Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Green propulsion research at TNO the Netherlands

Mayer A., Wieling W.

Transactions on Aerospace Research

|

2018

|

Nr 4 (253)

5--32

EN

This paper describes the recent theoretical and experimental research by the Netherlands Organisation for Applied Scientific Research (TNO) into green replacements for hydrazine, hydrazine derivatives and nitrogen tetroxide, as propellants for inspace propulsion. The goal of the study was to identify propellants that are capable of outperforming the current propellants for space propulsion and are significantly less hazardous for humans and the environment. Two types of propellants were investigated, being monopropellants and bipropellants. The first section of the paper discusses the propellant selection. Nitromethane was found to be the most promising monopropellant. As bipropellant, a combination of hydrogen peroxide (HP) and ethanol was selected, where the ethanol is rendered hypergolic with hydrogen peroxide. The second part of the paper describes the experimental verification of these propellants by means of engine testing. Initiation of the decomposition of nitromethane was found to be problematic, hypergolic ignition of the hydrogen peroxide and ethanol bipropellant however was successfully demonstrated.

PL

W niniejszym artykule opisano wyniki najnowszych teoretycznych i eksperymentalnych badań Holenderskiej Organizacji Stosowanych Badań Naukowych (TNO) na rzecz ekologicznych zamienników hydrazyny, pochodnych hydrazyny i tetratlenku diazotu, jako materiałów do napędu rakietowego. Celem badań była identyfikacja materiałów napędowych, mogących osiągnąć lepsze wyniki niż obecne paliwa rakietowe i będąc jednocześnie mniej niebezpiecznymi dla ludzi i środowiska. Zadano dwa typy materiałów pędnych, tak zwane „monopropellant” i „bipropellant”. W pierwszej części artykułu omówiono wybór materiału pędnego. Nitrometan okazał się najbardziej obiecującym materiałem typu „monopropellant”. Jako „bipropellant” wybrano połączenie nadtlenku wodoru (HP) i etanolu, w którym etanol zmodyfikowano hypergolicznie nadtlenkiem wodoru. W drugiej część artykułu opisano eksperymentalną weryfikację zastosowania materiałów napędowych za pomocą testów silnika. Pomimo początkowych problemów z rozkładem nitrometanu, udowodniono hipergoliczny zapłon nadtlenku wodoru i zademonstrowano „bipropellant” etanolowy.

2

PN-emissions with increased lube oil consumption of GDI car with/without GPF

Czerwinski J., Comte P., Güdel M., Kurzwart M., Mayer A.

Journal of KONES

|

2017

|

Vol. 24, No. 1

102--112

EN

The particle number (PN) emissions are increasingly considered in the progressing exhaust gas legislation for onand off- road vehicles. The invisible nanoparticles penetrate like a gas into the living organisms and cause several health hazards. The present paper shows how the PN- and gaseous emissions of a modern GDI (Abbreviations see at the end of this paper) vehicle change, when there is an in-creased lube oil consumption. What are the potentials of a gasoline particle filter to reduce the emissions? The lube oil consumption was simulated by mixing 2% vol. lube oil into the fuel. A non-coated GPF was mounted at tailpipe, so only the filtration effects were indicated. The tests were performed at transient (WLTC) and at stationary (SSC) operating conditions. It has been shown that the increased lube oil consumption significantly increases the PN-emissions and the applied high quality GPF eliminates these emissions very efficiently.

3

Investigations of emissions of reactive substances NO2 and NH3 from passenger cars

Czerwinski J., Comte P., Güdel M., Lemaire J., Mayer A., Heeb N., Berger H., Reutimann F.

Combustion Engines

|

2016

|

R. 55, nr 3

24--33

EN

Public concern and complaints regarding ambient air in zones of dense traffic pertains to two compounds of nitrogen, nitrogen dioxide (NO2) and ammonia (NH3); both are toxic and strongly irritant, such that legal limitations are under discussion. This paper contributes to measuring methods as already in part proposed by GRPE subgroup WLTP-DTP (Worldwide Light Duty Test Procedures – Diesel Test Procedures) for NO2. Despite legally lowered NOx emission levels, lumping both, NO2 and NO, levels of NO2 have risen in cities and agglomerations as a result of both, deployed catalytic exhaust after-treatment devices and low sulphur Diesel fuels. In present tests two different combinations of NO2 measuring methods as proposed by WLTP were checked on Diesel cars for practicability in handling and accuracy. These integral, indirect methods (NO2 = NOx – NO) have been found as useful tools for estimate of NO2 and with use of appropriate analyzers a satisfactory accuracy was attained. Furthermore, attention was brought to ammonia (NH3) emitted by gasoline engines with three way catalysts (TWC) which ought not to be ignored while on the other hand SCR systems for Diesel engines are strictly regulated. Emission levels of more recent TWC turned out to be mostly below 20 ppm NH3. Vehicle of older technology exhibited significantly higher levels, about 10 times more. As chemical reactions depend on pressure and temperature (= i.e. flow condition in CVS-tunnel) as well as concentrations, doubts need to be considered on accuracy of results based on chemical reactive substances. Nevertheless, clear tendencies regarding changes of concentrations of NO2 and NH3 along the path-way could not be observed.

4

Non-Legislated Emissions of SI Passenger Car with Ethanol Blend Fuels E10 & E85

Czerwinski J., Comte P., Stępień Z., Oleksiak S., Mayer A., Heeb N.

Prace Naukowe Instytutu Nafty i Gazu

|

2015

|

nr 204

108--123

EN

The well-balanced use of alternative fuels worldwide is an important objective for the sustainable development of individual transportation. Several countries have set objectives to substitute a part of the energy of traffic by ethanol as the renewable energy source. The global share of Bioethanol used for transportation is continuously increasing. Investigations of limited and unregulated emissions of a flex fuel vehicle with gasoline- thanol blend fuel, have been performed in the present work according to the measuring procedures, which were established in the previous research, in the Swiss Network. The investigated fuel contained ethanol (E), in portions of 10% and 85% by volume. The investigated vehicle represented a newer state of technology and an emission level of Euro 5. The engine works with homogenous GDI concept and with 3-W-catalyst (3WC). Since there is special concern about particle emissions of gasoline cars with direct injection, the nanoparticle counts measurements were systematically performed with Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) at stationary and with Condensation Particle Counter (CPC) at dynamic operation. The non-legislated gaseous emissions were tested with Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), with special focus on NH3, N2O and HCHO (Formaldehyde). The main results to be mentioned are: • the particle counts emissions are generally significantly reduced with Ethanol blend fuels at all operating conditions, • in Worldwide Light-duty Test Cycle (WLTC) there is a clear increase of NH3 with E85 and an insignificant tendency of increasing NH3 with E10, • with all fuels (E0, E10 & E85) there are no emissions of N2O and no increase of HCHO (below 1 ppm) observed, in WLTC warm. The present research did not address the durability aspects and cold startability in extreme conditions.

5

Effects of fuel tracing on nanoparticles from a Diesel engine

Czerwinski J., Mayer A., Wischer A.

Combustion Engines

|

2015

|

R. 54, nr 1

3--10

EN

Nanoparticles from a HD-Diesel engine and their composition were investigated in the present paper. Three variants of fuel additivities were applied to allow the balances of certain tracer-substances after the tests: 2% of additives-free lube oil; 2% of market lube oil with additive package and Fe-based regeneration additive (FBC) with 40 ppm Fe. The analysed SMPS particle size distributions indicated that by blending of the market lube oil to the fuel the combined effects of metals or metal oxides from the additive packages and of the heavy HC’s from the lube oil matrix contribute the most to the increase of nuclei mode. From the masses of Fe, Zn and Ca, which were introduced with the fuel, only parts were found as integral masses at all ELPI-stages – Fe 43.5%, Zn 36.6%, Ca 65.5%. The majority of mass of some metals, or metal oxides emissions on ELPI-stages (up to 80%) is in the size ranges below 100 nm.

6

Nanoparticle research on four gasoline cars

Czerwinski J., Comte P., Mayer A.

Journal of KONES

|

2014

|

Vol. 21, No. 1

49--57

EN

The invisible nanoparticles (NP) from combustion processes penetrate easily into the human body through the respiratory and olfactory ways and carry numerous harmful health effects potentials. NP count concentrations are limited in EU for Diesel passenger cars since 2013 and for gasoline cars with direct injection (GDI) since 2014. The limit for GDI was temporary extended to 6 x 1012 #/km. Nuclei of metals as well as organics are suspected to significantly contribute especially to the ultrafine particle size fractions, and thus to the particle number concentration. In the present paper, some results of investigations of nanoparticles from four gasoline cars – an older one with MPI and three never with DI – are represented. The measurements were performed at vehicle tailpipe and in CVS-tunnel. The results show that the older vehicle with MPI emits high particle count concentrations. The size distributions of this vehicle are decisively bimodal with high numbers in nuclei mode. The emissions of the newer vehicles with DI show sometimes no typical uniform shape of particle size distributions and are at lower level, than for the older vehicle. There is no visible nuclei mode and the ultrafine particle concentrations below 10 nm are insignificant. Some of the newer, low-emitting vehicles show at constant speed operation a periodical fluctuation of the NPemissions. Increased NP-emissions at cold start were confirmed.

7

Investigations of nanoparticle emissions of two gasoline cars MPI & DI at stationary part load operation

Czerwiński J., Comte P., Keller A., Mayer A.

Combustion Engines

|

2014

|

R. 53, nr 3

3--11

EN

Starting from Euro 6 not only for diesel but also for gasoline vehicles, with direct injection technology (GDI) a solid particle number emissions limit of 6 × 1011#/km becomes effective. The limit was temporary extended for GDI to 6 x 1012#/km. Nuclei of metals as well as organics are suspected to significantly contribute especially to the ultrafine particle size fractions, and thus to the particle number concentration. In the project GasOMeP (Gasoline Organic & Metal Particulates) metal-nanoparticles (including sub 20 nm) from gasoline cars are investigated for different engine technologies. In the present paper some results of basic investigations of nanoparticles from two gasoline cars – an older one with MPI and a never one with DI – are represented. The measurements were performed at vehicle tailpipe, with varying sampling conditions and with different SMPS-systems, which enabled the mobility scanning in different size ranges. The results show that the older vehicle with MPI emits high particle count concentrations. The size distributions are decisively bimodal with high numbers in nuclei mode. In this case, the particle counting below 10 nm yields important information. The emissions of the newer vehicle with DI show no typical uniform shape of particle size distributions and are at lower level, than for the older vehicle. There is no visible nuclei mode and the ultrafine particle concentrations below 10 nm are insignificant. A sampling with a strongly increased primary dilution has a clear influence on the indicated (higher) particle concentrations.

