Studium wpływu komponentów tlenowych oleju napędowego na emisję toksycznych składników spalin z silników o zapłonie samoczynnym

Niniejsza praca dotyczy zastosowania paliw tlenowych w celu zmniejszenia toksyczności spalin z silników o zapłonie samoczynnym. W pracy dokonano analizy mechanizmów powstawania toksycznych składników spalin w procesie roboczym silnika ZS i wpływu na nie związków tlenowych zawartych w oleju napędowym. Szczególną uwagę poświęcono cząstkom stałym, ponieważ jest to najbardziej szkodliwy składnik spalin i jednocześnie ten, który w znacznej mierze może być ograniczony dzięki zastosowaniu paliw tlenowych. Wykazano, że duża skuteczność wprowadzonego do paliw tlenu w redukcji emisji PM wynika z jego oddziaływania na proces tworzenia cząstek w początkowej jego fazie.
Dokonano analizy właściwości fizykochemicznych potencjalnych komponentów tlenowych olejów napędowych i na jej podstawie wytypowano do badań eksperymentalnych 12 związków tlenowych, należących do takich grup chemicznych, jak: etery glikoli, maleiniany, węglany i alkohole. Przedstawiono wyniki badań wpływu paliw tlenowych na emisję toksycznych składników spalin w warunkach dynamicznych cykli homologacyjnych na hamowni podwoziowej (samochód osobowy z silnikiem ZS, cykle NEDC i FTP-75) oraz w warunkach rzeczywistej eksploatacji (autobusy miejskie: konwencjonalny i hybrydowy). Ogółem w badaniach zastosowano 22 warianty paliw tlenowych. Ustalono zależności między zawartością poszczególnych związków tlenowych w paliwie, warunkami cyklu badawczego oraz emisją toksycznych składników spalin. Dokonano oceny wpływu na emisję paliw zawierających pojedyncze związki tlenowe oraz ich pakiety. Wykonano analizę modalną wyników badań, pozwalającą na szczegółowe wnioskowanie o wpływie chwilowych warunków pracy silnika na skuteczność paliw tlenowych w redukcji emisji toksycznych składników spalin.
Wykonane studia i badania eksperymentalne wykazały, że zastosowanie paliw tlenowych do silników ZS powoduje znaczne zmniejszenie emisji PM, przy niewielkim zwiększeniu emisji NOx. Zmiany w emisji CO i HC zależą nie tylko od zawartości tlenu w paliwie, ale także od zdolności do samozapłonu zastosowanych związków tlenowych. Stosowanie paliw tlenowych nie ma wpływu na poziom emisji CO2.
Spośród analizowanych związków tlenowych najkorzystniejsze zmiany w emisji, tj. znaczne zmniejszenie emisji PM, CO i HC, przy nieznacznym zwiększeniu NOx, zapewniają związki z grupy eterów glikoli. Taki charakter zmian w emisji, dzięki korzystnym zmianom we współzależności PM i NOx, pozwala na uzyskanie jednoczesnej redukcji emisji obu tych składników, co jest nieosiągalne przy zastosowaniu wielu innych metod ograniczania emisji.

Streszczenie 5 Wykaz symboli i oznaczeń 6 1. Wstęp 9 2. Problem badawczy 14 2.1. Istota problemu 14 2.2. Cel i zakres pracy 14 3. Mechanizmy powstawania toksycznych składników spalin silników o zapłonie samoczynnym i wpływ na nie związków tlenowych 16 3.1. Cząstki stałe 16 3.1.1. Uwagi ogólne o cząstkach stałych 16 3.1.2. Mechanizm powstawania sadzy 17 3.1.3. Mechanizm wpływu związków tlenowych na proces powstawania sadzy 28 3.2. Tlenki azotu 39 3.3. Tlenek węgla 44 3.4. Węglowodory 47 4. Wymagania stawiane związkom tlenowym stosowanym jako komponenty olejów napędowych 51 5. Analiza wyników badań samochodu osobowego zasilanego paliwami tlenowymi 53 5.1. Metodyka badań 53 5.1.1. Zakres badań 53 5.1.2. Paliwa badawcze 54 5.1.3. Warunki prowadzenia badań 60 5.1.4. Niepewność pomiarowa emisji składników spalin 67 5.2. Badania wstępne wpływu związków tlenowych na emisję toksycznych składników spalin 68 5.3. Ocena wpływu związków tlenowych w zależności od ich zawartości w paliwie 79 5.4. Wpływ związków tlenowych na emisję toksycznych składników spalin w warunkach różnych cykli badawczych 81 5.5. Badania paliw zwierających pakiety związków tlenowych 84 5.6. Analiza modalna wybranych wyników badań 88 5.6.1. Uwagi wstępne 88 5.6.2. Analiza emisji w cyklach elementarnych 89 5.6.3. Analiza pomiarów ciągłych emisji 92 6. Analiza wyników badań autobusów miejskich zasilanych paliwami tlenowymi 97 6.1. Charakterystyka warunków badań 97 6.2. Badania konwencjonalnego niskoemisyjnego autobusu miejskiego 102 6.3. Badania hybrydowego autobusu miejskiego 104 7. Wnioski 106 Bibliografia 109