Διερεύνηση των εκπομπών ρύπων κατά τη μεταβατική λειτουργία κινητήρων diesel

Abstract

Η παρούσα διδακτορική διατριβή διαπραγματεύεται το θέμα της μεταβατικής λειτουργίας υπερπληρωμένων κινητήρων diesel, επικεντρώνοντας στις εκπομπές ρύπων και θορύβου της καύσης. Η μεταβατική λειτουργία αποτελεί μία κατάσταση εξαιρετικής σημασίας, λόγω των ιδιαιτεροτήτων που παρουσιάζει σε σχέση με τη μόνιμη, καθώς και εξαιτίας της σημαντικής της συνεισφοράς στις συνολικές εκπομπές ρύπων ενός κινητήρα. Τα φαινόμενα είναι ιδιαίτερα έντονα σε κινητήρες οχημάτων (π.χ. λεωφορεία, φορτηγά), των οποίων η λειτουργία είναι σχεδόν αποκλειστικά μεταβατική. Βασικός στόχος της παρούσας διατριβής είναι η αξιολόγηση και η ερμηνεία των εκπομπών ρύπων και θορύβου της καύσης κατά τη μεταβατική κατάσταση, μελετώντας τα σχετικά ιδιαίτερα φαινόμενα. Η κατανόηση των συνθηκών οι οποίες προκαλούν τις υψηλές εκπομπές ρύπων και θορύβου της καύσης κατά τη μεταβατική λειτουργία ενός κινητήρα αποτελεί τη βάση για την ανάπτυξη μεθόδων και συστημάτων ελέγχου τους. Έτσι, η παρούσα εργασία αποσκοπεί στην εμβάθυνση στους μηχανισμούς και τα φαινόμενα της μεταβατικής λειτουργίας υπερπληρωμένων κινητήρων diesel, καθώς και στην ανάδειξη των ουσιωδών διαφορών από την αντίστοιχη μόνιμη κατάσταση. Η διερεύνηση στα πλαίσια της παρούσας διατριβής διεξάγεται σε πειραματικό επίπεδο. Οι δοκιμές πραγματοποιούνται στην πειραματική κλίνη εξακύλινδρου υπερπληρωμένου κινητήρα diesel, ο οποίος βρίσκεται εγκατεστημένος στο εργαστήριο Μ.Ε.Κ. του Ε.Μ.Π.. Η ευρεία εφαρμογή του συγκεκριμένου κινητήρα σε οχήματα (π.χ. αστικά λεωφορεία, φορτηγά) τον καθιστά ιδανική επιλογή για τη μελέτη της μεταβατικής λειτουργίας. Στον κινητήρα εγκαθίσταται μία πληθώρα μετρητικών διατάξεων και συσκευών για τη συνεχή καταγραφή των βασικών λειτουργικών του παραμέτρων, καθώς και αναλυτές καυσαερίων υπερταχείας απόκρισης που είναι ειδικά σχεδιασμένοι για μετρήσεις σε μεταβατικές συνθήκες λειτουργίας μηχανών εσωτερικής καύσης. Με αυτόν τον τρόπο είναι εφικτή η συνεχής καταγραφή των στιγμιαίων (σε επίπεδο κύκλου λειτουργίας) εκπομπών ρύπων. Η διερεύνηση περιλαμβάνει τους δύο σημαντικότερους ρύπους των κινητήρων diesel, το μονοξείδιο του αζώτου (NO) και την αιθάλη. Η γνωστή “αντιθετική” μεταβολή των δύο αυτών ρύπων ενός κινητήρα diesel, καθιστά εξαιρετικής σημασίας την ταυτόχρονη μελέτη τους σε μεταβατικές συνθήκες. Πέραν των προαναφερθέντων ρύπων, η διερεύνηση επεκτείνεται και στη μελέτη ενός ακόμα ιδιαίτερου χαρακτηριστικού των κινητήρων diesel, του θορύβου της καύσης. Η μελέτη του τελευταίου έχει προσελκύσει μεγάλο ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια, ιδιαίτερα στις εφαρμογές οχημάτων, όπου ο θόρυβος σχετίζεται άμεσα με τα επίπεδα άνεσης (όχλησης) των επιβατών και των πεζών. Η διερεύνηση περιλαμβάνει ένα μεγάλο εύρος επιταχύνσεων και αυξήσεων φορτίου ενός υπερπληρωμένου κινητήρα diesel, με το κύριο ενδιαφέρον να επικεντρώνεται στην πρώτη περίπτωση, εφόσον ο κινητήρας προορίζεται για εφαρμογές οχημάτων. Έτσι, εκτελούνται επιταχύνσεις από διάφορες αρχικές συνθήκες (ταχύτητα περιστροφής και φορτίο) αντιπροσωπεύοντας την επιτάχυνση ενός οχήματος με διαφορετική σχέση μετάδοσης στο κιβώτιο ταχυτήτων. Επιπλέον, εκτελούνται κάποιες συνδυασμένες και σύνθετες μεταβολές της ταχύτητας