Badania emisji spalin pojazdów z różnymi systemami zasilania gazem ziemnym

Transkrypt

1 PIELECHA Jacek ŁABĘDŹ Krystian JASIŃSKI Remigiusz Badania emisji spalin pojazdów z różnymi systemami zasilania gazem ziemnym WSTĘP W ciągu ostatnich 5 lat zauważa się znaczący wzrost zainteresowania pojazdami zasilanymi paliwami alternatywnymi [5, ]. Wynika to z wysokich cen paliw konwencjonalnych, polityki wewnętrznej państw oraz coraz bardziej rygorystycznych norm dotyczących emisji związków szkodliwych spalin. W związku z ogólnie panującymi trendami w transporcie drogowym, koniecznym staje się poszukiwanie nowych rozwiązań konstrukcyjnych, a coraz powszechniejsze stają się instalacje zasilające silnik sprężonym gazem ziemnym (CNG Compressed Natural Gas). Wychodząc na przeciw oczekiwaniom konsumenta, producenci samochodów oferują pojazdy z fabryczną instalacją CNG. To producent dobiera odpowiednie elementy układu oraz zapewnia ustawienie wymaganych parametrów. Można zatem stwierdzić, że wszystkie układy silnika są zoptymalizowane pod kątem zasilania paliwem gazowym [3, ]. Alternatywą dla fabrycznych instalacji są systemy nakładkowe, pod pojęciem których należy rozumieć systemy dodatkowo montowane przez użytkowników do już istniejących fabrycznych systemów zasilania benzyną. Konwersji zasilania silnika pojazdu dokonują wyspecjalizowane zakłady montażu, posiadające odpowiednie uprawnienia. W niniejszym artykule dokonano porównania emisji związków szkodliwych spalin w pojeździe z fabrycznie zamontowaną instalacją CNG oraz pojeździe z instalacją nakładkową. Stanowiło do dalszy etap badań prezentowanych m.in. w publikacjach [, ]. Badań dokonano w warunkach rzeczywistego ruchu na trasie łączącej elementy jazdy miejskiej i pozamiejskiej. CEL BADAŃ Celem badań była próba odpowiedzi na pytanie dotyczące możliwości montowania układu sprężonego gazu ziemnego w pojazdach, które pierwotnie nie były do tego przystosowane. Zagadnienie sprowadzało się do sytuacji podobnej do montowania układów LPG (Liquefied Petroleum Gas) w pojazdach z silnikami o zapłonie iskrowym, które pierwotnie były zasilane jedynie benzyną. Aby uniknąć kosztów wyposażenia pojazdu z silnikiem benzynowym w cały układ pozwalający na zasilanie takiego silnika gazem ziemnym, uproszczono zagadnienie do następujących warunków (rys. ): wykorzystano pojazd fabrycznie zasilany benzyną, wykorzystano sterownik silnika, który używany jest w pojazdach zasilanych tylko jednym paliwem benzyną, zamontowano butle magazynujące sprężony gaz ziemny i instalację wtryskową gazu, dodatkowo zamontowano emulator (wyrób firmy montującej dodatkowe układy zasilania gazem ziemnym), który miał za zadanie sterowanie wtryskiem gazu ziemnego na podstawie sygnałów od wtryskiwaczy paliwa podstawowego benzyny. Powyższe operacje umożliwiły zasilanie silnika gazem ziemnym, jedynie w przypadku nagrzanego silnika o temperaturze cieczy chłodzącej ponad 7 o C. Wtrysk gazu ziemnego następował na podstawie sygnałów otwarcia wtryskiwaczy benzynowych, co skutkowało wykonaniem ostatecznej kalibracji emulatora w specjalistycznym zakładzie. Kalibracja taka została wykonana głównie pod kątem dostosowania pozafabrycznego sterownika do konkretnego pojazdu. Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu; -95 Poznań, ul. Piotrowo 3,tel.: + 5, fax: + 5, jacek.pielecha@put.poznan.pl 3

