Badania układów katalitycznego oczyszczania spalin

Badania odporności mechanicznej układu wydechowego na wibracje

Układy wydechowe, ze względu na połączenie z silnikiem spalinowym, są poddane ciągłym wibracjom. W konsekwencji w układach tych powstają cykliczne naprężenia, które prowadzą do pęknięć zmęczeniowych. Zespół reaktora katalitycznego, w którym ceramiczny wkład zabudowany jest w metalową obudowę jest szczególnie podatny na uszkodzenia wynikające w wibracji. Zespoły te muszą być poddane walidacji ze względu na ich wytrzymałość zmęczeniową. Próby trwałościowe konkretnego zespołu reaktora katalitycznego, czy filtra cząstek stałych poprzedzają pomiary wibracji. Pomiary te wykonywane są za pomocą trójosiowych akcelerometrów umieszczonych w miejscach uważanych za najbardziej narażone na działanie wibracji. Z analizy otrzymanych wyników wyznacza się prędkości obrotowe silnika, przy których wibracje osiągają krytyczne częstotliwości rezonansowe. Otrzymane wartości prędkości obrotowych są podstawą do wyznaczenia profilu testu, któremu będzie poddany układ wydechowy. Czas trwania testu zależny jest od wymaganej liczby cykli przemieszczeń, którą powinien wytrzymać badany element.

Badania i rozwój reaktorów katalitycznych oraz filtrów cząstek stałych DOC, NSC, DPF Euro 6

Badania układów oczyszczania spalin silników spalinowych prowadzone na stanowiskach hamownianych pozwalają na walidację, ocenę i rozwój badanych zespołów. Pomiary składu spalin odbywają się przy użyciu najwyższej klasy aparatury pomiarowej. Możliwy jest pomiar stężeń gazowych składników spalin takich jak węglowodory THC, metan CH4, tlenki azoty NOx, NO, NO2, tlenek węgla CO, dwutlenek węgla CO2, tlen O2, amoniak NH3 oraz podtlenek azotu N2O. Określenie ilości cząstek stałych obywa się poprzez pomiar masy cząstek PM, liczby cząstek PN, rozkład wielkości cząstek oraz zadymienie i nieprzeźroczystość spalin. Pomiary sprawności układu oczyszczania spalin mogą być prowadzone zarówno według znormalizowanych procedur homologacyjnych jak również według procedur indywidualnie ustalanych na potrzeby testu. Reaktory katalityczne i filtry mogą być poddane próbom trwałościowym i starzeniom, których celem jest określenie żywotności lub kierunku rozwoju badanego zespołu.

Badania i rozwój układów SCR Euro 6

Układy selektywnej redukcji katalitycznej coraz powszechniej stosowane w układach oczyszczania spalin wymagają zaawansowanych metod badawczych i walidacyjnych. Optymalizacja strategii dozowania czynnika Adblue w zależności od temperatury spalin oraz stopnia nasycenia reaktora SCR wymaga szczegółowych badań sprawności redukcji tlenków azotu oraz ewentualnej emisji amoniaku, tzw. ammonia slip. Kolejnym rodzajem badań jest ocena wytrącania osadów stałych czynnika Adblue w układzie wydechowym, inspekcja przeprowadzana jest wizualnie przy użyciu wideoskopu. Niejednorodność rozkładu czynnika Adblue na powierzchni reaktora może zostać określona dzięki pomiarom automatyczną sondą próbkującą.

Próby starzenia i degradacji reaktorów katalitycznych TWC (benzyna, CNG, LPG)

Starzenie oraz degradacja trójfunkcyjnych reaktorów katalitycznych (TWC) przeprowadzane są na stanowisku hamownianym do stacjonarnych badań silników spalinowych. Taki rodzaj badań cechuje duża oszczędność czasu oraz kosztów w stosunku do badań drogowych.
Starzenie reaktora może przebiegać według różnych procedur, np. odwzorowanie autostradowego cyklu jezdnego lub praca silnika pod dużym obciążeniem. Celem badań jest określenie lub sprawdzenie żywotności reaktora oraz zmian jego sprawności na różnych etapach starzenia. W trakcie procedury starzenia dokonuje się cyklicznych pomiarów sprawności reaktora katalitycznego w testach emisyjnych. Testy te mogą odbywać się na silniku na stanowisku hamownianym wyposażonym w zestaw analizatorów spalin lub w samochodzie w laboratorium pomiaru emisji spalin. Testy emisyjne mogą zostać przeprowadzone według znormalizowanych procedur np. homologacyjnych lub według procedur indywidualnie ustalonych dla konkretnego planu badań.

Reaktor TWC może również zostać poddany próbie degradacji. W odróżnieniu od starzenia, cykl degradacji reaktora cechuje sztuczna zmiana parametrów spalin które trafiają do reaktora. Spaliny emitowane przez silnik wzbogacane są w powietrze, co intensyfikuje proces utleniania w reaktorze. W konsekwencji reaktor poddany jest bardzo wysokiej temperaturze sięgającej 1200°C, a czas degradacji jest relatywnie krótki. Dostępna jest uproszczona metodyka określająca stopień degradacji reaktora przez pomiar jego zdolności akumulacji tlenu. Bardziej szczegółowe badania sprawności mogą być przeprowadzone według tych samych procedur co przy starzeniu.
Trójfunkcyjne reaktory katalityczne (TWC) stosowane są w silnikach o zapłonie iskrowym. Istnieje możliwość prowadzenia badań przy użyciu silników zasilanych benzynami: RON95, RON98, E85 lub gazami CNG i LPG. Badania mogą być przeprowadzone przy użyciu silników dostarczonych przez klientów, jak również zastosowane mogą być silniki będące własnością BOSMAL.

