combustionin spark ignition engines. The ECFM-3Z model belongs toa group of advanced models of the combustion process in acompression ignition engine. For several years it has beensuccessfully used, constantly modified and improved bymany researchers [19]. Together with turbulence process submodels(e.g. the k-zeta-f), exhaust gas component formation,knock combustion and other sub-models, they constitute auseful tool for modelling and analysis of the thermal cycleof the compression ignition internal combustion engine.To adapt the model for the modelling of the combustionprocess in the self-ignition engine, a sub-model has beenadded, which describes the process of mixing fuel to beinjected to the combustion chamber. The turbulent combustionprocess is defined by the time scale of chemical reactions,the time scale of turbulent processes, and turbulenceintensity. The flame front is formed by the turbulent effectof load vortices and interaction between the burned zone andthe unburned part of the load. The time scale of chemicalprocesses is much smaller than that defining the load turbulence.This model is based on the concept of laminar flamepropagation with flame velocity and flame front thicknessas the average flame front values. It is also assumed that thereactions occur in a relatively thin layer separating unburnedgases from the completely burned gases [4]. The model relieson the flame front transfer equation, as well as on the mixingmodel describing the combustion of an inhomogeneous mixand the diffusion combustion model. The model assumes thedivision of the combustion region into three zones (Fig. 2):a sole fuel zone, a zone of sole air with a possible presence3. Charakterystyka modelu spalania ECFM-3Zprogramu AVL FIREModel ECFM (Extended Coherent Flame Model) [7] zostałopracowany specjalnie do modelowania procesu spalaniaw silniku o zapłonie samoczynnym. Model spalania CFMbył z powodzeniem stosowany do modelowania spalania wsilnikach o zapłonie iskrowym. Model ECFM-3Z należy dogrupy zaawansowanych modeli procesu spalania w silniku ozapłonie samoczynnym. Od kilku lat jest wykorzystywany,ciągle modyfikowany i udoskonalany przez wielu badaczy[19]. Wraz z podmodelami procesu turbulencji (np. k-zeta-f),podmodelami tworzenia się toksycznych składników spalin,spalania stukowego i innymi tworzą użyteczne narzędzia domodelowania i analizy obiegu cieplnego tłokowego silnikaspalinowego o zapłonie samoczynnym.W celu przystosowania modelu do modelowania procesuspalania w silniku o zapłonie samoczynnym dodanopodmodel opisujący proces mieszania wtryskiwanegopaliwa do komory spalania. Proces spalania turbulentnegojest określony przez skalę czasową reakcji chemicznych,skalę czasową procesów turbulentnych oraz intensywnośćturbulencji. Front płomienia jest formowany przez oddziaływanieturbulentne wirów ładunku oraz przez wzajemneoddziaływanie strefy spalonej i niespalonej części ładunku.Skala czasowa procesów chemicznych jest dużo mniejszaniż skala czasowa określająca turbulencję ładunku. Modelten oparty jest na koncepcji rozprzestrzeniania się płomienialaminarnego o prędkości oraz grubości frontu płomieniajako wartościach średnich frontu płomienia. Zakłada siętakże, że reakcje zachodzą w relatywnie cienkiej warstwieoddzielającej gazy niespalone od całkowicie spalonych [4].Model ten bazuje na równaniu transportu frontu płomieniaoraz modelu mieszania opisującego spalanie mieszankiniehomogenicznej oraz spalania dyfuzyjnego. W modeluzałożono podział obszaru spalania na trzy strefy (rys. 2):40 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

The accuracy of modelling of the thermal cycle...of exhaust gases remained from the previous engine operationcycle, and an air-fuel mixture zone, where combustionreactions occur following the ECFM concept. The air-fuelmixture formation model provides for gradual mixing of fuelwith air. The created combustion model is called ECFM-3Z(3-Zones Extended Coherent Flame Model). In this model,the mixture zone is additionally divided into a burned andan unburned zone. To initiate the combustion process, theself-ignition model for the forming mixture zone and for thediffusion flame zone is used [7]. The ECFM makes use ofthe 2-stage fuel oxidation mechanism (C 13H 23) [4]:(1)samego paliwa, samego powietrza z możliwą obecnościąpozostałych gazów spalinowych z poprzedniego cyklupracy silnika oraz strefa mieszanki paliwowo-powietrznej,w której zachodzą reakcje spalania według koncepcji modeluECFM. Model tworzenia mieszanki palnej polega nastopniowym mieszaniu się paliwa z powietrzem. Powstałymodel spalania został nazwany ECFM-3Z (3-Zones ExtendedCoherent Flame Model). W modelu tym strefa mieszankidodatkowo podzielona jest na strefę spaloną i niespaloną.Do zainicjowania procesu spalania jest wykorzystywanymodel samozapłonu dla strefy tworzącej się mieszanki orazdla strefy płomienia dyfuzyjnego [7]. W modelu ECFM wykorzystanyjest 2-stopniowy mechanizm utleniania paliwa(C 13H 23) [4] – wzory (1), (2), gdzie: n, m, k – liczba atomówwęgla, wodoru i tlenu w paliwie oraz wzory (3) i (4).(2)where: n, m, k – number of the atoms of carbon, hydrogenand oxygen in the fuel, respectively.C 13H 23+ 18.75 O 2→ 13 CO 2+ 11.5 H 2O (3)C 13H 23+ 11.5 O 2→ 13 CO + 11.5 H 2(4)The reaction of formation of CO and H 2is taken intoaccount for stoichiometric and fuel-rich mixtures, while forlean mixtures this reaction is omitted.In the ECFM-3Z model, transport equations for thechemical components O 2, N 2, CO 2, CO, H 2, H 2O, O, H, N,OH and NO are also solved.The term "burned gases" means the actual combustionproducts of the mixture zone (the zone M b , Fig. 2) and thepart of the fuel that has not been mixed with air and has notbeen burned (the zone F b , Fig. 2), and the air ((A b , Fig. 2).The fuel is divided into two parts: the fuel present in thefresh load part prior to being combusted, , and the fuelpresent in the exhaust gas, [4]. For the calculation of, the transport equation is used [4].The concept of the injected fuel and air mixing modelrelies on the characteristic time-scale of the turbulencemodel. Because of the occurring process of fuel evaporation,it is necessary to determine the amount of fuel entering themixture zone (from the zone to the zone (M = M u + M b ,Fig. 2) and to the pure fuel zone (F = F u + F b , Fig. 2). In theinjected fuel stream, fuel droplets are situated so close toone another as to form altogether a sole fuel zone. After thefuel has evaporated, a specific time is still needed for mixingof the pure fuel zone fuel (F) with air (A) and formationof the combustible mixture (M). To determine the threemixture zones, relationships are defined for the zone of fuelunmixed with air:and for the zone of air remaining outside the mixture:COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)(5)Fig. 2. Zones in the ECFM-3Z modelRys. 2. Strefy w modelu ECFM-3ZReakcja powstawania CO oraz H 2jest brana pod uwagędla mieszanek stechiometrycznych oraz bogatych w paliwo,natomiast dla mieszanek ubogich reakcja ta jest pomijana.W modelu ECFM-3Z rozwiązywane są także równaniatransportu dla składników chemicznych: O 2, N 2, CO 2, CO,H 2, H 2O, O, H, N, OH oraz NO.Pod pojęciem „spalone gazy” rozumie się rzeczywisteprodukty spalania strefy mieszanki (strefa M b , rys. 2) i częśćpaliwa, która nie uległa wymieszaniu się z powietrzem i nieuległa spaleniu (strefa F b , rys. 2) oraz powietrze (A b , rys.2). Paliwo jest podzielone na dwie części: paliwo obecne wczęści świeżego ładunku przed spaleniem oraz paliwoobecne w spalinach [4]. Do obliczania wykorzystywanejest równanie transportu [4].Koncepcja modelu mieszania wtryśniętego paliwa zpowietrzem oparta jest na charakterystycznej skali czasowejmodelu turbulencji. Ze względu na zachodzący procesodparowania paliwa konieczne jest określenie ilości paliwawchodzącego do strefy mieszanki (ze strefy F do strefyM = M u + M b , rys. 2) oraz do strefy czystego paliwa (F == F u + F b , rys. 2). W strudze wtryskiwanego paliwa kroplepaliwa znajdują się tak blisko siebie, że tworzą strefęsamego paliwa. Po odparowaniu paliwa nadal wymaganyjest określony czas do wymieszania się paliwa ze strefyczystego paliwa (F) z powietrzem (A) i wytworzenie palnej41

Dokładność modelowania obiegu cieplnego silnika...It is additionally assumed that the composition of gas,fuel + EGR is identical both in the mixture zone and in thezone being still unmixed. The mixture self-ignition delay iscalculated from the empirical correlation [13]:The combustion model for the self-ignition engine hasbeen complemented with the unburned product zone. Theexhaust gas contains unburned fuel and O 2, N 2, CO 2, H 2O,H 2, NO, CO. The fuel oxidation occurs in two stages:a) the first oxidation stage leads to the formation of largeamounts of CO and CO 2in the exhaust gas of the mixturezone,b) at the second stage in the mixture zone exhaust gas, thepreviously formed CO is oxidized to CO 2.4. Description of the combustion model in theKIVA-3V programThe KIVA-3V enables the computation of three-dimensionalflows in engine chambers of an arbitrary geometry,including the turbulence effects and heat exchange with thewalls. The KIVA-3V is an example of the three-dimensionalfield model in which the combustion process (the mode andvelocity of flame from propagation) is the result of solvingthe basic conservation equations and their complementaryrelationships that define the flow field in the front area, thecourse of the chemical reactions of combustion and themomentary thermodynamic state of the medium [1 – 3].The model relies on solving the equations of conservationof mass, momentum, energy and the quantities of components,which describe the nonstationary field of flow witha chemical reaction (combustion). These equations arethree-dimensional Navier-Stokes equations for a mixture ofcompressive fluids. The sub-model of the chemical reactionsof the hydrocarbon fuel combustion process considers fourkinetic reactions and six equilibrium reactions. The firstkinetic reaction defines the oxidation of fuel. The next threereactions describe the nitrogen oxide formation mechanism,following Zeldowicz’s model. The turbulence process canbe modelled using one of the three sub-models: the SGS(Sub-Grid Scale), the k-e or the RNG k-e (ReNormalisationGroup). For modelling turbulence in the present study, thek-e model was used, in which the kinematic viscosity, m t, isdependent on the kinetic energy of turbulence, k, and on theturbulence kinetic energy dissipation rate, e.5. Modelling resultsThe same computational grids were used for both computerprograms (Fig. 3). Computations were conducted forthe angle range from –180 o CA before TDC to 180 o CAafter TDC.The grid of the modelled combustion chamber of the6CT107 test engine consisted of nearly 36000 computationcells. Two-layered wall boundary layer was considered.Figures 4 and 5 show the variation of combustion pressuresobtained as a result of indicating the real test engine and mod-(6)mieszanki (M). W celu określenia trzech stref mieszankizdefiniowano zależność dla strefy paliwa niewymieszanegoz powietrzem (5) oraz dla strefy powietrza pozostającegopoza mieszanką (6).Dodatkowo zakłada się, że skład gazu, powietrze + EGR,jest taki sam zarówno w strefie mieszanki, jak i w strefie jeszczeniewymieszanej. Opóźnienie samozapłonu mieszankiobliczane jest z korelacji empirycznej [13].Model spalania dla silnika o zapłonie samoczynnymzostał uzupełniony o strefę niespalonych produktów. Wspalinach znajduje się niespalone paliwo oraz O 2, N 2, CO 2,H 2O, H 2, NO, CO. Utlenianie paliwa zachodzi w dwóchetapach:1) prowadzi do powstania dużej ilości CO oraz CO 2, wgazach spalinowych strefy mieszanki,2) w gazach spalinowych strefy mieszanki poprzednio powstałyCO jest utleniany do CO 2.4. Charakterystyka modelu spalania w programieKIVA-3VKIVA-3V pozwala on na obliczanie przepływów trójwymiarowychw komorach silników o dowolnej geometrii,włączając efekty turbulencji i wymianę ciepła ze ściankami.KIVA-3V jest przykładem trójwymiarowego modelu polowego,w którym przebieg procesu spalania (sposób i prędkośćrozprzestrzeniania się frontu płomienia) jest wynikiem rozwiązywaniapodstawowych równań zachowania oraz uzupełniającychje zależności, które określają pole przepływu w rejoniefrontu, przebieg reakcji chemicznych spalania oraz chwilowystan termodynamiczny czynnika [1 – 3]. Model bazuje narozwiązywaniu równań zachowania masy, pędu, energii iilości składników, opisujących nieustalone, trójwymiarowepole przepływu z reakcją chemiczną (spalaniem). Równaniate to trójwymiarowe równania Naviera-Stokesa dla mieszaninypłynów ściśliwych. W podmodelu reakcji chemicznychprocesu spalania paliwa węglowodorowego uwzględnionocztery reakcje kinetyczne i sześć reakcji równowagowych.Pierwsza reakcja kinetyczna określa utlenianie paliwa. Kolejnetrzy opisują, zgodnie z rozszerzonym modelem Zeldowicza,mechanizm tworzenia tlenku azotu. Proces turbulencji możebyć modelowany przy użyciu jednego z trzech podmodeli:SGS (Sub-Grid Scale), k-e lub RNG k-e (ReNormalisationGroup). W pracy do modelowania turbulencji wykorzystanomodel k-e, w którym lepkość kinematyczna m tuzależnionazostała od energii kinetycznej turbulencji k i od szybkościdyssypacji energii kinetycznej turbulencji e.5. Wyniki modelowaniaDla obydwu programów komputerowych wykorzystanotakie same siatki obliczeniowe (rys. 3). Obliczenia prowadzonodla zakresu kątowego –180 o OWK przed GMP do180 o OWK po GMP.Siatka modelowanej komory spalania silnika badawczego6CT107 składała się z prawie 36 000 komórek obliczeniowych.Uwzględniono 2-warstwową warstwę przyścienną.Parametry modelowania podano w tabeli 1.Na rysunkach 4 i 5 przedstawiono przebieg ciśnieniaspalania uzyskany w wyniku indykowania rzeczywistego42 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

The accuracy of modelling of the thermal cycle...elling with the KIVA-3Vand AVL FIRE programs,respectively, for the sameinitial conditions and settingsof fuel injection.Figure 6 shows differencesin pressure obtainedusing the KIVA-3V and theFIRE programs, respectively,compared to the pressure obtainedby indicating the realFig. 3. The computational grid for combustion chamber modellingRys. 3. Siatka obliczeniowa modelowanej komory spalaniaTable 1. Modelling parametersTabela 1. Parametry modelowaniaEngine rotational speeds/prędkość obrotowa silnika – 1500 rpm/obr/minCylinder bore/średnica cylindra – 107.19 mmCrank throw/promień wykorbienia – 60.325 mmConnecting-rod length/długość korbowodu – 245 mmInitial pressure for 180 o CRA before TDC/ciśnienie początkowe dla 180 o OWK przed GMP – 0.16 MPaInitial temperature for 180 o CRA before TDC/temp. początkowa dla 180 o OWK przed GMP – 310 KInjection angle/kąt wtrysku – –9 o CA before TDCInjected fuel mass/masa wtryskiwanego paliwa – 0.0735 g/cycleInjection duration angle/kąt trwania wtrysku – 20 o CRAFuel temperature/temp. paliwa – 330 KFIRE program's sub-models/podmodele programu FIRETurbulence model/model turbulencji – k-zeta-fCombustion model/model spalania – Coherent Flame ECFM-3Z ModelNO formation model/model tworzenia NO – extended Zeldowicz’s model/rozszerzonySoot formation model/model tworzenia sadzy – Lund Flamelet Modelengine. The results obtained with the FIRE program reflect thepressure variation of the real engine with greater accuracy. Themaximum combustion pressure difference obtained with theKIVA-3V program amounted to 1.24 MPa and occurred at 25 oCA after TDC. For the FIRE program, the combustion pressuredifference was 0.12 MPa and occurred at 26 o CA after TDC.silnika badawczego oraz modelowania programem KIVA-3Voraz AVL FIRE, dla tych samych warunków początkowychi nastaw procesu wtrysku paliwa.Na rysunku 6 przedstawiono różnice ciśnienia uzyskanegoprogramem KIVA-3V oraz FIRE w stosunku dociśnienia uzyskanego indykowaniem silnika rzeczywistego.Wyniki uzyskane programem FIRE z większą dokładnościąFig. 4. Variation of combustion pressure in the real engine, as obtained by modelling with the KIVA-3V and the AVL FIRE programs, respectivelyRys. 4. Przebieg ciśnienia spalania w silniku rzeczywistym, uzyskany modelowaniem programem KIVA-3V oraz programem AVL FIRECOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)43

Dokładność modelowania obiegu cieplnego silnika...Fig. 5. Combustion pressure diagram in the p-V systemRys. 5. Wykres ciśnienia spalania w układzie p-VFigure 7 shows the computed combustion pressure increment,respectively, for the real engine and for the models.From the pressure increment diagram it can be found thatthe dp/da graph obtained with the FIRE program is closerto the performance of the real engine.Figure 8 presents the obtained differences in dp/da betweenmodelling and indicating the real engine. For modellingwith the FIRE program, the maximal difference in dp/dawas 0.14 MPa at 1 o CA after TDC, while that obtained withthe KIVA-3V program was 0.3 MPa at 11 o CA after TDC.In Figure 9, the computed values of mean indicatedpressure are compared for the real engine and the model. Adefinite difference in pi was obtained from modelling withthe KIVA-3V program. The difference against the real enginewas 0.37 MPa. For modelling with the FIRE program thisdifference was 0.07 MPa. Since the engine cycle was modelledin the angle range from –180 o to 180 o CA, the meanindicated pressure for the real engine was computed for thesame angle range.Figure shows the computed values of indicated efficiency.Similarly as for the mean indicated pressure, a significantdifference was obtained for the results of modelling with theKIVA-3V program. The difference in indicated efficiency,Fig. 6. The combustion pressure difference obtained by modelling withthe KIVA-3V program and the AVL FIRE programRys. 6. Różnica ciśnienia spalania uzyskana modelowaniem programemKIVA-3V oraz AVL FIREodzwierciedlają przebieg ciśnienia silnika rzeczywistego.Maksymalna różnica ciśnienia spalania uzyskana programemKIVA-3V wynosiła 1,24 MPa i wystąpiła 25 o OWK po GMP.Dla programu FIRE różnica ciśnienia spalania wynosiła 0,15MPa i wystąpiła przy kącie 26 o OWK po GMP.Na rysunku 7 przedstawiono obliczony przyrost ciśnieniaspalania dla silnika rzeczywistego oraz dla modeli. Zprzebiegu zmian przyrostu ciśnienia można stwierdzić, żeprzebieg dp/da uzyskany programem FIRE jest bliższywynikom silnika rzeczywistego.Na rysunku 8 przedstawiono różnice dp/da uzyskane wwyniku modelowania i indykowania silnika rzeczywistego.Dla modelowania programem FIRE maksymalna różnicadp/da wynosiła 0,14 MPa 1 o OWK po GMP, a uzyskane programemKIVA-3V wynosiła 0,3 MPa 11 o OWK po GMP.Na rysunku 9 porównano obliczone wartości średniegociśnienia indykowanego dla silnika rzeczywistego oraz dlamodelu. Istotną różnicę pi uzyskano z modelowania programemKIVA-3V. Różnica w stosunku do silnika rzeczywistegowynosiła 0,37 MPa. Dla modelowania programem FIREróżnica ta wynosiła 0,07 MPa. Ze względu na to, że obiegFig. 7. Variation of pressure increment for the modelled engineRys. 7. Przebieg przyrostu ciśnienia dla modelowanego silnika44 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

The accuracy of modelling of the thermal cycle...Fig. 8. Difference in pressure increment between the actual values and the values obtained from modelling with the KIVA-3V and the AVL FIREprograms, respectivelyRys. 8. Różnica przyrostów ciśnienia względem wartości rzeczywistych dla modelowania programem KIVA-3V oraz AVL FIREFig. 9. Comparison of the mean indicated pressure values for the modeland the real engineRys. 9. Porównanie wartości średniego ciśnienia indykowanego dlamodelu i silnika rzeczywistegoFig. 10. Comparison of the indicated efficiency values obtained for themodelled engineRys. 10. Porównanie wartości sprawności indykowanej uzyskanej dlamodelowanego silnikaFig. 11. Variation of combustion pressure for different injection start angles obtainedfrom modelling with the FIRE programRys. 11. Przebieg ciśnienia spalania dla różnych kątów początku wtrysku modelowanyprogramem FIREsilnika modelowano w zakresie kątów od –180 odo 180 o OWK, dlatego dla silnika rzeczywistegośrednie ciśnienie indykowane obliczono dla tegosamego zakresu kątowego.Na rysunku 10 przedstawiono obliczonewartości sprawności indykowanej. Podobnie jakdla średniego ciśnienia indykowanego znacznąróżnicę uzyskano dla wyników modelowaniaprogramem KIVA-3V. Różnica sprawności indykowanejh iwynosiła 12,8%. Znacznie lepszązgodność wyników uzyskano dla modelowaniaprogramem FIRE, w tym przypadku różnica h iwynosiła 2,6%.Silnik rzeczywisty pracuje z kątem początkuwtrysku 9 o OWK przed GMP. Po dokonaniu weryfikacjimodelu przeprowadzono modelowanieobiegu silnika w poszukiwaniu optymalnegokąta początku wtrysku. Przyjęto, że optymalnąwartością kąta początku wtrysku była ta, przyktórej wystąpiła maksymalna praca i sprawnośćindykowana.COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)45

Dokładność modelowania obiegu cieplnego silnika...Fig. 12. Mean indicated pressure (left) and indicated efficiency (right) at different injection start angles, as modelled with the FIRE programRys. 12. Średnie ciśnienie indykowane (lewy) i sprawność indykowana (prawy) przy różnych kątach początku wtrysku, modelowane programem FIREh i, was 12.8%. Considerably better consistence of the resultswas achieved for modelling with the FIRE program; in thiscase, the difference in h iwas 2.6%.The real engine operates at an injection start angle of 9 oCA before TDC. After reviewing the model, modelling ofthe engine cycle was performed in the search for the optimalinjection start angle. It was assumed that the optimal valueof injection start angle was the one at which the maximumwork and indicated efficiency occurred.Figure 11 presents several pressure variation graphs obtainedfrom modelling with the FIRE program for differentfuel injection angles.Figure 12 represents the effect of the injection start angleon the magnitudes of mean indicated pressure and indicatedefficiency. For the modelled engine, it turned out that, dueto the thermal cycle parameters, the optimal injection startangle is 15 o CA before TDC. The obtained maximum valueswere p i= 1.29 MPa and h i= 43.6%.6. SummaryThe paper has presented the results of modelling the thermalcycle of the test 6CT107 compression ignition engine,obtained using the AVL FIRE and the KIVA-3V programs.The performed simulations of the combustion process haveprovided information on the spatial and time distributionsof selected quantities within the combustion chamber ofthe test engine. The numerical analysis results have beenjuxtaposed with the results of indicating the engine on thetest stand. It has been found that the results obtained usingthe FIRE and the KIVA-3V programs do not coincide withthe actual results; better consistence with the experimentaltest results has been achieved for the FIRE program’s model.The difference between the maximal pressure for the enginemodel and the pressure value obtained from indication is,respectively, 11.5% for the KIVA-3V program and 1.4% forthe FIRE program. The difference in mean indicated pressurein respect to the experiment is 27.4% for the KIVA-3Vprogram and 5.2% for the FIRE program. The differencein indicated efficiency, h i, for KIVA-3V program is 12.8%,while for the FIRE program, 2.6%. The simulations carriedout within this work have enabled the determination of theNa rysunku 11 przedstawiono kilka przebiegów ciśnieniauzyskanych w wyniku modelowania programem FIRE dlaróżnych kątów wtrysku paliwa.Na rysunku 12 przedstawiono wpływ kąta początkuwtrysku na wartość średniego ciśnienia indykowanego orazna wartość sprawności indykowanej. Dla modelowanegosilnika okazało się, że ze względu na parametry obiegucieplnego optymalnym kątem początku wtrysku jest kąt 15 oOWK przed GMP. Uzyskane maksymalne wartości wyniosłyp i= 1,29 MPa oraz h i= 43,6%.6. PodsumowanieW artykule przedstawiono wyniki modelowania obiegucieplnego badawczego silnika spalinowego 6CT107 ozapłonie samoczynnym, uzyskane za pomocą programuAVL FIRE i programu KIVA-3V. Wykonane symulacjeprocesu spalania dostarczyły informacji na temat przestrzennychi czasowych rozkładów wybranych wielkościw komorze spalania silnika badawczego. Wyniki analizynumerycznej zestawiono z rezultatami indykowania tegosilnika na stanowisku badawczym. Stwierdzono, że wynikiuzyskane programem FIRE i KIVA-3V nie pokrywają się zrzeczywistością, a lepszą zgodnością z rezultatami badańeksperymentalnych charakteryzuję się model programuFIRE. Różnica maksymalnego ciśnienia dla modelu silnika,w stosunku do wartości ciśnienia uzyskanego z indykowaniawyniosła odpowiednio: dla programu KIVA-3V 11,5%,a dla programu FIRE 1,4%. Różnica wartości średniegociśnienia indykowanego w odniesieniu do eksperymentuwyniosła: dla programu KIVA-3V 27,4%, dla programuFIRE 5,2%. Różnica wartości sprawności indykowanej h iwynosiła dla programu KIVA-3V 12,8%, a dla programuFIRE 2,6%.Przeprowadzone w ramach pracy symulacje umożliwiływyznaczenia optymalnego kąta wyprzedzenia wtryskupaliwa dla modelu silnika, który wyniósł 15 o OWK przedGMP. Wartość ta okazała się różna od wartości kąta 9 oOWK przed GMP, z którym pracuje silnik rzeczywisty.Fakt ten wymaga weryfikacji na silniku eksperymentalnym,co będzie uwzględnione w kolejnych pracachbadawczych.46 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

The accuracy of modelling of the thermal cycle...deg Fuel mas fraction Temperature, K-12-8-404812Fig. 13. Spatial distribution of fuel and temperature in the combustion chamber, as modelled with the FIRE program.Injection start angle –15 o CA before TDCRys. 13. Przestrzenny rozkład paliwa w komorze spalania oraz temperatury modelowane programem FIRE.Kąt początku wtrysku –15 o OWK przed GMPCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)47

Dokładność modelowania obiegu cieplnego silnika...optimal fuel injection advance angle for the engine model,which amounts to 15 o CA before TDC. This value has turnedout to be different from the angle value of 9 o CA beforeTDC, at which the real engine operates. This fact needs tobe verified on an experimental engine, which will part ofsubsequent research works.In summary, it can be stated that for the investigated caseof modelling the thermal cycle of the 6CT107 compressionignition engine, the AVL FIRE program has turned out tobe a better tool, as it has provided better consistence of themodelling results with the real engine indication results.Podsumowując, można stwierdzić, że dla badanego przypadkudo modelowania obiegu cieplnego silnika 6CT107o zapłonie samoczynnym lepszym narzędziem okazał sięprogram AVL FIRE, ponieważ dzięki niemu uzyskano dobrązgodność wyników modelowania z wynikami indykowaniasilnika rzeczywistego.Paper reviewed/Artykuł recenzowanyBibliography/Literatura[1] Amsden A.A.: KIVA-3V, A Block-Structured KIVA Programfor Engines with Vertical Or Canted Value. Los Alamos NationalLaboratory LA-UR-97-689, 1997.[2] Amsden A.A.: KIVA-3V: A KIVA Program with Block-StructuredMesh for Complex Geometries, Los Alamos NationalLaboratory, LA-12503-MS, 1993.[3] Amsden A.A., O’Rourke P.J., Butler T.D.: KIVA-II, A computerprogram for Chemically Reactive Flows with Sprays. LosAlamos National Laboratory LA-11560-MS, 1989.[4] AVL FIRE, VERSION 2009ICE Physics & Chemistry. Combustion,Emission, Spray, Wallfilm. Users Guide, 2009.[5] Baumgarten C.: Mixture Formation in Internal CombustionEngines. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006.[6] Binesh A.R., Hossainpour S.: Three dimensional modeling ofmixture formation and combustion in a direct injection heavydutydiesel engine, World Academy of Science, Engineeringand Technology 41, p. 207-212, 2008[7] Colin O., Benkenida A.: The 3-Zones Extended CoherentFlame Model (ECFM3Z) for Computing Premixed/DiffusionCombustion. Oil & Gas Science and Technology 2004.[8] Dillies B., Marx K., Dec J., Espey Ch.: Diesel Engine CombustionModeling Using the Coherent Flame Model in Kiva-II.SAE Paper Number: 930074, 1993.[9] Gunabalan A., Tamilporai P., Ramaprabhu R.: Effects of injectiontiming and EGR on DI diesel engine performance andemission – using CFD, Journal of Applied Sciences 10 (22),p. 2823-2830, 2010.[10] Hélie1 J., Trouvé A.: A modified coherent flame model todescribe turbulent flame propagation in mixtures with variablecomposition. Proceedings of the Combustion Institute, Volume28, Issue 1, 2000, p. 193-201. Revue de l'Institut Français duPétrole.[11] Heywood J.B.: Internal combustion engine fundamentals.McGraw-Hill, 1988.[12] Kusaka J., Daisho Y.: Simulating combustion and exhaust gasemissions in a DI diesel engine by using a CFD code combinedwith detailed chemistry, Journal of KONES Internal CombustionEngines 2003, vol. 10, No 1-2, 2003[13] Musculus M.P., Rutland C.J. : Coherent flamelet modeling ofdiesel engine combustion. Combustion science and technology.1995, vol. 104, no 4-6, p. 295-337.[14] Schweitzer P.: The tangent method of analysis of indicatorcards of internal combustion engines. Bulletyn nr 35, PennsylvaniaState Univeristy, September 1926.[15] Kort R.T., Mansouri H., Heywood J.B., Ekchian A.: Dividedchamberdiesel engine. Part II. Experimental validation of apredictive cycle-simulation and heat release analysis. SAEPapers, 1982, nr 820205.[16] Rychter T., Teodorczyk A.: Modelowanie matematyczneroboczego cyklu silnika tłokowego. PWN, Warszawa 1990.[17] Szwaja S, Jamrozik A.: Analysis of Combustion Knock in theSI Engine. Silniki Spalinowe/Combustion Engines, MixtureFormation Ignition & Combustion, Nr 2009-SC2, June 2009.[18] Warnatz J, Maas U., Diable R.W.: Combustion. Physical andChemical Fundamentals, Modeling and Simulation, Experiments,Pollutant Formation. Springer, 2006.[19] Tatschl R., Priesching P., Ruetz J.: Recent Advances in DI-DieselCombustion Modeling in AVL FIRE – A Validation Study.International Multidimensional Engine Modeling User’s GroupMeeting at the SAE Congress April 15, 2007 Detroit, MI.Prof. Karol Cupiał, DSc., DEng. – Professor in theFaculty of Mechanical Engineering and ComputerScience of Częstochowa University of Technology.Prof. dr hab. inż. Karol Cupiał – Profesor naWydziale Inżynierii Mechanicznej i InformatykiPolitechniki Częstochowskiej.e-mail: cupial@imtits.pcz.czest.plMr. Wojciech Tutak, DEng. – doctor in the Facultyof Mechanical Engineering and Computer Scienceof Częstochowa University of Technology.Dr inż. Wojciech Tutak – adiunkt na WydzialeInżynierii Mechanicznej i Informatyki PolitechnikiCzęstochowskiej.e-mail: tutak@imtits.pcz.czest.plMr. Arkadiusz Jamrozik, DEng. – doctor in the Facultyof Mechanical Engineering and Computer Scienceof Częstochowa University of Technology.Dr inż. Arkadiusz Jamrozik – adiunkt na WydzialeInżynierii Mechanicznej i Informatyki PolitechnikiCzęstochowskiej.e-mail: jamrozik@imtits.pcz.czest.plMr. Arkadiusz Kociszewski, DEng. – doctor in theFaculty of Mechanical Engineering and ComputerScience of Częstochowa University of Technology.Dr inż. Arkadiusz Kociszewski – adiunkt naWydziale Inżynierii Mechanicznej i InformatykiPolitechniki Częstochowskiej.e-mail: kocisz@imtits.pcz.czest.pl48 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