2 a) wtryskiwacze benzyny Jednostka sterująca benzyna Silnik b) Dane wejściowe wtryskiwacze benzyna CNG Silnik Jednostka sterująca CNG Jednostka sterująca benzyna Rys..Schemat układu sterowania silnikiem przy zasilaniu benzyną i gazem ziemnym: a) system wyjściowy (układ fabrycznie montowany w pojazdach), b) system przystosowawczy do zasilania silnika benzynowego gazem ziemnym montowany poza wytwórnią Plan badań zakładał wykonanie pomiarów emisji zanieczyszczeń dwuetapowo: pierwszy etap dotyczył badań emisji związków szkodliwych w warunkach miejskich, a w drugim etapie dokonano analizy emisji zanieczyszczeń w warunkach pozamiejskich. METODYKA BADAŃ Dane wejściowe. Obiekty badań Obiektami badań były pojazdy Volkswagen Caddy Eco Fuel (rys. ). Wykorzystane w badaniach pojazdy od wprowadzenia na rynek w roku spełniały wymagania emisyjności spalin według obowiązującej wówczas normy Euro. Po niewielkich modyfikacjach oprogramowania sterownika silnika od roku 9 VW Caddy Eco Fuel homologowane są zgodnie z normą Euro 5 []. W każdej wersji wyposażane były w ten sam rodzaj reaktora trójfunkcyjnego. Wybór małego przebiegu pojazdu uzasadniony był tym, że pojazdy w sposób niefabryczny są przystosowywane do dodatkowego zasilania tańszym paliwem na wczesnym etapie eksploatacji. Rys.. Pojazdy użyte do badań 37

3 przepływomierz Badania polegały na pomiarze stężenia związków szkodliwych (CO, CO, HC i NO x ) w spalinach pojazdów. Wykorzystując dane z systemu lokalizacji pojazdu GPS oraz systemu diagnostycznego określono emisję drogową związków szkodliwych. Do pomiarów stężenia związków szkodliwych w spalinach wykorzystano mobilny analizator Semtech-DS firmy Sensors, umożliwiający pomiar zgodnie z wymogami odpowiednich norm [,, ].. Aparatura badawcza Do pomiarów stężenia związków szkodliwych w spalinach wykorzystano mobilny analizator SemtechDS. (rys. 3). Umożliwiał on pomiar związków szkodliwych tlenku węgla, dwutlenku węgla, węglowodorów oraz tlenków azotu [7]. Natomiast do pomiaru masy cząstek stałych (rys. ) posłużył mobilny analizator AVL 3 Micro Soot Sensor []. Do pomiaru liczby cząstek stałych wykorzystano licznik cząstek stałych AVL 39 [3], a do pomiaru rozkładu wielkości cząstek stałych spektrometr masowy 39 EEPS firmy TSI Incorporated [9]. Schemat pomiarowy Składniki gazowe spaliny T, H GPS OBD Semtech DS CO, CO, HC, NO x 9 o C Chłodnica Filtr FID, 9 o C HC AVL 3 MSS PM = f(t) NDUV NO, NO NDIR CO, CO PMD O AVL 39 EEPS 39 (TSI) PN = f(d, t) Semtech DS PEMS (Sensors) Rys. 3. System pomiarowy wykorzystany do badań w rzeczywistych warunkach ruchu metoda fotoakustyczna c) spaliny DR=-3 DR= o C o C 35 o C GPS Wi-Fi OBD micro soot sensor 3 particle counter (AVL) particle sizer Rys.. System pomiarowy wykorzystany do badań emisji cząstek stałych: a) analizator do pomiaru stężenia masowego cząstek stałych AVL 3 Micro Soot Sensor, b) licznik cząstek stałych AVL 39, c) spektrometr masowy TSI EEPS 39 do pomiaru rozkładu średnicowego cząstek stałych 3

4 .3 Trasy badawcze Podjęta analiza emisji związków szkodliwych spalin dotyczyła przejazdu przez dwa warianty tras: miejskiej (rys. 5) i pozamiejskiej (rys. ). Wyznaczona trasa przejazdu miejskiego charakteryzowała się zbliżonymi parametrami do testu NEDC pod względem długości i czasu przejazdu, a także średniej wartości prędkości. Profil drogi był zróżnicowany pod względem wysokości n.p.m. a maksymalna różnica wynosiła 5, m. Trasa pozamiejska została zlokalizowana w okolicach Poznania, głównie na obszarach podmiejskich. Rys. 5. Przebieg miejskiej trasy pomiarowej[5] Rys.. Przebieg pozamiejskiej trasy pomiarowej [5]. Porównanie zgodności przejazdów Na rysunku 7 przedstawiono udziały czasu pracy pojazdów we współrzędnych prędkość pojazdu przyspieszenie w warunkach jazdy miejskiej dla dwóch pojazdów: pierwszego wyposażonego w fabryczny układ zasilania gazem ziemnym, i drugiego wyposażonego w taki układ poza wytwórnią. Takie same dane dla jazdy pozamiejskiej przedstawiono na rysunku. Dla tożsamych pól porównano udziały czasu pracy pojazdów i wykreślono punkty przedstawione na rysunku 9. Wyznaczając wartości współczynników korelacji określono zgodność między poszczególnymi przejazdami. Uzyskane wartości współczynników korelacji to,7 dla przejazdów trasą miejską oraz,9 dla badań wykonanych na trasie pozamiejskiej. Takie wartości uprawniły do przyjęcia założenia, że przejazdy były podobne i możliwa jest analiza porównawcza wyników emisji zanieczyszczeń. 39

