Διερεύνηση των εκπομπών ρύπων κατά τη μεταβατική λειτουργία κινητήρων diesel

Abstract

The target of the current PhD thesis is the evaluation and interpretation of exhaust emissions and combustion noise during transient operation of turbocharged diesel engines, by studying the relevant phenomena and pointing out the substantial differences compared to the respective steady-state condition. The investigation consists of experimental measurements which are conducted on the test-bed of a six cylinder turbocharged diesel engine. Various measuring devices are installed in order to record continuously the engine’s operating parameters. Ultra fast response exhaust gas analyzers are used for the continuous measurement of pollutant emissions. The investigation includes nitric oxide (NO) and soot, as well as combustion noise, which has attracted much attention during the last years. The investigation focuses on acceleration, since the engine is intended for vehicle applications. Various accelerations are conducted commencing from different initial conditions, mimicking real vehicle acceleration with different gear. Moreover, the really measured values of exhaust emissions are compared with their steady-state counterparts in order to identify the crucial differences between the two operating conditions. The results point out turbocharger lag, while it is made clear that transient operation can not be considered as a series of steady-state operating points. The different formation mechanism of soot between transient and steady-state conditions is revealed, while a qualitative correlation between NO emissions and combustion noise is observed. Afterwards, engine starting is studied, with the main focus being on cold starting. Various other starting tests are included, which are conducted at different coolant temperatures and idling speeds. The results point out turbocharger lag, the effect of which is varied according to the starting conditions. Additionally, combustion instability is revealed, which is more intense during cold starting. Moreover, extremely high values of exhaust opacity are observed combined with high NO concentrations in the exhaust gas. The investigation also includes accelerations and a starting with blends of diesel with biodiesel or butanol. The results show that during acceleration soot emissions are lowered, NO emissions are higher, while combustion noise is affected only by the butanol blend. During starting, the only difference is that the biodiesel blend increases soot emissions.

Ο στόχος της παρούσας διατριβής είναι η αξιολόγηση και η ερμηνεία των εκπομπών ρύπων και θορύβου της καύσης κατά τη μεταβατική λειτουργία υπερπληρωμένων κινητήρων diesel, εμβαθύνοντας στα σχετικά φαινόμενα και αναδεικνύοντας τις ουσιώδεις διαφορές από την αντίστοιχη μόνιμη κατάσταση. Η διερεύνηση περιλαμβάνει πειραματικές μετρήσεις, οι οποίες διεξάγονται στην κλίνη εξακύλινδρου υπερπληρωμένου κινητήρα diesel οχήματος. Στον κινητήρα εγκαθίστανται μετρητικές διατάξεις για την καταγραφή των λειτουργικών του παραμέτρων και αναλυτές καυσαερίων υπερταχείας απόκρισης για τη συνεχή μέτρηση των στιγμιαίων εκπομπών ρύπων. Η διερεύνηση περιλαμβάνει το μονοξείδιο του αζώτου (NO) και την αιθάλη, καθώς και το θόρυβο της καύσης, η μελέτη του οποίου έχει προσελκύσει μεγάλο ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια. Η διερεύνηση επικεντρώνεται στην επιτάχυνση του κινητήρα, λόγω της εφαρμογής του σε οχήματα. Εκτελούνται μεταβολές από διάφορες αρχικές συνθήκες αντιπροσωπεύοντας την επιτάχυνση ενός οχήματος με διαφορετική σχέση μετάδοσης. Επίσης, οι πραγματικά μετρημένες εκπομπές ρύπων συγκρίνονται με εκείνες των αντίστοιχων μόνιμων συνθηκών, για τον εντοπισμό των διαφορών ανάμεσα στις δύο καταστάσεις. Τα αποτελέσματα αναδεικνύουν την υστέρηση του υπερπληρωτή, ενώ καθίσταται σαφές ότι η μεταβατική λειτουργία δεν μπορεί να θεωρηθεί ως αλληλουχία σημείων μόνιμης λειτουργίας. Ακόμα, αναδεικνύεται ο διαφορετικός μηχανισμός σχηματισμού της αιθάλης ανάμεσα σε μεταβατικές και μόνιμες συνθήκες, ενώ διαπιστώνεται συσχέτιση ανάμεσα στις εκπομπές NO και θορύβου της καύσης. Ακολούθως, μελετάται η εκκίνηση του κινητήρα. Το κύριο ενδιαφέρον επικεντρώνεται στην ψυχρή εκκίνηση, ενώ περιλαμβάνονται και εκκινήσεις σε διάφορες θερμοκρασίες του ψυκτικού και ταχύτητες περιστροφής (“ρελαντί”). Τα αποτελέσματα αναδεικνύουν την υστέρηση του υπερπληρωτή, η επίδραση της οποίας μεταβάλλεται ανάλογα με τις συνθήκες εκκίνησης. Παράλληλα, φανερώνουν την αστάθεια της καύσης, η οποία είναι έντονη στην ψυχρή εκκίνηση. Ακόμα, επισημαίνονται οι πολύ υψηλές εκπομπές αιθάλης και η σημαντικότητα της μελέτης των εκπομπών NO κατά την εκκίνηση του κινητήρα. Η διερεύνηση περιλαμβάνει επιταχύνσεις και εκκίνηση με μίγματα του πετρελαίου με βιοντήζελ ή βουτανόλη. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι κατά την επιτάχυνση, οι εκπομπές αιθάλης μειώνονται, οι εκπομπές NO αυξάνονται, ενώ ο θόρυβος της καύσης επηρεάζεται μόνο από το μίγμα της βουτανόλης. Η μόνη διαφορά κατά την εκκίνηση είναι ότι το μίγμα του βιοντήζελ αυξάνει τις εκπομπές αιθάλης.