The research of the probabilistic characteristics...Zdzisław CHŁOPEKPTNSS-2011-SS1-106The research of the probabilistic characteristics of exhaust emissionsfrom vehicle enginesThe influence of the probability density of the average speed on the probability density of the specific road exhaustemissions has been analyzed in the paper. The characteristics of the exhaust emissions from internal combustion engineswarmed up to normal operating temperature have been examined. The research has been carried out for characteristicsof the exhaust emissions from internal combustion engines of passenger vehicles. The research has been carried outfor two kinds of functions in the form courses of average speed: of constant and normal distribution. The Monte CarloMethod has been used in the research. The probability density of the specific road exhaust emissions has been estimated.The zero–dimensional characteristics: the median, the kurtosis and the skewness coefficient, have been examined.A significant regularity of the displacement of the probability density towards smaller values in relation to the averagespeed probability density has been ascertained.Keywords: exhaust emissions, probability density, Monte Carlo MethodBadania charakterystyk probabilistycznych emisji zanieczyszczeń z silników samochodowychW artykule przeanalizowano wpływ gęstości prawdopodobieństwa prędkości średniej samochodu na gęstość prawdopodobieństwaemisji drogowych zanieczyszczeń. Rozpatrywano charakterystyki emisji zanieczyszczeń z silników nagrzanychdo temperatury normalnej eksploatacji. Badania przeprowadzono dla charakterystyk emisji zanieczyszczeń z silnikówspalinowych samochodów osobowych. Wykonano je dla dwóch rodzajów wymuszeń w postaci procesów prędkości średniejsamochodu o rozkładach: stałym i normalnym, stosując metodę Monte Carlo. Wyznaczono gęstości prawdopodobieństwaemisji drogowej zanieczyszczeń. Badano również charakterystyki punktowe rozpatrywanych zbiorów: medianę, kurtozę iwspółczynnik skośności. Stwierdzono wyraźną regularność przesuwania się gęstości prawdopodobieństwa emisji drogowejzanieczyszczeń w stronę mniejszych wartości w stosunku do gęstości prawdopodobieństwa prędkości średniej.Słowa kluczowe: emisja zanieczyszczeń, gęstość prawdopodobieństwa, metoda Monte Carlo1. IntroductionThere is mathematical operator dependence between theexhaust emissions from combustion engines under dynamicconditions and the engine states [3 – 5]. The engine operatingstates can be described with their thermal states andthe intensity of their operation characterized by the enginespeed and loads – most frequently torque [3, 4]. In the tractiveoperating conditions the basic process determining theecological properties of combustion engines in terms of theexhaust emissions is the vehicle speed [3, 4]. Hence, the exhaustemissions from vehicles under dynamic conditions arecharacteristic of each course of vehicle speed and each courseof speed can be treated in comparable vehicle operatingconditions as a realization of the stochastic process [3, 11].Because of the needs of evaluation of the exhaust emissionsit is advised to correlate these emissions with the pointcharacteristics (zero-dimensional) of the stochastic processesof the vehicle speeds. We know from experience that there isa high efficiency of usage of the characteristics of dependenceof the exhaust emissions on the average vehicle speed[1, 3, 4, 6]. Such characteristics are usually determined onthe chassis dynamometer where driving tests are performedof different courses of speed, simulating real driving conditionsof vehicles. Besides typical driving tests used in thehomologation procedures such as [1, 4]: European UDC1. WprowadzenieEmisja zanieczyszczeń z silników spalinowych w warunkachdynamicznych jest zależna od stanów pracy silnika wsposób operatorowy [3 – 5]. Stany pracy silnika mogą byćopisane stanem cieplnym silnika oraz intensywnością pracy,którą charakteryzuje prędkość obrotowa i obciążenie – najczęściejmoment obrotowy [3, 4]. W warunkach użytkowaniatrakcyjnego podstawowym procesem determinującym właściwościekologiczne silników samochodowych ze względuna emisję zanieczyszczeń jest prędkość pojazdu [3, 4]. Wzwiązku z tym emisja zanieczyszczeń z silników samochodowychw warunkach dynamicznych jest znamienna dlakażdego konkretnego przebiegu prędkości pojazdu, a każdyprzebieg prędkości może być traktowany w porównywalnychwarunkach użytkowania samochodu jako realizacja procesustochastycznego [3, 11].Ze względu na potrzeby szacowania emisji zanieczyszczeńjest celowe uzależnienie tych emisji od charakterystykpunktowych (zerowymiarowych) procesów stochastycznychprędkości pojazdu. Z doświadczenia jest wiadome, żeduża jest skuteczność posługiwania się charakterystykamizależności emisji drogowej zanieczyszczeń od prędkościśredniej samochodu [1, 3, 4, 6]. Charakterystyki takie sąwyznaczane zazwyczaj na hamowni podwoziowej, naktórej są wykonywane testy jezdne o różnych przebiegachCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)49

Badania charakterystyk probabilistycznych emisji...(Urban Driving Cycle) and EUDC (Extra Urban DrivingCycle), American FTP 75 (Federal Transient Procedure) andHWFET (Highway Fuel Economy Test), or the Japanese testJapan 10–15 Mode Cycle also special tests are applied. Theseare for example the stop-and-go tests used in the exhaustemission models developed at INFRAS AG. The tests simulatevery high traffic congestion where the average speed islower than 6 km/h and the Autobahn test for the simulationof vehicle traffic on expressways.Another zero-dimensional characteristic used in theexhaust emission tests is the average value of the absolutevalue of the product of the vehicle acceleration and speed[1, 3, 4, 6]. For the modeling of the vehicle exhaust emissionlevel the engineers frequently use the dependence of theroad emissions or emission intensity on two quantities thatcharacterize the course of the vehicle speed: average valueof the speed and the average value of the absolute productof acceleration and speed [1, 3, 4].In this paper the exhaust emission characteristics in theform of the relation between the emission and the averagevehicle speed has been discussed. The tests are performedfor the joint category of passenger vehicles, comprisinggasoline and diesel engine vehicles of different capacitiesand different environmental standards [1, 2, 4, 6, 9]. Thestructure of the vehicles in terms of their number and intensityof operation (mileage) was assumed on the level from2009 in Poland. To this end the models of structure were used(developed for The Western Europe – the German model) [1]as well as the model of ‘automotive industry lag’ in Polanddeveloped by the author [2, 3]. For the investigations the caseof engines warmed up to the regular operating temperaturewere applied.2. The investigations of the probabilistic processesof exhaust emissions from vehicle engines fordifferent average vehicle speedsFigures 1 – 4 present the characteristics of the exhaustemissions as the dependence of the road emissions from theengines of passenger vehicles on the average speeds. Theemissions that are under analysis are carbon monoxide CO,hydrocarbons HC, nitric oxides NO xand particulate matterPM. These characteristics were determined with the use ofthe databases contained in INFRAS AG [9].The simulation research on the exhaust emissions wasperformed with he use of the Monte Carlo method [6, 10].The average value was assumed as the point characteristicof the course of the speed. In the research the averagevalue is treated as an incidental value that characterizes thestochastic process, hence the research on the exhaust emissionsis carried out for the stochastic processes of differentcharacteristics and different average value in particular. Inthis paper the author discusses two courses of average speedsof vehicles of distributions: constant (even) and normal. Thediscrete value of the courses of average vehicle speed weredetermined for each course in 15 000 points with the useof the generator of pseudo random numbers – a part of theStatistica software.prędkości, symulujące rzeczywiste warunki ruchu pojazdów.Oprócz typowych testów jezdnych, wykorzystywanych wprocedurach homologacyjnych, takich jak [1, 4]: europejskieUDC (Urban Driving Cycle) i EUDC (Extra Urban DrivingCycle), amerykańskie FTP 75 (Federal Transient Procedure)i HWFET (Highway Fuel Economy Test), czy japoński Japan10–15 Mode Cycle, stosuje się również testy specjalne. Sąnimi przykładowo w modelu emisji zanieczyszczeń, opracowanymw INFRAS AG: Stop and Go – test symulującywarunki o znacznym utrudnieniu ruchu pojazdów (kongestia)o prędkości średniej mniejszej niż 6 km/h oraz test Autobahndo symulacji ruchu samochodów na autostradach i trasachszybkiego ruchu.Inną charakterystyką zerowymiarową stosowaną w badaniachemisji zanieczyszczeń jest wartość średnia wartościbezwzględnej iloczynu przyspieszenia i prędkości pojazdu[1, 3, 4, 6]. Często wykorzystuje się do modelowania emisjizanieczyszczeń z pojazdów zależność emisji drogowejlub natężenia emisji zanieczyszczeń od dwóch wielkości,charakteryzujących proces prędkości jazdy samochodów:wartości średniej prędkości oraz wartości średniej wartościbezwzględnej iloczynu przyspieszenia i prędkości pojazdu[1, 3, 4].W niniejszym artykule rozpatruje się charakterystykiemisji zanieczyszczeń w postaci zależności emisji drogowejzanieczyszczeń od prędkości średniej samochodu. Badaniasą wykonywane dla skumulowanej kategorii samochodówosobowych, obejmującej samochody osobowe z silnikamio zapłonie iskrowym i o zapłonie samoczynnym, o różnychobjętościach skokowych i różnych kategorii ekologicznych[1, 2, 4, 6, 9]. Strukturę samochodów ze względu na ichliczność i intensywność użytkowania (przebiegi) przyjętona poziomie 2009 r. w Polsce. Zastosowano w tym celumodele struktury, opracowane dla państw Europy Zachodniej(wykorzystano model dla Niemiec) [1], oraz opracowanyprzez autora model opóźnienia stanu motoryzacji w Polscew stosunku do Europy Zachodniej [2, 3]. Przyjęto do badańprzypadek emisji zanieczyszczeń z silników nagrzanych dotemperatury normalnej eksploatacji.2. Badania właściwości probabilistycznychprocesów emisji zanieczyszczeń z silnikówsamochodowych dla różnych procesówprędkości średniej pojazdówNa rysunkach 1 – 4 przedstawiono charakterystykiemisji zanieczyszczeń jako zależności emisji drogowejzanieczyszczeń z silników samochodów osobowych odprędkości średniej. Zanieczyszczeniami, których emisje sąanalizowane są tlenek węgla CO, węglowodory HC, tlenkiazotu NO xi cząstki stałe PM. Charakterystyki te wyznaczonoz zastosowaniem baz danych zawartych w oprogramowaniuINFRAS AG [9].Badania symulacyjne emisji zanieczyszczeń przeprowadzonoz zastosowaniem metody Monte Carlo [6, 10].Jako charakterystykę punktową procesu prędkości przyjętowartość średnią. W badaniach wartość średnią traktujesię jako wielkość przypadkową, charakteryzującą proces50 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

The research of the probabilistic characteristics...Fig. 1. The dependence of specific road emission of carbon monoxide b COfrom passenger vehicle engines on the average speed v AVRys. 1. Zależność emisji drogowej tlenku węgla b COz silników samochodówosobowych od prędkości średniej v AVFig. 2. The dependence of specific road emission of hydrocarbons b HCfrom passenger vehicle engines on the average speed v AVRys. 2. Zależność emisji drogowej węglowodorów b HCz silników samochodówosobowych od prędkości średniej v AVFig. 3. The dependence of specific road emission of nitrogen oxides b NOxfrom passenger vehicle engines on the average speed v AVRys. 3. Zależność emisji drogowej tlenków azotu b NOxz silników samochodówosobowych od prędkości średniej v AVFig. 4. The dependence of specific road emission of particulate matterb PMfrom passenger vehicle engines on the average speed v AVRys. 4. Zależność emisji drogowej cząstek stałych b PMz silników samochodówosobowych od prędkości średniej v AVFor the course of the average speed of even distributiona minimum value of 10 km/h and a maximum value of 140km/h were assumed. For the course of average speed ofthe normal distribution the average value of 65 km/h andthe standard deviation of 35 km/h were assumed. For theindividual elements of the average speed sets the elementsof the sets of road exhaust emissions were determined as perthe characteristics presented in figures 1 – 4. The analysesof the statistical properties of these sets of average speedand road exhaust emissions were carried out on standardizedvalues [12].Figure 5 presents the probability density g(x) of astandardized average speed (passenger vehicles) of constantdistribution in the domain of value of course x.Figures 6 – 9 present the probability density of standardizedexhaust emissions for the average speed of constantdistribution.Figure 10 collectively presents the probability densityof a standardized average speed of passenger vehiclesand a standardized road exhaust emissions for enginesof passenger vehicles for the average speed of constantdistribution. In order to ensure the clarity of the graph,the points of the discrete values of the density were joinedwith straight line.stochastyczny, zatem badania emisji zanieczyszczeń sąwykonywane dla procesów stochastycznych o różnych charakterystykach,w szczególności o różnej wartości średniej.W niniejszym artykule rozpatruje się dwa procesy prędkościśredniej samochodów osobowych o rozkładach: stałym (jednostajnym,równomiernym) i normalnym. Dyskretne wartościprocesów prędkości średniej samochodu wyznaczonoFig. 5. The probability density g(x) of the standardized average passengervehicle speed v AVs– constant distributionRys. 5. Gęstość prawdopodobieństwa g(x) standaryzowanej prędkościśredniej samochodów osobowych v AVs– rozkład stałyCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)51

Badania charakterystyk probabilistycznych emisji...Fig. 6. The probability density g(x) of the standardized specific roademission of carbon monoxide b COsfrom passenger vehicle enginesRys. 6. Gęstość prawdopodobieństwa g(x) standaryzowanej emisji drogowejtlenku węgla b COsz silników samochodów osobowychFig. 7. The probability density g(x) of the standardized specific roademission of hydrocarbons b HCsfrom passenger vehicle enginesRys. 7. Gęstość prawdopodobieństwa g(x) standaryzowanej emisji drogowejwęglowodorów b HCsz silników samochodów osobowychFig. 8. The probability density g(x) of the standardized specific roademission of nitrogen oxides b NOxsfrom passenger vehicle enginesRys. 8. Gęstość prawdopodobieństwa g(x) standaryzowanej emisji drogowejtlenków azotu b NOxsz silników samochodów osobowychFig. 9. The probability density g(x) of the standardized specific roademission of particulate matter b PMsfrom passenger vehicle enginesRys. 9. Gęstość prawdopodobieństwa g(x) standaryzowanej emisji drogowejcząstek stałych b PMsz silników samochodów osobowychFig. 10. The probability density of the standardized average passenger vehiclespeed v AVsand of the standardized specific road emissions from passengervehicle engines: b COs, b HCs, b NOxsand b PMsRys. 10. Gęstość prawdopodobieństwa g(x) standaryzowanej prędkościśredniej samochodów osobowych vAV soraz standaryzowanej emisji drogowejzanieczyszczeń z silników samochodów osobowych: b COs, b HCs, b NOxsi b PMsThe sets of the road exhaust emissions have very asymmetricaldistributions with a clear shift of the modal valuetowards lower values.dla każdego procesu w 15 000 punktów z zastosowaniemgeneratora liczb pseudoprzypadkowych, stanowiącegowyposażenie oprogramowania Statistica.Dla procesu prędkości średniej o rozkładzie stałymprzyjęto wartość minimalną równą 10 km/h, a maksymalną140 km/h. Dla procesu prędkości średniej o rozkładzienormalnym przyjęto wartość średnią 65 km/h i odchyleniestandardowe 35 km/h. Dla poszczególnych elementówzbiorów prędkości średniej wyznaczono elementy zbiorówemisji drogowych zanieczyszczeń zgodnie z charakterystykamiprzedstawionymi na rysunkach 1 – 4. Analizywłaściwości statystycznych zbiorów prędkości średnieji emisji drogowej zanieczyszczeń przeprowadzono nawartościach standaryzowanych [12].Na rysunku 5 przedstawiono gęstość prawdopodobieństwag(x) standaryzowanej prędkości średniej samochodówosobowych o rozkładzie stałym w dziedziniewartości procesu x.Na rysunkach 6 – 9 przedstawiono gęstość prawdopodobieństwastandaryzowanych emisji drogowych zanieczyszczeńdla prędkości średniej o rozkładzie stałym.Na rysunku 10 przedstawiono w sposób zbiorczy gęstośćprawdopodobieństwa standaryzowanej prędkości średniejsamochodów osobowych oraz standaryzowanej emisji drogowejzanieczyszczeń z silników samochodów osobowych52 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

The research of the probabilistic characteristics...Figure 11 presents the probability density of the standardizedaverage speed of passenger vehicles of normaldistribution.Fig. 11. The probability density g(x) of the standardized average passengervehicle speed v AVs– normal distributionRys. 11. Gęstość prawdopodobieństwa g(x) standaryzowanej prędkościśredniej samochodów osobowych v AVs– rozkład normalnyFigures 12 – 15 present the probability density of standardizedroad exhaust emissions for the average speed ofnormal distribution.dla prędkości średniej o rozkładzie stałym. W celu przejrzystościwykresu punkty dyskretnych wartości gęstościprawdopodobieństwa połączono odcinkami linii prostej.Zbiory emisji drogowej zanieczyszczeń mają rozkładybardzo niesymetryczne z wyraźnym przesunięciem wartościmodalnej ku mniejszym wartościom.Na rysunku 11 przedstawiono gęstość prawdopodobieństwastandaryzowanej prędkości średniej samochodówosobowych o rozkładzie normalnym.Na rysunkach 12 – 15 przedstawiono gęstość prawdopodobieństwastandaryzowanych emisji drogowych zanieczyszczeńdla prędkości średniej o rozkładzie normalnym.Na rysunku 16 przedstawiono gęstość prawdopodobieństwastandaryzowanej prędkości średniej samochodówosobowych oraz standaryzowanej emisji drogowejzanieczyszczeń z silników samochodów osobowych dlaprędkości średniej o rozkładzie normalnym (z odcinkamilinii prostej, łączącymi dyskretne wartości gęstości prawdopodobieństwa).I w tym przypadku zbiory emisji drogowej zanieczyszczeńmają rozkłady znacznie niesymetryczne z tendencjąprzesunięcia wartości modalnej ku mniejszym wartościom(oprócz gęstości prawdopodobieństwa emisji drogowejcząstek stałych). W związku z tym zbadano charakterystykiFig. 12. The probability density of the standardized specific road emissionof carbon monoxide b COsfrom passenger vehicle enginesRys. 12. Gęstość prawdopodobieństwa g(x) standaryzowanej emisjidrogowej tlenku węgla b COsz silników samochodów osobowychFig. 13. The probability density of the standardized specific road emissionof hydrocarbons b HCsfrom passenger vehicle enginesRys. 13. Gęstość prawdopodobieństwa g(x) standaryzowanej emisjidrogowej węglowodorów b HCsz silników samochodów osobowychFig. 14. The probability density of the standardized specific road emissionof nitrogen oxides b NOxsfrom passenger vehicle enginesRys. 14. Gęstość prawdopodobieństwa g(x) standaryzowanej emisjidrogowej tlenków azotu b NOxsz silników samochodów osobowychFig. 15. The probability density of the standardized specific road emissionof particulate matter b PMsfrom passenger vehicle enginesRys. 15. Gęstość prawdopodobieństwa g(x) standaryzowanej emisjidrogowej cząstek stałych b PMsz silników samochodów osobowychCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)53

Badania charakterystyk probabilistycznych emisji...Figure 16 presents the probability density of the standardizedaverage speed of passenger vehicles and standardizedroad exhaust emissions from passenger vehicles for theaverage speed of normal distribution (with the straight linesjoining the discrete values of the probability density).statystyczne zbiorów standaryzowanej prędkości średnieji standaryzowanej emisji drogowej zanieczyszczeń dlaobydwu rozkładów prędkości średniej: stałego – S i normalnego– N: medianę – rysunek 17, kurtozę – rysunek 18i współczynnik skośności – rysunek 19.Fig. 16. The probability density of the standardized average passengervehicle speed v AVsand of the standardized specific road exhaust emissionsfrom passenger vehicle engines: b COs, b HCs, b NOxsand b PMsRys. 16. Gęstość prawdopodobieństwa g(x) standaryzowanej prędkościśredniej samochodów osobowych vAVs oraz standaryzowanej emisjidrogowej zanieczyszczeń z silników samochodów osobowych: b COs, b HCs,b NOxsi b PMsAlso, in this case the sets of the road exhaust emissionshave significantly uneven distributions with the tendency toshift the modal value towards lower values (except the probabilitydensity of the road emission of particulate matter).Hence, the investigations focused on the statistical characteristicsof the sets of the average speed and standardized roadexhaust emissions for both distributions of the average speed:constant– S and normal– N: median – Figure 17, kurtosis–Figure 18 and skewness coefficient– Figure 19.Fig. 17. The median M of the standardized average passenger vehiclespeed v AVsand of the standardized specific road exhaust emissions frompassenger vehicle engines: b COs, b HCs, b NOxsand b PMsRys. 17. Mediana M standaryzowanej prędkości średniej samochodówosobowych vAV soraz standaryzowanej emisji drogowej zanieczyszczeń zsilników samochodów osobowych: b COs, b HCs, b NOxsi b PMsAnaliza mediany, kurtozy i współczynnika skośnościpotwierdza różnice w gęstościach prawdopodobieństwastandaryzowanej emisji drogowej zanieczyszczeń i standaryzowanejprędkości średniej – przesunięcie medianyku mniejszym wartościom oraz mniejsze spłaszczenie rozkładów(rozkłady platykurtyczne [12]) i znaczną asymetrięrozkładów (rozkłady o prawostronnej asymetrii [12]).Fig. 18. The kurtosis K of the standardized average passenger vehiclespeed v AVsand of the standardized specific road exhaust emissions frompassenger vehicle engines: b COs, b HCs, b NOxsand b PMsRys. 18. Kurtoza K standaryzowanej prędkości średniej samochodówosobowych v AVsoraz standaryzowanej emisji drogowej zanieczyszczeń zsilników samochodów osobowych: b COs, b HCs, b NOxsi b PMsThe analysis of the median, kurtosis and the skewnesscoefficient confirm the differences in the probability densitiesof the standardized emissions and standardized averageFig. 19. The skewness coefficient S of the standardized average passengervehicle speed v AVsand of the standardized specific road exhaustemissions from passenger vehicle engines: b COs, b HCs, b NOxsand b PMsRys. 19. Współczynnik skośności S standaryzowanej prędkości średniejsamochodów osobowych v AVsoraz standaryzowanej emisji drogowejzanieczyszczeń z silników samochodów osobowych: b COs, b HCs, b NOxsi b PMs3. PodsumowanieBadania właściwości probabilistycznych emisji zanieczyszczeńz silników samochodowych nie należą do pracwykonywanych często, zarówno w Polsce [2 – 8], jak i wzagranicznych ośrodkach naukowych, mimo że dla użyt-54 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

The research of the probabilistic characteristics...speed– the shift of the median towards lower values and asmaller flattening of the distributions (platykurtic distributions[12]) and a significant asymmetry of the distributions(right-hand asymmetry distributions [12]).3. ConclusionsThe investigations on the probabilistic properties of theexhaust emissions from vehicle engines are rather seldomcarried out worldwide including Poland [2 – 8] even thoughfor the users of combustion engines, particularly tractiveengines, the nature of the operating conditions is verycharacteristics which substantiates treating them as entirelyrandom. For the examples under analysis there is a significantdifference of the probability density of the courses of roademissions and the probability density of the course of theaverage speed, on which the course of the road emissionsdepends. The confirmed transformation of the probabilitydensity results from the non-linear characteristics of theexhaust emissions (Fig. 1 – 4) that are relations between theroad exhaust emissions and the average speeds, particularlythe concaveness of the function that describes these characteristics.The consequences for the total exhaust emissionsare, thus, important: in the case of typical distributions ofaverage vehicle speeds, confirmed experimentally, for thetotal exhaust emissions the decisive are the moderate averagespeeds for which the road exhaust emissions are lower(sometimes much lower) rather than low or high averagespeeds.kowania silników spalinowych, szczególnie trakcyjnych,jest znamienna znaczna nieokreśloność warunków pracy,całkowicie uzasadniająca traktowanie ich jako przypadkowych.Dla rozpatrywanych przykładów występuje znacznaróżnica gęstości prawdopodobieństwa procesów emisjidrogowej zanieczyszczeń i gęstości prawdopodobieństwaprocesu prędkości średniej, od której zależą procesy emisjidrogowej zanieczyszczeń. Stwierdzona transformacjagęstości prawdopodobieństwa wynika z nieliniowościcharakterystyk emisji zanieczyszczeń (rys. 1 – 4), będącychzależnościami emisji drogowej zanieczyszczeń odprędkości średniej, w szczególności wklęsłości funkcjiopisujących te charakterystyki. Konsekwencje dla emisjicałkowitej zanieczyszczeń są – w związku z tym – istotne:w przypadku typowych rozkładów prędkości średniejsamochodów, uzasadnionych doświadczeniem, dla emisjicałkowitej zanieczyszczeń decydujące znaczenie mająumiarkowane prędkości średnie, dla których emisje drogowezanieczyszczeń są mniejsze (niekiedy znacznie) niżmałych i dużych prędkości średnich.Paper reviewed/Artykuł recenzowanyBibliography/Literatura[1] BUWAL, INFRAS AG: Luftschadstoffemissionen des Strassenverkehrs1950-2010. BUWAL–Bericht Nr. 255. 1995.[2] Chłopek Z.: Badania struktury ekologicznej pojazdów w państwachUnii Europejskiej ze względu na możliwość adaptacjimodeli emisji do warunków polskich. Journal of KONES2000.[3] Chłopek Z.: Metody badań właściwości silników spalinowychw warunkach przypadkowych modelujących użytkowanie.Archiwum Motoryzacji 4/2001.[4] Chłopek Z.: Modelowanie procesów emisji spalin w warunkacheksploatacji trakcyjnej silników spalinowych. PraceNaukowe. Seria „Mechanika” z. 173. Oficyna WydawniczaPolitechniki Warszawskiej, Warszawa 1999.[5] Chłopek Z.: Testing of non–repeatability of pollution emissionfrom motor–vehicle engines. Combustion Engines nr 1/2004(118).[6] Chłopek Z.: Zastosowanie metody Monte Carlo do wyznaczaniaekologicznych charakterystyk silników. Journal of KONES1998.[7] Chłopek Z., Piaseczny L.: Statistical investigations of fastchangeable processes in ship piston combustion engines.Polish Maritime Research No 2(44), 2005, Vol 12.[8] Chłopek Z., Stasiak P.: The analysis of an unrepeatabilityof cylinder pressure signal in internal combustion engines.Combustion Engines nr 1/2005 (120).[9] INFRAS AG: Handbuch für Emissionsfaktoren des Strassenverkehrs;Version 2.1; Bern 2004.[10] Metropolis N., Ulam S.: The Monte Carlo Method. Journal ofthe American Statistical Association, Vol. 44, No. 247 (Sep.,1949), pp. 335-341.[11] Sobczyk K.: Metody dynamiki statystycznej. PWN, Warszawa1973.[12] Wasserman L.: All of nonparametric statistics. Springer2007.Mr. Zdzisław Chłopek, DSc., DEng. – Professor inthe Faculty Automotive and Construction MachineryEngineering at Warsaw University of Technology.Dr hab. inż. Zdzisław Chłopek – profesor na WydzialeSamochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej.e-mail: moriarty@o2.plCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)55

