Analiza emisji oraz wskaźników pracy autobusu miejskiego zasilanego CNG w rzeczywistych warunkach eksploatacji

Transkrypt

1 BAJERLEIN Maciej 1 DOBRZYŃSKI Michał 2 RYMANIAK Łukasz 3 SIEDLECKI Maciej 4 Analiza emisji oraz wskaźników pracy autobusu miejskiego zasilanego CNG w rzeczywistych warunkach eksploatacji WSTĘP W ostatnich latach ceny ropy naftowej na światowych rynkach wzrastały, co przekładało się bezpośrednio na zwiększenie kosztów eksploatacji pojazdów zasilanych paliwami konwencjonalnymi. Na rysunku 1 przedstawiono średni kurs cen ropy naftowej w przeciągu ostatnich lat na świecie. W związku z prognozami bezpośrednio związanymi z wyczerpywaniem się konwencjonalnych źródeł energii, uzasadnione stało się poszukiwanie alternatywnych rozwiązań. Aktualnie podejmowane są działania związane z opracowywaniem nowych metod dotyczących stosowania paliw alternatywnych, które mogą być w przyszłości powszechnie wykorzystane w napędach pojazdów. Dynamicznie rozwijający się transport drogowy, ze względu na emisję zanieczyszczeń, wywiera coraz większy wpływ na stan środowiska naturalnego [3]. Wśród paliw alternatywnych w chwili obecnej najszersze zastosowanie znajduje sprężony gaz ziemny. Dzisiejsze technologie pozwalają pozyskiwać tego typu paliwo nie tylko ze złóż kopalnianych, lecz z wielu powszechnie znanych źródeł energii odnawialnych. Rys. 1. Zmiany cen ropy naftowej [5] 1 AKTUALNIE EKSPLOATOWANE POJAZDY KONUMIKACJI ZBIOROWEJ ZASILANE GAZEM ZIEMNYM W Polsce odnotowuje się regularny, znaczący wzrost liczby pojazdów zasilanych sprężonym gazem ziemnym w komunikacji zbiorowej. Wartość ta aktualnie przekroczyła poziom 300 pojazdów. 1 Instytut Badań i Rozwoju Motoryzacji BOSMAL Sp. z o.o.; ul. Sarni Stok 93, Bielsko-Biała, Tel.: (+48) , Fax: (+48) , maciej.bajerlein@put.poznan.pl 2 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; Poznań, ul. Piotrowo 3. Tel.: , Fax: , michal.dobrzynski@ put.poznan.pl 2 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; Poznań, ul. Piotrowo 3. Tel.: , Fax: , lukasz.m.rymaniak@doctorate.put.poznan.pl 4 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; Poznań, ul. Piotrowo 3. Tel.: , Fax: , maciej.s.siedlecki@doctorate.put.poznan.pl 1552

2 Autobusy zasilane gazem ziemnym można podzielić na dwie grupy. W pierwszej z nich paliwa magazynowane jest w formie skroplonej LNG (Liquefied Natural Gas). Natomiast w drugiej, ze względu na korzystne własności eksploatacyjne, gaz przechowywany jest w formie sprężonej CNG (Compressed Natural Gas). W tym rozwiązaniu paliwo magazynowane jest w zbiornikach spełniających normę ECE R110, co pozwala uzyskać ciśnienie do wartości 25 MPa.Sprężony gaz ziemny, przy odpowiednio skonstruowanym silniku wraz z systemem oczyszczania gazów wylotowych, pozwala znacząco redukować emisję związków szkodliwych w odniesieniu do jednostek spalinowych zasilanych konwencjonalnymi paliwami ciekłymi [1]. Problem badań autobusów miejskich zasilanych CNG w rzeczywistych warunkach eksploatacji nie był do tej pory podejmowany na szeroką skalę, ze względu na ich małą populację. W związku z dynamicznym rozwojem tej grupy pojazdów, koniecznym staje się podjęcie tego zagadnienia. 2 METODYKA BADAŃ 2.1 Obiekt badań Obiektem badawczym był autobus miejski o długości 18 metrów wyposażony w silnik ZI, zasilany sprężonym gazem ziemnym, o pojemności 8,8 dm 3 (rysunek 2, tabela 1). Paliwo w formie sprężonego gazu ziemnego przechowywane jest w pojeździe w ośmiu zbiornikach o łącznej pojemności 1712 dm 3 znajdujących się na dachu. Pozwala to na zmagazynowanie 420 m 3 gazu pod ciśnieniem. Zasilanie paliwem tego typu może w przyszłości stać się alternatywą dla oleju napędowego, będącego obecnie głównym źródłem energii dla autobusów miejskich. Tab. 1. Dane techniczne silnika spalinowego badanego autobusu miejskiego [6] Kod silnika Cummins ISLG 320 Typ 4 suwowy, zapłon iskrowy Liczba cylindrów 6 Układ cylindrów rzędowy Kolejność zapłonów Średnica cylindra Skok tłoka 114 mm 144,5 mm Pojemność skokowa 8846 cm 3 Stopień sprężania 12:1 Prędkość obrotowa na biegu jałowym Moc maksymalna Moment maksymalny Norma emisji spalin obr/min 239 kw przy 2100 obr/min 1356 Nm przy 1300 obr/min Euro V (EEV) Rys. 2. Autobus miejski zasilany CNG o długości 18 m 1553

