An evaluation of particle oxidation catalyst (POC) performance and a study of particle formation for sulphur containing diesel fuels

• Autorzy: Keskinen J. , Ronkko T. , Karjalainen P. , Happonen M. , Bielaczyc P. , Sala R. , Dzida J. , Kinnunen T. , Matilainen P. , Messing M.

Warianty tytułu

PL

Badania charakterystyki pracy reaktora katalitycznego utleniającego cząstki stałe (POC) oraz zjawiska formowania się cząstek stałych dla olejów napędowych z różną zawartością siarki

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper describes and analyses the overall impact of fuel sulphur content on particulate oxidation catalyst (POC) performance, focusing mainly on particulates emission reduction and the ability to regenerate. Studies were carried out for diesel fuels containing different levels of sulphur, covering the range from 6 to 340 parts per million. The results presented in this paper give an outlook on specific issues and problems associated with POC application when running on fuels containing high sulphur level. The test methodology was experimentally established and then applied for POC catalysts to run on different sulphur level fuels. Each fuel was tested on an identical fresh POC sample. It was observed that the Fuel Sulphur Content (FSC) significantly affects catalyst conversion efficiency, as well as the particle size distribution. It also has a remarkable influence on particulate matter (PM) mass accumulation inside the POC and on the ability of the POC to regenerate passively. Regarding the latter aspect, NO2 formation was also determined. Extended test results and analyses presented in this paper are presented in SAE technical paper 2012-01-0366.

PL

W artykule opisano analizę ogólnego wpływu olejów napędowych z dużą zawartością siarki na pracę reaktora katalitycznego utleniającego cząstki stałe (POC), skupiając się głównie na redukcji masy i liczby cząstek stałych i zdolności regeneracji reaktora po nagromadzeniu się w nim sadzy. Podstawą do przeprowadzenia badań opisanych w tej pracy jest występowanie oleju napędowego o wysokiej zawartości siarki w krajach rozwijających się, szczególnie w Azji. Podwyższona zawartość siarki skutkuje wzrostem emisji cząstek stałych, co stawia dodatkowe wymagania układom oczyszczania spalin. Jako prostą i niedrogą metodę ograniczania szkodliwej emisji stosuje się reaktor utleniający POC, który dzięki swej bezobsługowej konstrukcji pozwala jest możliwy do zastosowania nawet w użytkowanych już pojazdach. Przeprowadzone badania na paliwach o wysokiej zawartości siarki potwierdziły pozytywny wpływ zastosowania reaktor POC na poziom emisji cząstek stałych oraz jego bezawaryjność nawet przy wysokim poziomie załadowania sadzą. Badania przeprowadzono na silniku zamontowanym na stanowisku hamownianym w Zakładzie Badań Silników Instytutu BOSMAL w Bielsku-Białej. Do pomiarów emisji gazowych składników spalin wykorzystano zestaw analizatorów Horiba Mexa 7000, a stopień zadymienia spalin (FSN) mierzono za pomocą urządzenia AVL Smoke Meter. Pomiary liczby i średnic cząstek stałych były wykonywane przez specjalistów z Tampere Technical University przy zastosowaniu specjalistycznych urządzeń pomiarowych z firm TSI i Dekati. Badania wykonywano dla olejów napędowych o trzech różnych zawartościach siarki: 6, 65 i 340 ppm. Wyniki badań przedstawione w artykule dają ogólny pogląd na specyfikę i problemy związane z zastosowaniem reaktora POC do układu wydechowego silnika o zapłonie samoczynnym zasilanego paliwami o podwyższonej zawartości siarki. Metodyka badań została ustalona eksperymentalnie i przeprowadzona na reaktorach POC współpracujących z silnikiem o zapłonie samoczynnym wyposażonym w układ zasilania common rail oraz spełniających normę emisji Euro 4. Każde paliwo było testowane na identycznym, nowym reaktorze POC podłączonym do reaktora utleniającego DOC, który stanowił podstawowe wyposażenie badanego silnika. Pierwsza faza testu, zwana fazą załadowania, obejmowała 48 godzin pracy ciągłej silnika w ustalonym punkcie, w którym temperatura spalin, mierzona na wejściu do reaktora nie przekraczała 250 °C. Miało to na celu zasymulowanie skrajnie trudnych warunków pracy układu w intensywnym ruchu miejskim i nagromadzenie jak największej ilości sadzy wewnątrz reaktora POC. Powyższe warunki utrudniają lub wręcz uniemożliwiają zajście procesu regeneracji pasywnej POC. Druga faza testu - regeneracji, obejmowała analogiczną pracę silnika w czasie 1 godziny, przy czym temperatura spalin została podwyższona i wynosiła 400 °C. W takich warunkach pracy obserwowano proces i czas samooczyszczenia się POC podczas regeneracji pasywnej z nagromadzonych wcześniej cząstek stałych. Ilość zgromadzonej sadzy, w fazie załadowania, określana była za pomocą ciągłego pomiaru ciśnienia statycznego spalin przed i za POC. Intensywność wzrostu ciśnienia narastała wraz ze wzrostem zawartości siarki w paliwie. Po zakończeniu fazy załadowania wszystkie egzemplarze POC zostały zważone i potwierdziły się obserwacje wynikające ze wzrostu ciśnienia. Badania wykazały pogorszenie sprawności konwersji składników gazowych, takich jak węglowodory (THC) oraz tlenek węgla (CO) w temperaturze poniżej 250 °C wraz ze stopniem załadowania POC cząstkami stałymi. Jak przypuszczano, nie wykazano znaczącego wpływu reaktora na ogólną emisję tlenków azotu (NOx). Zaobserwowano natomiast zwiększenie udziału tlenku azotu (NO) w sumarycznym bilansie (NOx) za reaktorem POC. Zdolność reaktora do konwersji THC oraz CO wzrasta w sposób znaczący przy temperaturze spalin 400 °C, która wybrana została do regeneracji POC. Oczyszczaniu reaktora w początkowej fazie towarzyszy wzrost emisji cząstek stałych, który spada wraz z postępem procesu oczyszczania. Stwierdzono również znaczący wzrost redukcji suchych cząstek do około 50% (27 - 38% dla spalin o niskiej temperaturze w fazie załadowania).

Słowa kluczowe

EN

particle oxidation catalyst (POC); fuel sulphur content; particulate matter reduction; regeneration

PL

reaktor katalityczny utleniający cząstki stałe (POC); zawartość siarki w oleju napędowym; redukcja cząstek stałych; regeneracja

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Naukowe Silników Spalinowych
• Czasopismo: Silniki Spalinowe
• Rocznik: 2012
• Tom: R. 51, nr 2
• Strony: 66--74
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz.

Twórcy

autor

Keskinen J.

autor

Ronkko T.

autor

Karjalainen P.

autor

Happonen M.

autor

Bielaczyc P.

autor

Sala R.

autor

Dzida J.

autor

Kinnunen T.

autor

Matilainen P.

autor

Messing M.

• Department of Physics, Tampere University of Technology, Finland,

Bibliografia

• [1] Bielaczyc P., Keskinen J., Dzida J., Sala R. et al.: Performance of Particle Oxidation Catalyst and Particle Formation Studies with Sulphur Containing Fuels, SAE Int. J. Fuels Lubr. 5(2),2012, doi:10.4271/2012-01-0366.
• [2] Dockery D., Pope A., Xu X., Spengler J., Ware J., Fay M., Ferris B., Speizer F.: An Association between Air Pollution and Mortality in Six U.S. Cities. The New England Journal of Medicine 1993, 329, 1753-1759.
• [3] Pope C., Burnet R., Thun M., Calle E., Krewski D., Ito K., Thurston G.: Lung cancer, cardiopulmonary mortality, and long-term exposure to fine particulate air pollution. The Journal of the American Medical Association 2002, 287, 1132-1141.
• [4] Peters A., Dockery D., Muller J., Mittleman M.: Increased particulate air pollution and the triggering of myocardial infarction. Circulation 2001, 103, 2810-2815.
• [5] Ghi A., Kim C., Devlin R.: Concentrated ambient air particles induce mild pulmonary inflammation in healthy human volunteers. American Journal of Respiratory Critical Care Medicine 2000, 162, 981-988.
• [6] Saldiva P., Clarke R., Coull, Stearns R., Lawrence J., Murthy G., Diaz E., Koutraki P., Suh H.,Tsuda A., Godlesi J.: Lung inflammation induced by concentrated ambient air particles is related to particle composition. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine 2002, 165, 1610-1617.
• [7] Dybdahl M., Risom L., Bornholdt J., Autrup H., Loft S., Wallin H.: Inflammatory and genotoxic effects of diesel particles in vitro and in vivo. Mutation Research 2004, 562, 119-131.
• [8] Mazzarella G., Ferraraccio F., Prati M., Annunziata S., Bianco A., Mezzogiorno A., Liguori G., Angelillo I., Cazzola M.: Effects of diesel exhaust particles on human lung epithelial cells: An in vitro study. Respiratory Medicine 2007, 101, 1155-1162.
• [9] Crüts B., Etten L., Törnqvist, H., Blomberg A., Sandstöm T., Mills N., Borm P.:Exposure to diesel exhaust induces changes in EEG in human volunteers. Particle and Fibre Toxicology 2008, 5, 4.
• [10] Bielaczyc P., Merkisz J., Kozak M.: Analysis of the Influence of Fuel Sulphur Content on Diesel Engine Particulate Emissions, SAE Technical Paper 2002, 2002-01-2219.
• [11] Bielaczyc P., Kozak M., Merkisz J.: Effects of Fuel Properties on Exhaust Emissions from the Latest Light-Duty DI Diesel Engine, JSAE 20030355, SAE Technical Paper 2003, 2003-01-1882.
• [12] Kittelson D.B.: Engines and nanoparticles: a review, Journal of Aerosol Science 1998, 29, 5-6, 575-588.
• [13] Heikkilä, J., Virtanen, A., Rönkkö, T., Keskinen, J., Aakko-Saksa, P., Murtonen, T. Nanoparticle Emissions from a Heavy-Duty Engine Running on Alternative Diesel Fuels, Environmental Science & Technology 2009, 43, 9501-9506.
• [14] Rönkkö T., Virtanen A., Vaaraslahti K., Keskinen J., Pirjola L., Lappi M.: Effect of dilution conditions and driving parameters on nucleation mode particles in diesel exhaust: Laboratory and on-road study. Atmospheric Environment 2006, 40, 2893-2901.
• [15] Vogt R., Scheer V., Casati R., Benter T.: On-Road Measurement of Particle Emission in the Exhaust Plume of a Diesel Passenger Car. Environmental Science and Technology 2003, 37, 4070-4076.
• [16] Rönkkö T., Virtanen A., Kannosto J., Keskinen J., Lappi M., Pirjola L.: Nucleation mode particles with a nonvolatile core in the exhaust of a heavy duty diesel vehicle. Environmental Science and Technology 2007, 41, 6384-6389.
• [17] Filippo A.D., Maricq M.M. : Diesel Nucleation Mode Particles: Semi-volatile or Solid? Environmental Science and Technology 2008, 42, 7957-7962.
• [18] Uhrner U., von Löwis S., Vehkamäki H., Wehner B., Bräsel S., Hermann M., Stratmann F., Kulmala M., Wiedensohler A.: Dilution and aerosol dynamics within a diesel car exhaust plume-CFD simulations of on-road measurement conditions. Atmospheric Environment 2007, 41, 7440-7461.
• [19] Lemmetty M., Pirjola L., Rönkkö T., Virtanen A., Keskinen J.: The effect of sulphur in diesel exhaust aerosol: models compared with measurements. Aerosol Science and Technology 2008, 42, 916-929.
• [20] Maricq M., Chase R., Xu N., Laing P.: The Effects of the Catalytic Converter and Fuel Sulfur Level on Motor Vehicle Particulate Matter Emissions: Light Duty Diesel Vehicles. Environmental Science and Technology 2002, 36, 283-289.
• [21] Schneider J., Hock N., Weimer S., Borrmann S., Kirchner U., Vogt R., Scheer V.: Nucleation Particles in Diesel Exhaust: Composition Inferred from In Situ Mass Spectrometric Analysis. Environmental Science and Technology 2005, 39, 6153-6161.
• [22] Lehtoranta K., Matilainen P., Åsenbrygg J.M., Lievonen A., Kinnunen T.J.J.: Particle Oxidation Catalyst in Light Duty and Heavy-Duty Diesel Applications. Society of Automotive Engineers (SAE) Technical Paper 2007, 2007-24-0093.
• [23] Lehtoranta K., Matilainen P., Kinnunen T.J.J., Heikkilä J., Rönkkö T., Keskinen J.: Diesel Particle Emission Reduction by a Particle Oxidation Catalyst. Society of Automotive Engineers (SAE) Technical Paper 2009,2009-01-2705.
• [24] Lähde T., Rönkkö T., Happonen M., Söderström C., Virtanen A., Solla A., Kytö M., Rothe D., Keskinen J.: Effect of Fuel Injection Pressure on a Heavy-Duty Diesel Engine Non-volatile Particle Emission. Environ. Sci. Technol. 2011.
• [25] Karjalainen P., Heikkilä J., Rönkkö T., Keskinen J., Lehtoranta K., Matilainen P., Kinnunen T.: Effect of Exhaust Flow Conditions and External Cooling on the Performance of the Particle Oxidation Catalyst (POC), SAE Technical Paper Series 2010, 2010-01-2158.
• [26] Wang S.C., Flagan R.C.: Scanning Electrical Mobility Spectrometer, Aerosol Science and Technology 1990, 13, 230-240.
• [27] Chen D.R., Pui D., Hummes D., Fissan H., Quant F., Sem G.: Design and Evaluation of a Nanometer Aerosol Differential Mobility Analyzer (Nano-DMA), J. Aerosol Sci.1998, 29, 497-509.
• [28] Happonen M., Lähde T., Messing M.E., Sarjovaara T., Larmi M., Wallenberg L.R., Virtanen A., Keskinen J.: The comparison of particle oxidation and surface structure of diesel soot particles between fossil fuel and novel renewable diesel fuel, Fuel 2010, 89, 4008-4013.
• [29] Su D.S., Müller J.O., Jentoft R.E., Rothe D., Jacob E., Schlögl R.: Fullerene-like soot from Euro IV diesel engine: consequences for catalytic automotive pollution control. Topics in Catalysis 2004, 30 (1), 241-245.