Sprawność napędu samochodu...Wojciech SIŁKAPTNSS-2011-SS1-107Tractive efficiency of a vehicle at variable speedThe paper presents the method and results of the car tractive efficiency comparative investigations. Both technicalcharacteristics and fuel consumption values of numerous cars tested in the ECE simulated driving cycles were used asthe input data. On the basis of the obtained data together with simulated tractive energy consumption the correlationbetween tractive efficiency and selected parameters of a vehicle were determined. The proposed method also allowsindirect determination of the average engine effective efficiency of a vehicle at variable speed.Keywords: tractive efficiency of a vehicle, engine effective efficiency, tractive energy consumption, specific energy consumption,driving scheduleSprawność napędu samochodu przy zmiennej prędkościW artykule przedstawiono opis metody i wyniki badań porównawczych sprawności napędu samochodów. Jako danewyjściowe w tej metodzie wykorzystano dane techniczne oraz zużycie paliwa wielu samochodów, określone na podstawiebadań stanowiskowych w cyklach jezdnych ECE. Te dane w połączeniu z symulacją energochłonności ruchu stanowiąpodstawę do określenia związków między sprawnością napędu a wybranymi parametrami samochodu. Przyjęta metodaumożliwia również pośrednio wyznaczanie średniej sprawności użytecznej silnika, pracującego przy zmiennej prędkościsamochodu.Słowa kluczowe: sprawność napędu samochodu, sprawność użyteczna silnika, energo-chłonność jednostkowa, profilprędkości1. IntroductionThe tractive efficiency of a vehicle is expressed bythe ratio of tractive energy consumption [4] to chemicalenergy of the fuel supplied to the engine. The tractive energyconsumption of a vehicle equals the value of powernecessary to move wheels in order to overcome the motionresistance along a given distance [4]. The energy dependson particular properties of a vehicle and kinematic parametersof the driving schedule. The tractive efficiency is alsoexpressed by the product of the engine effective efficiencyand the powertrain system efficiency which equals theratio of power input on the drive wheels to engine effectivepower [4].A specific property of the car motion in the road trafficis the variable speed described by the driving schedule, i.e.speed versus time course. A particular example of this propertyis the urban driving schedule composed of numerousstop-and-go modules [3,4]. The speed variability of a vehiclehas a significant influence on the engine effective efficiencyas well as on the powertrain system efficiency. As a resultof this variability, the transient engine efficiency changeswithin a wider range and is much lower than the powertrainefficiency. Therefore, the engine effective efficiency hasthe predominant influence on the tractive efficiency of avehicle.Due to the absence of methods to define the enginecharacteristics in unstable conditions, it is impossible todetermine the engine effective efficiency solely theoretically.Threfore, some authors [1] use engine characteristicsfor stable conditions so as to determine fuel consumptionat the variable speed which, in consequence, leads1. WprowadzenieSprawność napędu samochodu wyraża stosunek jegoenergochłonności ruchu [4] do całkowitej energii chemicznejpaliwa doprowadzonego do silnika. Energochłonnośćruchu samochodu jest rozumiana jako wartość zapotrzebowaniaenergii na kołach napędzanych [4] w celu pokonaniaoporów ruchu na określonym odcinku przebytej drogi. Taenergia zależy od określonych właściwości samochodu i odparametrów kinematycznych profilu prędkości. Sprawnośćnapędu wyraża także iloczyn sprawności użytecznej silnikai sprawności układu przeniesienia napędu wielkości, którąstanowi stosunek mocy na kołach napędzanych do mocyużytecznej silnika [4].Cechą charakterystyczną ruchu samochodu w warunkachrzeczywistych jest zmienna prędkość, którąodwzorowuje profil prędkości, czyli przebieg czasowyprędkości. Szczególnym przykładem tej właściwości jestprofil prędkości typowy dla jazdy miejskiej, złożony zwielu modułów oddzielonych postojami, tworzący tzw.cykl jezdny [3, 4]. Zmienność prędkości samochodu wywieraznaczący wpływ zarówno na sprawność użytecznąsilnika, jak i sprawność układu przeniesienia napędu. Wnastępstwie tej zmienności wartość chwilowa sprawnościużytecznej silnika zmienia się w znacznie szerszymzakresie i jest dużo mniejsza od sprawności układuprzeniesienia napędu. Stąd właśnie sprawność użytecznasilnika wywiera dominujący wpływ na sprawność napędusamochodu.Wobec braku metody określania charakterystyki silnikadla nieustalonych warunków pracy, nie można wyznaczyćjego sprawności użytecznej wyłącznie sposobem56 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Tractive efficiency of a vehicle...2. DefinicjeStraty energetyczne zespołu napędowego samochodusą generowane podczas przetwarzania energii w silnikui następnie podczas jej przekazywania do kół napędowychpojazdu. Zależą one od określonych właściwościsilnika i elementów układu przeniesienia napędu orazod parametrów pracy zespołu napędowego. Pośredniozasadniczy wpływ na wartość strat wywiera realizowanyprofil prędkości [2 – 4], który łącznie z oporami ruchudeterminuje wartości chwilowe momentu oporowego orazprędkości kątowej kół napędzanych. Straty energetycznesilnika towarzyszą dwukrotnemu przetwarzaniu energiipodczas:– przemiany energii chemicznej paliwa na energię cieplną,w wyniku spalania w cylindrach,– przemiany energii cieplnej poprzez układ korbowy napracę mechaniczną.Sprawność użyteczna silnika zależy od jego obciążeniamomentem oporowym generowanego oporamiruchu i od prędkości kątowej wału korbowego. Obiete wielkości decydują o położeniu punktu pracy nacharakterystyce ogólnej silnika. Temu punktowi odpowiadaokreślona wartość jednostkowego zużycia paliwa,wielkości odwrotnie proporcjonalnej do sprawnościużytecznej. Dlatego, zależnie od obciążenia silnikamomentem oporowym i od prędkości obrotowej, jegosprawność użyteczna może zmieniać się w szerokimprzedziale wartości [4].Najwyższą wartość sprawności użytecznej silnikosiąga podczas jazdy ze stałą prędkością i to jedynie wograniczonym, wąskim przedziale prędkości kątowejwału, a szczególnie niekorzystnie niską wartość średtosignificant inaccuracies [4]. Nevertheless, papers [4,5] present a new method of average tractive efficiencyevaluation on the basis of road tests. This method includesthe road fuel consumption measurements and the drivingschedule parameters become recorded simultaneously toevaluate the tractive energy consumption. For the purposeof this study, the fuel consumption specified by carmakersat test bed in simulated driving cycles were used insteadof the road tests.The investigations described in this paper include thecorrelation between the fuel consumption and the tractiveenergy consumption of numerous vehicles. The testing cyclesECE – Urban and Mixed were assumed as a standardmotion at the variable speed. Both the kinematic parametersof these cycles and the characteristics of various cars wereused to evaluate the tractive energy consumption regardedas a main component of the vehicle energy balance [2 – 4].The applied method also allows estimating the averageengine effective efficiency which is particularly useful forcomparative purposes.2. DefinitionsWhile conversing the energy in the engine and transmittingit to the drive wheels, the vehicle power-unit generatesenergy losses due to specified engine properties, parts of thepowertrain system and power-unit operation parameters.The quantity of energy losses are indirect increased by thedriving schedule [2 – 4] which determines, together withthe motion resistance, the transient values of the resistancetorque and the rotational speed of the driven wheels.The energy losses occur due to double energy conversionswhile:– conversing fuel chemical energy into thermal energy asthe outcome of combustion inside the cylinders,– conversing thermal energy into mechanical work by thecrankshaft assembly.The engine effective efficiency depends on its resistingtorque resulted from the motion resistance and the crankshaftrotational speed. Both values determine the engineoperation point on the graph of the engine characteristics,which is further correlated with specific-fuel consumption,a quantity inversely proportional to the engine effective efficiency.Therefore, depending on the engine load imposedby the resisting torque and the crankshaft rotational speed,engine effective efficiency may change within a wide rangeof values [4].The engine reaches the highest effective efficiencywhile driving at a constant speed and only within a narrowrange of the crankshaft rotational speed. The lowest averageeffective efficiency occurs at a variable speed typical for theurban traffic [3, 4]. In these engine operation conditions, theengine load and rotational speed place throughout the lowervalues of the engine characteristics including unfavourablehigh values of the specific fuel consumption. By contrast,the transmission system efficiency is much higher at thevariable speed and varies within a much narrower rangeof values [4]. Hence the engine effective efficiency exertsthe main influence on the average tractive efficiency of aCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)teoretycznym. Dlatego niektórzy autorzy [1] wykorzystujądo wyznaczania zużycia paliwa przy zmiennej prędkościcharakterystyki silnika dla ustalonych warunków pracy,co prowadzi do znacznych nieścisłości [4]. W pracach[4, 5] przedstawiono nową metodę określania średniejsprawności napędu na podstawie badań drogowych.Metoda ta obejmuje pomiar zużycia paliwa z jednoczesnąrejestracją profilu prędkości, którego parametrysą niezbędne do obliczania energochłonności ruchu. Wbadaniach przedstawionych w tym opracowaniu zamiasttestów drogowych wykorzystano wartości zużycia paliwaokreślone przez producentów na podstawie badań stanowiskowychsamochodów w symulowanych testowychcyklach jezdnych.Podstawę opisywanych badań stanowią związki międzyzużyciem paliwa a energochłonnością ruchu wielu różnychsamochodów. Jako wzorce ruchu ze zmienną prędkościąprzyjęto testowe cykle jezdne ECE: miejski i mieszany. Parametrykinematyczne tych cykli, łącznie z danymi fabrycznymiróżnych samochodów, wykorzystano do określeniaenergochłonności ruchu, stanowiącej podstawowy składnikbilansu energetycznego samochodu [2 – 4]. Zastosowanametoda umożliwia również pośrednio określenie średniejsprawności użytecznej silnika, co jest szczególnie przydatnedla celów porównawczych.57

Sprawność napędu samochodu...nią przyjmuje ta wielkość podczas jazdy ze zmiennąprędkością, zwłaszcza w ruchu miejskim [3, 4]. W tychwarunkach pracy obciążenie i prędkość obrotowa silnikaprzypadają bowiem na dolny obszar jego charakterystyki,obejmujący niekorzystnie wysokie wartości jednostkowegozużycia paliwa. Dla odmiany przy zmiennej prędkościsprawność układu przeniesienia napędu jest znaczniewyższa i zmienia się w dużo węższym przedziale wartości[4]. Stąd sprawność silnika wywiera dominujący wpływna wartość średnią sprawności napędu. Na przykład dlasamochodu osobowego średniej klasy, poruszającegosię w cyklu miejskim EPA, wartość średnia sprawnościnapędu nie przekracza 10% [4].Ponieważ profil prędkości decyduje o zmiennościzarówno sprawności silnika, jak i układu przeniesienianapędu, zatem sprawność napędu może być wyrażanajedynie wartością średnią, dla określonego odcinka przebytejdrogi [3, 4]. Sprawność napędu jest złożoną funkcjąwielu zmiennych. Funkcja ta zależy nie tylko od profiluprędkości, lecz także od innych czynników, takich jak:nieustalone warunki pracy silnika, czas pracy silnika nabiegu jałowym, zmienność i stopniowanie przełożenia orazstraty w układzie przeniesienia napędu [4]. Dla złożonego,wielomodułowego profilu prędkości, o średniej sprawnościnapędu decydują nie tylko fazy napędzania, lecz takżefazy ruchu bez napędu kół oraz postoje, tj. przy zerowejsprawności silnika [3, 4].Wartość średniej sprawności napędu można określić,wychodząc z równania ogólnej postaci bilansu energetycznegosamochodu (1), gdzie: η – średnia sprawnośćnapędu dla kompletnego profilu prędkości, np. cykluzłożonego z wielu modułów, obejmującego równieżpracę silnika na biegu jałowym, E – energochłonnośćruchu, jako suma energii dostarczonej do kół wyłączniew fazach napędzania cyklu [2 – 4], G L– ilość paliwadoprowadzonego do silnika na całym odcinku przebytejdrogi, także podczas pracy na biegu jałowym, W D– wartośćopałowa paliwa.Natomiast lewa strona równania (1) wyraża energiędoprowadzoną do silnika na całej długości przebytej drogioraz podczas jego pracy na biegu jałowym, w tym równieżw trakcie postojów. W praktyce i dla celów porównawczychzużycie paliwa odnosi się do przebytej drogi Q = G L/L.Podobnie do przebytej drogi można odnosić energochłonnośćruchu. Dogodnym, w tym przypadku, wskaźnikiemporównawczym jest energochłonność jednostkowa [2 – 4]wyrażana stosunkiem (2).Wobec tego sprawność napędu wyraża się wzorem (3),gdzie: L – całkowita droga cyklu, m – masa pojazdu, Q –łączne zużycie paliwa odniesione do długości odcinka przebytejdrogi, także podczas pracy na biegu jałowym, ml/m,l/100 km, Φ – energochłonność jednostkowa.Dla profilu prędkości złożonego z wielu modułów energochłonnośćjednostkową określa równanie (4) [4], gdzie:a – średnie przyspieszenie cyklu, f – współczynnik oporutoczenia, g – przyspieszenie ziemskie, K – współczynnikoporu powietrza [4], L N– stosunek łącznej drogi faz navehicle.For example, the average tractive efficiency doesnot exceed 10% in the case of a middle-class car driven inEPA Urban Cycle [4].Since the driving schedule determines the variability ofthe engine and drive-line efficiency, the car tractive efficiencymay be expressed only as an average value within a givendistance [3,4]. The tractive efficiency is a complex functionof several parameters.Not only does this function depend on the drivingschedule, but it also depends on other factors such as:unstable engine operation conditions, the time span ofidle driving, transmission ratio stepping and losses inpowertrain system [4]. In the case of a multi-module drivingschedule, the average efficiency depends not only onpower phases, but also on motion phases without poweringand on stops, i.e. at zero engine efficiency [3, 4].The average tractive efficiency may be determined onthe basis of the vehicle energy balance equation given in ageneral form:where: η – average tractive efficiency for a completed drivingschedule, including idle phases, E – tractive energyconsumption as the total energy supplied to the drive wheelsin powered phases of the driving schedule [2, 4], G L– fuelsupply to the engine during the total distance travelled includingidle, W D– fuel calorific value.The left side of equation (1) expresses the energy suppliedto the engine along a given distance incluging idle and stops.In practice and for comparative purposes, the fuel consumptionrelates to a travelled distance Q = G L/L.Similarly, the energy consumption relates to a travelleddistance. In this case, the specific energy consumption [2,4, 6], i.e. tractive energy, can be conveniently expressed asa ratio:taking equation (1) into consideration, the tractive efficiencyof a vehicle is as follows:where: G L– fuel consumption within a travelled distance, L– total travelled distance of the driving schedule, m – vehiclemass, Q – fuel consumption related to the travelled distance,Φ – specific tractive energy consumption.The specific tractive energy consumption for the schedulecomposed of several modules is as follows [4]:where: a – average acceleration during a cycle, f – tyrerolling-resistance coefficient, g – gravitational acceleration,(1)(2)(3)(4)58 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Tractive efficiency of a vehicle...L N– total distance of powered phases to the total travelleddistance ratio, K – aerodynamic drag coefficient [4], –even value of the square of velocity for a completed drivingschedule.The quantities: a, L N, , are exclusively kinematicparameters of the driving schedule, whereas f, K, m areparameters of a vehicle and road. This is the aerodynamicdrag coefficient:where: A – vehicle frontal area, c x– aerodynamic shapecoefficient, ρ – air density.The average acceleration within a cycle is expressed bys ratio of the kinetic energy summary increase to the massand distance product.After reduction of vehicle mass:where: V K, V P– final and initial velocity respectively.The average acceleration within a cycle is a fundamentaldriving schedule parameter which significantly influences the(5)(6)pędzania do całkowitej drogi cyklu, m – masa pojazdu,– wartość średnia kwadratu prędkości dla kompletnegoprofilu prędkości.Współczynnik oporu powietrza wynosi (5), gdzie: A –powierzchnia czołowa pojazdu, c x– współczynnik kształtu,r – gęstość powietrza.Wielkości: a, L N, stanowią wyłącznie parametrykinematyczne cyklu, podczas gdy f, K, L N, m są parametramipojazdu i drogi. Średnie przyspieszenie cyklu wyrażastosunek sumy przyrostów energii kinetycznej do iloczynumasy i drogi, czyli (6), gdzie: V K, V Podpowiednio: prędkośćkońcowa i początkowa.Średnie przyspieszenie cyklu jest podstawowym parametremprofilu prędkości o decydującym wpływie zarównona energochłonność ruchu, jak i na zużycie paliwa, a więcpośrednio także na sprawność napędu [2 – 4].3. BadaniaW tych badaniach wykorzystano dane fabryczne wielusamochodów z silnikami z zapłonem iskrowym orazz zapłonem samoczynnym. Dane te zawierały równieżzużycie paliwa, określone w testowych cyklach jezdnychECE – miejskim oraz jego rozwiniętą wersją, zawierającąsegment drogowy, zwaną dalej cyklem mieszanym. Cyklete przyjęto jako reprezentatywne dla jazdy ze zmiennąFig. 1. Influence of: a) mass and b) unit power on the tractive efficiency of a car with SI engineRys. 1. Wpływ: a) masy i b) mocy jednostkowej na sprawność napędu samochodu z silnikiem o zapłonie iskrowymCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)59

Sprawność napędu samochodu...Fig. 2. Influence of: a) mass and b) unit power on the tractive efficiency of a car with Diesel engineRys. 2. Wpływ: a) masy i b) mocy jednostkowej na sprawność napędu samochodu z silnikiem o zapłonie samoczynnymprędkością. Energochłonność jednostkową każdego zpojazdów obliczano równaniem (4), wprowadzając parametrydecydujące o ich oporach ruchu. Do tego równaniawprowadzano także, jako stałe, wartości parametrówkinematycznych cykli. Sprawność napędu obliczanowzorem (3). Wybrane wyniki badań przedstawiono nawykresach funkcji: sprawność napędu–masa oraz sprawnośćnapędu – moc jednostkowa pojazdu. Masa pojazduwywiera bowiem decydujący wpływ na energochłonnośćruchu i zużycie paliwa, szczególnie w jeździe miejskiej[3, 4]. Moc jednostkowa samochodu jest parametremwyrażanym stosunkiem mocy użytecznej silnika do masypojazdu (7) [4], gdzie: N γ– moc jednostkowa samochodu,kW/kg, N e– moc użyteczna silnika, kW, m – masa całkowitasamochodu, kg.Wybrane wyniki przeprowadzonych badań sprawnościnapędu przedstawiono na rys. 1 i 2.Każdy z punktów na tych wykresach dotyczy innegopojazdu. Wobec ich stosunkowo znacznego rozrzutuokreślono przybliżone linie trendu, stosując odpowiednio:funkcję wykładniczą i logarytmiczną. Ponieważ badaniaobejmowały symulację ruchu różnych samochodów widentycznych cyklach, zatem parametry profilu prędkościnie decydują o rozrzucie punktów na wykresach. Natomiastrozrzut ten zależy z jednej strony od zróżnicowanych parametrówbadanych samochodów decydujących o oporachruchu, z drugiej zaś od właściwości silnika i zmiennościparametrów jego pracy, generowanych zmiennością obciążeniai prędkości.Przedstawione wykresy obrazują znaczenie masy pojazduoraz mocy silnika i jego sprawności użytecznej, jakoczynników o największym wpływie na sprawność napędu.Należy jednak uwzględnić to, że badana wielkość jest funktractiveenergy consumption as well as the fuel consumption,and therefore, the tractive efficiency, too [2 – 4].3. InvestigationFor the purpose of this study, the factory test data ofnumerous car motors with spark ignition and self ignitionengines were used. These data also include fuel consumptiontest-bed measurements for the driving cycles ECE – Urbanwith its extended version containing the road segment, calledMixed Cycle. These cycles were assumed as representativefor the driving schedule. The specific tractive energyconsumption of each vehicle was calculated on the basisof formulae (4) that introduces parameters determining themotion resistance.Kinematic parameters of cycles were introduced as aconstant also into this equation. Then the tractive efficiencywas calculated from equation (3). Some selected results ofthe research are presented as functions in Figs. 1, 2.These results of investigation are ploted in graphs offunctions: efficiency – mass and efficiency – unit power ofthe car. Vehicle mass has a decisive impact on the tractiveenergy consumption and the fuel consumption, especiallyin the urban traffic [3, 4]. The unit power of a car is the parameterthat expresses the engine effective power to vehiclemass ratio [4]:where: N γ– vehicle unit power kW/ kg, N e– engine effectivepower kW, m – total vehicle mass, kg.Each point in these diagrams concerns a different vehicle.Taking their relatively significant scatter of results(7)60 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Tractive efficiency of a vehicle...into account, the approximate trend lines were determinedwith the use of an exponential and logarithmic functionrespectively. The driving schedule parameters do notaccount for the scatter of points in the diagrams due tothe fact that this study included a simulation with variousvehicles driven in identical cycles. Nevertheless, thescatter of results is the outcome of different parametersdefining the vehicle motion resistance on the one hand,and engine properties with operating parameters variabilityon the other.The presented graphs show the importance of vehiclemass, engine power and effective efficiency as factorsexerting the greatest influence on the tractive efficiency.However, it should be noticed that the tested quantity is afunction of several variables which are not all included inthis study. It may be the main cause of the scatter of thetest results.The tractive efficiency in the urban cycle is muchlower in all diagrams. The average acceleration in thedriving schedule is the component with the highest valuein equation (4). This quantity is directly proportional tothe kinetic energy summary increase and reaches maximumvalue in the urban traffic because of numerous stopand go modules [2, 3]. Frequent velocity changes induceunstable conditions, which together with transmission ratiochanges, decrease engine effective efficiency. Moreover,numerous braking phases and stops appear in urban cycles,while engine effective efficiency is zero. On the contrary,an additional longer segment simulating highway drivingwith constant speed-phases without stopping occur in themixed cycles [4].The tractive efficiency decrease with car unit-powerincrease is a consequence of limited velocity levels in testcycles. Followingly, the power excess above its requirementon the drive wheels at moderate speed increases togetherwith the engine maximal power. The outcome of this correlationis a significant decrease in the engine effectiveefficiency [4].The presented graphs clearly show higher tractive efficiencyin the case of a car with self ignition engine than withspark ignition due to generally higher effective efficiency ofdiesel engines. Thus a considerable difference in positionof curves for both types of engines confirms indirect thepredominant influence of the engine effective efficiency onthe car tractive efficiency.In spite of the significant scatter of points in the graphs,it is possible to estimate the approximate tractive efficiencyranges with the use of trend lines.The influence of car mass in the urban and mixed cyclerespectively:– spark ignition engine = 0.09 – 0.14 and = 0,14 – 0,21,– self-ignition engine = 0.14 – 0.19 and = 0.22 – 0.27.The influence of the car unit power in the urban andmixed cycle respectively:– spark ignition engine h = 0.07 – 0.15 and h = 0.12 –0.21,– self-ignition engine h = 0.14 – 0.20 and h = 0.21 – 0.28.COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)cją wielu zmiennych, z których część pominięto, co stanowigłówną przyczynę rozrzutu punktów na wykresach.Wszystkie wykresy wykazują zdecydowanie niższąsprawność napędu w cyklu miejskim. Składnikiemrównania (4) o najwyższej wartości, jest średnie przyspieszeniecyklu jako wielkość wprost proporcjonalnado sumy przyrostów energii kinetycznej samochodu,która jest największa w cyklu miejskim, a to ze względuna liczne moduły stop and go [3]. Częstym zmianomprędkości samochodu towarzyszą bowiem nieustalonewarunki pracy silnika, które łącznie ze zmianami przełożeniagenerują obniżenie jego sprawności. Ponadto wjeździe miejskiej występują liczne fazy hamowania orazpostoje, w których sprawność silnika jest zerowa, co generujerównież zerową sprawność napędu. Natomiast wcyklu mieszanym występuje dodatkowy dłuższy segment,symulujący jazdę pozamiejską, bez postojów i z fazamistałej prędkości [4].Spadek wartości sprawności napędu, w miarę wzrostumocy jednostkowej samochodu, jest następstwem ograniczonegopoziomu prędkości badanych cykli. Wtedybowiem ze wzrostem wartości mocy maksymalnej silnikazainstalowanego w samochodzie wzrasta równieżwartość nadwyżki mocy, ponad jej zapotrzebowanie dlajazdy z umiarkowaną prędkością. Wtedy, w ogólnymprzypadku, parametry pracy silnika przypadają na corazniższy obszar jego charakterystyki. Następstwem tegojest znaczący spadek wartości sprawności użytecznej silnika[4]. Przedstawione wykresy wskazują jednoznaczniewyższą sprawność napędu samochodów z silnikamiz zapłonem samoczynnym. Jest to wynikiem ogólniewyższej sprawności użytecznej silników z zapłonemsamoczynnym. To wyraźne zróżnicowanie położeniakrzywych dla obu typów silników potwierdza decydującywpływ sprawności użytecznej silnika na sprawnośćnapędu samochodu.Mimo znacznego rozrzutu punktów na wykresach można,wykorzystując linie trendów, oszacować w przybliżeniuprzeciętne zakresy wartości sprawności.Wpływ masy – odpowiednio w cyklu miejskim i mieszanym:– silnik ZI = 0,09 – 0,14 oraz = 0,14 – 0,21,– silnik ZS = 0,14 – 0, 19 oraz = 0,22 – 0,27.Wpływ mocy jednostkowej – odpowiednio w cyklumiejskim i mieszanym:– silnik ZI = 0,07 – 0,15 oraz = 0,12 – 0,21,– silnik ZS = 0,14 – 0,20 oraz = 0, 21 – 0,28.4. PodsumowaniePrzedstawione wyniki badań obrazują zależnośćsprawności napędu od tych podstawowych parametrówsamochodu i silnika, które wywierają największy wpływna zużycie paliwa przy zmiennej prędkości. Ze względuna pominięcie wpływu mniej istotnych czynników, wynikite mają charakter przybliżony. Mimo to umożliwiły onedokonanie oceny porównawczej przedziałów wartości iprzebiegu badanych funkcji, dla dwóch cykli testowychi dwóch rodzajów silnika.61

Sprawność napędu samochodu...4. SummaryPresented results of the investigations show that the tractiveefficiency depends on main car and engine parameterswhich have an utmost influence on the fuel consumption ata variable speed. Due to the fact that some less importantfactors were neglected, presented results are approximate.Nevertheless, they enabled a comparative analysis of valueranges and courses of studied functions for two tested cyclesand two types of engines.Both correlations studied in this article are representedby a nonlinear function decreasing with the increase invehicle mass and engine power. The significant influenceof the driving schedule is confirmed by the higher tractiveefficiency in the road traffic due to a higher average car speedand longer phases at a constant speed. Then the engine worksin more favorable conditions, longer time with steady loadand shorter at idle.However, the engine effective efficiency decreaseswith the maximal engine power increase, particularly inthe urban traffic [4]. A comparative analysis of the graphsin Figure 1 and 2 clearly confirm higher tractive efficiencyof cars with diesel engine mainly because of their highereffective efficiency in general. The difference between carswith different engines is independent from the realizeddriving schedule.An important advantage of the presented testing methodis the possibility to determine the engine efficiency bothin simulated and real operating conditions of a vehicle.Moreover, this method allows a comparison of the careffective efficiency with different engines installed in thesame vehicle, both in stand tests and during road testsin given traffic conditions [4, 5]. For different enginesinstalled in the same vehicle, the design and efficiency ofa powertrain system are not substantially changeable. Inaddition, the efficiency variability occurs within a narrowrange of values [4]. Thus, the powertrain system efficiencyhas a minor influence on the comparative analysis of differentengines.Obie badane zależności przedstawiają funkcję nieliniową,malejącą zarówno ze wzrostem masy pojazdujak i mocy silnika. Przedstawione wykresy potwierdzająznaczący wpływ profilu prędkości, czego dowodem jestodpowiednio wyższa sprawność napędu w ruchu drogowym.Jest to spowodowane wyższą prędkością średniąsamochodu i dłuższymi fazami ruchu ze stałą prędkością.Wtedy silnik pracuje w korzystniejszym obszarzecharakterystyki, dłużej w stanie ustalonym i krótko nabiegu jałowym. Natomiast w miarę wzrostu mocy silnika,szczególnie w ruchu miejskim, jego obciążenie przypadana coraz to niższy obszar charakterystyki obejmujący malejącewartości sprawności użytecznej [4]. Z porównaniawykresów na rys. 1 i 2 wynika potwierdzenie wyraźniewyższej sprawności napędu samochodów z silnikami ozapłonie samoczynnym, głównie względu na ich wyższąsprawność użyteczną. To zróżnicowanie jest niezależne odrealizowanego profilu prędkości.Istotną zaletą przyjętej metody jest możliwość przybliżonegookreślania sprawności użytecznej silnika, zarównow symulowanych jak i w rzeczywistych warunkach ruchupojazdu. Można zatem porównywać sprawność użytecznąróżnych wersji silnika instalowanego w jednym pojeździe:albo na stanowisku dynamometrycznym albo podczastestów drogowych w określonych warunkach ruchu [4, 5].Dla różnych wersji silników zainstalowanych w danympojeździe konstrukcja i sprawność układu napędowego nieulega bowiem zasadniczym zmianom. Ponadto zmiennośćtej sprawności mieści się w wąskim przedziale wartości[4]. Zatem sprawność układu przeniesienia napędu niewywiera zasadniczego wpływu na jakość oceny porównawczejsprawności użytecznej różnych silników.Paper reviewed/Artykuł recenzowanyBibliography/Literatura[1] Mitschke M.: Motor-Kennungswanler-Kraftstoffverbrauch.Automobiltechnishe Zeitsschrift 1981, nr 1.[2] Siłka W.: Analiza wpływu parametrów cyklu jezdnego naenergochłonność ruchu samochodu. Teka Komisji Naukowo-Problemowej Motoryzacji PAN oddz. w Krakowie, Z. 14.Monografia 2, Kraków 1998.[3] Siłka W.: Parameters influencing energy properties of the cardriving in urban cycles. Archives of transport, v.10 issue 3-4.PAN Warszawa 1999.[4] Siłka W.: Teoria ruchu samochodu, WNT, Warszawa 2002.[5] Siłka W., Hetmańczyk I.: Analiza wpływu stylu jazdy naenergochłonność ruchu samochodu. Teka Komisji Naukowo-Problemowej Motoryzacji PAN oddz. w Krakowie, nr 33-34,Kraków 2008.[6] Sovran G., Bohn M.: Formulae for the Tractive-Energy Requirementsof Vehicles Driving the EPA Schedules. SAE paper1981, nr 810184.Mr. Wojciech Siłka, DSc., DEng. – Professor inthe Faculty of Mechanical Engineering at OpoleUniversity of Technology.Dr hab. inż. Wojciech Siłka – profesor na WydzialeMechanicznym Politechniki Opolskiej.e-mail: w.silka@po.opole.pl62 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

A technical discussion of the emission of ammonia from SI vehicles...Piotr BIELACZYCAntoni ŚWIĄTEKJoseph WOODBURNPTNSS-2011-SS1-108A technical discussion of the emission of ammonia from SI vehiclesfitted with three-way catalystsAmmonia emissions from motor vehicles have risen significantly in recent decades, due to the rollout of three-waycatalysts within the spark ignition vehicle fleet. Vehicular ammonia emissions are currently unregulated, even thoughammonia is harmful for a variety of reasons, and the gas is classed as toxic. Having reached its light-off temperature,a three-way catalyst can produce substantial quantities of ammonia through various reaction pathways. Emission ismarkedly higher during periods where demand for engine power is higher, when the engine will be operating underopen-loop conditions. The air-to-fuel ratio, cylinder temperature and rate of formation of carbon monoxide and nitrogenmonoxide all correlate to varying degrees with ammonia production. Ammonia emissions could represent a serious threatto air quality, particularly in urban settings. Further investigation is imperative to minimise the risks posed by this asyet unregulated exhaust emission component.Keywords: ammonia, NH 3emission, spark-ignition engine, three-way catalyst, air qualityAnaliza emisji amoniaku z samochodów z silnikami o zapłonie iskrowym wyposażonychw trójfunkcyjny reaktor katalitycznyEmisja amoniaku z pojazdów samochodowych znacząco wzrosła w ciągu kilku ostatnich dekad, co spowodowanebyło wzrostem liczby samochodów z silnikami o zapłonie iskrowym, wyposażonych w trójfunkcyjne reaktory katalityczne.Emisja amoniaku z pojazdów nie jest obecnie objęta regulacjami prawnymi, pomimo iż amoniak jest szkodliwy dlaorganizmów żywych i gaz ten zaklasyfikowany jest jako toksyczny. Osiągając temperaturę pracy (light-off), trójfunkcyjnyreaktor katalityczny może wytwarzać znaczne ilości amoniaku w wyniku różnych reakcji chemicznych. Emisja ta jestzauważalnie wyższa podczas stanu pracy silnika, gdy zapotrzebowanie na moc jest większe, przy sterowaniu silnika zpominięciem sygnału z sondy λ. Stosunek powietrze–paliwo, temperatura w komorze spalania, szybkość formowania siętlenku węgla CO i tlenku azotu NO wpływają w znaczącym stopniu na powstawanie amoniaku. Emisja amoniaku możepowodować istotne zagrożenie dla jakości powietrza, szczególnie w obszarach miejskich. Ciągłe badania są konieczne,by zminimalizować ryzyko spowodowane tą emisją, z uwagi na brak odpowiednich wymagań w przepisach dotyczącychemisji związków szkodliwych spalin.Slowa kluczowe: amoniak, emisja NH 3, silnik o zapłonie iskrowym, reaktor trójfunkcyjny, jakość powietrza1. IntroductionAlthough long recognised as an automotive exhaust gascomponent [1] (first systematically studied in 1967 [2]),ammonia (NH 3) is one of a group of exhaust gases that hasreceived relatively little attention in comparison to CO, NO x,CO 2, HC etc, a status reflected in past and current exhaustemissions regulation legislation. Currently unregulated inthe European and US markets, it belongs to a group of compoundswhich may feature in future regulations regardingexhaust emissions from light duty vehicles [3].In the atmosphere, NH 3plays a significant role in theformation of secondary particulate matter (PM) [1, 4 – 10].Secondary PM is formed by the reaction of molecules inthe air to form particles – rather than PM being createddirectly at source (‘primary PM’). In Europe, 50 to 90 percent of PM10 and around 50 per cent of PM2.5 is formedin this way [5]. Ammonia is known to react with nitrogencompounds and acids to produce PM [5, 7, 11]. Severalammonia-based PM formation reactions are irreversible andoccur at ambient temperatures [11]; the formation of aerosolssuch as ammonium sulphate and ammonium nitrate depends1. WstępAmoniak (NH 3), który był dawno uznany za składnik spalinsamochodowych [1] (pierwsze szczegółowe opracowaniepowstało w 1967 r. [2]), należy do grupy gazów spalinowych,którym poświęcono zdecydowanie mniej uwagi niż CO,NO x, CO 2, HC itp., co odzwierciedlają wcześniejsze i obecneprzepisy dotyczące emisji związków szkodliwych spalin.Obecnie poziom emisji amoniaku jest nieuregulowanyprzepisami na rynku europejskim i amerykański, należy onjednak do grupy związków, które mogą być objęte limitamiw przyszłych przepisach dotyczących emisji z pojazdówsamochodowych [3].W atmosferze NH 3odgrywa znaczącą rolę w procesieformowania się cząstek stałych (PM) [1, 4 – 10]. Cząstki stałetego typu formowane są w reakcjach molekuł w powietrzu,tworząc cząstkę – inaczej niż PM powstałe bezpośredniou źródła („pierwotne PM”). W Europie, 50 – 90% cząstekPM10 i około 50% PM2.5 powstaje w ten sposób [5]. Wiadomo,iż amoniak reaguje ze związkami azotu i kwasami,tworząc cząstki stałe [5, 7, 11]. Kilka reakcji tworzenia PMopartych na amoniaku jest nieodwracalnych i zachodzi wCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)63