5 u i (CNG niefabryczne) u i (CNG niefabryczne) u i [-] u i [-] u i [-] u i [-],,,,,,,, V [m/s] -,5 -,5 a [m/s ] Rys. 7. Udziały czasu pracy pojazdu we współrzędnych prędkość pojazdu przyspieszenie w warunkach jazdy miejskiej: a) pojazd z fabryczną instalacją CNG, b) pojazd przystosowany do zasilania CNG poza wytwórnią -,5,5,5,,,,,,,, V [m/s] -,5 -,5 a [m/s ] -,5,5,5,,,,,,, V [m/s] - - a [m/s ] Rys..Udziały czasu pracy pojazdu we współrzędnych prędkość pojazdu-przyspieszenie w warunkach jazdy pozamiejskiej: a) pojazd z fabryczną instalacją CNG, b) pojazd przystosowany do zasilania CNG poza wytwórnią,,,,, V [m/s] - - a [m/s ],5 R² =,7,,, R² =,9,9,,,3,,,,3,,9,,5 u i (CNG fabryczne) Rys. 9.Analiza korelacyjna badań pojazdów z fabryczną instalacją CNG oraz instalacją montowaną poza wytwórnią: a) w warunkach jazdy miejskiej, b) w warunkach jazdy pozamiejskiej 3 UZYSKANE WYNIKI POMIARÓW,,,,,, u i (CNG fabryczne) Analiza wartości natężenia emisji poszczególnych zanieczyszczeń dla dwóch etapów badań (pojazdu z fabryczną instalacją CNG oraz pojazdu wyposażonego w taki układ poza wytwórnią) pozwala na stwierdzenie, że większe ich wartości przeważnie obserwowane są dla pojazdu niefabrycznie wyposażonego w instalację CNG. Takie stwierdzenie dotyczy pomiarów dwutlenku węgla, tlenku węgla oraz węglowodorów (rys. a, b, i c), natomiast w stosunku do natężenia emisji tlenków azotu jest przeciwnie mniejsze wartości rejestrowano dla pojazdu wyposażonego

6 b) CO [mg/s] CO [g/s] CO [g] CO [mg] a) -5 c) d) HC [mg/s] NOx [mg] 9 HC [mg] NOx [mg/s] - Rys..Charakterystyka natężenia emisji oraz masy zanieczyszczeń podczas testu w warunkach miejskich pojazdów z fabryczną instalacją zasilania oraz instalacją montowaną poza wytwórnią: a) dwutlenku węgla, b) tlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu b) CO [mg/s] CO [g/s] CO [g] CO [mg] a) d) NOx [mg/s] HC [mg/s] HC [mg] NOx [mg] c) Rys..Charakterystyka natężenia emisji oraz masy zanieczyszczeń podczas testu w warunkach podmiejskich pojazdów z fabryczną instalacją zasilania oraz instalacją montowaną poza wytwórnią: a) dwutlenku węgla, b) tlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu

7 CO [g/km], CO, HC, NOx [mg/km] Względna zmiana emisji drogowej w instalację gazową instalowaną fabrycznie (rys. d). Sumując wartości natężenia emisji zanieczyszczeń otrzymano krzywe, które obrazują skumulowaną masę poszczególnych związków podczas badań (górne wykresy na rys. ). Ich końcowe wartości posłużyły do wyznaczenia całkowitej masy zanieczyszczeń, a znajomość przebytej drogi pozwoliła na wyznaczenie ich emisji drogowej. Wyniki o podobnym charakterze uzyskano w badaniach na trasie pozamiejskiej, charakteryzującej się znacznie dłuższym czasem trwania i większym przebytym dystansem (rys. ). Pomimo zmian warunków ruchu dla wszystkich związków szkodliwych otrzymane wartości były zgodne pod względem zmiany natężenia ich emisji. Należy jednak podkreślić, że poziom natężenia emisji był różny dla tych etapów badań a wynikał głównie z warunków ruchu i większej prędkości pojazdu. Największą różnicą między wartością skumulowaną zanieczyszczeń dla badanych pojazdów w warunkach pozamiejskich odnotowano dla tlenku węgla orz węglowodorów. Różnica ta jest dużo większa niż odpowiadająca jej różnica uzyskana w badaniach w warunkach miejskich. Oznacza to, że układ zasilania wykonany poza wytwórnią nie umożliwiał tak efektywnego spalania jak układ fabryczny, a jednocześnie znacznie gorzej pracował przy większych prędkościach obrotowych silnika i większych obciążeniach. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Wyznaczenie wartości emisji drogowej zanieczyszczeń w badaniach miejskich uwidoczniała różnice w działaniu badanych układów zasilania: pojazd z układem fabrycznym charakteryzował się mniejszym zużyciem paliwa (mniejsza emisja dwutlenku węgla), mniejszą emisją drogową tlenku węgla oraz węglowodorów. Większa okazała się emisji drogowa tlenków azotu ponad dwukrotnie (rys. a). Jednakże porównując wartości względne, można zauważyć bardzo duże ponad -krotne zwiększenie emisji drogowej tlenku węgla i ponad -krotne zwiększenie emisji węglowodorów. Również emisja drogowa dwutlenku węgla, a więc zużycie paliwa dla pojazdu wyposażonego w układ zasilania CNG poza wytwórnią było większe o 3%. Jedynie emisja drogowa tlenków azotu było mniejsza o około % w stosunku do pojazdu wyposażonego w fabryczną instalację zasilania gazem ziemnym (rys. b). Podobne wyniki uzyskano w badaniach drogowych wykonanych na trasie pozamiejskiej (rys. 3). Podobieństwo przejawiało się w zwiększeniu emisji drogowej tych samych zanieczyszczeń, natomiastich poziom nie zawsze odpowiadał uzyskanym wcześniej wartościom. Emisja drogowa dwutlenku węgla w badaniach drogowych pozamiejskich pojazdów, była większa o około % (rys. b) dla pojazdu z niefabryczną instalacją gazową, natomiast znaczący wzrost zanotowano dla emisji drogowej tlenku węgla i węglowodorów, odpowiednio 3 i razy. W tym przypadku emisja drogowa tlenków azotu okazała się -krotnie mniejsza dla pojazdu z niefabryczną instalacją zasilania gazem ziemnym , CO CO HC NOx,3 Rys..Wyniki emisji drogowej zanieczyszczeń badanych pojazdów z fabryczną instalacją CNG oraz instalacją montowaną poza wytwórnią w warunkach miejskich: a) wartości bezwzględne, b) wartości,3 CO CO HC NOx,

8 CO [g/km], CO, HC, NOx [mg/km] Względna zmiana emisji drogowej względne ,, 3 Rys. 3.Wyniki emisji drogowej zanieczyszczeń badanych pojazdów z fabryczną instalacją CNG oraz instalacją montowaną poza wytwórnią w warunkach pozamiejskich: a) wartości bezwzględne, b) wartości względne WNIOSKI CO CO HC NOx 5 9, Przeprowadzone badania emisji drogowej zanieczyszczeń dla pojazdów wyposażonych w fabryczną instalację zasilania gazem ziemnym oraz pojazdów z instalacją dodatkowo montowaną, która wykorzystuje sygnał sterujący pracą wtryskiwaczy benzynowych do określania działania wtryskiwaczy gazu, wskazuje na ekologiczne zalety tylko pierwszego rozwiązania. Jedynym pozytywnym efektem rozwiązania nakładkowego jest zmniejszenie emisji drogowej tlenków azotu, jednakże powoduje to znaczne zwiększenie emisji pozostałych związków szkodliwych. Uzyskane bardzo znaczne przyrosty emisji drogowej zanieczyszczeń dla pojazdu z niefabryczną instalacją zasilania gazem ziemnym dyskwalifikuje to rozwiązanie do stosowania w pojazdach użytkowych. Należy jednak podkreślić, że przedmiotem badania był jeden rodzaj systemu wykorzystującego emulator sterownika benzynowego wtryskowego układu, i nie można uogólnić uzyskanych wyników na systemy, które są dedykowane do zastępowania układów sterowania o znacznym stopniu zaawansowania. Streszczenie Wysokie ceny paliw oraz rygorystyczne normy dotyczące emisji związków szkodliwych spalin, powodują zwiększanie się zainteresowania pojazdami zasilanymi paliwami alternatywnymi. Coraz powszechniejsze stają się instalacje zasilania gazem ziemnym (w postaci ciekłej lub sprężonej). Producenci pojazdów oferują modele z fabrycznie wykonaną instalacją zasilającą silnik sprężonym gazem ziemnym, a wyspecjalizowane zakłady dokonują konwersji standardowych systemów zasilania benzyną na systemy zasilania CNG. W niniejszym artykule porównano emisję drogową szkodliwych związków spalin pojazdów wykorzystujących fabryczną instalacją oraz pojazdów z takim układem montowanym poza wytwórnią. Badania podzielono na dwa etapy: badania emisji zanieczyszczeń w warunkach jazdy miejskiej oraz w warunkach jazdy pozamiejskiej. Uzyskane wyniki potwierdziły, że instalacja fabryczna wykonana przez producenta pojazdu kilkakrotnie pod względem ekologicznym (mniejsza emisja zanieczyszczeń) i ekonomicznym (mniejsze zużycie paliwa) jest znacznie bardziej zaawansowana niż instalacje nakładkowe. Potwierdziła to kilkukrotnie mniejsza emisja zanieczyszczeń (z wyjątkiem tlenków azotu) z pojazdów z fabryczną instalacją CNG, w porównaniu z instalacją sprężonego gazu ziemnego montowaną poza wytwórnią. Emission testing of vehicles with different natural gas power systems Abstract High fuel prices and strict standards for the exhaust emission, causing an increase in the interest in vehicles powered by alternative fuels. LPG and CNG installations are increasingly common. Vehicle manufacturers offer models with factory-made CNG installation and specialized companies convert petrol installations to 5 CO CO HC NOx,5 3

9 CNG. This article compares the exhaust emission of vehicles using factory installation and installation made by converting petrol installation. The study was divided into two stages: measurements from urban and extraurban route. The results confirmed that the factory-made installation is several times more ecologic (less pollution) and economic (less fuel) than installation made by conversion. The proof is several times smaller emission (with the exception of nitrogen oxides) of the vehicle with factory-made CNG installation BIBLIOGRAFIA. Bonnel P., Weiss M., Provenza A., In-use Emissions Requirements in the New and Future European Motor Vehicle Emissions Regulations: State Of Play. th Annual SUN Conference, Ann Arbor.. Bougher T., Khalek I.A., Trevitz S., Akard M., Verification of a Gaseous Portable Emissions Measurement System with a Laboratory System using the Code of Federal Regulations Part 5. SAE Technical Paper Series --9,. 3. Emission Instruments: AVL Particle Counter. AVL List GmbH, Graz.. Gao Y., Checkel M.D., Emission Factors Analysis for Multiple Vehicles using an On-Board, In-Use Emissions Measurement System. SAE Technical Paper Series 7--37, International Energy Agency, World Energy Outlook. OECD/IEA, Paris.. Kaliski M., Nagy S., Rychlicki S., Siemek J., Szurlej A., Gaz ziemny w Polsce wydobycie, zużycie i import do 3 roku. Górnictwo i Geologia, nr Khalek I.: Status Update on the PM-PEMS Measurement Allowance Project. Sensors 5th Annual SUN (SEMTECH User Network) Conference, Ann Arbor.. Merkisz J., Pielecha J., Łabędź K., On-Road Test Exhaust Emissions Vehicle Powered by Compressed Natural Gas. FISITA World Automotive Congress, Paper no. F-CET-, Maastricht - June. 9. Particle Instruments: Model 39 Engine Exhaust Particle Sizer TM Spectrometer. TSI Incorporated, 9.. Pielecha J., Merkisz J., Łabędź K., The Effect of Mileage of the Vehicle Fueled with Natural Gas On The Vehicle s Ecological Indices. PTNSS 3 SC 5. CombustionEngines3, nr 3,.. Schindler W., Haisch Ch., Beck H.A., Niessner R., Jacob E., Rothe D., A Photoacoustic Sensor System for Time Resolved Quantification of Diesel Soot Emissions. SAE Paper Series -- 9,.. SelbstudienprogrammNr 373 Der Erdgasantrieb EcoFuel im Touran und Caddy. 3. Smerkowska B., Rynek biogazu i CNG jako paliwa w Europie. Forum Czystej Energii Poleko, Poznań.. Westport. Natural Gas Vehicle Technologies for Light, Medium, Heavy and High Horsepower Applications. II Konferencja Metan dla motoryzacji, Warszawa.3.3.