περιστροφής και του φορτίου. Η διερεύνηση επεκτείνεται στη σύγκριση των πραγματικά μετρημένων εκπομπών ρύπων κατά τη μεταβατική λειτουργία με εκείνες των αντίστοιχων μόνιμων συνθηκών (λειτουργία στην ίδια ταχύτητα περιστροφής και θέση κανόνα της αντλίας πετρελαίου), για τον εντοπισμό των διαφορών ανάμεσα στις δύο καταστάσεις. Από τα αποτελέσματα της διερεύνησης αναδεικνύεται η σπουδαιότητα της υστέρησης του υπερπληρωτή (turbocharger lag), ενώ καθίσταται σαφές ότι η μεταβατική λειτουργία του κινητήρα δεν μπορεί να θεωρηθεί ως αλληλουχία σημείων μόνιμης λειτουργίας. Επιπλέον, προσδιορίζεται η επίδραση διαφόρων παραμέτρων (π.χ. ρυθμός επιτάχυνσης, θερμική κατάσταση κινητήρα) στις εκπομπές ρύπων και θορύβου της καύσης κατά την επιτάχυνση του κινητήρα, ενώ αναδεικνύεται ο διαφορετικός μηχανισμός σχηματισμού της αιθάλης σε μεταβατικές συνθήκες, σε σχέση με τις μόνιμες. Ακόμα, διαπιστώνεται μία ποιοτική συσχέτιση ανάμεσα στις εκπομπές NO και θορύβου της καύσης, τόσο κατά τη μόνιμη όσο και κατά τη μεταβατική λειτουργία του κινητήρα. Ακολούθως, μελετάται η τρίτη βασική περίπτωση μεταβατικής λειτουργίας των κινητήρων diesel, η εκκίνηση, η οποία είναι ιδιαίτερα σημαντική στους κινητήρες οχημάτων. Το κύριο ενδιαφέρον επικεντρώνεται στην ψυχρή εκκίνηση, λόγω των έντονων διαφοροποιήσεών της από οποιαδήποτε άλλη κατάσταση λειτουργίας του κινητήρα, ενώ περιλαμβάνονται και εκκινήσεις σε ενδιάμεσες θερμοκρασίες του ψυκτικού μέσου και διάφορες ταχύτητες περιστροφής άφορτης λειτουργίας (“ρελαντί”). Τα αποτελέσματα των πειραματικών μετρήσεων αναδεικνύουν και πάλι τη σπουδαιότητα της υστέρησης του υπερπληρωτή, η επίδραση της οποίας μεταβάλλεται ανάλογα με τις συνθήκες εκκίνησης (ταχύτητα περιστροφής και θερμική κατάσταση κινητήρα). Παράλληλα, φανερώνουν ένα ακόμα πολύ σημαντικό φαινόμενο, την αστάθεια της καύσης, η οποία είναι εντονότερη κατά την ψυχρή εκκίνηση. Επιπλέον, επισημαίνονται αφενός, οι υπερβολικά υψηλές εκπομπές αιθάλης και αφετέρου, η σημαντικότητα της μελέτης των εκπομπών NO κατά την (ψυχρή) εκκίνηση του κινητήρα. Στη συνέχεια, η διερεύνηση επεκτείνεται στην εξέταση της επίδρασης του τύπου του καυσίμου στις εκπομπές ρύπων και θορύβου της καύσης κατά τη μεταβατική λειτουργία του κινητήρα. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιούνται διάφορες επιταχύνσεις και μία εκκίνηση με μίγματα του πετρελαίου με βιοντήζελ ή βουτανόλη. Τα αποτελέσματα των πειραματικών μετρήσεων δείχνουν ότι κατά την επιτάχυνση του κινητήρα, τα δύο συγκεκριμένα καύσιμα έχουν ευνοϊκή επίδραση στις εκπομπές αιθάλης, με παράλληλη αύξηση των εκπομπών NO, ενώ οι εκπομπές του θορύβου της καύσης διαφοροποιούνται μόνο για το μίγμα της βουτανόλης. Ωστόσο, κατά την εκκίνηση του κινητήρα, το μίγμα του βιοντήζελ αυξάνει τις εκπομπές αιθάλης, ενώ για το μίγμα της βουτανόλης παρατηρούνται οι ίδιες τάσεις με την προηγούμενη περίπτωση μεταβατικής λειτουργίας. Τέλος, μετά την ολοκλήρωση της πειραματικής διερεύνησης, εφαρμόζεται ένας κώδικας προσομοίωσης της μεταβατικής λειτουργίας κινητήρων diesel που περιλαμβάνει την εκτίμηση των εκπομπών ρύπων. Ο κώδικας συντίθεται από μοντέλα και κώδικες που έχουν αναπτυχθεί σε άλλες εργασίες και διατριβές εντός του εργαστηρίου Μ.Ε.Κ. του Ε.Μ.Π., με σκοπό την προκαταρκτική αξιολόγηση των εκτιμήσεών του.