Analiza emisji amoniaku z samochodów z silnikami o zapłonie iskrowym...strongly on the availability of ammonia [5]. Ammonia has ashort atmospheric residence time and rarely travels far fromsource as NH 3[1, 8] – concentrations are roughly some 90per cent lower 10 metres from roadside [12]. However, thesecondary PM NH 3produces can travel much further, and iswidely recognised as being able to affect human health, damagevegetation and building materials and cause acidificationand eutrophication of surface waters [6, 13 – 17]. Ammoniais classified as a toxic pollutant [6, 7, 13, 18, 19].A UNECE protocol [17] and an EU directive [14] setlimits for total NH 3emissions from EU member states, buthave no specific quotas for the transport sector [15].Active catalytic systems fitted to the latest Dieselpoweredvehicles use urea to produce the ammoniarequired for selective catalytic reduction (SCR) [20, 21].The escape of ammonia from such a system is called‘ammonia slip’, and is undesirable because of the effectslisted above. Euro 6 legislation contains specific limitsfor vehicles with SCR systems in recognition of thedeleterious effects of NH 3emissions. The proposed limitis 10 ppm [20, 22]. The Euro 6 SI proposal contains nomention of ammonia.Ammonia is a natural atmospheric trace gas [8, 23],but certain anthropogenic sources are significant. Whileintensive agriculture, sewage treatment and the use of firesto clear forested land are major anthropogenic sources,vehicles equipped with three-way catalysts (TWCs) alsocontribute [1, 3 – 8, 12, 15, 16, 19, 24 – 28]. Ambient levelsof ammonia have increased [16], even when taking intoaccount increases in traffic volumes [8]. Measurementstaken several years apart in Manchester (UK), indicate a40 per cent increase in ammonia concentration, relative toconcentrations of NO xand CO. This shows that increasedtraffic volumes are not the cause; rather the fitting of TWCsto vehicles is causing these increased levels of ammoniaemission [8]. Other studies have found that even as emissionsof regulated compounds have fallen, NH 3emissionfrom traffic appears to have risen [24]. Despite the factthat the emission of ammonia is normally associated withagricultural activities, areas with heavy/regular traffichave been found to show higher concentrations of NH 3than rural areas with only light/occasional traffic [23, 28].Studies performed in tunnels and on large arterial roadsmay drastically underestimate rates of ammonia emissionfrom SI vehicles, as the relatively static, low-accelerationdriving observed is not conducive to ammonia formation[15]. Ammonia emission factors from SI vehicles mayhave risen by as much as two orders of magnitude in thepast 30–40 years [16, 24], due to the massive increase inthe proportion of vehicles in the SI fleet featuring TWCsduring this period.Ammonia is one of a number of simple nitrogen compoundsemitted by modern SI vehicles. Ammonia and NO xreadily participate in a wide range of reactions at ambientconditions earning them the appellation reactive nitrogencompounds (RNCs) [6, 7]. Ammonia can be seen as an intermediatebetween NO xand a simple hydrocarbon and astemperaturze otoczenia [11]; tworzenie aerozoli, takich jaksiarczan (VI) amonu i azotan (V) amonu bardzo uzależnionejest od dostępności amoniaku [5]. Amoniak w atmosferzejest nietrwałym związkiem i rzadko występuje z dala odźródła emisji, jako NH 3[1, 8] – zawartość amoniaku watmosferze jest około 90% mniejsza w odległości 10 m odpasa przydrożnego [12]. Jednakże PM powstałe z udziałemNH 3mogą docierać dalej i są szeroko znane jako cząstkimające negatywny wpływ na zdrowie człowieka, zakłócającewegetację roślin i niszczące materiały budynków, powodującezakwaszenie i eutrofizację wód powierzchniowych [6,13 – 17]. Amoniak zaliczany jest do gazów toksycznychzanieczyszczających atmosferę [6, 7, 13, 18, 19].Protokół Europejskiej Komisji Gospodarczej OrganizacjiNarodów Zjednoczonych (EKG ONZ) [17] i europejskiedyrektywy nakładają ograniczenia na całkowitą emisję amoniakudla członków Unii Europejskiej, ale bez specjalnegorozdziału na udział sektora transportowego [15].Selektywne katalityczne systemy (SCR), będące wyposażeniempojazdów z nowymi silnikami o zapłoniesamoczynnym (ZS), wykorzystują mocznik do produkcjiamoniaku potrzebnego do selektywnej redukcji katalitycznej(SCR) [20, 21]. Wydostanie się amoniaku, który nie wziąłudziału w reakcji redukcji, z tych systemów na zewnątrzukładu wylotowego nazywane jest „ammonia slip” i jest niepożądanez powodów szkodliwych skutków wspomnianychwcześniej. Przepisy normy Euro 6 zawierają specjalny limitdla pojazdów z systemem SCR, w związku ze szkodliwymiefektami emisji NH 3. Proponowany limit to 10 ppm [20, 22].Propozycje limitów związków szkodliwych w normie Euro6 dla pojazdów z silnikami ZI nie dotyczą amoniaku.Amoniak w środowisku naturalnym występuje w śladowychilościach [8, 23], ale pewne źródła emisji pochodzeniaantropologicznego odgrywają znaczącą rolę. Głównymiźródłami antropologicznymi są intensywne uprawy rolne,oczyszczalnie ścieków i używanie ognia przy wycinaniulasów. Pojazdy wyposażone w trójfunkcyjne reaktory katalityczneTWC także są zaliczane do źródeł emisji amoniaku [1,3 – 8, 12, 15, 16, 19, 24 – 28]. Poziom zawartości amoniakuw powietrzu wzrósł [16] ze względu na wzrost wielkościnatężenia ruchu pojazdów [8]. Pomiary prowadzone przezkilka lat w Manchesterze (Wielka Brytania) wykazały40-procentowy wzrost stężenia amoniaku w porównaniu dozmian stężenia NO xczy CO. Pokazuje to, że wzrost wielkościnatężenia ruchu drogowego nie jest główną przyczyną tegozjawiska, a raczej odpowiada za to wyposażenie pojazdów wtrójfunkcyjne reaktory katalityczne, które przyczyniają się dozwiększonych poziomów emisji amoniaku [8]. Inne badaniawykazały nawet, że podczas spadku emisji związków objętychlimitami prawnymi, emisja NH 3, pochodząca ze źródełzwiązanych z transportem, wzrastała [24]. Pomimo tego, iżemisja amoniaku zwyczajowo uważana jest za powiązanąz działalnością rolnictwa, obszary o dużym natężeniu ruchupojazdów okazały się miejscami o większym stężeniu NH 3w powietrzu, niż w przypadku terenów wiejskich i/lub omniejszym natężeniu ruchu [23, 28]. Wyniki badań przeprowadzonychw tunelach i wzdłuż dużych arterii drogowych64 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

A technical discussion of the emission of ammonia from SI vehicles...such forms part of a continuum of species whose emissionshould be reduced as far as is practicable.Much of the nitrogen in the intake air is unaffectedby the combustion process and simply passes throughthe powertrain; some reacts to produce various RNCsboth in the engine out flux and in the TWC (Fig. 1). Therelative proportions of these gases is by no means fixed,and concentrations of these species can vary by orders ofFig. 1. Schematic of the flow of nitrogen atoms through a TWC. Release as N 2is the ideal outcome; release ofNO etc is evidence of overly oxidising conditions; release of NH 3of overly reducing conditions in the TWCRys. 1. Schemat przepływu cząstek związków azotu przez trójfunkcyjny reaktor katalityczny. Emisja N 2jest najbardziejpożądanym rezultatem; emisja NO xjest dowodem wystąpienia warunków sprzyjających utlenianiu; emisjaNH 3jest dowodem wystąpienia warunków sprzyjających redukcji NO xw trójfunkcyjnym reaktorze katalitycznymmagnitude from second to second. The theoretical goalfor emissions control regarding RNCs would be for allnitrogen to leave the vehicle in the inert N 2form [15].The proportion of NH 3in the exhaust can be thought ofas an inverse measure of how well the catalyst reducesNO xto N 2. Higher proportions of NH 3indicate a generaloverreduction of NO x.Ammonia (NH 3) and nitrogen monoxide (NO) arethe main outputs of reactive nitrogen compounds from aTWC [7, 15, 29]; releaseof RNCs shouldbe reduced as far aspossible.The proportion ofnitrogen atoms whichleave the TWC in theform of NH 3appearsto vary by an order ofmagnitude for vehiclespeeds 0 – 145 km/h(Fig. 2). Two regimesare clearly visible. Atengine out temperaturesabove 300 °C, proportionsrarely exceed 5per cent. While at lowerspeeds the eliminationof NO was less efficient,more of the outputwas in the form ofNH 3. From Figure 2 itcan be seen that on average,the NH 3fractiondecreases by roughly 3per cent for each 10 °Cmogą nie doceniać poziomu emisji amoniaku z pojazdów zsilnikami ZI, gdyż względnie statyczny i spokojny sposóbjazdy, bez gwałtownych przyspieszeń, nie prowadzi dotworzenia się amoniaku [15]. Globalna emisja amoniaku zpojazdów z silnikami ZI mogła wzrosnąć nawet dwukrotniew przeciągu ostatnich 30 – 40 lat [16, 24], ze względu naznaczny wzrost udziału pojazdów mających układy wylotuspalin wyposażone w trójfunkcyjny reaktor katalityczny.Amoniak jest jednym zwielu prostych związkówazotowych emitowanychprzez współczesne pojazdyz silnikami ZI. Amoniaki NO x, bez trudu uczestniczącw wielu reakcjachw warunkach otoczenia,tworzą grupę reaktywnychzwiązków azotu (reactivenitrogen compounds –RNC). Amoniak może byćuznawany jako produkt pośrednireakcji między NO xi prostymi węglowodorami i jako główny przedstawicielgrupy związków chemicznych, których emisja powinna byćograniczona wszelkimi możliwymi sposobami.Znaczne ilości azotu w powietrzu w układzie dolotowymsilnika nie wpływają na proces spalania w silniku i zwyczajnieprzepływają przez silnik, niewielkie ilości reagują,tworząc RNC zarówno w strumieniu spalin w układzie wylotowym,jak i w trójfunkcyjnym reaktorze katalitycznym.Rzeczywista proporcja tych gazów nie jest ustalona i stężenieFig. 2. Percentage NH 3mass fraction (the percentage of the mass of NO eliminated in the TWC which can be accountedfor by the mass of NH 3emitted) as a function of vehicle speed (data from [19])Rys. 2. Procentowy udział masowy NH 3(procentowa masa zredukowanego NO w reaktorze trójfunkcyjnym, któramoże być odpowiedzialna za masową emisję NH 3) w funkcji prędkości pojazdu [19]COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)65

Analiza emisji amoniaku z samochodów z silnikami o zapłonie iskrowym...increase (with R 2 = 0.83), up to 300 °C. This hints at NH 3formation reactions which can occur at temperatures below300 °C, even if the quantities formed in this way are verysmall. Species which are known to be formed to make upthe rest of the nitrogen balance are N 2, NO 2and also N 2O[16, 29]. Isocyanate and isocyanic acid, ammonium thiocarbamateand other species [2] (including more complexnitrogen compounds) may also be emitted, but in very limitedquantities.2. Formation of ammonia in a three-way catalystFormation of NH 3within cylinders and non-catalyticexhaust systems has long been known to be very limited [2,19]. Data presented in [19] show post-catalyst NH 3emissionfactors to be ~100 times larger than engine out readings, butwith no correlation between these data (R 2 ≈ 0). Three-waycatalysts can catalyse a number of unintended side-reactions[16]. These side reactions include the steam reforming andwater-gas shift reactions, both of which produce hydrogen[15, 16], which can participate in further reactions to produceammonia.There are multiple known and proposed NH 3formationpathways, both relatively direct (e.g. Eq. (2)) and highly indirect(involving many intermediates) (e.g. Eqs. (6a) – (6c))and these processes remain under investigation. Preciousmetal loading, space velocity, temperature, λ and fuel sulphurcontent can also all influence formation of NH 3to varyingdegrees. Some simplified ammonia formation reactionswhich have been suggested are as follows:Ammonia formation reaction/reakcjepowstawania amoniakuEq. No./numerrównaniaSource/źródło2NO + 5CO + 3H 2O → 2NH 3+ 5CO 2(2) [30]2NO + 5H 2→ 2NH 3+ 2H 2O (3) [30]2NO + 2CO + 3H 2→ 2NH 3+ 2CO 2(4) [31]4H 2+ N 2+ O-R’ → 2NH 3+ H 2O (5) [21]N + CO ↔ NCONCO + H → HNCOHNCO + H 2O → NH 3+ CO 2(6a)(6b)(6c)[32, 33]Depending on the noble metal or metals present, intermediatespecies can be formed, which later undergo furtherreactions to produce NH 3through a series of reactions (Eqs.(6a) – (6c)).It is perhaps that any single reaction will be the sole NH 3formation route, and different reactions probably occur underdifferent conditions, even for the same vehicle-catalyst-fuelcombination. Multiple reactions may occur simultaneously,thereby boosting the production rate. However, a certaintemperature normally has to be reached before the catalystplays a useful part in the process, analogous to an NH 3-production light-off temperature. Reactions (2) and (3) canoccur readily above 300 °C, but depend on the engine outemissions flowing into the TWC.There is universal agreement that rich conditions favourNH 3production [15, 17, 19, 30, 31, 33, 34], although emistychzwiązków może różnić się o rzędy wielkości z sekundyna sekundę. Teoretycznym celem ograniczenia emisji zpunktu widzenia RNC jest uzyskanie takich warunków, abycały azot opuszczał pojazd w postaci obojętnego N 2. PoziomNH 3w spalinach może być traktowany jako odwrotnośćskuteczności reakcji redukcji NO xdo N 2. Większe ilościNH 3wskazują na efektywną redukcję NO x.Amoniak (NH 3) i tlenek azotu są głównymi produktamireaktywnych związków azotu pochodzącymi z trójfunkcyjnegoreaktora katalitycznego [7, 15, 29]; tworzenie RNCpowinno być zmniejszone o tyle, o ile jest to możliwe.Udział związków azotu wydobywających się z trójfunkcyjnegoreaktora katalitycznego w postaci NH 3jest znaczącoróżny dla różnych prędkości pojazdu w zakresie od 0 – 145km/h (rys. 2). Widoczne są wyraźnie dwa obszary. Przytemperaturze spalin powyżej 300 o C udział ten rzadko przekracza5%, podczas gdy przy niższych prędkościach pojazdueliminacja NO jest mniej efektywna, większa ilość atomówazotu wydostaje się w postaci NH 3. Z analizy rysunku 2można wywnioskować, iż średni udział frakcji NH 3spada wprzybliżeniu o 3% dla każdych 10 o C wzrostu temperatury(R 2 = 0,83), do temperatury 300 o C. To sugeruje, iż reakcjeformowania NH 3mogą pojawiać się przy temperaturzeponiżej 300 o C, jednak ilości NH 3powstałe w ten sposób sąbardzo małe. Związki powstałe, by zbilansować pozostałąilość azotu to N 2, NO 2i N 2O [16, 29]. Izocyjanian i kwasizocyjanowy, tiokarbominian amonowy i inne związki [2](łącznie z bardziej skomplikowanymi związkami azotu)mogą być również emitowane, ale w bardzo ograniczonejilości.2. Powstawanie amoniaku w trójfunkcyjnymreaktorze katalitycznymOd dawna wiadomo, że ilość powstałego NH 3w komorzespalania silnika i układzie wylotowym, nie wyposażonymw reaktor katalityczny, jest niewielka [2, 19]. Dane przedstawionew [19] wskazują, iż współczynnik emisji NH 3zareaktorem może być około 100 razy większy niż emisji z samegosilnika, nie ma tu zależności między tymi wartościami(R 2 ≈ 0). W trójfunkcyjnym reaktorze katalitycznym mogąwystępować liczne niezamierzone reakcje uboczne [16]. Tereakcje uwzględniają reforming parowy (reakcja pomiędzyparą wodna i węglowodorami) oraz zmianę wody w gaz(deoksydacja wody przy udziale CO), w czasie których możepowstawać w określonych warunkach również wodór [15,16], który może brać udział w dalszych reakcjach, tworzącamoniak.Jest wiele znanych i proponowanych modeli formowaniasię NH 3zarówno w sposób bezpośredni, jak i wznaczącej mierze pośredni (wymagający wielu produktówpośrednich) (np. równania (6a) – (6c)); obecnie procesy tesą nadal badane. Zawartość metali szlachetnych, szybkośćobjętościowa, temperatura, współczynnik λ i zawartośćsiarki w paliwie mogą również w różnym stopniu wpływaćna powstawanie NH 3. Niektóre uproszczone reakcje tworzeniaamoniaku, o których wspomniano, przedstawionow postaci równań (1) – (6).66 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

A technical discussion of the emission of ammonia from SI vehicles...sion has been measured under certain lean conditions [19,31]. Fuel-rich conditions mean the supply of reagents suchas CO and HC is increased, and oxygen levels are decreased.The presence of sufficient quantities of oxygen suppressesEq. (3) [25]. Lean operation also means hydrogen is not asactive and so cracking the N≡N and N=O bonds is moredifficult [21]. Ideal conditions for the production of NH 3appear to be rich, oxygen-poor, with high engine out temperatures(Fig. 3) – the conditions encountered at higherloads, particularly during periods of aggressive acceleration.A malfunctioning catalyst or faulty oxygen sensor can alsomake this problem worse [26].A notable feature of Figure 3 is the emission of NH 3at engine out temperatures < 300 o C (solid points). As thetemperature in the TWC is lower than the engine out temperature,this suggests that NH 3reactions were occurring atmuch lower temperatures for the vehicle used in [19]. It couldbe that at lower temperatures a different formation processdominates, particularly at around the temperature where theTWC reaches light-off.Tailpipe NH 3emission has been found to correlate wellwith engine out CO emission (R 2 = 0.75) [31], which is tobe expected as CO is a reagent in Eqs. (2), (3), (6a). CO isalso vital for the water-gas shift reaction, which is one routefor providing the hydrogen required for Eq. (3), (4), (5). Thisimplies that conditions favourable for the formation of CO(i.e. λ < 1) are likely to produce significant amounts of NH 3over the TWC.The correlation between emission of NH 3and engineout NO has been reported as substantially weaker; testsW zależności od zawartościi rodzaju metaliszlachetnych mogą byćtworzone różne półprodukty,które mają następniewpływ na dalsze reakcjepowstawania NH 3w wyniku wielu reakcjichemicznych (reakcje(6a) – (6c)).Możliwe jest, iż pojedynczereakcje mogąbyć podstawą procesutworzenia NH 3, a innereakcje mogą zachodzićw innych warunkach,nawet w przypadku tegosamego układu pojazd–reaktor katalityczny–paliwo.Wielostopniowereakcje mogą zachodzićrównocześnie, powodującprzyspieszenie tempapowstawania NH 3. Jednakżepewien poziomtemperatury musi byćosiągnięty, zanim reakcjakatalizy zacznie odgrywaćznaczącą rolę w procesie, analogicznie do temperaturywymaganej do powstania NH 3. Reakcje (2) i (3) mogąwystępować bez trudu powyżej 300 o C, ale zależne jestto od składu spalin napływających z silnika do reaktorakatalitycznego.Według wielu autorów powstawaniu NH 3sprzyja spalanie„bogatej” mieszanki w silniku ZI [15, 17, 19, 30, 31,33, 34]; prowadzone były również pomiary tej emisji wstanie pracy silnika przy zasilaniu ubogą mieszanką [19,31]. Warunki pracy przy zasilaniu bogatą mieszanką oznaczająwzrost zapasów reagentów, takich jak CO i HC orazzmniejszenie ilości dostępnego tlenu. Obecność wystarczającejilości tlenu do przeprowadzenia reakcji jest sprzecznaz równaniem (3) [25]. Warunki powstałe przy zasilaniusilnika ubogą mieszanką oznaczają również, iż wodór niejest tak reaktywny, więc przełamanie wiązań chemicznychN≡N i N=O jest bardziej skomplikowane [21]. Idealnymiwarunkami powstawania NH 3wydają się: stan pracy silnikaprzy zasilaniu bogatą mieszanką, niedostatek tlenu przywysokich temperaturach spalin silnika (rys. 3) – warunki tewystępują przy dużych obciążeniach, zwłaszcza w okresiegwałtownego i agresywnego przyspieszania. Niesprawnyreaktor katalityczny, czy uszkodzona sonda λ mogą powiększyćten problem [26].Interesującym zjawiskiem (rys. 3) jest emisja NH 3przytemperaturze gazów spalinowych w silniku < 300 o C (punktyoznaczone pełnymi kropkami). Skoro temperatura w reaktorzeTWC jest niższa niż temperatura spalin wychodzących zsilnika, to sugeruje to, iż reakcje NH 3mogą występować przyFig. 3. Tailpipe ammonia emission as a function engine out temperature for a TWC-equipped Euro 3 vehicle forspeeds 5 – 145 km h –1 (data from [19]). The linear regression is fitted only to data for which T > 299 o C; the trendlineimplies that NH 3emission will increase by ~2.7 mg/km for every temperature increase of 10 o CRys. 3. Emisja amoniaku z układu wylotowego spalin w funkcji temperatury spalin silnikowych dla pojazdu wyposażonegow trójfunkcyjny reaktor katalityczny, spełniającego normę Euro 3 przy prędkościach w zakresie 5 – 145km h –1 [19]. Linowe przybliżenie wyników możliwe jest jedynie dla temperatur t > 299 o C; linia trendu wskazuje, iżemisja NH 3będzie wzrastać o ~2,7 mg/km dla każdego przyrostu temperatury o 10 o CCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)67

Analiza emisji amoniaku z samochodów z silnikami o zapłonie iskrowym...dużo niższych temperaturachspalin [19]. Możliwe,iż przy niższych temperaturachinny mechanizmpowstawania NH 3jestdominujący, szczególniew okolicach temperaturypoczątku działania reaktoraTWC.Emisja NH 3z układuwylotowego z silnikaokazała się zależna odemisji CO w gazach spalinowychsilnika (R 2 == 0,75) [31], który możebyć reagentem w równaniach(2), (3), (6a). COrównież może brać udziałw reakcji zmiany wodyw gaz, która jest jedynymsposobem dostarczeniawodoru do reakcjiFig. 4. Tailpipe NH 3emission as a function of both engine out temperature and λ (data from [19])Rys. 4. Emisja NH w równaniach (3), (4), (5).3z układu wylotu spalin w funkcji temperatury spalin silnika i λ [19]Powoduje to, iż warunkiperformed on several vehicles showed a maximum R 2 valuesprzyjające powstawaniuof 0.48 and an average R 2 value of 0.27 [31]. However, a CO (λ < 1), sprzyjają również powstawaniu znacznych ilościrelatively strong correlation between engine out NO and NH 3w reaktorze katalitycznym.tailpipe NH 3has been reported from tests on a single vehicle(R 2 = 0.78) [19]. The dependence on engine out gas się wyraźnie mniejsza, przeprowadzone testy na kilku po-Zależność pomiędzy emisją NH 3i NO z silnika wydajeconcentrations will depend on the particular reactions which jazdach pokazały, iż maksymalna wartość współczynnika R 2dominate in the TWC fitted to the vehicle in question, and wynosiła 0,48, średnio osiągając wartość 0,27 [31]. Jednakon the transient conditions, including λ.względnie dużą zależność między emisją NO z silnika aThe correlation between λ and the NH 3emission factorfor a particular vehicle has been reported as potentially uważono w teście dla pojedynczego pojazdu (R 2 = 0,78) [19].emisją NH 3z układu wylotowego spalin z samochodu za-significant but weak, with an R 2 value of 0.3 [31] to 0.39 Zależność stężenia gazów spalinowych wpływa częściowo[19]. A surface plot of data presented in [19] is shown in na reakcje, które dominują w pojazdach z trójfunkcyjnymiFigure 4, showing significant variance in NH 3emission for reaktorami katalitycznymi i w nieustalonych warunkach,the same value of λ.łącznie z λ.Figure 4 shows the ‘ramping up’ of NH 3emission at Zależność między λ a emisją NH 3dla poszczególnychhigher engine loads (higher temperature; lower λ), but also pojazdów okazała się potencjalnie znacząca, ale niezbyt dużathat NH 3emission can take non-zero values when λ > 1. Data – o wartości od 0,3 [31] do 0,39 [19]. Wykres przedstawionypresented in [19] show that emission is low to moderate at w układzie przestrzennym, oparty na danych prezentowanychw [19], zaprezentowano na rys. 4: przedstawia on różnetemperatures below 400 o C.Investigations into the effects of fuel chemistry on NH warianty emisji NH33dla tej samej wartości λ.emission have primarily focussed on fuel sulphur content. Na rysunku 4 można zauważyć wyraźny wzrost emisjiSulphur has been suspected to affect the formation of NH NH3 3przy większych obciążeniach silnika (wyższe temperatury,mniejsza λ), ale także, że emisja NH 3on a TWC. Sulphur is a potent inhibiting and poisoningma wartościagent for the surfaces of catalysts fitted to petrol- and większe od zera przy wartościach λ > 1. Dane przedstawioneDiesel-fuelled vehicles [3, 24, 29, 35] and this is one of w [19] wskazują, iż emisja jest niska i raczej umiarkowanathe reasons why fuel sulphur content has been reduced by a przy temperaturach mniejszych niż 400 o C.factor of around thirty over the last few decades. The more Badanie wpływu składu chemicznego paliwa na NH 3active sites which are poisoned (or temporarily inhibited) prowadzone były głównie pod kątem oceny wpływu zawartościsiarki w paliwie. Siarka uznana jest za pierwiastekwith sulphur, the fewer active sites there would be for thecatalyst to eliminate CO, NO and HC (and produce NH 3) wspomagający powstawanie NH 3w trójfunkcyjnym reaktorzekatalitycznym. Siarka jest potencjalnie hamującym[3]. In addition to obstruction of the active sites throughsteric effects, the sulphur oxide produced from the combustionof sulphur in the fuel appears to have a limiting katalitycznych w reaktorach wykorzystanych wreakcje katalizy i niszczącym środkiem dla powierzchnipojazdach68 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

A technical discussion of the emission of ammonia from SI vehicles...effect on the production of hydrogen in the steam reformingand water-gas shift reactions [16]. Concerns were voicedregarding the effect of reduced sulphur concentrations incommercially available fuel [3]; some experimental datawas presented to support this hypothesis (discussed in[4]). It was predicted that lowering fuel sulphur contentwould lead to elevated emissions of various unregulatedcompounds, including NH 3[16].Laboratory tests using synthetic engine out gas streamsover a catalyst indicate that the addition of SO 2causes NH 3production to rapidly decrease or even cease completely[16, 24]. Other tests have found that the addition of SO 2merely pushes NH 3production to higher temperature ranges[32]. However, tests performed on multiple vehicles withrelatively recent TWCs indicate no problems with lowsulphur fuel [4] altering the sulphur content of the fuel bya factor of thirty can produce differences as small as only afew milligrams per mile [3, 4]. In fact, ammonia emissionhas been reported to be higher for fuels richer in sulphur,especially over a more aggressive driving cycle. Resultspresented by Bell and Yates [29] show greater NH 3emissionfrom fuels richer in sulphur from a Euro 4 vehicle.The researchers also noted an increase in HC emission forthese fuels, which may explain the increased productionof NH 3. The lowest NH 3results in [4] were obtained witha the fuel with the lowest sulphur content (5 ppm). In lightof this, low sulphur petrol cannot rightly take the blamefor NH 3emissions; it may even help to reduce them incertain cases.Multiple observations that the high load conditions encounteredduring periods of rapid acceleration coincide withhigher levels of NH 3emission have been formally studied[31, 33, 36].3. Conclusions and further researchSI vehicle with TWCs are an important source of ammoniain urban areas [28]. Virtually all on-road SI vehiclesin Europe are now TWC-equipped, yet current and plannedfuture EU legislation contains no emission limits for ammonia.The emission of ammonia is both problematic andundesirable, with the potential to significantly affect the PMload. Increasingly stringent legislation regarding air qualitywill push the issue of ammonia production from vehiclesfurther up the air quality agenda.The exact reactions which predominate within thecatalyst are still somewhat unclear, but it is evident thatreducing engine out emissions of unburned hydrocarbons,carbon monoxide and oxides of nitrogen would deprivethe ammonia-forming reactions of their reagents. Thepotential impact of increases in engine out temperaturesand NO xproduction which could result from downsizingof SI engines should be studied further. Catalyst designnaturally focuses on the efficient elimination of regulatedcompounds, but greater consideration should be given tothe influence of catalyst support metals, fluid dynamics,thermal inertia, etc. on the formation of unregulated speciessuch as ammonia. The large variation between NH 3emission rates for different vehicles of the same emissionsCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)zasilanych benzyną i olejem napędowym [3, 24, 29, 35] ijest to jeden z powodów, dla którego zawartość siarki wpaliwie została zmniejszona trzydziestokrotnie w ostatnichdekadach. Jeżeli jest więcej aktywnych miejsc reaktorazniszczonych na stałe lub czasowo przez siarkę, to pozostajemniejsza liczba aktywnych miejsc, gdzie zachodzą reakcjeutleniania i redukcji CO, NO xi HC (i produkcji NH 3)[3]. Dodatkowo, jako przeszkoda efektu przestrzennegomiejsc aktywnych, tlenki siarki powstałe w wyniku spalaniasiarki zawartej w paliwie mają ograniczający wpływna produkcję wodoru w reakcjach reformingu parowego izamiany wody w gaz [16]. Koncerny paliwowe zmuszanebyły do zmniejszenia ilości siarki w paliwie sprzedawanymna rynkach światowych, ponieważ siarka miała negatywnywpływ na funkcjonowanie reaktorów TWC [3, 4]. Efektemubocznym tej decyzji było to, że obniżenie zawartości siarkiw paliwie powodowało wzrost emisji innych, nieobjętychograniczeniami przepisów dotyczących emisji, związków,włącznie z NH 3[16].Testy laboratoryjne z wykorzystaniem syntetycznychgazów spalinowych wprowadzanych przed reaktor katalitycznywskazują, iż dodatek SO 2powoduje gwałtownyspadek formowania się NH 3, bądź też całkowite jegowstrzymanie. Inne testy wskazują, iż dodatek SO 2w spalinach„przesuwa” formowanie NH 3do wyższych zakresówtemperatur. Jednakże testy przeprowadzone na różnychpojazdach pokazały, iż z całą pewnością obecne trójfunkcyjnereaktory katalityczne nie stwarzają problemówpodczas zasilania nisko siarkowym paliwem, zmniejszonatrzydziestokrotnie zawartość siarki powoduje jedynie małeróżnice rzędu kilku miligramów na milę [3, 4]. Faktycznie,emisja amoniaku wydaje się wyższa dla paliw bogatszychw siarkę, zwłaszcza przy bardziej agresywnych cyklachjezdnych. Wyniki zaprezentowane przez Bella i Yatesa[29] pokazują znaczący wzrost emisji NH 3dla paliwa bogategow siarkę, w pojazdach spełniających normę Euro 4.Autorzy zauważyli również wzrost emisji HC dla tego typupaliw, co może wytłumaczyć równoczesny wzrost emisjiNH 3. Mniejszą emisję NH 3w [4] zauważono dla paliw onajmniejszej zawartości siarki. W świetle tych wnioskówpaliwo nisko siarkowe nie może być uznane za głównąprzyczynę wzrostu emisji NH 3, przeciwnie, może nawetpowodować zmniejszenie tej emisji w pewnych warunkachpracy silnika.Badania prowadzone przez wiele ośrodków wykazały,że w warunkach dużych obciążeń silnika samochodowego,które występują podczas gwałtownego przyspieszania,następuje jednocześnie wyższy poziom emisji NH 3[31,33, 36].3. Podsumowanie i dalsze badaniaPojazdy z silnikami ZI i trójfunkcyjnymi reaktoramikatalitycznymi są znaczącym źródłem emisji NH 3na terenachzurbanizowanych i w miastach [28]. W rzeczywistościkażdy pojazd na drogach Europy z silnikiem ZI wyposażonyjest obecnie w trójfunkcyjny reaktor katalityczny TWC.Aktualnie obowiązujące i planowane przepisy dotycząceemisji związków szkodliwych w Unii Europejskie dla tego69