3 2.2 Aparatura badawcza Do pomiarów stężenia gazowych substancji szkodliwych w spalinach wykorzystano mobilny analizator typu SEMTECH-DS firmy Sensors-Inc. Należący do grypy PEMS (Portable Emission Measurement System). Oprócz badań stężeń związków szkodliwych, urządzenie to umożliwia także wyznaczenie masowego natężenia przepływu spalin. Pomiar następuje poprzez doprowadzenie próbki spalin do analizatora za pomocą sondy pomiarowej, utrzymującej temperaturę na poziomie 191 C. Gazy wylotowe są filtrowane z cząstek stałych (w przypadku silników ZS), i tak przygotowana próbka badawcza kierowana jest do szeregu analizatorów. W pierwszej kolejności wyznaczane jest stężenie węglowodorów w analizatorze płomieniowo-jonizacyjnym. Następnie spaliny są schładzane do temperatury ok. 4 C. Dalej mierzone jest stężenie tlenków azotu (metodą niedyspersyjną z wykorzystaniem promieniowania ultrafioletowego), tlenku węgla i dwutlenku węgla (metodą niedyspersyjną z wykorzystaniem promieniowania podczerwonego) oraz tlenu (analizatorem elektrochemicznym). Jednostka centralna analizatora może bezpośrednio komunikować się z systemu diagnostyki pokładowej pojazdu OBD/CAN oraz odbierać sygnał lokalizacji GPS. Komunikacja z pokładowym systemem diagnostycznym pojazdu pozwala zebrać informacje o warunkach pracy silnika spalinowego. Widok mobilnego analizatora przedstawiono na rysunku 3. a) b) Rys. 3. a)widok analizatora spalin przeznaczonego do badań b) schemat działania [4] 2.3 Warunki realizacji pomiarów Testy homologacyjne dla pojazdów ciężkich przeprowadzane są na hamowniach silnikowych i nie uwzględniają lokalnych warunków ruchu, co stanowi duże uproszczenie w przypadku oceny wskaźników ekologicznych autobusów miejskich. Ocenę taką można wykonać na podstawie badań drogowych. Badania wykonywane w rzeczywistych warunkach eksploatacji wymagają doboru trasy reprezentatywnej dla klasy badanego pojazdu. W tym celu opracowywane są testy jezdne symulujące przejazd w rzeczywistych warunkach ruchu. Cyklami jezdnymi służącymi do badań zużycia paliwa, a także w niektórych przypadkach ekologiczności autobusów podczas rzeczywistej eksploatacji, są testy SORT (Standardised On-Road Test Cycles). Składają się one z modułów, które można podzielić na 3 fazy: przyspieszanie, utrzymywanie prędkości i hamowanie. Przykładowy test przestawiono na rysunku 4. Poszczególne moduły oddzielane są postojami, które odzwierciedlają warunki ruchu oraz obsługę przystanków przez pojazd. Co ważne, poszczególne podstawowe parametry ruchu tj. przyspieszenia, opóźnienia i prędkości, mogą być modyfikowane w zależności od warunków, które chcemy symulować. Taka konstrukcja testu umożliwia uzyskanie dużej powtarzalności wyników badań. Zalety te spowodowały, że testy SORT, zostały wybrane do testów autobusu zasilanego CNG. W tabeli 2 zaprezentowano podstawowe dane testów opracowane przez międzynarodowe stowarzyszenie UITP (International Association of Public Transport) opracowane dla różnych warunków ruchu: symulujących przejazd przez centrum miasta (SORT1), cykl miejski (SORT2) i podmiejski (SORT3). 1554