Próby starzenia systemów katalitycznych DOC+DPF, SCR

Starzenie systemów katalitycznego oczyszczania spalin w silnikach o zapłonie samoczynnym przeprowadzane są na stanowisku hamownianym do stacjonarnych badań silników spalinowych. Taki rodzaj badań cechuje duża oszczędność czasu oraz kosztów w stosunku do badań drogowych. Starzeniom poddawane są reaktory utleniające (DOC), filtry cząstek stałych (DPF) oraz reaktory selektywnej redukcji katalitycznej (SCR).

Starzenie reaktorów utleniających (DOC) przeprowadzane jest w cyklach pracy o podwyższonej temperaturze spalin. Temperatura oraz przepływ masowy spalin mogą być regulowane w zależności od wymagań testu.

Starzenie filtrów cząstek stałych (DPF) jest przyspieszoną procedurą starzenia. Do filtra wprowadzane są spaliny o podwyższonej zawartości cząstek stałych. Pozwala to na skrócenie czasu potrzebnego do zakumulowania cząstek w filtrze. Następnie dokonywana jest aktywna regeneracja filtra, która dla wzmocnienia efektu starzenia może przebiegać w podwyższonej temperaturze.

Starzenie reaktorów selektywnej redukcji katalitycznej (SCR) przeprowadzane jest w cyklach o zmiennych parametrach masowego przepływu, temperatury spalin oraz wielkości dozowanego czynnika AdBlue. Zmiany temperatury oraz stopnia nasycenia reaktora amoniakiem prowadzą do przyspieszonego zużycia.

Procedury starzenia cechuje cykliczny pomiar sprawności reaktorów i filtrów w testach emisyjnych. Testy te mogą odbywać się na silniku na stanowisku hamownianym wyposażonym w zestaw analizatorów spalin lub w samochodzie w laboratorium pomiaru emisji spalin. Testy emisyjne mogą zostać przeprowadzone wg znormalizowanych procedur np. homologacyjnych lub według procedur indywidualnie ustalonych dla konkretnego planu badań.

Optymalizacja dozowania amoniaku dla aplikacji z SCR

Dozowanie czynnika AdBlue w systemach SCR jest szczególnie trudne ze względu na możliwość wytrącania osadów mocznika wewnątrz układu wydechowego. Problemem jest również nadmierna emisja amoniaku za reaktorem tzw. ammonia slip. Prowadzone są intensywne prace badawczo-rozwojowe mające na celu ograniczenie występowania niepożądanych zjawisk. Jednym ze sposobów jest optymalizacja algorytmu sterowania wtryskiem AdBlue lub też modyfikacja układu dozowania. Badane są również rozwiązania nowatorskie polegające np. na ogrzaniu i odparowaniu czynnika AdBlue przed wprowadzeniem go do strumienia spalin przed reaktorem SCR.

Pomiar rozkładu amoniaku na powierzchni czołowej reaktora SCR

Uzyskanie wysokiej jednorodności rozkładu czynnika AdBlue dozowanego do układu wydechowego jest dużym wyzwaniem konstrukcyjnym. Niejednokrotnie symulację rozkładu amoniaku na powierzchni reaktora selektywnej redukcji katalitycznej (SCR) okazują się niewystarczające i najlepszym rozwiązaniem dla optymalizacji konstrukcji są pomiary niejednorodności rozkładu. Pomiary odbywają się przy użyciu automatycznej sondy próbkującej, która pozwala odwzorować dowolną siatkę punktów na tylnej powierzchni reaktora SCR. Wykonuje się pomiary stężeń amoniaku i tlenków azotu, na podstawie których można ocenić niejednorodność ich rozkładu. Możliwy jest również pomiar pozostałych składników gazowych spalin. Uzyskane wyniki w sposób jednoznaczny określają miejsca zbyt bogate i ubogie w amoniak, jasno określając konieczne korekty.

Pomiar emisji spalin w testach homologacyjnych np. WHTC, WHSC, NTE, NRSC, NRTC

Pomiary emisji spalin w testach homologacyjnych odbywają się na hamowni silnikowej według najnowszych międzynarodowych standardów dla silników typu heavy duty. Przeprowadzane są ujednolicone testy WH (World Harmonized) do aplikacji drogowych zarówno dynamiczne (WHTC) oraz stacjonarne (WHSC), których wyniki respektowane są w większości światowych rynków. Przeprowadzane są również testy dla aplikacji poza drogowych i morskich typu NRSC, NRTC oraz NTE wymagane przez EPA.

Badania masy (PM), liczby (PN) oraz rozkładu wielkości cząstek stałych

Pomiary masy cząstek stałych (PM) emitowanych na stanowisku hamownianym odbywają się metodą grawimetryczną przy użyciu tunelu CVS o częściowym rozrzedzeniu. Ważenie osadów zgromadzonych na filtrach wykonywane jest przy użyciu wagi o dokładności tysięcznych części miligrama, co pozwala na pomiary cząstek emitowanych przez silniki spełniające normę Euro 6. Najnowsze limity emisji spalin określają również maksymalną liczbę cząstek (PN), którą dopuszcza się w poszczególnych testach homologacyjnych. Pomiar liczy cząstek może odbywać się zarówno w spalinach nierozcieńczonych jak i rozcieńczonych. Dla dokładniejszej analizy składu cząstek emitowanych przez silnik możliwy jest pomiar rozkładu wielkości cząstek za pomocą spektrometru.