Analiza emisji amoniaku z samochodów z silnikami o zapłonie iskrowym...standard underlines the need for further research and measuringtechniques that give accurate, repeatable results. Theuse of dilution tunnels and sampling bags is not be an appropriateexperimental technique for the measurement ofNH 3[15]; special analysers are required to measure NH 3(and other RNCs) directly from the exhaust. Additionally,legislative modal driving cycles may not be ‘aggressive’enough to reveal realistic NH 3emission factors.Nomenclature/Skróty i oznaczeniaλ lambda; ratio of the air-to-fuel ratio to the stoichiometricratio/współczynnik Lambda, stosunek powietrza dopaliwaCO carbon monoxide/tlenek węglaCO 2carbon dioxide/dwutlenek węglaEU European Union/Unia EuropejskaHC Hydrocarbons/węglowodoryNO Nitrogen monoxide, nitric oxide/tlenek azotu (I)NO 2Nitrogen dioxide/dwutlenek azotu, tlenek azotu (IV)NO xOxides of nitrogen (NO + NO 2)/tlenki azotu (NO + NO 2)N 2O Nitrous oxide/podtlenek azotuNH 3Ammonia/amoniakPM Particulate matter/cząstka stałappm Parts per million/części na milionR 2 R-squared least mean squares value for goodness of fit/kwadrat wartości zgodności rozkładówRNC Reactive nitrogen compounds/reaktywne związki azotuSCR Selective catalytic reduction/selektywna redukcja katalitycznaSI Spark ignition/zapłon iskrowyTWC Three-way catalyst/trójfunkcyjny reaktor katalitycznyUNECE United Nations Economic Commission for Europe/EuropejskaKomisja Gospodarcza Narodów Zjednoczonych(EKG ONZ)Paper reviewed/Artykuł recenzowanytypu pojazdów nie zawierają limitów emisji amoniaku.Problem emisji amoniaku jest bardzo niepokojący i niepożądanyz powodu potencjalnego wpływu na formowaniesię cząstek stałych. Wzrastające wymagania odnośnie dojakości powietrza prawdopodobnie spowodują, iż zjawiskopowstawania amoniaku w układach wylotowych pojazdówznajdzie odzwierciedlenie w przepisach dotyczących jakościpowietrza.Dokładne reakcje, które dominują w reaktorach katalitycznychsą nadal nie w pełni poznane, ale oczywistejest, że zmniejszenie emisji w spalinach takich związków,jak HC, CO i NO xmoże ograniczyć procesy formowaniaamoniaku przez zmniejszenie ilości podstawowych substratów,które w tych reakcjach biorą udział. Potencjalnywpływ zwiększania temperatury spalin i powstawania NO x,spowodowany zmniejszeniem wymiarów gabarytowychi objętości skokowej silników ZI z jednoczesnym turbodoładowaniem(downsizing), powinien być szczegółowosprawdzony. Konstruktorzy reaktorów katalitycznychskupiają się na efektywności eliminacji związków ograniczonychprzepisami prawnymi, ale powinni poświęcićrównież więcej uwagi na wpływ stosowanych metaliszlachetnych, dynamikę przepływu gazów przez reaktor,bezwładność cieplną i inne, na tworzenie się dodatkowychzwiązków szkodliwych i toksycznych, nieograniczonychprzepisami prawnymi, takich jaki amoniak. Olbrzymiarozbieżność pomiędzy poziomem emisji NH 3dla różnychpojazdów spełniających te same standardy emisyjne podkreślapotrzebę prowadzenia dalszych badań i rozwojutechniki pomiarowej, dającej bardziej dokładne i powtarzalnewyniki. Używanie obecnie tuneli rozcieńczającychczy specjalnych worków na próbki nie jest odpowiedniątechniką eksperymentalną pomiaru NH 3; wymagane jestopracowanie specjalnego przyrządu do pomiaru emisjiNH 3i RNC bezpośrednio z układu wylotowego pojazdu.Dodatkowo cykle jezdne opisane w przepisach emisyjnychnie charakteryzują się wystarczająco dużymi przyspieszeniamipojazdu, aby zasymilować emisję NH 3na poziomiezbliżonym do występującego w czasie rzeczywistego ruchupojazdów na terenach miejskich i zurbanizowanych.Bibliography/Literatura[1] Whitehead J. et al.: Seasonal and Diurnal Variation in AtmosphericAmmonia in an Urban Environment Measured Usinga Quantum Cascade Laser Absorption Spectrometer. WaterAir Soil Pollution, 183:317-329, 2007.[2] Harkins J., Nicksic S.: Ammonia in Auto Exhaust. EnvironmentalScience and Technology, Vol. 1, Number 9, 1967,751-752.[3] Durbin T. et al.: The Effect of Fuel Sulfur on NH 3and OtherEmissions from 2000-2001 Model Year Vehicles – CRCProject No. E-60 submitted to CONCAWE, 2003. Availableonline: http://www.crcao.com[4] Durbin T. et al.: The effect of fuel sulfur on NH 3and otheremissions from 2000-2001 model year vehicles. AtmosphericEnvironment 38, 2004, 2699-2708.[5] Erisman J., Schaap M.: The need for ammonia abatement withrespect to secondary PM reductions in Europe. EnvironmentalPollution 129, 2004,159-163.[6] EU MEMO/07/571. Questions and Answers on the newdirective on ambient air quality and cleaner air for Europe.12.12.2007. Available online: http://www.europa.eu[7] Heeb N. et al.: Trends of NO-, NO 2-, and NH 3-emissions fromgasoline-fuelled Euro 3- to Euro 4-passenger cars. AtmosphericEnvironment 42, 2004, 2543-2554.70 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

A technical discussion of the emission of ammonia from SI vehicles...[8] Whitehead J. et al.: Hourly Concentrations of Ammonia Duringthe Winter in Manchester, UK, Related to Traffic and BackgroundSources. American Meteorological Society Abstract.Available online: http://ams.confex.com[9] Kim Y. et al.: Formation of secondary aerosols over Europe:comparison of two gas-phase chemical mechanisms. Atmos.Chem. Phys., 2001, 11, 583-598.[10] Pavlovic R.T. et al.: Ammonia emissions, concentrations andimplications for particulate matter formation in Houston, TX.Atmospheric Environment, Volume 40, Supplement 2, 2006,538-551.[11] Martin R.: Personal communication. 24 June 2010.[12] Cape J. et al.: Concentrations of ammonia and nitrogen dioxideat roadside verges, and their contribution to nitrogen deposition.Environmental Pollution. 2004, Vol. 32, 3, 469-478.[13] Cape J. et al.: Evidence for changing the critical level forammonia. Environmental Pollution, 2009, Vol. 157, Issue 3,1033-1037.[14] Directive 2001/81/EC of the European Parliament and of theCouncil of 23 October 2001 on national emission ceilings forcertain atmospheric pollutants. Official Journal of the EuropeanCommunities, L 309/22, 27.11.2001.[15] Heeb N. et al.: Correlation of hydrogen, ammonia and nitrogenmonoxide (nitric oxide) emissions of gasoline-fueled Euro-3passenger cars at transient driving. Atmospheric Environment40, (2006), 3750-3763.[16] Mejia-Centeno I.et al.: Effect of low-sulfur fuels upon NH 3and N 2O emission during operation of commercial three-waycatalytic converters. Topics in Catalysis Vols., 2007, 42-43.[17] Protocol to the 1979 Convention on Long-Range TransboundaryAir Pollution to abate Acidification, Eutrophication andGround-level Ozone. United Nations Economic Commissionfor Europe, 1999. Available online: http://www.unece.org[18] European Commission: Science for Environment Policy NewsService, Special Issue 4, 2008. Is better regulation of ammoniaemissions required? Available online: http://www.europa.eu[19] Heeb N. et al.: Three-way catalyst-induced formation ofammonia – velocity- and acceleration-dependent emissionfactors. Atmospheric Environment 40, 2006, 5986-5997.[20] TNO report 06.OR.PT.023.2/NG (2006). Euro VI technologiesand costs for Heavy Duty vehicles. Available online: http://europa.eu[21] Torkkell K.: Proceedings of The First International ExhaustEmissions Symposium, Bielsko-Biała, Poland, May 2010.ISBN: 978-83-931383-0-2.[22] Hill L.: Proceedings of The First International Exhaust EmissionsSymposium, Bielsko-Biala, Poland, May 2010. ISBN:978-83-931383-0-2.[23] Matsumoto R. et al.: Comparison of Ammonium DepositionFlux at Roadside and at an Agricultural Area for Long-termMonitoring: Emission NH 3from Vehicles. Water, Air, & SoilPollution, 2006, 173, 355-371.[24] Kean A. et al.: On-Road Measurement of Ammonia and OtherMotor Vehicle Exhaust Emissions. Environmental Science &Technology, 2000, Vol.34, No. 17.[25] Miyamoto A. et al.: Automotive Exhaust Emissions ControlUsing the Three-way Catalyst System. Ind. Eng. Chem. Prod.Res. Dev.,1979, Vol. 18, No. 2.[26] Sutton M. et al.: Ammonia emissions from non-agriculturalsources in the UK. Atmospheric Environment 34, 2000, 855-869.[27] Durbin T.D.: Estimates of the emission rates of ammonia fromlight-duty vehicles using standard chassis dynamometer testcycles. Atmospheric Environment, 2002, Vol. 36, 9, 1475-1482.[28] Perrino C. et al.: Gaseous ammonia in the urban area of Rome,Italy and its relationship with traffic emissions. AtmosphericEnvironment, 36/34, 2002, 5385-5394.[29] Bell A., Yates A.: An Evaluation of the Speciated ExhaustEmissions Associated with South African Gasolines in an EU4Vehicle, 2008, SAE technical paper: 2008-01-1769.[30] Defoort M. et al.: The effect of air-fuel ratio control strategieson nitrogen compound formation in three-way catalysts.International Journal of Engine Research, Vol. 5, Number 1 /2004, 115-122.[31] Huai T. et al.: Investigation of the formation of NH 3Emissionsas a Function of Vehicle Load and Operating Condition, 2003,Available online: http://www.epa.gov[32] Cant N. et al.: Nitrous oxide formation during the reaction ofsimulated exhaust streams over rhodium, platinum and palladiumcatalysts. Applied Catalysis B: Environmental, 1998,17, 63-73.[33] Jiménez-Palacios J.: Understanding and Quantifying MotorVehicle Emissions with Vehicle Specific Power and TILDASRemote Sensing. Ph.D. thesis, 1999, Available online: http://www.mit.edu[34] Li H. et al.: Investigation of Regulated and Non-RegulatedCold Start Emissions using a Euro 3 SI Car as a Probe Vehicleunder Real World Urban Driving Conditions, 2008, SAETechnical Paper: 2008-01-2428.[35] Kozak M., Merkisz J.: The Mechanics of Fuel Sulphur Influenceon Exhaust Emission from Diesel Engines. TEKA Kom.Mot. Energ. Roln., 2005, 5, 96-106.[36] Huai T. et al.: Vehicle Specific Power Approach to EstimatingOn-Road NH3 Emissions from Light-Duty Vehicles. Environ.Sci. Technol. 2005, 39, 9595-9600.Mr. Antoni Świątek, DSc., DEng. – head of theBOSMAL Automotive Research and DevelopmentInstitute Ltd in Bielsko-Biała.Dr hab. inż. Antoni Świątek – dyrektor InstytutuBadań i Rozwoju Motoryzacji BOSMAL Sp. z o.o.,Bielsko-Biała.e-mail: antoni.swiatek@bosmal.com.plMr. Piotr Bielaczyc, DEng. – head of the Engine ResearchDepartment, BOSMAL Automotive Researchand Development Institute Ltd in Bielsko-Biała.Dr inż. Piotr Bielaczyc – kierownik Zakładu BadańSilników, Instytut Badań i Rozwoju MotoryzacjiBOSMAL Sp. z o.o., Bielsko-Biała.e-mail: piotr.bielaczyc@bosmal.com.plMr. Joseph Woodburn, MSc. – researcher at the EngineResearch Department, BOSMAL Automotive Researchand Development Institute Ltd in Bielsko-Biała.Mgr inż. Joseph Woodburn – inżynier ds. badań wZakładzie Badań Silników, Instytut Badań i RozwojuMotoryzacji BOSMAL Sp. z o.o., Bielsko-Biała.COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)71

Emisja cząstek tlenków metali z silnika spalinowegoAndrea ULRICHAndreas MAYERMarkus KASPERAdrian WICHSERJan CZERWIŃSKIPTNSS-2011-SS1-109Emission of metal-oxide particles from IC-enginesAll conventional piston-driven combustion engines emit metal oxide particles. The main sources are the abrasionbetween piston-ring and cylinder, abrasion in the bearings, catalyst coating, lube-oil additives, and fuel additives forpromoting the exhaust-gas after-treatment. Metal oxides, especially from transition metals, are very toxic when they arevery fine. These particles have a high BET surface and penetrate the biological system. Hence, these particles must bescrutinized for quantity, size distribution and composition. This paper draws from published data and mainly the VERTcertification tests, which prescribe a size specific metal analysis.The total mass of metal oxide is 0.1 – 1 mg/km, which appears negligible. But these particles are in the 10 – 20 nmsize range. Hence, this small mass represents 1015 particles per kilometer. This is approximately the same number assoot particles emitted by diesel engines. Public health should focus on the metal oxide particles that are smaller andprobalby more toxic than the soot particles. SI engines run at higher RPM and therefore emit more metal oxide particlesthan Diesel engines. Highly efficient filtration of such particles seems therefore necessary for all engine categories.Keywords: metal-oxide particles, exhaust emission, IC-enginesEmisja cząstek tlenków metali z silnika spalinowegoWszystkie konwencjonalne tłokowe silniki spalinowe emitują cząstki tlenków metali. Głównymi źródłami tej emisji są:zużycie ścierne pomiędzy układem tłok–pierścień i cylinder, zużycie ścierne zachodzące w łożyskach, powłoka reaktorakatalitycznego, dodatki oleju smarującego, dodatki do paliwa wspomagające pozasilnikową neutralizację toksycznościspalin. Tlenki metali, zwłaszcza metali przejściowych, są bardzo toksyczne, gdy mają niewielkie wymiary. Te cząstki metalimają dużą powierzchnię BET i przenikają do systemu biologicznego. Dlatego muszą być szczegółowo zbadane pod kątemich ilości, rozkładu wymiarowego i składu chemicznego. Niniejszy artykuł zawiera dane i głównie testy certyfikacyjneVERT, opisujące analizę wymiarową wybranego metalu.Masa całkowita tlenku metalu wynosi od 0,1 do 1 mg/km, co wydaje się wartością nieistotną. Należy jednak zaznaczyć,iż wymiar powyższych cząstek mieści się w zakresie 10 – 20 nm. Skutkiem tego, tak niewielka masa oznacza 1015 cząstekna 1 km, co jest w przybliżeniu taką samą wartością, jak ilość cząstek sadzy emitowanych przez silniki o zapłonie samoczynnym.Troska o zdrowie społeczne powinna uwzględniać emisję cząstek tlenków metali, których wymiary są mniejszei prawdopodobnie bardziej toksyczne niż cząstki sadzy. Silniki o zapłonie iskrowym osiągają większe prędkości obrotowe,dlatego emitują więcej cząstek tlenków metali niż silniki o zapłonie samoczynnym. Wysokosprawne odfiltrowanie rozważanychcząstek wydaje się konieczne przy zastosowaniu w silnikach wszystkich kategorii.Slowa kluczowe: cząstki tlenków metali, emisja spalin, silniki spalinowe1. IntroductionAssuming a linear dose/effect relationship, the definingtoxicity parameter is the multiplication of specific toxicityand dosage. The biological impact depends on the particles'ability to defeat the human body defense. The crucial factorsare particle size and solubility. Almost insoluble particlesare more hazardous than those soluble in water or fat [1,2]. BC particles (soot) and many metal oxide particles arenot soluble.The significance of particle size can be estimated fromthe alveolar deposition – see Fig. 1 and the publications[3 – 6].Figure 1 shows that that particles < 10 μm can intrudedeep into the lung. Particles smaller than 100 nm show a highdeposition rate in the alveoli increasing with decreasing size.Tissue penetration from alveoli to the blood vessels, too, ishighly dependent on particle size [4]. Therefore, the particle1. WprowadzenieZakładając liniowy związek między wielkością dawkia skutkiem jej oddziaływania, definiowany parametrtoksyczności stanowi iloczyn określonej toksyczności iwielkości dawkowania. Wpływ biologiczny jest zależny odzdolności cząstki do pokonania warstwy ochronnej ciałaczłowieka. Nadrzędnymi czynnikami są tutaj rozmiar cząstkii jej rozpuszczalność. Cząstki nierozpuszczalne są bardziejniebezpieczne niż cząstki rozpuszczalne w wodzie lub wtłuszczach [1, 2]. Cząstki sadzy i wiele cząstek tlenkówmetali są nierozpuszczalne.Znaczenie rozmiaru cząstki może być oszacowane napodstawie udziału osadzonych cząstek o danej średnicy wpęcherzykach płucnych (rys. 1 i [3 – 6]).Zgodnie z danymi przedstawionymi na rys. 1 widocznejest, że cząstki o wymiarze < 10 μm mogą docierać głębokow obszar płuc. Cząstki o wymiarach mniejszych niż 100 nm72 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Emission of metal-oxide particles from IC-enginesFig. 1. Deposition of inhaled particles in the alveoli [6]. The mean particlesizes are: Diesel soot about 100 nm; SI soot about 50 nm and metaloxides about 15 nmRys. 1. Osadzanie pobranych cząstek w płucach [6]. Średnie wymiarycząstek wynoszą: sadza w silniku ZS ok. 100 nm, sadza w silniku ZI ok.50 nm, a tlenki metali ok. 15 nmdosage should be weighted with this size influence.These small and insoluble metal-oxide particles penetratethe alveoli into the blood circulation. Subsequently, these arerapidly transported into the entire organism. Similar to thesoot particles, the metal-oxides can cross the blood-brainbarrier. These particles also cross the placenta into the fetus.The biological impact is being intensively researched andmany results published [4 – 16, 48 – 50].The known toxic effects are as follows.– Particles can cause serious local and lethal damage [7].– The smaller particles are more cytotoxic than larger particles[4, 9].– Particles can cause oxidative stress that is the precursor toinflammation [10].– Iron, Copper, Vanadium and Zinc particles [11, 12, 48, 49,50] and generally all transition metals, from the first rowof the periodic table, are critical. This is because of theirknown surface activity (which is indeed used in catalysts)[13].Moreover, these extremely fine and insoluble particlestransport other toxic substances. This is described as theTrojan Horse effect [14].Consequent to the above rapidly growing evidence, andother very intensive ongoing investigations, responsibleinstitutions recommend restricting body intruding metalemissions to an extreme minimum [15]. Oxide particles ofIron, Copper and Zinc, which are typical for emissions fromcombustion engines, may be 10 – 100 times more toxic thansoot particles [16, 50].Engineers working to curtail emissions must:– Discover which engines emit which metal oxides in whichtypical size and quantity.– Determine the engine processes that are critical sourcesof metal oxides.– Develop methods and equipment to minimize the consequenthealth hazards.mają duży udział w obszarze płuc, tym większy, im mniejszyjest ich rozmiar.Następuje również przenikanie składnika przez tkankę odpłuc do naczyń krwionośnych, co jest w znacznej mierze zależneod rozmiaru cząstki [4]. Dlatego dawkowanie cząstekpowinno być ściśle związane z rozmiarem cząstki.Powyższe, małe i nierozpuszczalne cząstki metal–tlenprzenikają do płuc i trafiają do obiegu krwi w układzie krwionośnym.W następstwie cząstki są transportowane po całymorganizmie. Podobnie jak cząstki sadzy, cząstki tlenkówmetali mogą przechodzić przez barierę krew–mózg. Cząstkite przechodzą również przez łożysko do płodu. Wpływbiologiczny powyższych cząstek jest badany intensywnie, auzyskane wyniki publikowane [4 – 16, 48 –50].Wśród znanych toksycznych efektów oddziaływaniacząstek można wymienić:– powodowanie poważnych uszkodzeń miejscowych ciałalub skutki śmiertelne [7],– cząstki o mniejszych rozmiarach są bardziej cytotoksyczneniż o większych rozmiarach [4, 9],– mogą powodować naprężenie tlenowe, które jest zwiastunemstanu zapalnego [10],– cząstki żelaza, miedzi, wanadu i cynku [11, 12, 48, 49,50] i wszystkie metale przejściowe zawarte w pierwszymrzędzie układu okresowego pierwiastków są pod tymwzględem bardzo istotne, z powodu ich aktywności powierzchniowej(która jest wykorzystywana w reaktorachkatalitycznych) [13].Ponadto niezwykle małe i nierozpuszczalne cząstki przenosząrównież inne toksyczne substancje, co jest opisane wliteraturze jako tzw. „efekt konia trojańskiego” [14].W wyniku szybkiego uzyskiwania danych potwierdzającychsłuszność powyższych stwierdzeń i w wynikuinnych intensywnie prowadzonych badań, instytucje odpowiedzialneza ludzkie zdrowie zalecają ograniczenie wchłanianychprzez organizm ludzki emisji metali do możliwienajmniejszej wartości [15]. Cząstki tlenków żelaza, miedzii cynku – typowe dla emisji z silników spalinowych, mogąbyć 10 – 100-krotnie bardziej toksyczne niż cząstki sadzy[16, 50].Wysiłki inżynierów zmierzające do zmniejszenia emisjimuszą koncentrować się wokół następujących zagadnień:– rozpoznanie, jakie silniki emitują dane tlenki metali, ojakich rozmiarach i w jakiej ilości,– wyznaczenie procesów silnikowych będących kluczowymiźródłami powstawania tlenków metali,– rozwój metod i urządzeń do minimalizacji skutków zagrożeńzdrowia.2. Emisja cząstek tlenków metali od zużyciaciernegoMateriał ulega zużyciu ściernemu pomiędzy pierścieniemtłoka a tuleją cylindrową, od wałka rozrządu i zaworów i włożyskach. Powyższe zjawiska występują we wszystkichsilnikach tłokowych i nie można im zapobiec, również wprzyszłych konstrukcjach silników. Metale, takie jak Fe,Cr, Ni i Co ulegają zużyciu ściernemu w wyniku tarciaCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)73

Emisja cząstek tlenków metali z silnika spalinowego2. Metal oxide particle emissions due to abrasionMaterial is abraded between piston ring and cylinderliner, from camshafts and valves, and in the bearings. Thesephenomena, occurr in all piston engines, and cannot beprevented, also not in the future designs. The metals Fe, Cr,Ni, Co are abraded due to friction between the piston-ringand cylinder-liner. Cu and Pb are abraded from the bearings.The piston/cylinder friction indeed releases the mostmaterial [17 – 21]. The publications [17] and [18] describethe processes in detail. The abrasion is not much dependenton the piston velocity. The bigger factor is the number ofstroke reversals, i.e. RPM dependent. This explains why SIengines, which usually run at higher RPM, abrade almosttwice as much metal than Diesel engines. This also explainsthe durability of Diesel engines.The mass of abraded metal is about 0.1 till 1 mg/km[19, 20]. It is mostly Iron and some Aluminum and Copper.Excessive abrasion occurs during lubrication deficit, i.e. atcold start. Above average abrasion is prevalent during shorttrips, e.g. urban stop-and-go driving.Comprehensive data is available for different enginetypes [26]. Those HDV tests compared Diesel engines (withand without particle filter) against CNG fueled SI engines.The Diesel engines, without particle filter, emitted about 0.5mg/km of abraded metals such as Fe and Cu. Several CNGSI engines emitted twice as much.A CARB investigation [24] reports total metal-oxideemissions of 0.5 till 1.5 mg/km from HDV in various drivingcycles.3. Metal oxide particle emissions from lube oiland fuel additivesMost industrialized nations, after intensive efforts, legislatedlimits for the Pb and Mn content of fuels for road traffic.However, many countries do not curb fuel additives for offroadengines. Also uncontrolled are light and medium heatingoils, and heavy oils fueling ships, etc. Inexplicably, nowhereis the metal content of vehicular lube oils controlled.Metallic additives have an important function in lube oils.Those additives diminish wear and constrain sulfur- inducedacidification. Mostly Zn and Ca compounds are used. The metalcontent of fresh lube oils on the market is found to be :Zinc 0.1 – 0.2%Calcium 0.5%Boron 0.09%Magnesium 0.002 – 0.004%After prolonged deployment, the lube oil also containsabraded Iron, Copper, Lead, Magnesium, Aluminum andNickel.Assume an extreme, but not unrealistic, oil-consumptionof 1% of the fuel-consumption: Then the estimated Znemission is about 1 mg/km. Moreover, Ca is emitted andall the abraded metals. Good new engines emit a tenth ofthat value.Investigations comparing Diesel and CNG engines [26]report Zn emissions of 0.2 mg/km from Diesel and 0.4mg/km from CNG.między pierścieniem tłokowym a tuleja cylindrową. Cu iPb pochodzą od łożysk. Tarcie w układzie tłok–cylinderrzeczywiście sprawia, iż następuje zużycie większości materiału[17 – 21]. Powyższe procesy opisano szczegółowow publikacjach [17] i [18]. Istotniejszym czynnikiem jestliczba suwów silnika, zależnych od prędkości obrotowej.Tłumaczy to, dlaczego silniki o zapłonie iskrowym, które zazwyczajpracują przy większych prędkościach obrotowych,mają prawie dwukrotnie większe zużycie ścierne metaliniż silniki o zapłonie samoczynnym. Wyjaśnia to równieżtrwałość silników o ZS.Masa zużytego ściernie metalu wynosi od 0,1 do 1mg/km [19, 20]. Głównie dotyczy to żelaza, aluminium orazmiedzi. Nadmiernie zużycie ścierne pojawia się podczasniedoboru oleju smarującego, tzn. podczas zimnego startusilnika. Powyższe nadmierne zużycie ścierne przeważapodczas krótkich podróży, np. jazdy w ruchu miejskim zczęstymi zatrzymaniami i uruchomieniami silnika.Wyczerpujące dane dotyczące zużycia ściernego materiałui emisji tak powstałych cząstek metali są dostępne dla różnychrodzajów silników, np. w [26]. Testy dla pojazdów typu HDVporównują silniki o zapłonie samoczynnym (mające filtr cząstekstałych i bez filtra) z silnikami o zapłonie iskrowym zasilanymiCNG. Silniki o zapłonie samoczynnym bez filtra cząstek stałychemitowały 0,5 mg/km zużytego ściernie metalu, takiego jak Fei Cu. Dla wybranych silników o zapłonie iskrowym zasilanychCNG emisja ta była dwukrotnie wyższa.Badania CARB [24] wskazują, iż emisja całkowita tlenkówmetali dla pojazdów HDV w różnych cyklach jezdnychwynosi od 0,5 do 1,5 mg/km.3. Emisja cząstek tlenków metali od olejusmarującego i dodatków paliwowychWiększość państw uprzemysłowionych, wskutek wieluwysiłków, objęło normą wartości graniczne dla zawartościPb i Mn w paliwie dla drogowego ruchu ulicznego. Jednakżewiele państw nie ogranicza ilości dodatków do paliwa dlasilników o zastosowaniach pozadrogowych. Podobnie niesą kontrolowane statki na lekko i średnio podgrzewany olej,olej ciężki itd. i nigdzie nie stosuje się kontroli zawartościmetali w olejach smarujących pojazdów.Dodatki metali mają zasadnicze znaczenie w olejachsmarujących: zmniejszają ich zużycie i hamują zakwaszanieod siarki. Głównie stosuje się dodatki Zn i Ca. Skład metaluw nowym oleju smarującym wynosi:cynk 0,1 – 0,2%wapń 0,5%bor 0,09%magnez 0,002 – 0,004%Po wydłużonym okresie użytkowania olej smarującyzawiera ponadto żelazo, miedź, grafit, magnez, aluminiumi nikiel (powstałe w wyniku zużycia ściernego).Zakładając ekstremalne, lecz możliwe zużycie olejustanowiące 1% zużycia paliwa, oszacowana emisja Zn możewynieść 1 mg/km. Ponadto występuje emisja Ca i wszystkichmetali z procesu zużycia ściernego. Nowoczesne silniki mająemisję 10% powyższej wartości.74 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Emission of metal-oxide particles from IC-enginesOne DI Diesel engine study [27] meticulously tracked themetal content of lubrication oil. The results show that mostof the metal oxides remain in the engine, e.g. 69% of the Zn.The Zn emission, depending on the operating point, was upto about 0.1 mg/km. The Ca emissions were fourfold.Substantial higher emissions come from small two-strokeengines. These are deployed in mopeds, motorbikes andequipment such as chain saws. These engines are lubricatedby adding > 2% of lube oil to the fuel. The specificfuel consumption is higher, too. Thus, the specific metalemissions are four times those from above discussed larger4-stroke-engines. Metal-free lube oils were investigated [37]for mixing with two-stroke fuel. The manufacturers predictcomparable performance for the non-metallic lubes. Withoutcompulsion, such lube oils are only deployed in specialsituations [40].Many emerging and developing countries unfortunatelytolerate metallic fuel additives. The resulting emissions ofash particles were recently investigated [31] on a gasolinepassenger car. The fuel additives were Mn, Fe and Pb inconcentrations up to 18 ppm. Very high metal-oxide emissionsof 2 × 10 8 /cc were measured for ultrafine particles ofabout 10 nm.This measurement is consistent with those resultingfrom FBC, which is often added to promote regenerationin DPF. Results are reported for DPF fitted ex-factory [42]and retrofitted [43, 44]. The measurements show a bimodalsize distribution with a marked peak at very small size whenthe fuel additive exceeds 20 mg metal per kg fuel. The peakdisappears for lower additive concentrations. Clearly, themetal oxide particles are deposited on larger soot particles(Fig. 2).4. Metal oxide particle emissions from coatings incatalytic converters and particle filtersTo achieve high catalytic effectiveness, the catalyst mustbe very finely distributed on the substrate. This enables aFig. 2. Particle size distribution when FBC (Fe) is dosed in differentconcentrations [45]. At high concentrations, there is a significant peakof free metal oxide emissions sized about 20 nm. At lower (nowadaysrealistic) concentrations, the metal oxide particles are “stealth” riding onthe soot particleRys. 2. Rozkład wymiaru cząstki przy różnym dozowaniu FBC (Fe) [45].Dla dużych stężeń występuje duża wartość maksymalna emisji swobodnychtlenków metali o wymiarze ok. 20 nm. Dla mniejszych stężeńcząstki tlenków metali osadzają się na cząstce sadzyBadania porównawcze silników o zapłonie samoczynnymi silników zasilanych CNG [26] wskazują, że emisjaZn wynosi 0,2 mg/km dla silników o ZS oraz 0,4 mg/km dlasilników zasilanych CNG.Badania silników o ZS typu DI opisane w [27] umożliwiłyszczegółowe wyznaczenie składu metali w olejusmarującym. Wyniki badań wskazują, iż większość tlenkówmetali pozostaje w silniku, np. 69% Zn. Emisja Zn, zależnieod punktu pracy silnika, wyniosła do 0,1 mg/km. Emisja Cabyła 4-krotnie większa.Większa emisja pochodzi od niewielkich silników 2-suwowych.Dotyczy to mopedów, motorowerów i urządzeńtakich, jak piły łańcuchowe. Silniki powyższe są smarowanew wyniku dodania > 2% oleju smarującego do paliwa. Jednostkowezużycie paliwa jest również większe. W ten sposóbemisja danego metalu jest 4-krotnie większa niż dla powyżejrozważanych większych silników 4-suwowych. Badano olejesmarujące bez dodatków metali [37], mieszane z paliwemstosowanym w silnikach dwusuwowych. Producenci przewidująosiągi dla olejów bez dodatków metali porównywalnedo uzyskanych przy olejach zawierajacych dodatki.Oleje smarujące niemające dodatków są używane jedyniew specjalnych sytuacjach, których warunki opisanow [40].Wiele dopiero rozwijających się państw, niestety, tolerujestosowanie dodatków metali w paliwie. W ostatnimczasie badano emisję cząstek popiołów [31] w silnikach ozapłonie iskrowym samochodów osobowych. Dodatkami dopaliwa były Mn, Fe i Pb o stężeniu do 18 ppm. Bardzo dużąemisję tlenków metali 2 × 10 8 cm –3 odnotowano dla cząsteko niewielkich rozmiarach osiągających 10 nm. Pomiar tenjest zgodny z wynikami uzyskanymi dla FBC, który jestczęsto dodawany celem wspomagania procesu regeneracjiw filtrach cząstek stałych. Wyniki dotyczą filtrów cząstekstałych fabrycznych i zmodyfikowanych konstrukcyjnie[43, 44]. Pomiary ukazują bimodalny rozkład wymiarowy zzaznaczoną wartością maksymalną emisji dla bardzo małegorozmiaru cząstki, gdy dodatek paliwa przekracza wartość20 mg/kg paliwa. Dla mniejszych stężeń dodatku powyższawartość nie występuje. Źródła tego należy upatrywać wtym, iż cząstki tlenków metali są osadzone na większychcząstkach sadzy (rys. 2).4. Emisja cząstek tlenków metali z warstwreaktorów katalitycznych i filtrów cząstekstałychW celu osiągnięcia wysokiej sprawności katalitycznej,katalizator musi być bardzo drobno rozprowadzony na podłożu.Działanie takie umożliwia uzyskanie znacznej liczbyaktywnych ośrodków i opóźnienie starzenia reaktora. Jeżeliwiązanie krystaliczne słabnie, wówczas są emitowane bardzoniewielkie cząstki. Badanie tego zjawiska przeprowadzonew 1977 r. na granulowanym reaktorze katalitycznym [29]ujawniło niezwykłe wyniki: około 0,02 mg Pt na 1 km,tzn. około 2 – 5 g metalu szlachetnego utracono w okresieeksploatacji samochodu osobowego. Ekolodzy przerazilisię i zaczęli analizować zawartość Pt w roślinności w pasieCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)75