4 Tab. 2. Charakterystyka testów SORT wykorzystanych w trakcie badań [2] SORT 1 (Heavy Urban) SORT 2 (Easy Urban) SORT 3 (Suburban) Prędkość średnia [km/h] 12,6 18,6 26,3 Udział postoju w teście [%] 39,7 33,4 20,1 Prędkość stała w profilu 1 [km/h]/[m] 20/100 20/100 30/200 Przyspieszenie w profilu 1 [m/s2] 1,03 1,03 0,77 Prędkość stała w profilu 2 [km/h]/[m] 20/200 40/220 50/600 Przyspieszenie w profilu 2 [m/s2] 0,77 0,62 0,57 Prędkość stała w profilu 3 [km/h]/[m] 40/220 50/600 60/650 Przyspieszenie w profilu 3 [m/s2] 0,62 0,57 0,46 Czas postoju po każdym profilu [s] 20/20/20 20/20/20 20/10/10 Droga pokonywana w teście [m] Opóźnienie w profilach prędkości [m/s2] 0,8 0,8 0,8 Rys. 4. Przebieg zależności prędkości od pokonanej drogi i czasu dla testu SORT-1 [2] 3 ANALIZA WINIKÓW BADAŃ USYSKANYCH W WARUNKACH RZECZYWISTEJ EKSPLOATACJI Na podstawie badań wykonanych w testach jezdnych SORT stwierdzono, że silnik ZI badanego autobusu pracuje w ograniczonym zakresie prędkości obrotowych wału korbowego i obciążeń (rysunek 5).Wpływ na to ma zarówno duża elastyczność silnika, jak i odpowiednio dobrane główne elementy układu napędowego m.in. skrzynia przekładniowa. W teście jezdnym odzwierciedlającym eksploatację pojazdu w ścisłym centrum miasta, największy udział pracy wystąpił przy biegu jałowym w zakresie obciążeń do 200 Nm, który wyniósł 49%. Dla kolejnych testów symulujących jazdę miejską i podmiejską uzyskano udziały o wartościach odpowiednio: 39% i 29%. W SORT 1 w czasie przekazywania pracy mechanicznej na koła pojazdu, silnik najczęściej pracował w zakresie prędkości obrotowych obr/min i generował moment obrotowy od 0 do 1200 Nm. W teście jezdnym SORT 2 wartości te zwiększyły się odpowiednio o 200 obr/min, natomiast wartości obciążenia maksymalnego osiągnęły 1355 Nm. Dla testu pozamiejskiego zarejestrowano taki sam przedział obciążeń, jednak zakres prędkości obrotowych zwiększył się przy pewnych obciążeniach częściowych do 1600 obr/min. Udziały w przedstawionych zakresach osiągnęły wartości dla: SORT 1 28%, SORT 2 45% i SORT 3 61%. Punkty pracy silnika spalinowego zarejestrowane podczas realizacji testów naniesiono na charakterystykę obciążeniową wraz z wyznaczonym dla tego silnika obszarem testu NTE (rysunek 6). Aby wyznaczyć zakresy pomiarowe do oceny wskaźników ekologicznych zgodnie z wymienioną wcześniej procedurą, jednostka napędowa musi pracować nieprzerwanie w obszarze testu NTE przez 1555

5 co najmniej 30 s. Na podstawie otrzymanych danych nie było możliwe wyznaczenie żadnego przedziału pomiarowego, co wynikało ze sposobu pracy silnika oraz charakterystyki testów (prędkości i czas pomiaru). Udział czasu pracy silnika w obszarze testu wynosił od 6 do 12 %, przy czym największe wartości wystąpiły dla testu SORT 3. Na tej podstawie stwierdzono, że dla ustandaryzowanych badań odzwierciedlających miejską eksploatację pojazdów zasilanych paliwami gazowymi, procedura testu NTE jest trudna do wykonania. a) b) c) Rys. 5. Udział parametrów pracy silnika spalinowego Cummins ISLG 320 podczas badań w testach jezdnych: a) SORT 1, b) SORT 2, c) SORT 3 Rys. 6. Udział parametrów pracy silnika spalinowego podczas badań w obszarze testu NTE 1556