The current PhD thesis deals with the transient operation of turbocharged diesel engines, focusing on pollutant emissions and combustion noise radiation. Transient operation constitutes an extremely important operating condition, owing to its differentiations compared to steady-state operation, as well as due to its large contribution to the engine’s total emissions. The relevant phenomena are more prominent in vehicles engines (e.g. buses, trucks), whose operation is almost exclusively transient. The basic target of the current PhD thesis is the evaluation and interpretation of pollutant emissions and combustion noise radiation during transient operation, by studying the respective phenomena. Understanding the conditions under which high levels of pollutants and combustion noise are generated, constitutes the base for the development of systems and methods which are intended to their control. Thus, the current PhD thesis aims at a thorough examination of the mechanisms and phenomena taking place during transient operation of turbocharged diesel engines, as well as at pointing out the substantial differences compared to the respective steady-state conditions. The investigation is conducted on an experimental basis. The tests are realized on the test bed of a six-cylinder turbocharged diesel engine, which is installed in the Internal Combustion Engines (ICE) Laboratory of the National Technical University of Athens (NTUA). The specific engine is widely applied on vehicles (buses, trucks), a fact that renders it an ideal choice for the study of transient operation. A plethora of measuring devices is installed on the engine, in order to record continuously its basic operating parameters. Moreover, ultra-fast response exhaust gas analyzers are used, which are especially designed for transient measurements in internal combustion engines. In that way, continuous measurement of pollutant emissions is possible. The investigation concerns initially the two basic pollutants of diesel engines, namely nitric oxide (NO) and soot. The well established “trade-off” between these two pollutants, makes extremely important their combined examination during transient operation. Moreover, the investigation expands on another very important (but often neglected) diesel engine characteristic, namely combustion noise. During the last years, the study of combustion noise has attracted much attention, especially at vehicle applications, where noise is related to passengers and pedestrians discomfort. The investigation of the current PhD thesis includes a wide range of accelerations and load increases of a turbocharged diesel engine, with the main focus being on the former case, as the engine is intended for vehicle applications. Thus, a large number of acceleration tests are conducted, commencing from various initial conditions (engine speed and load), mimicking real vehicle acceleration under different gear in the gearbox. Additionally, some combined and complex speed and load transients are conducted, as parts of the legislated Transient Cycles. The investigation also includes a quasi-steady approximation of really measured pollutant emissions and combustion noise radiation with their respective values under steady-state conditions (operation at the same engine speed and fuel pump rack position). This methodology is applied in order to point out the substantial differences between steady-state and transient operation of a turbocharged diesel engine. The results of these tests make prominent the importance of turbocharger lag, the most notable phenomenon during turbocharged diesel engine transient operation. Moreover, it is made clear that turbocharged diesel engine transient operation can not be considered as a series of steady-state operating points. Additionally, the effect of various parameters (e.g. acceleration rate, engine thermal status) on pollutant emissions and combustion noise radiation is established. Also, the completely different soot formation mechanism between steady-state and transient operation is pointed out. Finally, a qualitative correlation between NO emissions and combustion noise radiation is revealed, at both steady-state and transient conditions. Afterwards, the third basic case of diesel engine transient operation is studied, namely starting, which is very important in vehicle applications. The main focus is on cold starting, owing to its great differentiations compared with any other operating condition of the engine. However, other starting tests are also included in the investigation, which are conducted at different coolant temperatures (engine thermal status) and idling speeds. The results of the starting tests make, once more, prominent the turbocharger lag phenomenon, the effect of which is varied according to the starting conditions (idling speed and engine thermal status). Additionally, another important phenomenon is revealed, namely combustion instability, which is more intense during cold starting. Concerning pollutant emissions, extremely high values of exhaust gas opacity are observed combined with high NO concentrations. Thus, contrary to the common belief, it is made clear that it is very important to study NO emissions during (cold) starting. Next, the investigation expands on the study of the effect of the fuel type on pollutant emissions and combustion noise radiation during diesel engine transient operation. To that aim, various acceleration tests as well as a starting one are conducted with the engine running on blends of diesel with biodiesel or n-butanol. The results of the experimental measurements show that during engine acceleration, these two specific blends have a positive effect on soot emissions, while an increase in NO emissions is observed. At the same time, combustion noise radiation is affected only by the n-butanol blend. However, during starting, biodiesel blend causes an increase in soot emissions, while the trends for the n-butanol blend are the same as with the previous transient case (i.e. acceleration). Finally, after completing the experimental investigation, a simulation code is applied. This code concerns diesel engine transient operation and includes pollutant emissions estimation. The final code is composed by two already existing codes, developed during other dissertations in the ICE laboratory of NTUA. The scope of its application is the preliminary evaluation of its estimations concerning pollutant emissions.