Emisja cząstek tlenków metali z silnika spalinowegolarge number of active centers, and retards aging. If thecrystalline binding weakens, then ultrafine particles areemitted. An early 1977 investigation of this phenomenon, ina pellet catalytic converter [29] revealed a shocking result:about 0.02 mg Pt was emitted per km, i.e. about 2 – 5 g ofprecious metal lost during the life of a passenger car. Theenvironmentalists were appalled and began analyzing the Ptcontent in roadside vegetation – up to 20 μg Pt was detectedper kg soil. Detailed investigation of a typical modern 3-waycatalytic converter [30] on ceramic monolithic substrate,however showed an average Pt emission of “only” 100ng/km. This is less than 1% of the 1977 measurements butnevertheless not negligible. Higher emissions can occurfor other metals, depending on the coating technology. Forexample, Vanadium is deployed very close to its thermalmobility threshold. Such emissions must be restricted.5. Number and size distribution of metal oxideparticles in exhaustThe general assumption is that mechanical destructionof materials results in a particle size > 1 μm. Most of theparticles observed in the exhaust-gas are much smaller. Themean measured distribution is in the range 10 – 20 nm. Thiscan only occur through nucleation from the gas phase [22].That study reported the mean value of 19.3 nm from the lognormaldistribution of iron-oxide particles originating fromthe vapor phase. Hence the conclusion, which Israël alreadypublished [21], that the metal particles partially vaporizedand nucleated from this vapor phase.There are 2 hypotheses for this phenomenon. Firstly, theso-called thermal explosion that Grigull [23] described. Theheat released during abrasion is postulated to locally meltthe metal. However, this hypothesis does not fully explainthe vaporization. The second hypothesis is combustion.Abraded particles could be blown back into lube oil andtransported into the combustion zone. The abraded particlesthen vaporize, during combustion of the oil droplets,and subsequently renucleate. More easily explained is theformation of such small particles from the additives to lubeoil and fuel. These additives are metal organic compoundsand access the combustion zone.Several studies [24, 25, 31] report that these metal emissionsin the exhaust-gas mainly occur in the size range 10– 20 nm. Also published [24] are particle counts of 10 6 /cc (Zn,Ca) and 10 5 /cc (Fe). When metallic additives are used [31],the particle count increased to 10 8 /cc. Assuming density of 4g/cc, the mass of a 20 nm metal oxide particle is 4 × 10 –17g. For a 10 6 /cc emitting Diesel engine, at medium load, thiscorresponds to about 5 × 10 12 /km, which is a total metalemission mass of about 0.2 mg/km.The combustion generated metal oxide particles candeposit on soot particles. If there are only few soot particles,then the metal-oxide particles appear as unattached aerosolcomponents in the exhaust-gas. Attached metal oxide particlesare not detectable in the size distribution. Unattachedmetal-oxide particles manifest as a distinct bimodal distribution.The metal-oxide particles peak at about 10 – 20 nm, asprzydrożnym – wykryto aż do 20 μg Pt na 1 kg masy gruntu.Jednakże szczegółowe badania typowego nowoczesnegotrójfunkcyjnego reaktora katalitycznego [30] na monolitycznympodłożu ceramicznym pokazały, iż średnia emisjaPt wyniosła jedynie 100 ng/km. Wartość ta jest mniejsza niż1% wartości z badań w 1977 r., lecz mimo to jest wartościąistotną. Większa emisja może być udziałem innych metali,zależnie od technologii wykonania podłoża reaktora. Dlaprzykładu, wanad jest rozlokowany bardzo blisko swojejgranicy zmienności cieplnej. Taka emisja musi być ograniczona.5. Rozkład liczbowy i wymiarowy cząstek tlenkówmetali w spalinachZakłada się, iż uszkodzenie mechaniczne materiału powodujepowstanie w spalinach cząstek tlenków o rozmiarach> 1 μm. Większość cząstek obserwowanych w spalinach maznacznie mniejsze rozmiary.Średni zmierzony rozkład cząstek wynosi 10 – 20 nm.Może to pojawić się jedynie w wyniku zarodkowania od fazygazowej [22]. W przeprowadzonych badaniach określono,że średnia wartość rozmiaru dla logarytmiczno-normalnegorozkładu cząstek żelazowo-tlenkowych powstałych z fazygazowej wyniosła 19,3 nm. Można dzięki temu dojść downiosku [21], że cząstki metali uległy częściowo odparowaniui procesowi zarodkowania od podanej fazy gazowej.Istnieją dwie hipotezy powyższego zjawiska. Pierwsząz nich, nazwaną „wybuchem cieplnym”, opisał Grigull wpracy [23]. Ciepło wydzielone podczas procesu zużyciaściernego lokalnie stapia metal. Jednakże powyższa hipotezanie wyjaśnia całkowicie parowania. Druga z hipotezdotyczy spalania. Cząstki powstałe przez zużycie ściernemogły być z powrotem wdmuchiwane do oleju smarującegoi przenoszone w obszar spalania. Wówczas cząstki te ulegająodparowaniu podczas spalania kropel oleju smarującego, anastępnie ponownemu zarodkowaniu.Prostszym wyjaśnieniem występowania powyższegozjawiska jest formowanie małych cząstek z dodatkówstosowanych w oleju smarującym i paliwie. Dodatki tesą organicznymi związkami metali i docierają do obszaruspalania.Przeprowadzone analizy zawarte w pracach [24, 25, 31]wskazują, że rozważana emisja metali w spalinach główniewystępuje dla zakresu wymiarowego 10 – 20 nm. Uzyskanaz badań i przedstawiona w [24] liczba cząstek wyniosła 10 6cm –3 dla Zn i Ca oraz 10 5 cm –3 dla Fe. Gdy zastosowanododatki metali [31], liczba cząstek wzrosła do 10 8 cm –3 . Przyzałożeniu, że wartość gęstości wynosi 4 g/cm 3 , masa cząstektlenków metali o rozmiarze 20 nm wynosi 4 × 10 –17 g. Dlasilnika o ZS pracującego w zakresie średnich obciążeń, liczbacząstek wyniosła 10 6 cm –3 , co odpowiada liczbie 5 × 10 12 km –1 ,czyli całkowitej emisji metali ok. 0,2 mg/km.Cząstki tlenków metali generowane w procesie spalaniamogą osiadać na cząstkach sadzy. Jeżeli jest jedynie kilkacząstek sadzy, wówczas cząstki tlenków metali pojawiają sięjako niepołączone składniki aerozolu w spalinach. Osadzonecząstki tlenków metali nie są wykrywane w analizie rozkładu76 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Emission of metal-oxide particles from IC-enginesshown in Fig. 2 for fuel additives. But not all metal-oxideparticles are in this peak of unattached aerosol components.Some of the metal-oxide particles are in other size classesand deposited on soot particles. A quantitative analysis thusrequires investigating the composition of all size classes.Respiratory air at heavy traffic locations [29] contains,in the particle fraction under 180 nm (PM0.18), mainly thefollowing metal constituents due to engine emissions:Ca 2.77%Al 1.24%Fe 0.92%Cu 0.12%The ultrafine particles are about 5%. It confirms thedetermined 3% number measured on HDV [24].The publications cited here report remarkably consistentresults. Diesel engines emit metal-oxide particles of 0.1 mg/km (LDV) till 1 mg/km (HDV). SI engines emit the double.These particles are emitted in the mobility size of 10 – 20nm, i.e. in the deposition-maximum of the alveoli. The metaloxideparticles are mostly insoluble and therefore persistent.Moreover, these transition metals are surface active. Thus,these fulfil all criteria of a very toxic air pollutant. Are thesemetal oxide particles the actual toxic substance of engineemitted particles? This aspect must be precisely investigatedto develop appropriate technology and optimize the emissionafter-treatment.The above comments are derived from a literature survey.The specified methods in the VERT test procedure are describedbelow. Some additional results are presented, too.6. Size-spezific metal analysis for particle fitlersystems in the VERT test procedureThe testing of particle filters is according to their suitabilityfor filtering alveoli intruding solid particles. The VERTtests were developed 1993–1998 based on the principlesof occupational health. From 1998 onwards, the tests areroutinely used for testing and approval of particle filters inSwitzerland. The VERT tests are also used for workplacecertification in Germany and Austria. The VERT tests arecodified in the Swiss standard SNR 277205 [34]. The VERTinstrumentation and procedures are the forerunner of thePMP procedure. PMP is the basis for new European emissionlegislation [46]. VERT also tests many other criteria [32].Those include secondary emissions [33] and the size specificemissions of metal oxide particles [35, 36].The ISO 8178/4 C1 driving cycle is used to analyze secondaryemissions and metal oxide emissions (Fig. 3).The cycle is driven twice as legally prescribed in thespecified sequence. The total operating time is 200 minutes.This long time is necessary to collect sufficient material forthe trace analysis. There is no pause between the individualoperating points. Instead, the transition is regarded as realistictransient element in the analysis. The temperaturesare in a band, which facilitates the formation of secondaryemissions, and also the de-novo synthesis of dioxins. Athigh loads, regeneration of the particle filter occurs. Thus,the pertinent phenomena are captured, too.wymiarowego. Niepołączone cząstki tlenków metali uzewnętrzniająwyraźny rozkład bimodalny. Impulsowy wzrostwartości maksymalnej cząstek tlenków metali jako dodatkówdo paliwa odnotowano dla wymiaru 10 – 20 nm, co pokazanona rys. 2. Nie wszystkie jednak cząstki tlenków metalisą zawarte w powyższym wzroście wartości maksymalnejnieosadzonych związków aerozolu. Niektóre z cząstektlenków metali mają inne klasy wymiarowe i są osadzonena cząstkach sadzy. Analiza ilościowa wymaga więc badaniaskładu cząstek wszystkich klas wymiarowych.Powietrze z otoczenia dla trudnych warunków ruchu[29] zawiera, dla frakcji cząstki poniżej 180 nm (PM 0,18),głównie następujące cząstki metali w emisji silnikowej:Ca 2,77%Al 1,24%Fe 0,92%Cu 0,12%Cząstki o bardzo małych wymiarach stanowią 5% udziałuemisji. Potwierdza to wyznaczoną wartość 3% uzyskaną wpomiarach pojazdów typu HDV [24].Cytowane powyżej źródła literaturowe wskazują na bardzozgodne uzyskiwane wyniki badań. Silniki o ZS emitującząstki tlenków metali na poziomie 0,1 mg/km dla pojazdówLDV, do 1 mg/km dla pojazdów HDV. Silniki o ZI emitujądwa razy większą ilość tych cząstek. Rozkład wymiarowyemisji cząstek tlenków metali wynosi 10 – 20 nm, co odpowiadamaksymalnemu osadzaniu cząstek w płucach.Cząstki tlenków metali są przede wszystkim nierozpuszczalnei trwałe. Ponadto rozważane metale przejściowe są aktywnepowierzchniowo. W konsekwencji spełniają wszystkiekryteria bardzo toksycznych związków zanieczyszczającychpowietrze. Czy wspomniane cząstki tlenków metali są istotnietoksycznymi substancjami cząstek emitowanych przezsilnik? Aspekt ten musi być szczegółowo zbadany w celurozwoju odpowiedniej technologii i optymalizacji pozasilnikowychmetod obniżenia emisji.Powyższe rozważania pochodzą z badań opisanych wliteraturze. Określone metody w procedurze badawczejVERT opisano poniżej. Zaprezentowano ponadto wybranedodatkowe wyniki badań.6. Analiza wymiarowa wybranych metali dlasystemów filtrów cząstek stałychw procedurach testu VERTBadanie filtrów cząstek stałych jest dokonywane zgodniez ich przydatnością dla procesu filtrowania stałych cząstekzdolnych do przenikania do pęcherzyków płucnych. Testybadawcze VERT rozwijano w latach 1993–1998, opierającsię na zasadach zdrowia zawodowego. Od roku 1998 powyższetesty stosuje się zwyczajowo do badania filtrów cząstekstałych na terenie Szwajcarii. Testy VERT są również stosowanew Niemczech i Austrii do certyfikacji miejsca pracy.Testy VERT są skodyfikowane w szwajcarskiej normie SNR277205 [34]. Oprzyrządowanie i procedury testów VERT sąprekursorem procedury PMP. Powyższy program pomiarucząstek stałych jest podstawą nowych europejskich normemisji [46]. VEST uwzględnia również inne kryteria [32]:COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)77

Emisja cząstek tlenków metali z silnika spalinowegoFig. 3. ISO 8178/4 C1 driving cycle. Used to VERT test particle filtersystems for secondary emissions and metal oxide emissionsRys. 3. Cykl jezdny ISO 8178/4 C1 zastosowany w badaniach systemówfiltrów cząstek stałych wg testu VERT dla emisji wtórnej i tlenkówmetaliThe samples, during the entire test time, are extractedflow-proportional, as illustrated in Fig. 5. Undiluted samplingto determine the trace elements. CVS dilution as usual forthe standard gas and VOC analysis. Partial flow dilution,using an AVL Smart-Sampler for the granulometry and thesize-specific metal analysis.For the metal analysis, the exhaust-gas is diluted about1:10. Then the ELPI impactor partitions it into 13 sizeclasses in the range of < 30 nm till 10 μm. The analysis ofthe impactor films is done according to the ICPMS proceduredescribed below.Metal analysis methodologyThe ultra-trace determination of metals requires a strictoptimization of the entire sampling procedure, sample preparationand analysis. Sampling mistakes can yield misleadingresults [36].Fig. 5. Sampling schematicRys. 5. Schemat układu poboru spalinFig. 4. Is a schematic of the test rig. It shows the arrangement for the gasmeasurement and the granulometry. Also shown is particle sampling tothe Electrical Low Pressure Impactor ELPI for the size specific analysisRys. 4. Schemat stanowiska badawczego; przedstawiono rozmieszczenieukładów do pomiaru gazowych składników i analizy wymiarowej orazpróbkowanie cząstek do systemu ELPI dla wybranej analizy wymiarowejemisję wtórną [33] i określone emisje z udziałem analizywymiarowej cząstek tlenków metali [35, 36].Cykl badawczy ISO 8178/4 C1 jest stosowany do analizyemisji wtórnej i tlenków metali (rys. 3). Cykl jest przeprowadzanydwukrotnie w określonej kolejności, zgodnie zwymaganiem prawnym. Całkowity czas pracy wynosi 200minut. Tak długi okres jest niezbędny do zebrania odpowiedniegomateriału badawczego do analizy śladowej. Nie maprzerwy między odpowiednimi punktami pracy, natomiastwymagana jest zmiana warunków pracy, jako rzeczywistyniestacjonarny element w analizie. Temperatury mieszcząsię w przedziale, który umożliwia tworzenie emisji wtórnej isyntezy de-novo dioksyn. Dla większych obciążeń występujeregeneracja filtra cząstek stałych.Na rysunku 4 przedstawiono schemat stanowiska badawczegozastosowanego do oceny wymiarowej wybranychmetali dla systemów filtrów cząstek stałych w procedurachtestu VERT.Próbki badawcze, podczas całego okresu trwania testu,są pobierane proporcjonalnie do przepływu, co zilustrowanona rys. 5. Próbkowanie bez rozcieńczenia umożliwiaokreślenie składników śladowych. Zastosowano systemrozcieńczania CVS używany do oceny standardowego gazu ianalizę VOC. Dodatkowo występuje rozcieńczanie częściowoprzepływowe, z zastosowaniem układu pomiarowegoAVL Smart-Sampler do oceny granulometrycznej i analizywymiarowej metali.Do analizy metali rozcieńcza się spaliny w proporcji1:10. Następnie impaktor ELPI dzieli cząstki na 13 klas78 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Emission of metal-oxide particles from IC-enginesSample preparation and analysisAll samples are digested with acid mixtures in a microwaveoven. The vessels used for the digestion should be carefullycleaned before use to achieve best detection limits.All cleaning digestions must be verified using ICPMS(inductively coupled plasma mass spectrometry) to ensurethat the contamination level is low enough. Only ultra-cleanvessels should be used.Depending on the filter material and the analyte, samplingfilters are digested by the following acid mixtures ina microwave oven:– Nitric acid HNO 3– A mixture of nitric acid HNO 3and hydrogen peroxideH 2O 2– A mixture of nitric acid, hydrochloric acid HCl and hydrogenperoxide H 2O 2The resulting solutions are analyzed with ICPMS. Dependingon the analyte, a quadruple ICPMS (ELAN 6000,Perkin Elmer/Sciex) or a high resolution ICPMS (ELEMENT2, Thermofinnigan) is used.Reliable results can only be achieved if the detection limitof the entire procedure, including sampling, sample preparationand analysis are determined. Therefore, blanks of freshfilter material and field-blanks (processed as similarly aspossible to sampling filters in the field) should be sampled,digested and determined.Contamination risk and memory effects are not negligibleespecially for ubiquitous metals. Usually the metaldetermination is more limited by the sampling procedureand sampling preparation than by detection limits of theanalytical method [36]. Test engines, fuel and lubricationoil are shown in Table 1-3.7. Results of the size specific metal–analysis ACCording to VERTShown first are the SMPS particle size distribution fortwo representative cases with and without particle filter. ThePMP procedure was used to sample before size classificationand particle counting. The PMP comprises heating theexhaust-gas to 300 °C, then 1:100 dilution, so that all volatileparticles (droplets) are vaporized and only solid particlesmeasured. The test is done at 8 operating points and hence 8SMPS spectra are shown for each test case. At least 3 scansare done for each spectrum. Point 8 represents low idling.Figure 6a and 6b are results from a catalytically coatedparticle filter system. Its ceramic wall-flow filter substrateis Fe coated to accelerate regeneration from deposited soot.Hence, the Fe emissions were analyzed.Remarkably (Fig. 6a), at 7 of the 8 operating points, theparticle size distribution is uniform, independent of RPMand load. Only the idling point has a different distribution.Meanwhile, more than 20 particle filter systems were testedfor secondary emissions. All show the same pattern: at theidling point, there is excess air and thus relatively low concentrationof the soot particles in the exhaust-gas volume.The typical soot peak at 100 nm is almost imperceptible atthis scale.wymiarowych w zakresie od < 30 nm do 10 μm. Analizapowłok impaktora jest realizowana zgodnie z procedurąICPMS, którą opisano poniżej.Metodologia analizy metaliOkreślenie ultramałych śladów metali wymaga ścisłejoptymalizacji całej procedury poboru próbki do analizy,przygotowania próbki i jej analizy. Błędy próbkowania mogąskutkować uzyskaniem niewłaściwych wyników [36].Przykładowe przygotowanie i analizaWszystkie próbki są roztwarzane mieszankami kwasowymiw piecu mikrofalowym. Naczynia do ekstrahowaniapowinny być przed użyciem dokładnie oczyszczone, celemuzyskania najlepszych wartości granicznych wykryciasladów metali. Wszystkie czyste roztwarzania muszą byćzweryfikowane z zastosowaniem ICPMS (spektroskopii masowejz zastosowaniem sprzężonej plazmy), aby zapewnićniewielki poziom zanieczyszczenia. Powinny być zastosowanedo tego celu jedynie ultraczyste naczynia.Zależnie od materiału filtra i analitu, filtry próbkującesą ekstrahowane w piecu mikrofalowym z zastosowaniemnastępujących mieszanek kwasów:– kwasu azotowego HNO 3– mieszanki kwasu azotowego HNO 3i nadtlenka wodoruH 2O 2– mieszanki kwasu azotowego, kwasu solnego HCl i nadtlenkuwodoru H 2O 2Wynikowe rozwiązania są poddane analizie z zastosowaniemICPMS. Zależnie od analitu, stosuje się poczwórneICPMS (ELAN 6000, Perkin Elmer/Sciex) lub ICPMS owysokiej rozdzielczości (ELEMENT 2, Thermofinnigan).Wiarygodne wyniki mogą być osiągnięte jedynie wtedy,gdy wyznaczona będzie granica dla całej procedurypomiarowej, włącznie z próbkowaniem, przygotowaniempróbki i analizą. Dlatego materiały wyjściowe nowego filtrai materiały powierzchniowo czyste (poddane przetwarzaniuw sposób najbardziej zbliżony do analizowanych filtrów),Manufacturer/producentTable 1. Test engineTabela 1. Silnik badawczyLiebherrType/rodzaj D934S D914TCylinder volume/objętośćcylindraRated velocity [rpm]/prędkośćznamionowa [obr/min]Rated power/znamionowamoc użytecznaModel/modelCombustion process/processpalaniaInjection pump/pompawtryskowaSupercharging/doładowanieEmission control/kontrolaemisji6.36 dm 3 6.11 dm 31800 2000105 kW 110 kW4 cylinder in-line/4 cylindry, rzędowyDirect injection/wtrysk bezpośredniBosch unit pump/BoschTC/IC/turbodoł./ICTC/turbodoładowanieEGR –Desinged/rok produkcji 2005 1995COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)79

Emisja cząstek tlenków metali z silnika spalinowegoTable 2. Fuel: SN 181160-1:2005 Class DTabela 2. Paliwo: SN 181160-1:2005 klasa DDensity (at 40 °C)/gęstośćViscosity (at 20 °C)/ lepkość0.820 – 0.845 g/ml2.0 – 3.2 mm2/sFlame point: min/punkt zapłonu: min 62 °CCloud point:max/punkt zmętnienia: max –10 °CFiltering limit/granica filtrowania CFPP max. –20 °CCoke residue/pozostałość koksowaniaAsh/popiołySulfur/siarkamax. 0.02 g/100gvestigial/śladowemax. 0.0010 g/100gCetane number/liczba cetanowa min. 52 – 54Boiling analysis/analiza wrzeniaCalorific value (lower)/wartość opałowa(niższa)Table 3. Lubricant: 15W/40Tabela 3. Olej smarujący 15W/40min. 98% obj.min. 42.5 MJ/kgProperty/właściwość – –Viscosity kin. 40 °C /lepkość kinematyczna – mm 2 /sViscosity kin 100 °C/ lepkość kinematyczna 13.98 mm 2 /sViscosity index/indeks lepkości – ( –)Density 20 °C/gęstość dla 20°C – kg/m 3Pourpoint/temperatura płynności –25 °CFlamepoint/punkt zapłonu – °CTBN 8.4 mg KOH/gSulfur ashes/popioły siarkowe 10 770 mg/kgSulfur/siarka 3 360 mg/kgMg < 10 mg/kgZn 1 200 mg/kgCa 2 630 mg/kgP 1 110 mg/kgHowever, an incredibly high peak occurs for very smallparticles in the size range 10 – 20 nm. These are solid particles,which are not soot particles, and can only be ash particles. Probably,the lube oil consumption is high at the idling point. Thisbecause the blow-by gas flow, which pushes back the lubricationfilm, is much weaker. More lube oil and thus more metalsinfiltrate into the combustion and consequently into the emissionspectrum. At idling, these very fine metal-oxide particles findfew soot particles to ride on. The metal-oxide particles remainunattached and are observed as a high concentration. Manymetal-oxide particles are also prevalent at other operating points.Deposited on larger soot particles, the metal-oxide particlesremain undetected until composition is analyzed.Figure 6b is the data after the particle filter. Apparently,the filtration efficiency is almost independent of the particlesize. The entire spectrum is suppressed about 3 ordersof magnitude. Surprisingly, the peak at the idling pointalmost completely disappears. Diffusion dominated filtersintercepts smaller particles even more efficiently than 100nm particles.Figure 7 illustrates the filtration characteristic using theparameter Penetration = 1 – filtration efficiency.powinny być poddane procesowi próbkowania, roztwarzaniai analizy.Ryzyko zanieczyszczenia i występowania efektówpamięci ma duże znaczenie, zwłaszcza dla powszechniespotykanych metali. Zazwyczaj wyznaczenie metalu jestograniczone bardziej procedurą próbkowania i przygotowaniapróbki niż granicami wykrycia metody analitycznej [36].Silniki badawcze, paliwo i olej smarujący przedstawiono wtablicach 1-3.7. Wyniki analizy wymiarowej wybranych metalizgodnie z testem VERTPierwsze przedstawione wyniki dotyczą rozkładu wymiarowegocząstki z zastosowaniem SMPC, dla dwóchreprezentatywnych przypadków: z filtrem cząstek stałychi bez filtra. Procedurę PMP zastosowano do próbkowaniarealizowanego przed klasyfikacją wymiarową i pomiaremilości cząstek. Procedura PMP obejmuje ogrzewanie spalindo temperatury 300 °C, następnie rozcieńczenie w proporcji1:100, tak że wszystkie lotne cząstki (krople) ulegają odparowaniu,dzięki czemu mierzone są tylko stałe cząstki. Testjest przeprowadzany w 8 punktach pracy, dla których tworzonychjest 8 charakterystyk częstotliwościowych SMPC(uwzględniają każdy przypadek badawczy). Tworzone sąprzynajmniej 3 obrazy dla każdej charakterystyki. Punkt 8pracy odpowiada biegowi luzem dla niewielkich prędkościobrotowych.Na rysunkach 6a i 6b przedstawiono wyniki z układu filtracząstek z podłożem katalitycznym. Składnikiem ścianekfiltra ceramicznego jest Fe, celem przyspieszenia procesuregeneracji układu z osadzonych cząstek sadzy. Dodatkowoanalizowano emisję Fe. Znacząco (rys. 6a) dla 7 i 8 punktupomiarowego rozkład wymiarowy cząstek jest jednorodny,niezależny od prędkości obrotowej i obciążenia. Jedynie dlabiegu jałowego występuje inny rozkład. Badaniom emisjiwtórnej poddano więcej niż 20 układów filtra cząstek stałych.Wszystkie prezentują te same wyniki: w zakresie biegu jałowegowystępuje nadmiar powietrza i w konsekwencji cząsteksadzy w objętości spalin. Typowa wartość maksymalna ilościsadzy dla rozmiaru 100 nm jest prawie niezauważalna wtej skali. Jednak duża wartość maksymalna pojawia się dlabardzo małych cząstek o wymiarach w przedziale 10 – 20nm. Cząstkami tymi są cząstki stałe nie- będące cząstkamisadzy, a tylko cząstkami popiołów. Najprawdopodobniejzużycie oleju smarującego osiąga dużą wartość dla biegujałowego. Wynika to z przepływu gazu od przewietrzaniaskrzyni korbowej, który kieruje z powrotem film olejowy.Większa ilość oleju smarującego i w konsekwencji metaliprzedostaje się do komory spalania, dając większą wartośćemisji na charakterystyce widmowej. Dla biegu jałowegopowyższe małe cząstki tlenków metali odnajdują niewielkąliczbę cząstek sadzy, na których osiadają. Cząstki tlenkówmetali pozostają niepołączone i są obserwowane w postacidużej koncentracji. Wiele cząstek tlenków metali występujerównież dla innych punktów pracy. Osadzone na większychcząstkach sadzy, cząstki tlenków metali pozostają niewykrytedo czasu, gdy nie będzie oceniony ich skład.80 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Emission of metal-oxide particles from IC-enginesFig. 6a. Fe coated particle filter. Measured before the particle filter.Engine is Liebherr 924Rys. 6a. Filtr cząstek stałych pokryty Fe. Pomiar przed filtrem cząstekstałych. Silnik Liebherr 924These filtration characteristics facilitate interesting interpretations.The filtration characteristic, at high load and highspace-velocity, is almost flat. Effective filtration occurs bothin the diffusion range and also in the impaction range. Thespace velocity is much lower at the low idling point. The filtrationcurve then steepens. The conditions favor interceptionof the very small particles through diffusion. And impactionis less effective because of low space-velocity.This investigation did not indicate that the coating shedsIron particles.Figure 8a shows data from an older engine, Liebherr914, which clearly emits more particles. The engine is fittedwith a very efficient filter. A Ferrocen based fuel additive isused. The catalyst is oxidized to Fe 2O 3during combustion.The deployed FBC concentration in application is < 20 ppm.The tests were done at the higher Fe concentration of 40 ppmin the fuel to emphasize the effects. The FBC is dosed atconstant concentration to the fuel. Thus, at high load points,many metal-oxide particles are released. Least FBC is dosedat idling. Nevertheless, here too a very high peak is observedin the range 10 – 20 nm. These are partially the additiveparticles and partially the increasing ash particles.Additive promoted regeneration is more effective thancoatings [42]. This despite the higher FBC reaction temperatureof 320 °C compared to 240 °C for Pt coated and NO 2induced regeneration. But FBC promotes oxygen inducedregeneration. That is faster, more exothermic and thoroughlyCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)Fig. 6b. Fe coated particle filter. Measured after the particle filter.Engine is Liebherr 924Rys. 6b. Filtr cząstek stałych pokryty Fe. Pomiar za filtrem cząstekstałych. Silnik Liebherr 924Na rysunku 6a przedstawiono dane uzyskane za filtremcząstek stałych. Widać, iż sprawność procesu filtracji jestprawie niezależna od rozmiaru cząstki. Całe widmo jest ograniczonedo 3 rzędów wielkości. Zadziwiające jest, iż wartośćmaksymalna dla biegu jałowego prawie zanika. Proces dyfuzjizdominował przejęcie przez filtry mniejszych cząsteknawet bardziej niż dla cząstek o rozmiarze 100 nm.Na rysunku 7 przedstawiono wykresy filtracji z zastosowaniemparametru: przenikanie = 1 – sprawność filtracji.Powyższe wykresy filtracji umożliwiają dokonanie interesującychinterpretacji. Wykresy filtracji w zakresie dużegoobciążenia i dużej prędkości obszarowej mają prawie płaskiprzebieg. Efektywny proces filtracji występuje zarówno wobszarze dyfuzji, jak i impakcji. Prędkość obszarowa jestznacznie mniejsza w zakresie biegu jałowego. Następniekrzywa filtracji wznosi się stromo. Warunki sprzyjają przechwytywaniubardzo małych cząstek przez dyfuzję. Impakcjanatomiast jest mniej efektywna z powodu małej prędkościobszarowej.Powyższe badanie nie wykazało, że powłoka traci cząstkiżelaza.Na rysunku 8a zaprezentowano dane dla starszej konstrukcjisilnika Liebherr 914, który emituje więcej cząstek.Silnik wyposażono w filtr o dużej sprawności. Zastosowanododatek paliwa oparty na ferrocenie. Katalizatorjest utleniany podczas spalania do Fe 2O 3. Rozmieszczo-81

Emisja cząstek tlenków metali z silnika spalinowegoFig. 7. Penetration at the 8 operating points of the Fe- coated filter, calculated from Fig. 6a and 6bRys. 7. Przenikanie w 8 punktach pomiarowych dla filtra pokrytego Fe, obliczone na podstawie rys. 6a i 6bcleans the filter. Fe additives are independent of the fuel’ssulfur content and do not release NO 2. Additives intrinsicallydo not age. Moreover, variable dosage facilitates elegantadaptation to practical requirements.The disadvantages of additives are ash clogging the filterand the risk of metal-oxide particle emissions. VERT thereforerequires the filter to substantially intercept the emission of additiveparticles. When a Fe additive is used, the Fe emissionsmust be less than the raw Fe emission of the engine.Figure 8b shows the size distribution after the particlefilter. The concentration numbers 10 3 – 10 4 are almost equivalentto ambient air. The instrumentation is at the detectionlimit and hence the scatter. The filter diminishes emissionsna koncentracja FBC wpraktyce jest < 20 ppm.Badania przeprowadzonodla większych stężeńFe w paliwie równych40 ppm, celem położenianacisku na wyniki. FBCjest dozowane do paliwaprzy stałym jego udziale.Oznacza to, iż dlapunktów pracy w zakresiewysokich obciążeńuwalnianych jest wielecząstek tlenków metali.Najmniejsza ilość FBCjest dozowana dla bieguluzem. Mimo tego tutajrównież bardzo dużywzrost wartości maksymalnejjest obserwowanyw zakresie 10 – 20 nm.Powyższe cząstki stanowiącząstki dodatku iczęściowo wzrastającąilość cząstek popiołów.Dodatek wspomagającyregenerację jestbardziej efektywny niżpodłoża [42]. Powodujeto, pomimo wyższejtemperatury reakcji FBCrównej 320 °C w porównaniudo 240 °C dlapodłoża Pt i NO 2, wymuszenieregeneracji. FBCwspomaga wymuszonątlenem regenerację.Proces ten jest szybszy,bardziej egzotermicznyi powoduje gruntowneoczyszczenie filtra.Dodatki Fe są niezależneod zawartości siarkiw paliwie i nie zmniejszająNO 2. Dodatki nieulegają starzeniu. Ponadto zmienne dozowanie ułatwiawłaściwą adaptację do warunków rzeczywistych.Do wad tych dodatków należy zatykanie filtra popiołamii niebezpieczeństwo emisji cząstek tlenków metali. DlategoVERT wymaga od filtra przechwycenia cząstek dodatkówcelem zmniejszenia ich emisji w spalinach. W sytuacji stosowaniadodatku Fe, emisja tego metalu musi być mniejszaniż pierwotna emisja Fe w spalinach silnikaNa rysunku 8b przedstawiono rozkład wymiarowycząstek za filtrem cząstek stałych. Wartości stężenia na poziomie10 3 – 10 4 odpowiadają w przybliżeniu wartościomdla powietrza atmosferycznego.82 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Emission of metal-oxide particles from IC-enginesFig. 8a. Uncoated particle filter operated with 40 ppm Fe additive topromote regeneration. Measured before the particle filter. Engine isLiebherr 914Rys.8a. Filtr cząstek stałych bez warstwy pokrywającej, pracującyz dodatkiem 40 ppm Fe w celu wsparcia regeneracji. Pomiar przedfiltrem cząstek stałych. Silnik Liebherr 914by about 3 orders of magnitude. The high peak of additivedosage, too, is diminished about 3 – 4 orders of magnitude,but remains visible.Figure 9 plots the penetration filter characteristic of Feadditive at very high concentrations. The filtration efficiencyexceeds 99.99% and the penetration curves are very balanced.Nevertheless, some ash particles are penetrating thefilter. The reasons are a too high space velocity: Only a lowerspace-velocity can compensate the rather coarse 20 – 30 μmpores in this filter system.Such filters must be redesigned for smaller pore size andmore compact pore distribution.After the online investigation, the polycarbonate collectorfoils from the ELPI impactor were sent for the metalanalysis described in the previous section. The results aresummarized in Tables 4 and 5.Table 4 shows the emissions measured during the 200minutes test. Ahead of the filter, the engine Fe emission was1.88 μg. After the filter it was 0.77 μg. Despite the filter’sFe coating and consequent possible Fe release, the tailpipeFe emissions are substantially lower than the engine’s rawFe emissions by 60%.Table 5 shows data for the particle filter system operatedwith the Fe additive FBC. Three measurements were done.These are the 1) baseline raw emissions without the filterFig. 8b. Uncoated particle filter operated with 40 ppm Fe additiveto promote regeneration. Measured after the particle filter. Engine isLiebherr 914Rys.8b. Filtr cząstek stałych bez warstwy pokrywającej pracujący zdodatkiem 40 ppm Fe w celu wsparcia regeneracji. Pomiar za filtremcząstek stałych. Silnik Liebherr 914Oprzyrządowanie jest ustawione na wartość granicznąwykrycia, stąd występuje rozproszenie. Filtr zmniejszaemisje o około 3 rzędy wielkości. Również duża wartośćmaksymalna dawki dodatku zmniejsza się o około 3 – 4rzędy wielkości, lecz pozostaje widoczna.Rysunek 9 dotyczy wykresu przenikania filtra dodatkiemFe dla bardzo dużych stężeń. Sprawność procesufiltracji przekracza 99,99%, a przebiegi krzywych przenikaniasą bardzo ustabilizowane. Mimo tego niewielkailość cząstek popiołów przenika do filtra. Powodem jestzbyt duża prędkość obszarowa: jedynie mniejsza prędkośćobszarowa może zrównoważyć duże rozmiary por,równe 20 – 30 μm, występujące w układzie filtra. Takiefiltry muszą być ponownie zaprojektowane pod kątemuzyskania mniejszych rozmiarów por i bardziej zwartegoich rozkładu.Po wykonaniu ciągłych pomiarów poliwęglanowe foliekolektora od impaktora ELPI były kierowane do analizy składumetali, którą opisano w poprzednim rozdziale W tabelach4 i 5 zamieszczono wyniki uzyskane z pomiarów.Na rysunku 4 przedstawiono emisję zmierzoną w teścieo okresie trwania równym 200 minut. Emisja Fe z silnikazmierzona przed filtrem wyniosła 1,88 μg, podczas gdy zafiltrem osiągnęła wartość 0,77 μg. Mimo podłoża Fe filtra iwynikającego z tego uwolnienia Fe, emisje Fe w przewodzieCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)83

Emisja cząstek tlenków metali z silnika spalinowegoFig. 9. Penetration at the 8 operating points with Fe additive, calculated from Fig. 8a and 8bRys. 9. Przenikanie w 8 punktach pomiarowych dla filtra z dodatkiem Fe, obliczone z rys. 8a i 8band without FBC (RO 80), then 2) the raw emission withthe Fe additive (EO-81) and finally 3) the Fe concentrationmeasured after the filter.The Fe concentration in the raw gas is naturally increasedthrough the Fe additive. The filter succeeds in curtailing Feemissions much below the level of the engine’s raw emission.These measurements are representative for those fromover 20 filter systems. The ELPI backup filter interceptsmost of the finest particles sized < 30 nm. However, theanalysis of the backup filter (quartz) is less precise than theELPI stage filters (polycarbonate). Fe is also detected inbigger ELPI size classes. The Fe particles are intrinsicallynot large. Instead, small Fe particles are deposited on largersoot particles and jointly collected on the correspondingimpactor stage. The ELPI method is not ideal to distinguishwylotowym silnika są mniejszeo 60% niż pierwotne emisje Fez silnika.W tabeli 5 zaprezentowanowyniki dla systemu filtra cząstekstałych pracującego na dodatkuFBC opartego na Fe. Dokonanotrzech pomiarów: 1) bazowa emisjapierwotna bez filtra i FBC (RO80), 2) emisja pierwotna z dodatkiemFe (EO-81) i 3) stężenie Fezmierzone za filtrem.Stężenie Fe w gazie nierozcieńczonymw sposób naturalnywzrosło wraz z zastosowaniemdodatku Fe. Filtr umożliwiazmniejszenie emisji Fe znacznieponiżej poziomu emisjipierwotnej silnika.Powyższe pomiary są reprezentatywnedla grupy ponad20 badanych filtrów. Filtrzapasowy ELPI wychwytujewiększość z cząstek o wymiarach< 30 nm. Jednakże analizafiltra zapasowego (kwarcowego)jest mniej precyzyjna aniżelifiltrów stopniowych ELPI (poliwęglanowy).Fe jest równieżwykrywany dla większych klaswymiarowych ELPI. Cząstki Fesą nieduże. Niewielkie cząstkiFe są rozmieszczone na większychcząstkach sadzy i łączniezgromadzone na odpowiednimstopniu impaktora.Metoda ELPI nie jest doskonałado rozróżnienia osadzonychi nieosadzonych cząstekFe. Większość cząstek Fe mamałe rozmiary.8. Problem migracjiCząstki zatrzymywane są w porowatej osnowie filtra wwyniku dyfuzji lub impakcji. Siły van der Waalsa przytwierdzająprzechwycone cząstki do porowatej powierzchni. Przytwierdzeniejest silniejsze dla małych cząstek. W związkuz tym niewielkie cząstki popiołów raz przytwierdzone jesttrudno usunąć, nie z zastosowaniem zjawisk aerodynamicznych.Bardzo duże scalone cząstki popiołów są bardziejpodatne na opuszczenie osnowy filtraSytuacja jest niekorzystna dla cząstek popiołów, zwłaszczatych addytywnych osadzonych na cząstkach sadzyi uwięzionych jako aglomeraty wewnątrz osnowy filtra.Jeżeli taki filtr jest regenerowany, tzn. sadza ulega spaleniu,wówczas cząstki tlenków metali są nagle porywane przezstrumień gazu i kierowane ku wyjściu z filtra, chyba iż mamiejsce dalsza filtracja. Wybrana emisja cząstek metali84 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Emission of metal-oxide particles from IC-enginesTable 4. Size analysis for Fe particles from a particle filter system withFe coatingTabela 4. Analiza wymiarowa dla cząstek Fe systemu filtra cząstekstałych z warstwą FeELPI Stage/etap ELPIBackup filter/filtr zapasowySize classD 50%/klasawymiaru D 50%RO-120RF2-122[μm] [μg/filter] [μg/filter]< 0.03 1.39 2.441 0.03 0.08 0.042 0.06 0.26 0.073 0.11 0.11 0.044 0.17 0.11 0.045 0.27 0.14 0.106 0.41 0.13 0.127 0.66 0.17 0.038 1.02 0.15 0.079 1.65 0.15 0.0810 2.52 0.15 0.0711 4.08 0.18 0.0512 6.56 0.25 0.07Sum/suma 1.88 0.77Detection Limit/ granicznawartość możliwa dowykryciaAverage blanks ELPIfilters/wartość średnia dlafiltrów ELPIAverage blanks backupfilters/wartość średnia dlafiltrów zapasowych0.0001 – –0.070 – –0.85 – –RO-120: before particle filter/przed filtrem cząstek stałychRF2-122: after particle filter/za filtrem cząstek stałychTable 5. Size analysis for Fe particles from a particle filter system withFe additive eTabela 5. Analiza wymiarowa dla cząstek Fe z systemu filtra cząstekstałych z dodatkiem FeELPI Stage/etap ELPIBackup/pomocniczySize classD 50%/klasawymiaru D 50%EO-80 EO-81 EF-82[μm] [μg/filter] [μg/filter] [μg/filter]< 0.03 – – –1 0.03 0.08 8.6 0.122 0.06 0.06 18.2 0.073 0.11 0.11 12.8 0.204 0.17 0.08 6.4 0.075 0.27 0.13 4.6 0.076 0.41 0.29 4.2 0.087 0.66 0.31 4.0 0.108 1.02 0.30 3.0 0.119 1.65 0.17 0.91 0.0410 2.52 0.54 0.62 0.0411 4.08 0.11 0.46 0.1312 6.56 0.15 0.28 0.07Sum/suma 2.33 64.07 1.10DL 0.003Averageblanks ELPIfilters/ wartośćśrednia dlafilrów ELPI0.01 – – –EO-81: before particle filter baseline without dosage/przed filtrem cząstekstałych bez dodatkuEO-82: before particle filter with 40 ppm Fe dosage/przed filtrem cząstekstałych z dodatkiem Fe o stężeniu równym 40 ppmEF-82: after particle filter with 40 ppm Fe dosage/za filtrem cząstek stałychprzy dodatku Fe równym 40 ppmbetween attached and unattached Feparticles. Most of the Fe particles aredefinitely very small.8. The migration problemParticles are intercepted in the porousfilter matrix through diffusion or impaction.The van der Waals forces bind theintercepted particles to the pore surface.The binding is stronger for small particles.Hence, small ash particles onceattached are difficult to remove and certainlynot through aerodynamic effects.Very large agglomerated ash particlesare more likely to eventually escape thefilter matrix.The situation is critical for ash particles,especially those additive particlesdeposited on soot particles and trappedas agglomerates inside the filter matrix.When such a filter is regenerated, i.e.the soot in the cake burns, then theFig. 10. Fe emissions per km in the EUDC cycle; M7, M8, M9 without particle filter; M10, M11,M13, M15 with particle filter, no regen; M12, M14, M16 regeneration after every 50 accumulationcyclesRys. 10. Emisja Fe w teście EUDC w [mg/km]; M7, M8, M9 bez filtra cząstek stałych; M10,M11, M13, M15 z filtrem cząstek stałych, bez regeneracji; M12, M14, M1 regeneracja po każdychsukcesywnych cyklachCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)85

Emisja cząstek tlenków metali z silnika spalinowegometal oxide particles are suddenly entrained in the flowand escape, unless further filtration occurs. Some emissionof metal-oxide particles is a hazard during filterregeneration. This release can happen even from filtersthat possess very high filtration efficiency and that do notrelease soot during regeneration.A pertinent investigation was done on a system operatedwith 20 ppm Fe additive. After every 50 EUDC cycles, theexhaust-gas temperature was raised to trigger regeneration.Figure 10 depicts the results.The cycles M7 until M9 are typical emissions withoutfilter. M10, M11, M13 and M15 are the metal-oxide particleemissions between the regenerations, averaged over 50 cycles.These emissions are at the edge of the detectable range.M12, M14 and M16 are regenerations during an EUDC cycleafter accumulation during 50 EUDC cycles.The emission during the regeneration is exceptionalyhigh. It is double the raw emissions. However, this influenceafter scaling down from 50 cycles, only representsa Fe emission of about 0.01 mg/km. This effect is alwaysprevalent. High space velocity and large pores exacerbatethe Fe emissions. Efforts must be made to prevent ordiminish it. Membrane filter technology [47] would beideal.9. ConclusionTraffic generated particle emissions are generally recognized[47] as the worst air pollutant. Drastic technicalcountermeasures are required. The culprits can be the carbonin the soot, or the organic deposits on the soot particles, orthe metal oxide particles. The definitive cause is yet unclear.Much evidence points to engine emitted metal-oxide particles(besides metal abrasion from brake and clutch linings [51]).If so, then not only Diesel engines but also SI engines mustbe scrutinized.No emerging engine technology substantially diminishesthese high emissions. Even hydrogen combustion does notdiminish the hazard.There are only two ways to rectify the problem. Firstly,deploy highly efficient particle filters on all combustionengines. Secondly, diminish the metal content of the lubricationoil. Both countermeasures are feasible. The efficacy ofdiminishing the metal content of lube oil is proven [37]. Thefiltration of ash particles from SI engines, using wall-flowcatalytic converters is pragmatic [38, 39].The emission curtailment concept requires that, afterimplementing the particle count, the toxic substances mustbe named. Hence, the metal content of the particles must bedetermined and limited. That will curtail the toxicity of theexhaust-gases.Paper reviewed/Artykuł recenzowanystanowi ryzyko podczas procesu regeneracji. Powyższeuwolnienie może występować nawet dla filtrów mającychwysoką sprawność filtracji tych nieuwalniających sadzypodczas regeneracji.Odpowiednie badanie przeprowadzono dla systemupracującego na dodatku Fe o stężeniu 20 ppm po każdych50 cyklach EUDC; temperatura spalin była zwiększana wcelu uruchomienia procesu regeneracji filtra cząstek stałych.Wyniki zaprezentowano na rys. 10. Cykle od M7 do M9stanowiły typowe cykle badania emisji bez filtra. Cykle M10,M11, M13 i M15 stanowią cykle pomiaru emisji cząstektlenków metali pomiędzy regeneracjami, uśrednione z ponad50 cykli. Powyższa emisja jest na granicy wykrywalnegozakresu. Cykle M12, M14 i M16 stanowią regeneracje uzyskanepodczas testu EUDC po po nagromadzeniu danych z50 cykli EUDC.Emisja podczas procesu regeneracji jest wyjątkowowysoka. Stanowi podwojoną wartość emisji pierwotnej.Jednakże rozważany wpływ po wyskalowaniu z 50 cyklireprezentuje emisję Fe o wartości jedynie około 0,01mg/km. Powyższy wynik jest powszechnie uzyskiwany.Wysoka wartość prędkości objętościowej i duże rozmiarypor zwiększają emisję Fe. Wszelkie wysiłki muszą być poczynionew celu zapobieżenia lub zmniejszenia powyższejemisji.9. WnioskiEmisja cząstek stałych w ruchu ulicznym jest uważana[47] za największe źródło zanieczyszczenia powietrza (wymaganesą drastyczne środki zaradcze). Sprawcami mogą byćwęgiel w sadzy lub organiczne osady na cząstkach sadzy lubcząstki tlenków metali. Jednoznaczna przyczyna jest nadalnieznana. Znaczna liczba dowodów wskazuje na emitowaneprzez silnik cząstki tlenków metali (poza zużyciem metaliod procesu hamowania i okładzin sprzęgła [51]). Jeżeli tak,wówczas nie tylko silniki o zapłonie samoczynnym, alerównież o iskrowym muszą być brane pod uwagę.Żadna nowa technologia silnikowa nie obniży istotnietak dużych emisji. Nawet spalanie wodoru nie zmniejszaryzyka dużych emisji.Skorygowanie rozważanego problemu może być zrealizowanejedynie za pomocą dwóch sposobów. Po pierwsze,przez zainstalowanie wysokosprawnych filtrów cząstekstałych we wszystkich silnikach. Po drugie, zmniejszeniezawartości metalu w oleju smarującym. Oba środki zaradczesą możliwe do zastosowania. Potwierdzona została skutecznośćzmniejszania zawartości metalu w oleju smarującym[37]. Proces filtracji cząstek popiołów w silnikach o zapłonieiskrowym przez wykorzystanie reaktorów katalitycznych zprzepływem przyściennym jest działaniem pragmatycznym[38, 39].Koncepcja ograniczenia emisji wymaga, aby po wprowadzeniupomiaru liczby cząstek nazwać składniki toksyczne.Dlatego też zawartość metalu w cząstce stałej musi byćwyznaczona i limitowana. Dzięki temu możliwe będziezmniejszenie toksyczności gazów spalinowych.86 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Emission of metal-oxide particles from IC-enginesNomenclature/Skróty i oznaczeniaAVL AVL GmbH, Austria www.avl.comBC Black Carbon/grafitBET en.wikipedia.org/wiki/BET_theoryCARB California Air Resources Board/Kalifornijska Rada ds.Zasobów PowietrzaCFPP Cold Filter Plugging Point/punkt zablokowania zimnegofiltraCNG Compressed Natural Gas/sprężony gaz ziemnyCVS Constant Volume Sampler/układ o stałej objętości próbkido rozcieńczania spalin, stosowany w badaniach certyfikacyjnychemisji spalinDPF Diesel Particle Filter/filtr cząstek stałychEGR Exhaust Gas Recirculation/recyrkulacja spalinELPI Electrical Low Pressure Impactor/elektryczny niskociśnieniowyimpaktor umożliwiający pomiar w czasie rzeczywistymrozkładu wymiarowego cząstek i ich stężenieEUDC Extra Urban Driving Cycle/europejski pozamiejski testjezdnyFBC Fuel Borne Catalyst/dodatek katalityczny stosowany dofiltrów cząstek stałychHDV Heavy Duty Vehicle/ciężki pojazd samochodowyICPMS Inductive Coupled Plasma Mass Spectroscopy/spektroskopiamasowa z zastosowaniem sprzężonej plazmyLDV Light Duty Vehicle/lekki użytkowy pojazd samochodowyPMP Particle Measurement Program/program pomiaru cząstekstałychRPM Revolutions per minute/prędkość obrotowaSI Spark Ignition Engines/silniki o zapłonie iskrowymSMPS Scanning Mobility Particle Sizer/skaningowy analizatorwymiarowy cząstek stałych oparty na analizie ruchliwościelektrycznej cząstekTC,EC Total Carbon, Elemental Carbon/całkowita ilość węglowodorów,węgiel elementarnyVERT Project to curtail Diesel engines emissions in tunnel sites/europejski projekt ograniczenia emisji z silników o zapłoniesamoczynnym w obszarze tuneliVOC Volatile Organic Compounds/lotne substancje organiczneWHO World Health Organization/Światowa Organizacja ZdrowiaBibliography/Literatura[1] Ultrafeine (Aerosol)-Teilchen und deren Agglomerate undAggregate, Grundsatzpapier des Deutschen BerufsgenossenschaftlichenInstituts für Arbeitssicherheit BIA, 20.5.1998.[2] Kasper M. et al.: PM10-TEQ, Approach to a Health-OrientedDescriptor of Particulate Air Pollution, 11th ETH Conferenceon Combustion Generated Nanoparticles, August 2007.[3] Hinds W.C. : Aerosol Technology, Properties, Behavior, andMeasurement of Airborne Particles, John Wiley & Sons, ISBN0-471-08726-2, 1889.[4] Gehr P., Heyder J.: Particle-Lung Interactions, Marcel Dekker,Inc., New York – Basel, ISBN: 0-8247-9891-0.[5] Daunderer M.: Metallvergiftungen, Diagnostik und Therapie,Kompendium der Klinischen Toxikologie, ecomed, ISBN3-609-63700-5.[6] Oberdörster G. et al.: Nanotoxicology: An Emerging DisciplineEvolving from Studies of Ultrafine Particles, EnviromentalHealth Perspectives, volume 113, number Juli 2005.[7] Gatti M.: Impact on health by nanoparticles created by hightemperature explosions, 8th ETH Conference on CombustionGenerated Nanoparticles, August 2004.[8] Costantini M./HEI, An Evaluation of the health risk of using acerium-based diesel fuel additive in conjunction with a particularfilter, 5th ETH Conference on Nanoparticle Measurement,July 2001.[9] Costantini M./HEI, Relation between particle metal content(with focus on iron) and biological responses, 4th ETH Conferenceon Nanoparticle Measurement, August 2000.[10] Limbach L.K. et al.: Exposure of Engineered Nanoparticles toHuman Lung Epithelial Cells: Influence of Chemical Compositionand Catalytic Activity on Oxidative Stress, EnvironmentalScience & Technology, November 2007.[11] Uptake and Inflammatory Effects of Nanoparticles in a HumanVascular Endothelial Cell Line, HEI Synopsis of ResearchReport 136, 2009.COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)[12] Gojova A. et al.: Induction of Inflammation in Vascular EndothelialCells by Metal Oxide Nanoparticles: Effect of ParticleComposition, Environmental Health Perspectives, volume115, March 2007.[13] Dick C.A.J. et al.: The Role of Free Radicals in the Toxicand Inflammatory Effects of Four Different Ultrafine ParticleTypes, Inhalation Toxicology, International Forumfor Respiratory Research, 15.1, 39-52, link: http://dx.doi.org/10.1080/08958370304454.[14] Heeb N., empa: Effects of low- and high-oxidation DPFs ongenotoxic exhaust constituents, 13th ETH Conference onNanoparticle Measurement, June 2009.[15] Consultation on guidelines for metals and metalloids inambient air for the protection of human health, defra, May2008, Quelle www.defra.gov.uk/corporate/consult/metalsmetalloids[16] Stöger T.: Particle related inflammation as results fromoxidative stress caused by particle surface properties and/orbioavailability of organic compounds, 11th ETH Conferenceon Nanoparticle Measurement, August 2007.[17] Hannoschöck N.: Kolbenringschmierung und –Verschleiss,Dissertation ETH Nr. 7635, Zürich 1984.[18] Eberle K.: Linear Wear of a Two-Stroke Diesel EngineOperated at Very High Temperatures, Pressures and ReducedCylinder Lubricant Feed Rates, ETH Zürich, CIMAG1989.[19] Hardenberg H.: Schwefelarmer Dieselkraftstoff für Stadtverkehrsfahrzeuge,Der Nahverkehr 3/87.[20] Hildemann L.M.: Chemical Composition of Emissions fromUrban Sources of Fine Organic Aerosol, Environ. Sci.Technol.,Vol. 25, No. 4/1991.[21] Israël G.W. et al.: Analyse der Herkunft und Zusammensetzungder Schwebestaubimmission, VDI Fortschritt-Berichte,Umwelttechnik Nr. 92.87

Emisja cząstek tlenków metali z silnika spalinowego[22] Bockhorn H. et al.: In-situ berührungslose Bestimmung derGrössenverteilung nanoskaliger Metallteilchen, Abschlussberichtdes Forschungsvorhabens 2442, Max Buchner-Stiftung, 2004.[23] Griguli U., Sander H.: Wärmeleitung, Springer Berlin undNew York, 1979.[24] Hu S., Ayala A. et al.: Metals emitted from heavy-duty dieselvehicles equipped with advanded PM and NOx emissioncontrols, Atmospheric Environment 43 (2009).[25] Miller A.I.: The Origin and Fate of Metals during Diesel EngineCombustion, Dissertation University of Minnesota, 2005.[26] Gautam M.: Issues in Measurement of Particle Size Distributionfrom In-Use Heavy-Duty Vehicles, ETH Conference onNanoparticle Measurement, 2002.[27] Grütering U.F. et al.: Bilanzierung von Motorölkomponentenbei einem PKW-Dieselmotor mit Abgasnachbehandlungs-system,15. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik2006.[28] Miller A.L. et al.: Role of Lubrication Oil in Particulate Emissionsfrom a Hydrogen-Powered Internal Combustion Engine,Environ. Sci. Technol., 41, 19, 6828-6835, 2007, 10.1021/es070999r.[29] Hill R.F., Mayer W.J.: Radiometric Determination of Platinumand Palladium attrition from automotive catalysts. Transactionson nuclear science, 1977.[30] Edelmetall-Emissionen, GSF-Forschungszentrum für Umwelt undGesundheit GmbH, Projektträger “Umwelt- und Klimaforschung”,Abschlusspräsentation 17./18. Oktober 1996, Hannover.[31] Gidney J.T., Twigg M., Kittelson D.: Effect of OrganometallicFuel on Nanoparticle Emissions from a Gasoline PassengerCar, Environmental Science & Technology, 2009.[32] Mayer A. et al.: Qualitätsstandards und Prüfverfahren fürPartikelfilter zur Nachrüstung von Nutzfahrzeugen, MTZ01/2009.[33] Mayer A. et al.: Secondary Emissions from Catalytic ActiveParticle Filter Systems, SAE 2003-01-0291.[34] Testing of Particle Filter Systems for Internal CombustionEngines, SNR 277205, Source: SNV Schweizerische Normenvereinigung,Winterthur, Schweiz, 2007.[35] Mayer A. et al.: Retention of Fuel Borne Catalyst Particles byDiesel Particle Filter Systems, SAE 2003-01-0287.[36] Ulrich A., Wichser A.: Metal analysis of Diesel vehicle emissions,6th ETH Conference on Nanoparticle Measurement,August 2002.[37] Czerwinski J. et al.: Nanoparticle Emissions of a DI 2-Stroke Scooterwith varying Oil- and Fuel Quality, SAE 2005-01-1101.[38] Mooney, Wall flow catalyst for SI engines[39] Degussa, SAE Wall flow cat. SI engines[40] SN 181163 Qualitätsrechtlinie für Gerätebenzine in derSchweiz.[41] Richards R.: DPF technology for older vehicles and highsulphur fuel; SAE 2005-26-020.[42] Belot G.et al.: Passenger car serial application of a particulatefilter system on a common rail direct injection Diesel engine,SAE 2000-01-0473.[43] Shafer M.M. et al.: Investigation of Platinum and Cerium fromuse of a FBC; SAE 2006-01-1517.[44] Richards R. et al.: Results from a ¼ million km heavy dutytruck using FBC regenerated DPF,, SAE 2004-01-0074.[45] Skillas, Burtscher et al.: Combustion science and Technology,154, 2000,259-273.[46] Euro 5/6 für PKW: EC-Regulation No. 715/2007,ec.europa.eu/enterprise/automotive/index_en.htm[47] Wichmann H.E. et al.: Gesundheitliche Wirkungen von Feinstaub,ecomed 2002. ISBN 3-609-16105-1.[48] Kattouah P. et al.: Materials for catalyzed and non-catalyzeddiesel particulate filters; 5.International CTI-Forum, July 2008Stuttgart.[49] Wörle J.M. et al.: Nanoparticle Vanadium oxide potentiatedVanadium toxicity in human lung cells; Environ.Sci.Technol.2007, 41, 331-336.[50] Ogami A. et al.: Pathological features of different sizes of nicheloxide following intratracheal instillation in rats; Inhalationtoxicology, 19.Feb. 2009.[51] Karlson H.L. et al.: Copper Oxide nanoparticles are highlytoxic: a comparison between metal oxide nanoparticles andcarbon nanotubes Chem Res.Toxicol. published on web08/19/2008.[52] Riediker M.: A system to test the toxicity of brake wear particlesfrom cars; 12th ETH conference on combustion generatednanoparticles 2008.Ms. Andrea Ulrich, DEng. – EMPA, Swiss FederalLaboratories for Material Testing and Research,Switzerland.Dr Andrea Ulrich – EMPA, Szwajcarskie FederalneLaboratorium Inżynierii Materiałowej i Technologii,Szwajcaria.e-mail: Andrea.Ulrich@empa.chProf. 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.chMr. Adrian Wichser – EMPA, Swiss FederalLaboratories for Material Testing and Research,Switzerland.Adrian Wichser – EMPA, Szwajcarskie FederalneLaboratorium Inżynierii Materiałowej i Technologii, Szwajcaria.e-mail: Adrian.Wichser@empa.chMr. Andreas Mayer, MEng. – Technik ThermischeMaschinen (TTM), Switzerland.Inż. Andreas Mayer – pracownik TermodynamicznejTechniki Maszyn (TTM), Szwajcaria.e-mail: ttm.a.mayer@bluewin.chMr. Markus Kasper, DEng. – Managing Directorof Matter-Aerosol, Switzerland.Dr Markus Kasper – Dyrektor Zarządzającyw firmie Matter-Aerosol, Szwajcaria.e-mail: mkasper@matter-engineering.com88 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Doniesienia z prasy silnikowejAktualnościSilniki ZIFiat Powertrain w Bielsko-Białej, jednostka napędowa0,9 dm 3 zdobyła uznanie brytyjskiej redakcji miesięcznikaTop GearJest to kolejne już wyróżnienie dla tego silnika. Wcześniejnagrodzono go podczas prestiżowej gali Technobest2010. Jury tego konkursu składało się z 15 europejskichdziennikarzy. Mimo że jest silnikiem o niewielkich rozmiarach,jest połączeniem znaczących technologii, którezazwyczaj stosowane są w silnikach samochodów wyższychsegmentów.źródło: www.topgear.comEnergię można uzupełnić przez specjalne stacje ładowanialub korzystając z domowego gniazdka. W tej drugiejsytuacji pełne ładowanie trwa od 4 do 5 godzin. Kierowca,przez przełącznik na desce rozdzielczej, może równieżskorzystać z funkcji ECO PRO Mode. Jest ona nastawionana maksymalizację zasięgu przez zmianę niektórych parametrówpojazdu.Fiat 500 Twin AirNowa jednostka napędowa Fiata jest najlepszym przykłademna panujący wśród producentów silników trend, tzw.downsizing. Model 500, wyposażony w ten silnik, produkujezaledwie 95 g CO 2na kilometr. W zależności od wersji silnikTwinAir może osiągać moc od 65 do 105 KM, i to przypojemności nieprzekraczającej 1 dm 3 . Moc uzyskiwana jestdzięki tradycyjnemu układowi ssącemu lub doładowaniuturbosprężarką. Dostępna będzie także wersja zasilana gazemCNG. Niewielkie rozmiary ułatwiają połączenie tego silnikaz jednostką elektryczną, tworząc ekonomiczną hybrydę.Porsche Panamera S Hybridźródło: www.bmw.comNapęd pojazdu składa się z silnika ZI o pojemnościskokowej 3dm 3 (333 KM) i silnika elektrycznego (47 KM).Sumaryczna moc wynosi 380 KM, a maksymalny momentobrotowy 580 N·m. Samochód może poruszać się, korzystająctylko z silnika elektrycznego. Maksymalny dystans przysilniku elektrycznym wynosi 2 km, maksymalna prędkość 85km/h. Hybryda charakteryzuje się przebiegowym zużyciempaliwa na poziomie 6,8 dm 3 /100 km i emituje do atmosfery159 g/km CO 2.źródło: www.fiat.comBMW ActiveEDo napędu auta służy silnik elektryczny o mocy 170 KMi 250 N·m maksymalnego momentu obrotowego. Maksymalnaprędkość została elektronicznie ograniczona do 145km/h. Energia magazynowana w litowo-jonowych bateriachpozwala na przejechanie dystansu 160 km.źródło: www.porsche.comCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)89

Doniesienia z prasy silnikowejPagani HuayraDo napędu modeli marki Pagani wykorzystywane są jednostkiprzygotowywane przez AMG. Samochód wyposażonyjest w 12-cylindrowy silnik o pojemności skokowej 5,980dm³. Silnik generuje moc maksymalną 700 KM i 1000 N·mmomentu obrotowego.źródło: www.ford.comBMW X1 xDrive28iźródło: www.paganiautomobili.itW samochodzie zastosowano nowy silnik ZI o pojemnościskokowej 2 dm 3 , wyposażony w bezpośredni wtryski po raz pierwszy zastosowaną w czterocylindrowychjednostkach technologię BMW TwinPower Turbo. Silnikma moc 245 KM i 350 N·m maksymalnego momentuobrotowego.Volvo V60 Plug-inVolvo V60 Plug-in to kolejny model ekologiczny szwedzkiejfirmy. Wcześniej koncern eksperymentował z pojazdemtypowo elektrycznym (C30 DRIVe Electric). Jako bazę dlanowego modelu wybrano V60. Do napędu V60 Plug-inposłuży silnik ZS o pojemności skokowej 2,4 dm 3 , mocy215 KM i 440 N·m maksymalnego momentu obrotowego.Wspomagać go będzie elektryczny napęd ERAD (ElectricRear Axle Drive). Pod tym skrótem kryje się silnik elektrycznyo mocy 70 KM. Energia magazynowana będzie wlitowo-jonowych bateriach, a auto będzie mogło przejechać50 km, używając tylko silnika elektrycznego. Volvo V60Plug-in będzie oficjalnie pokazane podczas Salonu Samochodowegow Genewie. Ujawniono, że produkcja seryjnarozpocznie się w 2012 r.źródło: www.volvo.comMercedes BIOMEMercedes BIOME „rośnie z nasion wysianych w specjalnympomieszczeniu”. Projekt opiera się na materialenazwanym BioFibre. Materiał posiada własne DNA i hodowanyjest w specjalnym pomieszczeniu marki, gdzie zbieraenergię słoneczną i przechowuje ją w ciekłych wiązaniachchemicznych nazwanych BioNectar4534. Pojazd hodowanyjest z dwóch nasion. Pierwsze tworzy wnętrze od gwiazdyumieszczonej z przodu. Drugie, tylna gwiazda i jej nasionotworzą nadwozie. Oczywiście każdy może dopasować Mercedesado swoich potrzeb przez modyfikacje genetyczne.Koła uprawiane są z czterech oddzielnych nasion.źródło: www.bmw.comFord Focus Electric – zgodnie z modąFord Focus Electric to jeden z pięciu elektrycznych modeli,które do 2013 r. trafią do ofert firm w USA i Europie.Do napędu posłuży silnik elektryczny. Prędkość maksymalnama wynieść 136 km/h. Ładowanie baterii przy użyciu opcjonalnej240-woltowej stacji ma zająć od trzech do czterechgodzin. Ford Focus Electric będzie oficjalnie zaprezentowanypodczas Salonu Samochodowego w Detroit.Koncept zasilany jest przy użyciu związku BioNectar4534.Dodatkowo producent wymyślił specjalną techno-90 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Doniesienia z prasy silnikowejlogię, która pozwala pozyskiwać z drzew nadmiar energii iprzetwarzać ją we wspominany środek chemiczny. Podobniejak rośliny, auto produkuje tlen, dzięki czemu dodatkowopomaga naturze. Gotowy do drogi pojazd ma ważyć ok.394 kg.źródło: www.diseno-art.comVolvo wprowadza silnik GTDiNowe silniki GTDi są wykonane całkowicie z odlewanegoaluminium. Pozwoliło to uzyskać małą masę i dobrezdolności rozpraszania ciepła. Ponadto kolektor dolotowywykonano z tworzywa sztucznego, co korzystnie wpływana masę jednostki. W odniesieniu do opisywanej jednostkikonstruktorzy Volvo zdecydowali się na umieszczeniekażdego wtryskiwacza centralnie nad tłokiem, tuż obokświecy zapłonowej. Każdy z nich ma sześć otworów, cojest rozwiązaniem nietypowym w przypadku wtryskiwaczyumieszczonych centralnie. Rozwiązanie to pozwala uzyskaćszczególnie jednolite rozpylenie paliwa.Przy zimnym silniku paliwo jest wtryskiwane do środkakomory spalania tuż przed zapłonem. Wysokie ciśnieniewtrysku, wynoszące 100 barów, daje idealny czas przygotowaniaoraz oznacza mniejszą ilość paliwa na ściankachkomory spalania. Pozwala to ograniczyć poziom emisjispalin i znacząco redukuje ilość zużytego paliwa. Przyzimnym silniku ta technologia wtrysku pozwala także naszybkie rozgrzanie reaktora, co z kolei przyspiesza procesoczyszczania spalin.moment obrotowy w wysokości 240 N·m od 1600 obr/mini jest dostępny do 5000 obr/min. Dostępna na zamówieniafunkcja overboost pozwala osiągnąć 270 N·m. Z kolei wersjaT3 oferuje 150 KM i 240 N·m momentu obrotowego.Volvo Air Motionźródło: www.volvo.comSzwedzki koncern do rywalizacji zgłosił w tym rokuVolvo Air Motion. Wykonany z włókna węglowego pojazdcharakteryzuje się wagą poniżej 1 tony, prezentuje bardzodynamiczny i sportowy styl, pozwalając jednocześnie napodróżowanie nim trójce pasażerów. Auto w założeniachkonstruktorów napędzane ma być silnikiem na sprężonepowietrze. Wiatr napędza turbiny, które wytwarzają energięelektryczną, pozwalającą skompresować powietrze wcentralnie umieszczonym zbiorniku.Silniki GTDi wykorzystują układ zmiennych faz rozrządudla obu wałków rozrządu. Zarówno czas otwarcia otworudolotowego, jak i zaworów wylotu można zmieniać w celuoptymalizacji efektu przekrycia i zapewnienia właściwegonapełnienia cylindra w komorze spalania niezależnie odobrotów wału korbowego silnika. Jednostka wyposażana jesttakże w turbodoładowanie. Silniki GTDi T3 o mocy 150 KMoraz T4 o mocy 180 KM będą dostępne w nowych modelachVolvo S60 i V60. Mocniejszy silnik uzyskuje maksymalnyźródło: www.volvo.comCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)91

Doniesienia z prasy silnikowejPorsche Cayenne TurboPropozycje zmian Porsche Cayenne obejmują jednostkęnapędową modelu Turbo. Silnik spalinowy ZI o pojemnościskokowej 4,8 dm 3 seryjnie generuje 500 KM i 699 N·m.Konstruktorzy zaproponowali przeprogramowanie elektronikisterującej pracą jednostki, a także montażu większychturbosprężarek. Uzupełnienie tych poprawek stanowi nowyukład wydechowy wykonany ze stali nierdzewnej. Efektprac to wzrost mocy do 690 KM i momentu obrotowegodo 800 N·m.G-Power M6 Hurricane RRźródło: www.g-power.deG-Power M6 Hurricane – jednostka napędowa dziękimodyfikacji silnik ZI V10 o pojemności skokowej 5 dm 3generuje moc 800 KM i 800 N·m maksymalnego momentuobrotowego.źródło: www.porsche.comBrabus S350 BlueTECBrabus zaproponował pakiet ECO PowerXtra D6S, którypozwoli S350 BlueTEC spełniać już teraz normy emisji spalinEuro VI, które zaczną obowiązywać od 2014 r. Tuner montujespecjalny moduł, który wpływa na elektronikę pojazdu i wewspółpracy z seryjnymi „ekosystemami” pozwala osiągnąćdobre wyniki. Montaż pakietu powoduje wzrost standardowejmocy z 260 KM do 313 KM, a momentu obrotowego z620 N·m do 690 N·m.Brabus SV12 R Biturbo 800źródło: www.g-power.deSilnik spalinowy SV12 R Biturbo 800 jest zmodyfikowanąwersją o pojemności skokowej 5,5 dm 3 , jego pojemnośćskokową podniesiono do 6,3 dm 3 , a wyposażono go m.in. w:nowe tłoki, korbowód, turbosprężarki, cztery intercoolery, atakże przeprogramowaną elektronikę.Po zmianach uzyskano moc maksymalną na poziomie 800KM i maksymalny moment obrotowy wielkości 1420 N·mograniczony elektronicznie do 1100 N·m. W odniesieniu doG-Power parametry te wynoszą 800 KM i 800 N·m.źródło: www.brabus.comG-Power M5 Hurricane GSSilnik ZI w układzie V10 o pojemności skokowej 5 dm 3otrzymał dwie nowe sprężarki ASA, chłodzony wodą intercooleroraz instalację gazową LPG. Przeprogramowano takżeelektronikę silnika. Wszystkie zmiany pozwoliły na uzyskaniemocy 660 KM i 650 N·m momentu obrotowego.źródło: www.brabus.com92 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

Books on combustion enginesBooks on combustion enginesKsiążki o silnikachFizykochemiczne podstawy regulacjii sterowania silników spalinowychKozak W.Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2011Problematyka książki dotyczysterowania i regulacji silników spalinowych.Książka ta wyjaśnia większośćprocesów będących podstawą działaniasilników i elementów wykonawczych,które są ostatnim ogniwem układówsterowania i regulacji. Główne działyksiążki zawierają informacje na tematcharakterystyki warunków pracy silnikówspalinowych, wykorzystania podstawteoretycznych w konstruowaniusilników, elementów środków oddziaływaniana proces spalania. Ponadto wksiążce zawarto przykłady rozwiązańkonstrukcyjnych oddziałujących naprzebieg spalania.eURO oIL & FUELbiokomponenty w paliwach do silników Diesla – wpływ naemisję i starzenie oleju silnikowegoWydawnictwo Instytutu Nafty i Gazu, Kraków 2010Opracowanie stanowi zbiór referatówprezentowanych na listopadowejMiędzynarodowej Konferencji EUROOIL&FUEL 2010, która odbyła sięw Krakowie. Tematyka tej publikacjikoncentruje się wokół zagadnień związanychz zasilaniem silników o zapłoniesamoczynnym. Dotyczy głównie stosowaniado zasilania silnika ZS paliwaalternatywnego w postaci tzw. biodiesla.Artykuły zawierają analizę wpływu estrówmetylowych kwasów tłuszczowycholeju rzepakowego na emisję substancjiszkodliwych w spalinach. Ponadto poruszająproblematykę oddziaływania tychestrów na procesy degradacji smarowycholejów silnikowych.Professor Marian Zabłocki(1924-2011)Memories/WspomnienieProf. zw. dr hab. inż. Marian Zabłocki urodził się 1 lutego1924 r. w Jarosławiu. Działalność naukowo-badawczą rozpocząłjuż w 1946 r. – będąc jeszcze studentem PolitechnikiKrakowskiej podjął pracę asystenta w Katedrze SilnikówSamochodowych i Lotniczych. Od tejpory silniki spalinowe stały się głównąpasją jego życia.W latach następnych uzupełniał swąwiedzę będąc stypendystą Sekcji NaukowejKomisji Popierania TwórczościNaukowej i Artystycznej przy PrezydiumRady Ministrów (1951-1952) oraz słuchaczemuzupełniających studiów w zakresiefizyki doświadczalnej na UniwersytecieJagiellońskim (1953-1954). Podjął wówczaspierwsze prace dotyczące zasilaniasilników paliwami gazowymi. Kontynuacjatych prac doprowadziła do przedstawieniaw 1961 r. rozprawy doktorskiej pt.„Przystosowanie silnika wysokoprężnegodo napędu dwupaliwowego olejem napędowymi gazem generatorowym”. W tymokresie rozwinął także szeroko działalnośćpublikacyjną w dziedzinie silnikówspalinowych, wydając książkę „Gaźnikisamochodowe” (WNT 1956 i 1961) orazpodręcznik „Silniki samochodowe z zapłonemiskrowym” (PWT 1960). W rokuCOMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)1976 wydał ważną monografię pt. „Wtrysk i spalanie paliwaw silnikach wysokoprężnych” (WKŁ 1976). Podjął równieżwspółpracę z polskim przemysłem silnikowym, opracowującdla Wytwórni Silników Wysokoprężnych w Andrychowieprototyp pierwszego w Polscesilnika dwupaliwowego.Podsumowaniem tych pracbyła rozprawa habilitacyjnapt. „Zagadnienia spalania wsilnikach dwupaliwowychz zapłonem samoczynnym,zasilanych paliwem ciekłymi gazowym”, wydanaw 1965 r. Prof. Zabłockibędąc na stanowisku docentaobjął kierownictwoZakładu Silników Wysokoprężnych,organizującod podstaw laboratoriumsilników wysokoprężnychi aparatury wtryskowej. Wroku 1974 uzyskał tytułnaukowy profesora nauktechnicznych.Prof. M. Zabłocki kierowałZakładem SilnikówWysokoprężnych ponad25 lat. W tym czasie wy-93

Wspomnieniekonywał też wiele prac naukowych związanych z zagadnieniamitworzenia mieszanki i spalania w silnikachwysokoprężnych, emisji toksycznych składników spalinoraz stosowaniem paliw alternatywnych, co miało wówczaspionierski charakter w Polsce. Prace były prowadzonegłównie na zamówienie przemysłu, z którym prof. Zabłockimiał bardzo dobry kontakt. Utrzymywał stałą współpracęnaukową i techniczną z WSW Andrychów, WSK Mielec,WSK Gorzyce, ZM Wola w Warszawie, FSC Starachowice,Instytutem Lotnictwa w Warszawie i InstytutemTechnologii Nafty w Krakowie. Ta działalność owocowaławieloma wspólnie realizowanymi projektami badawczymii wdrożeniami przemysłowymi, a w wielu z wymienionychzakładów pełnił funkcję doradcy naukowego. Był równieżkoordynatorem naukowym ważnych rządowych i resortowychprojektów badawczych związanych z tematykązmniejszenia zużycia paliwa w pojazdach samochodowych.Na podkreślenie zasługuje pionierska działalność prof.Zabłockiego w dziedzinie badania emisji cząstek stałychw spalinach silników wysokoprężnych. W tej dyscyplinienależał do wąskiego grona najwybitniejszych badaczy wEuropie.Prof. Marian Zabłocki był inicjatorem przystąpieniaPolski do Międzynarodowej Rady Silników Spalinowych(CIMAC) z siedzibą w Londynie. Był członkiem Rady, ajednocześnie sekretarzem Polskiego Komitetu KrajowegoCIMAC. Od roku 1981 pełnił funkcję przewodniczącegoKomisji Motoryzacji przy PAN, organizując siedem kolejnychogólnopolskich sympozjów poświęconych problematycezmniejszenia zużycia paliw i energii w pojazdach.W latach 1975-1984 był członkiem Rady Głównej NOT, aod 1968 r. przewodniczącym Sekcji Silników Spalinowychprzy Oddziale Wojewódzkim SIMP w Krakowie. Począwszyod 1978 r. przez dwie kadencje był członkiem CentralnejKomisji Kwalifikacyjnej ds. Kadr Naukowych przy PrezesieRady Ministrów.Na podkreślenie zasługuje duże zaangażowanie prof.Zabłockiego we współpracę z zagranicznymi ośrodkaminaukowymi, co w ówczesnych czasach było czymś wyjątkowym.Efektem tej działalności były ścisłe kontakty naukowez tak renomowanymi jednostkami badawczo-naukowymi,jak: AVL Graz, FEV Aachen, RWTH Aachen oraz UniwersytetTechniczny w Biel-Bienne w Szwajcarii.Prof. Zabłocki wychował wiele pokoleń inżynierówspecjalizujących się w tematyce silników spalinowych,ponadto wypromował sześciu doktorów nauk technicznych.Jest autorem ponad 60 publikacji naukowych, w tym ośmiupozycji monograficznych i podręczników.W Politechnice Krakowskiej prof. Zabłocki pełnił m.in.funkcje prodziekana Wydziału Mechanicznego, dyrektoraInstytutu Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowychi zastępcy przewodniczącego Kolegium RedakcyjnegoWydawnictw PK.Po przejściu na emeryturę prof. Zabłocki był nadalbardzo aktywny zawodowo, realizując swą naukową misjęw Instytucie Technologii Nafty w Krakowie. Ponadto aż dokońca 2010 r. brał udział w wielu spotkaniach naukowych,sympozjach i kongresach, służąc swym doświadczeniemmłodym pokoleniom naukowców.Za zasługi w działalności naukowej Prof. Marian Zabłockibył odznaczony m.in. Krzyżem Kawalerskim OrderuOdrodzenia Polski, Medalem Komisji Edukacji Narodowej,Złotą odznaką „Zasłużony dla Rozwoju Przemysłu Maszynowego”oraz szeregiem odznak honorowych NOT, SIMPoraz odznak z zakładów przemysłowych. Był również laureatemnagród Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego orazMinistra Przemysłu Maszynowego.Współpracownicy znają Profesora jako osobę niezwyklepracowitą, ale też wymagającą. W życiu prywatnymProfesor wykazywał wielką dbałość o rodzinę. Obszar jegozainteresowań pozazawodowych to głównie zamiłowaniedo turystyki górskiej. Chętnie dzielił się wrażeniami zodbytych podróży. Ponadto był wielkim znawcą historii, aszczególnie ojczystej.Społeczność akademicka oraz specjaliści i naukowcyzwiązani z branżą silników spalinowych z żalem przyjęliwiadomość o śmierci prof. Mariana Zabłockiego w dniu 20stycznia 2011 roku.Professor Jerzy Kuśmidrowicz(1924-2011)Memories/WspomnienieDnia 4 stycznia 2011 r. odszedł od nas niezwykły człowiek,wielki badacz, długoletni kierownik Zakładu SilnikówSpalinowych Politechniki Wrocławskiej doc. dr inż. JerzyKuśmidrowicz.Nie tylko Politechnika Wrocławska, lecz równieżpolskie środowisko motoryzacyjne zawdzięcza wielePanu Docentowi. To On, tu na Dolnym Śląsku, uważanymobecnie za polskie „zagłębie motoryzacyjne”, wychowałliczne pokolenia inżynierów napędów spalinowych. Po-przez swoje działanie naukowca–badacza wyprzedził owiele lat dzisiejsze wymagania rynkowe, uznając, iż naukamusi iść w parze z gospodarką. Dzisiaj tzw. wdrożeniaprzemysłowe stają się wytycznymi do tworzenia rozlicznychrankingów ośrodków naukowych, bo od tego zależądotacje, a czasem nawet istnienie wielu uczelni w kraju iza granicą. Prace na tzw. półkę nigdy go nie interesowały.Wszystko co robił na Uczelni odnosił do zastosowań wgospodarce.94 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)

MemoriesJerzy Kuśmidrowicz urodził się 11 grudnia 1924 r. weLwowie. Tam rozpoczął naukę w szkole podstawowej, a od1937 r. kształcił się w Korpusie Kadetów w Rawiczu. Wokresie wojny musiał jednak podjąć pracę zarobkową. Pracowałm.in. jako traktorzysta–mechanik i kierowca–mechanik.W roku 1946 zdał maturę, a jesienią 1952 r. ukończył studiaw Politechnice Wrocławskiej na Wydziale Mechanicznym wgrupie konstrukcyjnej w sekcji Samochody i Ciągniki. W tymsamym roku rozpoczął pracę w Katedrze Elementów Maszynna Wydziale Mechanicznym Politechniki Wrocławskiej. Wroku 1955 przeniósł się do Katedry Silników Tłokowych.Kolejno pracował na stanowiskach: asystenta, starszegoasystenta, adiunkta i docenta. W roku 1966 obronił doktoratz badań nad silnikami dwusuwowymi. Zakładem SilnikówSpalinowych kierował od 1976 r. aż do swego przejściana emeryturę w 1991 r. W ciągu całego okresu pracy zawodowejzajmował się rozwojem silników spalinowych ipojazdów oraz napędów spalinowych w żegludze. Współpracowałz przemysłem silnikowym i motoryzacyjnym orazzapleczem technicznym motoryzacji. Rozwinął współpracęz niemieckimi uczelniami: w Dreźnie, Zwickau i Berlinie,z bułgarskimi: w Sofii i Warnie oraz ze Słowacką Politechnikąw Żylinie. Dorobek Pana Docenta stanowi 359 pracnaukowych. Prowadził 6 doktoratów, recenzował 14 pracdoktorskich, opublikował w czasopismach 117 prac, a wynikiswoich badań prezentował na wielu konferencjach krajowychi międzynarodowych. Do jego dorobku naukowegonależy też zaliczyć 240 raportów dla przemysłu, 7 patentóworaz dwa wzory użytkowe, jak np. prototyp dwusuwowegosilnika nowej generacji z zapłonem samoczynnym, tłok okonstrukcji sprzyjającej ograniczaniu toksyczności spalin,system eksploatacji taboru autobusów komunikacji miejskieji wiele innych. Trzeba podkreślić, że wiele z tych prac zostałowdrożonych do przemysłuPoza Politechniką pełnił wiele funkcji; był członkiem:Rady Naukowo-Technicznej Ośrodka Badawczo-RozwojowegoJelczańskich Zakładów Samochodowych (1979-1981),Rady Naukowej Instytutu Transportu Samochodowego(1987-1991), Rady Naukowo-Technicznej Ośrodka Badawczo-RozwojowegoFabryki Samochodów Małolitrażowychw Bielsku (1988-1989), Rady Naukowej Zjednoczenia ŻeglugiŚródlądowej i Stoczni Rzecznych (1971-1972), RadyProgramowej miesięcznika „Autotechnika Motoryzacyjna”,Komisji Budownictwa i Mechaniki Polskiej Akademii NaukOddziału we Wrocławiu, wieloletnim członkiem, a od1995 r. przewodniczącym Wrocławskiego Oddziału StowarzyszeniaRzeczoznawców Techniki Samochodowej iRuchu Drogowego.W roku 1974 doc. Jerzy Kuśmidrowicz zainicjowałkonferencję KONES, która jest obecnie (obok PTNSS) krajowymforum dyskusyjnym na temat napędu spalinowego. Wtych spotkaniach biorą też udział liczni goście z zagranicy.Z Jego doświadczeń korzystali studenci. Wspomagałm.in. Akademicki Klub Motorowy Apanonar, któregoczłonkowie odkrywali świat motocykli – jedną z wielu pasjiPana Docenta.„Pierwszym sprawdzianem wielkości człowieka jest jegoskromność” (J. Ruskin) – ta sentencja doskonale odnosi siędo Jerzego Kuśmidrowicza, który nigdy nie zabiegał o laury.Środowisko motoryzacyjne dostrzegało jednak Jego wybit-COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)95

Redakcyjnene osiągnięcia. Pan Docent został uhonorowany KrzyżemKawalerskim Orderu Odrodzenia Polski, Złotym i SrebrnyKrzyżem Zasługi, Medalem Komisji Edukacji Narodowejoraz wieloma odznaczeniami resortowymi i politechnicznymi.Jego działania były dostrzeżone również przez władzewojewództwa dolnośląskiego i miasta Wrocławia. Wprywatnych rozmowach bardzo doceniał Złotą OdznakęPolitechniki Wrocławskiej – uczelni, która była Jego drugimdomem. To do Politechniki Wrocławskiej, ale trzeba powiedziećuczciwie – do Docenta Kuśmidrowicza przyjeżdżaliz kraju i z zagranicy wszyscy ci, którzychcieli czerpać z Jego zasobu wiedzy natemat motoryzacji.Od Jego rozległej wiedzy znacznieważniejsze było Jego istnienie w grupie,wśród swoich, poczucie bezpieczeństwa,jakie ofiarowywał każdemu znas. Bardzo rozsądny, chociaż czasamistanowczy Jego głos decydował o tym,że wielu z nas szło dobrą drogą.Połączenie Jego mądrości naukowejz mądrością życiową było realizacjąJego pomysłu na patriotyzm – słowo,które dzisiaj zanika lub którego sięboimy.Wydaje się, że tak niedawno obchodziliśmyJego 80., a potem 85. rocznicęurodzin. Zazdrościliśmy mu aktywnościnaukowej i dydaktycznej, związanej zewspaniałą kondycją umysłową i fizyczną. Niestety, ósmegostycznia 2011 r. na cmentarzu parafialnym św. Rodzinypożegnaliśmy ze smutkiem Pana Docenta Kuśmidrowicza,naszego wychowawcę, kolegę, przyjaciela. Lecz chociaż niema Go już wśród nas i nie możemy już liczyć na jego rady idobre słowo, zostanie z nami na zawsze jako nierozerwalnaczęść naszej historii, a nade wszystko jako „ciepły obraz” wnaszych sercach i pamięci.Koledzy z ZespołuInstrukcjaprzygotowania artykułów do kwartalnikaCombustion Engines/Silniki SpalinoweArtykuł przygotowywany do czasopisma powinienobejmować 6–8 stron formatu A4 i może być napisany jakodwujęzyczny: w języku polskim i angielskim. Jednak, w celuujednolicenia technicznego języka angielskiego, Redakcjapreferuje własne tłumaczenie (przysłanej wersji tylko polskojęzycznej)na koszt Autora. Koszt tłumaczenia wynosi39 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.96 COMBUSTION ENGINES, No. 1/2011 (144)