PL

Począwszy od normy Euro 6 wprowadzone zostanie ograniczenie emisji cząstek stałych do 6 × 1011#/km nie tylko dla pojazdów wyposażonych w silniki ZS, ale także dla pojazdów z silnikami ZI z bezpośrednim wtryskiem paliwa (GDI). Dopuszczalna liczba cząstek stałych emitowanych przez pojazdy wyposażone w silniki GDI była tymczasowo zwiększona do 6 × 1012#/km. Cząstki metali, jak również substancje organiczne prawdopodobnie są powodem emisji bardzo małych cząstek stałych, przyczyniając się do zwiększenia liczby emitowanych cząstek stałych. W projekcie GasOMeP (cząstki organiczne i metalowe z silników benzynowych) badana jest emisja nanocząstek metali (również o średnicy < 20 nm) z samochodów wyposażonych w silniki benzynowe różnych generacji. W artykule przedstawiono wyniki badań emisji nanocząstek z dwóch samochodów wyposażonych w silniki benzynowe – starszy z wtryskiem MPI i nowszy z wtryskiem DI. Spaliny pobierano z układu wylotowego pojazdu przy różnych warunkach pomiarowych i z wykorzystaniem urządzeń do pomiaru emisji cząstek stałych o różnych zakresach pomiarowych. Wyniki badań wskazują, że stężenie cząstek stałych w spalinach starszego pojazdu z wtryskiem MPI jest duże. Rozkłady wielkości mają charakter bimodalny z dużymi wartościami w fazie nukleacji. Wtedy istotny jest pomiar liczby cząstek stałych o średnicy mniejszej niż 10 nm. Emisja z pojazdu z wtryskiem typu DI nie wykazuje typowego jednolitego kształtu rozkładu wymiarowego, również liczba cząstek stałych jest mniejsza niż z pojazdu starszego. Nie zauważono znaczącej emisji cząstek w fazie nukleacji, a stężenia cząstek najmniejszych o średnicy poniżej 10 nm są nieznaczne. Pobór próbki spalin przy zastosowaniu dużego współczynnika rozcieńczenia ma zauważalny wpływ na zwiększenie stężenia cząstek stałych.

8

NOX-reduction on HD-vehicles-low cost quality check

Czerwinski J., Zimmerli Y., Mayer A., Heeb N., Berger H., D‘Urbano G.

Journal of KONES

|

2013

|

Vol. 20, No. 2

61--68

EN

The NOx reduction of recent HD-vehicle is performed mostly by means of the selective catalytic reduction SCR. There are some manufactures and some applications of SCR as retrofit systems (mostly for the low emission zones LEZ and in combination with a DPF). In charge of Swiss authorities AFHB investigated several SCR-systems, or (DPF+SCR)-systems on HD-vehicles and proposed a simplified quality test procedure of those systems. This procedure can especially be useful for the admission of retrofit systems but it can also be helpful for the quality check of OEM-systems. In the present paper the test procedures will be described and some examples of specific results will be presented. As general conclusions it can be stated: – the foundations for the quality verification procedures of SCR-systems are established, – the SCR-systems are not active at lower temperatures < 200°C, – SCR-testing on vehicle is a simple & low-cost tool for quality check, – the overall average NOx reduction rate depends on the operating profile of the vehicle – for low-load, for cold operation and for interrupted operation (HEV) there are lower NOx reduction efficiencies.

9

DPF regeneration with high sulfur fuel

Mayer A., Czerwiński J., Bonsack P., Karvonen L.

Silniki Spalinowe

|

2012

|

R. 51, nr 1

71-81

EN

During the first decade of Diesel particle filter development and deployment in cars, trucks, buses and underground sites, DPF regeneration methods were engineered to be compatible with the then prevalent high sulfur content in the fuel > 2000 ppm. The mainly used methods were burners, electrical heaters, replaceable filters and non-precious metal fuel additives. Low sulfur Diesel fuel became only available from 1996 in Sweden, 1998 in Switzerland, and after 2000 everywhere in Europe. Thus, the deployment of precious metal catalytic converters was feasible both as original equipment and retrofitting of in-use engines. The so-called CRT particle filters using PGM-catalysis for providing NO2 for low temperature regeneration became very successful wherever ULSD was available. However, in many applications, e.g. off-road and in the construction industry, Diesel engines continued to run on high sulfur fuel and in many emerging countries, even on-road Diesel fuel still contains between 1000 and 2000 ppm sulfur. These countries suffer very much from air pollution through increasing Diesel particle emissions and the high impact of black carbon particles on human health as well as on the global warming is worrying. Hence, the necessity for modern particle filters which are compatible with high sulfur content of the fuel. In the context of Chinese megalopolis, this paper reports investigation of a fuel which is typical for China (containing > 1000 ppm sulfur) and compares results with European standard Diesel fuel. The test objects were two modern SiC particle filters, which were regenerated using different iron-based FBC. The combustion attributes of the soot were investigated by TGA and their EC/OC composition was examined. The results indicate that at the given test conditions the fuel sulfur does not significantly change the filters' physical and chemical properties. Neither the filter particle loading process nor the filter regeneration is noticeably different for the high sulfur test fuel compared to the ultra-low sulfur European fuel. Therefore VERT-verified iron-based FBC-type DPF can be used in countries where ULSD is not yet available.

PL

W pierwszym dziesięcioleciu istnienia filtrów cząstek stałych w silnikach o zapłonie samoczynnym samochodów osobowych, ciężarowych i innych pojazdów, regeneracja filtra była realizowana przy uwzględnieniu zawartości siarki w paliwie powyżej 2000 ppm. Główne metody regeneracji polegały na wypalaniu, elektrycznym podgrzewaniu, wymianie filtrów i dodawaniu do paliwa metali nieszlachetnych. Olej napędowy o małej zawartości siarki był dostępny w Szwecji od 1996 roku, w Szwajcarii od 1998 roku, a od roku 2000 w całej Europie. Zastosowanie metali szlachetnych jako katalizatorów było możliwe zarówno przy oryginalnym wyposażeniu, jak i przy filtrze wymiennym dla eksploatowanych silników. Filtry CRT do niskotemperaturowej regeneracji, wykorzystujące NO2 (dostarczany za pomocą katalizatorów PGM) były dobrym rozwiązaniem dla wszystkich zastosowań ULSD. Jednak w wielu zastosowaniach silników o zapłonie samoczynnym, np. pozadrogowych, nadal stosowane jest paliwo o dużej zawartości siarki. Również w wielu krajach rozwijających się do zastosowań drogowych wykorzystywane jest paliwo o zawartości siarki 1000 -2000 ppm. Niepokojące jest, że w krajach tych występuje duże zanieczyszczenie powietrza wynikające ze zwiększenia emisji cząstek stałych z silników o zapłonie samoczynnym, co źle wpływa na zdrowie ludzi oraz zwiększenie efektu cieplarnianego. Wynika stąd konieczność stosowania filtrów cząstek stałych, które będą dobrze działały w sytuacji stosowania paliwa charakteryzującego się dużą zawartością siarki. W artykule zmieszczono wyniki badań dotyczące oleju napędowego wykorzystywanego w Chinach, o zawartości siarki powyżej 1000 ppm i porównano je z wynikami uzyskanymi dla standardowego paliwa stosowanego w Europie. Badania wykonano na dwóch nowoczesnych filtrach cząstek stałych typu SiC, których regeneracja była przeprowadzona przy użyciu różnych FBC bazujących na żelazie. Parametry spalania sadzy badano metodą TGA i określono jej skład EC oraz OC. Uzyskane wyniki wskazują, że w pewnych warunkach zawartość siarki w paliwie nie wpływa na właściwości chemiczne i fizyczne filtrów cząstek stałych. Zauważono, że proces gromadzenia cząstek w filtrze oraz proces regeneracji różnią się w zależności od zawartości siarki w paliwie.

10

Conditions of NO2-production in catalyzed DPF-systems

Mayer A., Czerwinski J., Zelenka P.

Silniki Spalinowe

|

2012

|

R. 51, nr 3

3-16

EN

NO2 is much more toxic than NO. Due to the use of oxidation catalysts and catalytic coatings in the exhaust gas systems in the last decades and due to the use of low sulphur fuels the average NO2-portion in exhaust gases of vehicles increases. Diesel oxidation catalysts (DOC) and Pt-containing DPF-coatings are generally used to support the regeneration of particle filters, which can be a source of strongly increased NO2-production. The present work shows some examples and summarizes the experiences in this matter elaborated at the Laboratories for IC-Engines & Exhaust Emissions Control (AFHB) of the University of Applied Sciences Biel-Bienne, Switzerland, during some research activities on engine dynamometers in the years 2010-2012. In general it can be stated: 1) with a Pt-coated catalyst (DOC), or with catalytic surface filter (CSF) there is a maximum of NO2/ NOx - ratio typically in the exhaust gas temperature range around 350 °C, 2) with higher Pt-content in the coating there is a higher potential for NO2-formation, 3) lower NO2-production appears with: higher spatial velocity, higher S-content in fuel and with DOC/DPF used and/or soot loaded, 4) in some cases of semi active regeneration systems, or with the use of RME conditions with higher NO2-rates can appear.

PL

W ostatnich dziesięcioleciach w układach wylotowych silników spalinowych zastosowano reaktory utleniające z powłokami katalitycznymi oraz wprowadzono paliwa o niskiej zawartości siarki, czego wynikiem jest wzrost zawartości NO2 w gazach wylotowych silników spalinowych. NO2 jest znacznie bardziej toksycznym związkiem niż NO. Katalityczne reaktory utleniające i filtry cząstek stałych z naniesionymi powłokami zawierającymi platynę są przeważnie wykorzystywane w celu ułatwienia regeneracji filtrów cząstek stałych. W niniejszej pracy zawarto wyniki badań podsumowujące działalność badawczą Laboratoriów Silników Spalinowych i Pomiarów Emisji Spalin, prowadzoną na uniwersytecie w Biel-Bienne (Szwajcaria) w latach 2010-2012. Na podstawie wykonanych badań stwierdzono, że: 1) stosując reaktory utleniające z powłokami zawierającymi platynę lub inny materiał katalityczny maksymalna wartość proporcji NO2/NOx jest osiągana przy temperaturze gazów wylotowych wynoszącej ok. 350 °C, 2) zwiększenie zawartości platyny w powłoce katalitycznej sprzyja zwiększeniu intensywności tworzenia NO2, 3) mniejsza intensywność tworzenia NO2 następuje wraz ze zwiększeniem względnej prędkości przepływu spalin, zwiększeniem zawartości siarki w paliwie oraz dzięki zastosowaniu reaktora utleniającego/filtra cząstek stałych i/lub zapełniony filtr cząstek stałych, 4) w niektórych przypadkach regeneracji półaktywnej oraz podczas stosowania estrów metylowych kwasów tłuszczowych może nastąpić zwiększenie emisji NO2.

11

Changes of the 2-stroke aerosol in the exhaust sampling system

Czerwinski J., Comte P., Mayer A., Reutimann F.

Journal of KONES

|

2012

|

Vol. 19, No. 2

109-119

EN

Nanoparticle emissions of two 2-stroke scooters were investigated along the exhaust- and CVS-system (Constant Volume Sampling) with closed and with open line (cone). Due to their technology, the scooters produce different kind of aerosol (state of oxidation & SOF-content) and in addition to that they were operated with and without oxidation catalyst. The scooters represent a modern technology with direct injection TSDI* ) (two stroke direct injection) and with carburettor. The tests were performed at two constant speeds of the vehicles (20 km/h & 40 km/h) according to the measuring procedures, which were established in the previous research in the Swiss Scooter Network. The nanoparticulate emissions were measured by means of SMPS (CPC) and NanoMet (abbreviations see at the end of this paper). The most important results are: - the changes of the PSD's of the aerosol along the exhaust and CVS-system are connected to the average gas temperature and PC-concentration, which result after the different dilution steps and cooling down in the connecting pipe, - in the "open" variant of exhaust gas extraction there is a dilution step with unfiltered ambient air directly after tailpipe. This causes a stop of agglomeration, reduction of diffusion loses and increased background NPconcentration. There is also lower post oxidation of CO & HC. In some cases spontaneous condensates due to the temperature drop are supposed, - with the "closed" variant there is a stronger reduction of SMPS PC's along the gas way, than with the open variant. This is to explain with the higher temperatures and concentrations in the closed system, which enable more intense thermophoresis - and diffusion losses, - the NP-concentrations measured with "open" variant are always higher, - most intense oxidation is observed with Peugeot Carb: due to the SAS, rich tuning and a relatively high temperature level there are oxidation effects already without catalyst (temp. approx. 350 centigrade). With catalyst the temperature is in the range of 400centigrade and the oxidation is so intense, that the particles are nearly eliminated. The type of sampling: "open", or "closed" as well as the sampling position in the exhaust installation have significant influence on the measured nanoparticles emission results.

12

Influences on NO2-emissions from DPF’s with passive regeneration

Czerwinski J., Zimmerli Y., Chiesura C., Mayer A., D'Urbano G.

Czasopismo Techniczne. Mechanika

|

2012

|

R. 109, z. 4-M

3--21

EN

NO2 is much more toxic than NO. Due to the use of oxidation catalysts and catalytic coatings in the exhaust gas systems in the last decades and due to the use of low sulphur fuels the average NO2 – portion in exhaust gases of vehicles increases. Diesel oxidation catalysts (DOC) and Pt – containing DPF-coatings are generally used to support the regeneration of particle filters, which can be a source of strongly increased NO2 – production. The present paper shows some examples and summarizes the experiences in this matter elaborated at the Laboratories for IC-Engines & Exhaust Emissions Control (AFHB) of the University of Applied Sciences Biel-Bienne, Switzerland, during some research activities on engine dynamometers in the years 2010–2012. In general it can be stated: with a Pt – coated catalyst (DOC), or with catalytic surface filter (CSF) there is a maximum of NO2/NOx – ratio typically in the exhaust gas temperature range around 350°C, with higher Pt – content in the coating there is a higher potential for NO2 – formation, lower NO2 – production appears with: higher spatial velocity, higher S-content in fuel and with DOC/DPF used and/or soot loaded.

PL

NO2 jest znacznie bardziej toksyczne niż NO. Na skutek stosowania w ostatnim czasie katalizatorów utleniających i powłok katalitycznych w układach wydechowych, a także na skutek stosowania paliw o niskiej zawartości siarki, średnia ilość NO2 w spalinach pojazdów wzrasta. Katalizatory utleniające dieslowskie (DOC) i powłoki DPF zawierające Pt są zwykle stosowane wspomagająco w regeneracji filtrów cząstek, co może być źródłem silnego wzrostu NO2. W niniejszej pracy przedstawiono kilka przykładów i podsumowano badania doświadczalne przeprowadzone przy zastosowaniu dynamometrów silnikowych, w Laboratoriach dla IC-Engines & Exhaust Emissions Control (AFHB) Uniwersytetu Nauk Stosowanych Biel-Bienne, w Szwajcarii, w latach 2010–2012. Ogólnie można stwierdzić: – Przy katalizatorze (DOC) powlekanym platyną, lub przy filtrze (CSF) o powierzchni katalitycznej, maksymalny współczynnik NO2/NOx występuje zazwyczaj przy temperaturze spalin ok. 350°, – Przy wyższej zawartości Pt w powłoce, możliwość powstawania NO2 jest większa, – Mniejsze wytwarzanie NO2 występuje przy: wyższej prędkości przestrzennej, wyższej zawartości S w paliwie i przy zastosowaniu DOC/DPF i/lub obciążeniu sadzą.

13

Influence of (hydrous) ethanol blends on (particle) emissions of small 2- and 4-stroke scooters. Part 2

Czerwiński J., Comte P., Reutimann F., Mayer A.

Silniki Spalinowe

|

2011

|

R. 50, nr 2

3-16

EN

The objectives of the present work are to investigate the regulated and unregulated (particle) emissions of a classical and modern 2-stroke and a typical 4-stroke scooter with different ethanol blend fuels. There is also comparison of two different ethanol fuels: pure ethanol (E) and hydrous ethanol (EH) which contains 3.9% water and is denatured with 1.5% gasoline. Special attention is paid in this research to the hydrous ethanol, since the production costs of hydrous ethanol are much less than those for (dry) ethanol.

PL

W artykule przedstawiono badanie uregulowanych i nieuregulowanych prawnie emisji cząstek dla klasycznego i nowoczesnego skutera 2-suwowego i typowego skutera 4-suwowego zasilanych paliwami o różnym udziale etanolu. Ponadto zamieszczono porównanie dwóch różnych paliw etanolowych: czystego etanolu (E) i wodnego etanolu (EH) zawierającego 3,9% wody i skażonego 1,5-procentowym stężeniem benzyny. Szczególnie skupiono się na badaniach wodnego etanolu, od chwili, gdy koszty produkcji etanolu z dodatkiem wody okazały się mniejszy niż etanolu bez takiego dodatku.

14

Influence of (hydrous) ethanol blends on (particle) emissions of small 2- and 4-stroke scooters. Part 1

Czerwiński J., Comte P., Reutimann F., Mayer A.

Silniki Spalinowe

|

2011

|

R. 50, nr 1

29-36

EN

The objectives or the present work are to investigate the regulated and unregulated (particle) emissions or a classical and modern 2-stroke and a typical 4-stroke scooter with different ethanol blend fuels. There is also comparison of two different ethanol fuels: pure ethanol (E) and hydrous ethanol (EH) which contains 3.9% water and is denatured with 1.5% gasoline. Special attention is paid in this research to the hydrous ethanol, since the production costs of hydrous ethanol are much less than those for (dry) ethanol. The vehicles are with carburettor and without catalyst, which represents the most frequent technology in Eastern Asia and offers the information or engine-out emissions. Exhaust emissions measurements have been performed with fuels containing ethanol (E), or hydrous ethanol (EH) in the portion of 5, 10, 15 and 20% by volume. During the test systematical analysis of particle mass (PM) and nanoparticles counts (NP) were carried out. The present investigations did not concern the durability or parts exposed to the chemical influences or ethanol. Also the cold start, particularly in extreme conditions and the lube oil dilution were not addressed.

PL

W artykule przedstawiono badanie uregulowanych i nieuregulowanych prawnie emisji cząstek dla klasycznego i nowoczesnego skutera 2-suwowego i typowego skutera 4-suwowego zasilanych paliwami o różnym udziale etanolu. Ponadto zamieszczono porównanie dwóch różnych paliw etanolowych: czystego etanolu (E) i wodnego etanolu (EH) zawierającego 3,9% wody i skażonego 1,5-procentowym stężeniem benzyny. Szczególnie skupiono się na badaniach wodnego etanolu, od chwili, gdy koszty produkcji etanolu z dodatkiem wody okazały się mniejszy niż etanolu bez takiego dodatku. Pojazdy są wyposażone w gaźnikowy układ zasilania i nie posiadają reaktora katalitycznego, co stanowi najczęstsze rozwiązanie konstrukcyjne w Azji Wschodniej, umożliwiając uzyskanie tym samym informacji o emisji z silnika. Pomiary emisji spalin przeprowadzono na paliwach zawierających etanol (E) lub wodny etanol (EH) o udziale objętościowym odpowiednio 5, 10, 15 i 20%. Podczas pomiaru dokonywano systematycznej analizy masy cząstek stałych i liczby nanocząstek (NP). Obecne prace badawcze nie dotyczyły trwałości elementów poddanych chemicznemu oddziaływaniu etanolu. Ponadto nie uwzględniono tzw. "zimnego startu ", szczególnie w warunkach granicznych oraz rozcieńczenia oleju smarującego.

15

Emission of metal-oxide particles from IC-engines

Ulrich A, Mayer A., Kasper M., Wichser A., Czerwiński J.

Silniki Spalinowe

|

2011

|

R. 50, nr 1

72-88

EN

All conventional piston-driven combustion engines emit metal oxide particles. The main sources are the abrasion between piston-ring and cylinder, abrasion in the bearings, catalyst coating, lube-oil additives, and fuel additives for promoting the exhaust-gas after-treatment. Metal oxides, especially from transition metals, are very toxic when they are very fine. These particles have a high BET surface and penetrate the biological system. Hence, these particles must be scrutinized for quantity, size distribution and composition. This paper draws from published data and mainly the VERT certification tests, which prescribe a size specific metal analysis. The total mass of metal oxide is 0.1 - 1 mg/km, which appears negligible. But these particles are in the 10 - 20 nm size range. Hence, this small mass represents 1015 particles per kilometer. This is approximately the same number as soot particles emitted by diesel engines. Public health should focus on the metal oxide particles that are smaller and probably more toxic than the soot particles. SI engines run at higher RPM and therefore emit more metal oxide particles than Diesel engines. Highly efficient filtration of such particles seems therefore necessary for all engine categories.

PL

Wszystkie konwencjonalne tłokowe silniki spalinowe emitują cząstki tlenków metali. Głównymi źródłami tej emisji są: zużycie ścierne pomiędzy układem tłok-pierścień i cylinder, zużycie ścierne zachodzące w łożyskach, powłoka reaktora katalitycznego, dodatki oleju smarującego, dodatki do paliwa wspomagające pozasilnikową neutralizację toksyczności spalin. Tlenki metali, zwłaszcza metali przejściowych, są bardzo toksyczne, gdy mają niewielkie wymiary. Te cząstki metali mają dużą powierzchnię BET i przenikają do systemu biologicznego. Dlatego muszą być szczegółowo zbadane pod kątem ich ilości, rozkładu wymiarowego i składu chemicznego. Niniejszy artykuł zawiera dane i głównie testy certyfikacyjne VERT, opisujące analizę wymiarową wybranego metalu. Masa całkowita tlenku metalu wynosi od 0,1 do 1 mg/km, co wydaje się wartością nieistotną. Należy jednak zaznaczyć, iż wymiar powyższych cząstek mieści się w zakresie 10- 20 nm. Skutkiem tego, tak niewielka masa oznacza 1015 cząstek na 1 km, co jest w przybliżeniu taką samą wartością, jak ilość cząstek sadzy emitowanych przez silniki o zapłonie samoczynnym. Troska o zdrowie społeczne powinna uwzględniać emisję cząstek tlenków metali, których wymiary są mniejsze i prawdopodobnie bardziej toksyczne niż cząstki sadzy. Silniki o zapłonie iskrowym osiągają większe prędkości obrotowe, dlatego emitują więcej cząstek tlenków metali niż silniki o zapłonie samoczynnym. Wysokosprawne odfiltrowanie rozważanych cząstek wydaje się konieczne przy zastosowaniu w silnikach wszystkich kategorii.

16

Particle emissions of Diesel busses with RME/Diesel blends

Mayer A., Czerwiński J., Wyser M., Heitzer A.

Prace Naukowe Instytutu Nafty i Gazu

|

2010

|

nr 172

37-60

EN

Vegetable oils blended to Diesel fuel are becoming popular. Economic, ecological and even political reasons are cited to decrease dependence on mineral oil and improve CO2 balance. The chemical composition of these bio fuels is different from mineral fuel, having less carbon and much more oxygen. Hence, internal combustion of Diesel + RME (Rapeseed Methyl Ester) blends was tested with particular focus on nanoparticle emissions, particle filtration characteristics and PAH-emissions. Fuel economy and emissions of bus engines were investigated in traffic, on a test-rig during standardized cycles, and on the chassis dynamometer. Fuel compositions were varied from standard EN 590 Diesel with < 50 ppm sulfur to RME blends of 15, 30, and 50%. Also 100% RME was tested on the test-rig. Emissions were compared with and without CRT traps. The PAH profiles of PM were determined. Particles were counted and analyzed for size, surface, and composition, using SMPS, PAS, DC and Coulometry. Results show little difference for legislated emissions HC, NOx and PM. Size distribution and chemical composition of the particles however vary with increase of RME in the blend. Particles from RME-combustion tend to be smaller and PM contains much less EC but more HC. Little effect of RME-blends on PAH, 100% RME however shows increased PAH-content of PM at high engine loads. Lower calorific value reflects in fuel consumption. DPF efficiency remains high, 99.8% independent of RME content. CRT regeneration is sustained, possibly due to the combination of a highly Pt-coated DOC and DPF, i.e. the DOC "dries" the particles and the DPF only partially receives the high HC content of engine-out particles. NO \to NO2 conversion is high with CRT, as usual, independent of RME-blend ratio. Overall assessment: the impact of RME on emissions is minor. And despite lower EC particle emission, the particle trap remains indispensable.

17

Vert particle filter test procedure and quality standard for new and in-use diesel engines

Mayer A., Czerwinski J., Kasper M., Leutert G., Heeb N. V., Ulrich A., Jaussi F.

Journal of KONES

|

2010

|

Vol. 17, No. 4

313-322

EN

A new approach is needed to test particle filters for retrofitting Diesel engines. Considering the toxicity of the particles as also the physical and chemical attributes of particle filters, the optimal scheme is to test the components themselves independent of the deployment. That scheme ensures the highest effectiveness with least effort. It also enables evaluation of worst-case situations and assesses the hazards of secondary emissions. The Swiss standard SNR 277 205, which mandates the VERT test procedure, is a first step in that direction. The solution is derived from the physics of the filter media. The filtration of fine particles essentially depends on the particle size and the space velocity. The attributes of the emitting engine are only insignificantly relevant. Hence the physics and chemistry of particle filters can be investigated independent of the engine and its deployment duty. This concept facilitates a very thorough investigation of the size-dependent filtration, aging susceptibility, secondary emissions and extreme situations. Filter systems, which pass this detailed test, perform equally well in every retrofit configuration. This filter test concept was implemented 1998 in the VERT project and is successful for assessing retrofltting [4]. VERT approved fllter systems are already deployed in the Low Emission Zones of Europe, North and South America.

18

Improvement of air quality in vehicle cabins by nanoparticle filtration

Burtscher H., Mayer A., Loretz S., Keller A., Kasper M., Czerwinski J.

Journal of KONES

|

2010

|

Vol. 17, No. 4

79-88

EN

A filter system is presented which allows the reduction of the concentration of ultrafine particles in vehicle cabins to very low levels. The original ventilation system is switched to the recirculation mode and all cabin intake air is supplied via a retrofitted filter system. Tests with a variety of different vehicles (from passenger cars to coaches) show the efficiency of the system. Filters incorporated in present ventilation systems remove large particles, for example pollen, but usually are inefficient for removing very small particles. This is demonstrated by Fig. l, where the particle number concentration outside and inside a car is plotted during a journey near Zurich. It is obvious that the concentrations inside and outside are more or less identical. All windows were closed during this measurement. Tests with a number ofdifferent all cars showed similar results. The filters included in today 's ventilation systems usually cannot remove nanoparticles, and so vehicle cabin indoor and outdoor nanoparticle concentrations are more or less identical. The nanocleaner, consisting of a very effident filter and a high performance blower, allows reduction of the particle concentration in the cabin from several hundreds of thousands or millions per cc. to a few thousand per cc., equivalent to remote woodland, the total exposed dose being reduced by some two orders of magnitude.

19

Reduction of particle emissions and toxicity of 2-S scooters with different technical measures

Czerwinski J., Comte P., Astorga C., Adam T., Mayer A., Reutimann F, Zürcher D.

Silniki Spalinowe

|

2009

|

R. 48, SC2

55--69

EN

2- and 3-wheelers with 2-S propulsion are still a very serious source of air pollution worldwide in many urban areas. Therefore, every effort to reduce the emissions of those vehicles is an important contribution to improve the air quality. In the present work detailed investigations of regulated emissions and of particle emissions of 2-stroke scooters with direct injection and with carburator were performed. To demonstrate the emission reduction potentials some possibilities of emission improvements were grouped into steps. These technical measures were: - Higher tier lube oils - Lower oil dosing - Active oxidation catalyst - Supplementary filtration & oxidation devise (WFC) - Special fuel. Particle mass and nanoparticles (number), which are amply present in 2-stroke exhaust gas and which contribute strongly to the toxicity level are still unlimited by the international exhaust gas legislation. They were extensively investigated in the present project series. The Toxicity Equivalence (TEQ) of the emitted particle mass was evaluated by means of PAH analysis and comparison with the standards based on benzo[a]pyrene (EPA method). It was demonstrated, that a strong reduction of particle mass emissions and toxicity is possible by means of a combination of these technical measures. There are also further possibilities of improvements, like total filtration or use of alternative fuels. All those technical measures can be effective in the fleet only if the necessary market conditions will be created, like: incentives for better products, production conformity control, in-use compliance control, public information and others.

20

Experiences with partial-flow filters to reduce the solid particle emissions from diesel engines

Mayer A., Czerwiński J., Comte P.

Silniki Spalinowe

|

2009

|

R. 48, nr 2

62-83

EN

Four of these Particulate Reduction Systems (PMS) were tested on a passenger car and one of them on a HDV. Expectation of the research team was that they would reach at least a PM-reduction of 30% under all realistic operating conditions. The standard German filter test procedure for PMS was performed but moreover, the response to various operating conditions was tested including worst case situations. Besides the legislated CO, NOx and PM exhaust-gas emissions, also the particle count and NO2 were measured. The best filtration efficiency with one PMS was indeed 63%. However, under critical but realistic conditions filtration of 3 of 4 PMS was measured substantially lower than the expected 30 %, depending on operating conditions and prior history, and could even completely fail. Scatter between repeated cycles was very large and results were not reproducible. Even worse, with all 4 PMS deposited soot, stored in these systems during light load operation was intermittently blown-off. Due to these stochastic phenomena the behaviour of these systems is hardly predictable. Furthermore the provision of NO2, through catalysis ahead of the filter or in the filter matrix, is inherent in these systems. Some of this secondary NO2 is emitted. Cost/benefit ratio is high compared to full-flow filters and Diesel engines equipped with partial-flow filters are inferior to SI engines regarding global warming potential. Based on these findings it is concluded that the sustainable performance of partial-flow filters is not yet determined.

PL

W artykule przedstawiono wyniki badań czterech systemów redukcji cząstek stałych (PMS - Particulate Reduction Systems) zamontowanych w samochodzie osobowym i ciężarowym. Oczekiwanym efektem badań była 30-procentowa redukcja emisji cząstek stałych w rzeczywistych warunkach ruchu. Badania przeprowadzono według niemieckiej procedury badawczej rozszerzonej o badania filtrów w zmiennych warunkach pracy silników. Wykonano pomiary limitowanych normą związków toksycznych (CO, NOx, PM), a także nielimitowanych - NO2 oraz liczby cząstek stałych. Największa zmierzona sprawność filtracji wynosiła 63%. Jednakże w rzeczywistych warunkach ruchu sprawność filtracji dla trzech, z czterech przebadanych, filtrów wynosiła znacznie mniej niż zakładane 30% i jednocześnie zależała od warunków użytkowania pojazdu. Różnice wyników między poszczególnymi pomiarami były znaczne i nie były reprezentatywne. Wszystkie badane konfiguracje systemów redukcji emisji cząstek stałych pozwalały na efektywną filtrację cząstek stałych na obciążeniach częściowych. Ponadto zmiany w stężeniu NO2 przed filtrem w stosunku do stężenia za filtrem są zgodne z przewidywaniami - występuje niewielka wtórna emisja tego związku za filtrem. Wskaźnik kosztów zastosowania filtra do korzyści ekologicznych jest wyższy dla filtrów o pełnym przepływie spalin w stosunku do filtrów o częściowym przepływie spalin, a jednocześnie większy jest również potencjał globalnego ocieplenia. W wyniku przeprowadzonych badań stwierdzono konieczność dalszych badań w zakresie polepszenia właściwości filtrów o częściowym przepływie spalin.