6 Emisja zanieczyszczeń wyznaczona w testach jezdnych dla pojazdu zasilanego CNG została przedstawiona na rysunku 7. Do jej ograniczenia w badanym autobusie miejskim zastosowano trójfunkcyjny reaktor katalityczny, który skutecznie redukował NO x, utleniając jednocześnie CO i HC. Emisja PM nie została poddana analizie ze względu na jej śladowe wartości wpływ na to miał typ silnika, sposób jego zasilania, a także rodzaj paliwa. Przejazd w teście SORT 1 charakteryzował się największą emisją jednostkową zanieczyszczeń. W kolejnych cyklach, coraz dłuższe dystanse oraz większe wartości prędkości średnich, wpływały korzystnie na poziom zanieczyszczeń w gazach wylotowych. Porównanie uzyskanej emisji w poszczególnych testach wskazuje, że największe różnice wystąpiły w przypadku HC. Pomiędzy SORT 1, a SORT 3 różnica wyniosła 36%, co było związane przede wszystkim z dużym udziałem postoju i pracy silnika na biegu jałowym w warunkach reprezentujących ścisłe centrum miasta. Rys. 7. Emisja jednostkowa zanieczyszczeń wyznaczona w testach jezdnych SORT autobusu zasilanego CNG WNIOSKI Ze względu na wzrost cen ropy naftowej na światowych rynkach oraz prognozy związane z wyczerpywaniem się konwencjonalnych źródeł energii, uzasadnione stało się poszukiwanie alternatywnych paliw do zasilania pojazdów. Obecnie technologie odnawialnych źródeł energii rozwinęły się już do takiego stopnia, że mogą konkurować z konwencjonalnymi systemami energetycznymi. Doskonalenie konstrukcji pojazdów, zwiększenie ich zdolności przewozowych, ekologiczności i uniwersalności, przyczyniają się do coraz częstszego stosowania innowacyjnych rozwiązań, w tym także paliw alternatywnych. Na podstawie otrzymanych wartości emisji zanieczyszczeń z autobusu miejskiego zasilanego CNG można stwierdzić, że emisja CO i NO x jest znacznie mniejsza niż w przypadku autobusów wyposażonych w tradycyjne silnik ZS, charakteryzujące się podobnymi pojemnościami oraz mocami maksymalnymi. Na małą emisję NO x duży wpływ miał trójfunkcyjny reaktor katalityczny, który redukował omawiany związek. Badany pojazd emitował śladowe ilości cząstek stałych, będących przedmiotem szczególnego zainteresowania w ostatnich latach, jeśli chodzi o ekologiczność pojazdów ciężkich. Największy udział w całej emisji HC stanowił metan, ze względu na rodzaj zastosowanego paliwa. Przeprowadzone badania potwierdziły zasadność użycia paliwa CNG do zasilania autobusów miejskich. The research was funded by the National Centre for Research and Development the LIDER Programme (contract No. LIDER/02/72/L-3/11/NCBR/2012). 1557

7 Prace sfinansowano ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju program LIDER (umowa nr LIDER/02/72/L-3/11/NCBR/2012). Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań emisji oraz wskaźników pracy autobusu miejskiego, zasilanego alternatywnym paliwem CNG (Compressed Natural Gas),o długości 18 m. Pomiary zostały przeprowadzone w warunkach określonych dla znormalizowanych testów jezdnych symulujących rzeczywiste warunku ruchu(standardised On-Road Test Cycles). W celu zarejestrowania poziomu emisji zanieczyszczeń z obiektu badawczego użyto mobilnego analizatora do pomiarów gazowych składników toksycznych spalin. Uzyskane wartości momentów i prędkości obrotowych silnika w czasie trwania cykli pomiarowych przedstawiono na charakterystyce obciążeniowej i odniesiono je do obszaru testu NTE. Na podstawie przeprowadzonych analiz stwierdzono, że najbardziej obiektywną metodą, na podstawie której można określać poziom emisji w trakcie eksploatacji pojazdów ciężkich, szczególnie autobusów miejskich, jest wykorzystanie mobilnej aparatury przeznaczonej do badań w rzeczywistych warunkach eksploatacji typu PEMS (Portable Emission Measurement System). Analysis of emission and work performance of city bus powered by CNG under real operating conditions Abstract The article presents the results of emission tests and work performance of city bus, powered by alternative fuel CNG (Compressed Natural Gas), with a length of 18 m. Measurements were carried out under conditions specified for standard driving tests simulating actual traffic conditions SORT (Standardised On- Road Test Cycles). For register the exhaust emissions level were used mobile analyzer for the measurement of gaseous toxic compounds. The obtained values of torque and engine speed during the measurement cycles are presented on the load characteristics and referenced them to the NTE test. On the basis of this analysis, stated that the most objective method for determine the level of emissions during the operation of heavy vehicles, especially buses, is the use of mobile devices to analyze emission under real operating conditions by PEMS (Portable Emission Measurement System). BIBLIOGRAFIA 1. Fuć P., Rymaniak L., Ziółkowski A.: The correlation of distribution of PM number emitted under actual conditions of operation by PC and HDV vehicles, WIT Transactions on Ecology and the Environment. WIT Press 2013, Vol Materiały udostępnione przez UITP 2009: UITP Project SORT Standardised On-Road Test Cycles. UITP - International Association of Public Transport, Brussels Merkisz J., Pielecha I.: Alternatywne napędy pojazdów. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań Wykonano na podstawie materiałów firmy Sensors Inc. 5. Wykonano na podstawie: 6. Wykonano na podstawie: