Comparative assessment of exhaust emission buses: powered CNG and Diesel

Transkrypt

1 Article citation info: MERKISZ J. et al. Comparative assessment of exhaust emission buses: powered CNG and Diesel. Combustion Engines. 25, 62(3), ISSN Jerzy MERKISZ Jacek PIELECHA Wojciech GIS Maciej GIS Remigiusz JASIŃSKI PTNSS Comparative assessment of exhaust emission buses: powered CNG and Diesel Article refers to the study of exhaust emissions and fuel consumption of buses: powered CNG and diesel oil in the domestic real traffic conditions. The analysis is comparative in nature. This paper presents the characteristics of concentration and intensity of harmful exhaust emissions and mileage fuel consumption by the above buses. Applications referred to the environmental aspects of the power generated for CNG bus (biomethane) and conventionally powered diesel. Key words: ecology, exhaust emission, CNG, Diesel, road tests Ocena porównawcza emisji zanieczyszczeń spalin autobusów: zasilanego CNG i olejem napędowym Artykuł odnosi się do badań emisji zanieczyszczeń spalin i zużycia paliwa autobusów: zasilanego CNG i olejem napędowym w krajowych rzeczywistych warunkach ruchu drogowego. Analiza ma charakter porównawczy. W artykule przedstawiono charakterystyki stężenia i natężenia emisji związków szkodliwych spalin i przebiegowego zużycia paliwa przez autobusy o różnym zasilaniu. Wnioski odniesiono do aspektów ekologicznych uzyskanych dla zasilania autobusu CNG (biometanem) i zasilanego konwencjonalnym olejem napędowym. Słowa kluczowe: ekologia, emisja spalin, CNG, olej napędowy, testy drogowe. Wprowadzenie Wykonanie pierwszej w kraju instalacji oczyszczania biogazu, sprężania, magazynowania i dystrybucji biometanu z przeznaczeniem wykorzystania jako samochodowe paliwo silnikowe, lokowanej na składowisku odpadów w Niepołomicach, wykonanej w ramach europejskiego projektu More Baltic Biogas Bus, spowodowało konieczność oceny skutków ekologicznych stosowania produkowanego biometanu do zasilania autobusów miejskich w rzeczywistych warunkach miejskich ruchu drogowego. W prezentowanych badaniach użyto jednak jeszcze w przypadku autobusu napędzanego silnikiem o zapłonie iskrowym, CNG zamiast biometanu, ze względu na konieczność realizacji tych badań z wykorzystaniem pozostających do dyspozycji autobusów, przed ostatecznym terminem odbioru instalacji. Problem zmniejszenia emisji związków szkodliwych spalin przez obecnie eksploatowane pojazdy nie jest rozwiązany i powinien być rozwijany jednocześnie z badaniami nad przyszłościowymi układami napędowymi [4, 5, 2, 3, 5, 6]. W tym zakresie brak wiedzy dotyczy szczególnie warunków rzeczywistej eksploatacji pojazdów oraz wpływu różnych czynników na poziom emisji. Dotychczasowe prace nie w pełni odzwierciedlają istniejące uwarunkowania rzeczywistego ruchu drogowego i ich wpływ na poziom emisji związków szkodliwych spalin. Pomiary emisji zanieczyszczeń ze źródeł silnikowych w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego uwzględniają zmienność warunków otoczenia, jakość nawierzchni drogi, stan ruchu oraz styl jazdy kierowcy [7]. Coraz częściej są one uwzględniane w aktach prawnych dotyczących pomiarów emisji zanieczyszczeń z pojazdów [7 ]. 2. Cel i zakres badań Celem badań była ocena własności emisyjnych i zużycia paliwa autobusów komunikacji miejskiej zasilanych CNG i olejem napędowym na trasie Niepołomice-Kraków. Trasę badawczą wybrano biorąc pod uwagę podmiejską linię autobusową Niepołomice Kraków, będącą linią średnio obciążoną. Autobus CNG był autobusem marki Jelcz M2 M/4 wyposażonym w silnik spalinowy spełniający normę emisji spalin Euro III. Rok produkcji autobusu to rok 26, a objętość skokowa napędzającego go silnika to 967 cm 3 oraz moc 8 kw. Autobus zasilany olejem napędowym to autobus marki Jelcz M2 MB, wyposażony w silnik spełniający normę Euro III, o objętości skokowej silnika 97 cm 3 i mocy maksymalnej 84 kw, rok produkcji autobusu to rok 2. Badania emisji spalin prowadzono w jednym dniu. Na rysunku przedstawiono widok badanych autobusów z zamontowaną aparaturą badawczą. 775

2 3. Metodyka badań Pomiarów toksyczności spalin i zużycia paliwa dokonano w różnych warunkach jazdy. Odcinek testowy zaplanowano jako połączenie elementów jazdy miejskiej (centrum miast z elementami jazdy pozamiejskiej (rys. 3). Na rysunku tym podano również charakterystykę trasy przejazdowej. Rys.. Widok obiektów badawczych z zamontowaną aparaturą badawczą (zasilany gazem ziemnym CNG lewy, zasilany olejem napędowym prawy) Charakterystyka trasy: Długość: 4 km Wysokość minimalna: 9 m Wysokość maksymalna: 22 m Maksymalne nachylenie: 3,% Minimalne nachylenie: 3,% Średnie nachylenie dodatnie:,2% Średnie nachylenie ujemne:,2% Natomiast na rysunku 2 przedstawiono widok aparatury badawczej typu PEMS. Do pomiarów stężenia związków szkodliwych w spalinach wykorzystano dwa mobilne analizatory Semtech DS [, 2]. Umożliwiały one pomiar związków szkodliwych spalin dwutlenku węgla, tlenku węgla, węglowodorów oraz tlenków azotu i oszacowanie zużycia paliwa metodą bilansu węgla. Rys. 3. Charakterystyka trasy badawczej 4. Wyniki i analiza badań Rys. 2. Widok aparatury badawczej typu PEMS Informacje zawarte w publikacjach z zakresu wykorzystania mobilnych analizatorów spalin w powiązaniu z danymi rejestrowanymi z pokładowych systemów diagnostycznych [6, 8], potwierdzają celowość podjęcia oceny emisji zanieczyszczeń w rzeczywistych warunkach ruchu z wykorzystaniem takiej aparatury pomiarowej. Porównywanie wyników było możliwe dzięki pozytywnemu wynikowi porównania tras przejazdów i ich dużej procentowej zgodności czasowej, będącej efektem określenia udziału czasu faz pracy pojazdu w teście (wartości zaokrąglone do pełnych jednostek): przyspieszania: 44% (pojazd zasilany CNG) i 43% (pojazd zasilany ON), prędkości stałej: 6% (pojazd zasilany CNG) i 5% (pojazd zasilany ON), hamowania pojazdem 36% (pojazd zasilany CNG) i 45% (pojazd zasilany ON), postoju pojazdu: 4% (pojazd zasilany CNG) i 8% (pojazd zasilany ON). Rozpatrując stężenie dwutlenku węgla dla pojazdu zasilanego CNG otrzymywano wartości wynoszące maksymalnie 9%, co skutkowało natężeniem emisji dwutlenku węgla o maksymalnych wartościach wynoszących 2 mg/s (rys

3 Najczęściej natomiast odczytywanymi wartościami natężenia dwutlenku węgla był przedział między 8 a mg/s. Dla autobusu zasilanego olejem napędowym stężenie dwutlenku węgla zawierało się maksymalnie do wartości około 8%, natomiast najczęstszą wartość odczytywano z zakresu od 2% do 4%. Skutkowało to natężeniem emisji dwutlenku węgla w zakresie 5 do 8 mg/s (rys. 4. Q [dm3/ km] Rys. 5. Charakterystyka chwilowego i średniego przebiegowego zużycia paliwa: odniesione do drogi: pojazd zasilany CNG, pojazd zasilany olejem napędowym Uzyskane przebiegi czasowe natężenia emisji związków szkodliwych spalin podczas badań dla przejazdu obydwoma autobusami, posłużyły do opracowania zależności charakteryzujących wpływ dynamicznych właściwości autobusów miejskich na emisję związków szkodliwych. Dynamiczne właściwości pojazdów uwzględniono w sposób pośredni, wykorzystując podział całego zakresu prędkości jazdy oraz zakresu obliczonego przyspieszenia w ruchu miejskim do wykonania macierzy natężenia emisji poszczególnych zanieczyszczeń. Dane uśredniono w ramach poszczególnych przedziałów prędkości i przyspieszenia autobusów, otrzymując charakterystykę udziału pracy w poszczególnych przedziałach oraz charakterystyki macierzy emisji poszczególnych związków szkodliwych. Rozpatrując charakterystyki jazdy badanych autobusów (rys. 6), należy zauważyć podobieństwo udziałów czasu jazdy, oraz to że największy udział pracy pojazdu w badanych warunkach ruchu przypada w obszarze minimalnej prędkości jazdy (postoju) i relatywnie dużych prędkości (2 4 m/s) oraz zerowego przyspieszenia pojazdu. W związku z dużym podobieństwem przejazdów pod kątem udziału poszczególnych wartości prędkości i przyspieszeń w całkowitym teście należy uznać za zasadne możliwość porównania poszczególnych związków szkodliwych spalin dla autobusów o różnych jednostkach napędowych CO2 [mg/s] 24 Qśrednie [dm3/ km] 3 CO2 [mg/s] 24 CO2 [%] 45 Q [dm3/ km] CO2 [%] 5 Qśrednie [dm3/ km] Rys. 4. Charakterystyka stężenia i natężenia emisji dwutlenku węgla; odniesione do drogi: pojazd zasilany CNG, pojazd zasilany olejem napędowym Charakterystyka chwilowego i średniego przebiegowego zużycia paliwa odniesiona do przebytej drogi dla obu pojazdów, charakteryzuje się odmiennymi wynikami. Dla pojazdu zasilanego gazem ziemnym obserwowano chwilowe zużycie paliwa w granicach 5 dm3/ km (linia czerwona na rys. 5, natomiast uzyskana wartość średnia z całego testu to wartość 4 dm3/ km (linia niebieska na rys. 5. Natomiast dla pojazdu zasilanego olejem napędowym chwilowe zużycie paliwa osiągało wartości z przedziału 3-5 dm3/ km (linia czerwona na rys. 5. Wartości zużycia paliwa w stałych okresach pomiarowych kształtowały się w granicach do 4 dm3 / km do wartości 5 dm3 / km, uzyskując wartość średnią w całym teście wynoszącą 29 dm3 / km (linia niebieska na rys. 5. Porównując uzyskane wyniki przebiegowego zużycia paliw należy stwierdzić, że pojazd zasilany gazem ziemnym zużywa około 25% więcej paliwa niż pojazd zasilany olejem napędowym. 777

4 CO 2 [mg/s] CO 2 [mg/s] u i [-] CO 2 [mg/s] u i [-] CO 2 [mg/s] a [m/s 2 ] a [m/s 2 ] a [m/s 2 ] -. - Rys. 6. Dwuwymiarowe histogramy udziału czasu pracy pojazdu podczas badań we współrzędnych prędkość przyspieszenie: pojazd zasilany CNG, pojazd zasilany olejem napędowym Natężenie emisji dwutlenku węgla (rys. 7), określone w miligramach na sekundę i charakteryzujące w sposób pośredni zużycie paliwa w badanych warunkach, jest większe dla autobusu zasilanego olejem napędowym niż dla autobusu zasilanego gazem ziemnym jedynie w warunkach maksymalnych wartości przyspieszenia dla prędkości jazdy z przedziału 6 8 m/s. Jednakże dokładna analiza tych danych, pozwala na stwierdzenie, że dla prędkości stałych (dla przyspieszenia równego zero) wartości natężenia emisji dwutlenku węgla dla pojazdu zasilanego olejem napędowym są mniejsze w całym zakresie prędkości pojazdu. Potwierdzeniem takiego stanu jest również charakterystyka przedstawiona na rys. 8, która ujmuje uśrednione wartości natężenia emisji dwutlenku węgla (od a min do a max ) dla stałych wartości prędkości jazdy pojazdu. Z porównania przedstawionych charakterystyk wynika, że dla tych samych wartości prędkości jazdy natężenie emisji dwutlenku węgla jest o około 2% mniejsze dla pojazdu zasilanego olejem napędowym niż dla pojazdu zasilanego gazem ziemnym. Wartości takie otrzymano dla większości przedstawionych uśrednionych prędkości, co jest również potwierdzeniem otrzymanych wyników przebiegowego zużycia paliwa, przedstawionego na wykresach poprzednich a [m/s 2 ] - - Rys. 7. Dwuwymiarowe histogramy natężenia emisji dwutlenku węgla podczas badań we współrzędnych prędkość przyspieszenie: pojazd zasilany CNG, pojazd zasilany olejem napędowym Rys. 8. Histogramy natężenia emisji dwutlenku węgla podczas badań dla uśrednionych wartości prędkości: pojazd zasilany CNG, pojazd zasilany olejem napędowym Rozpatrując natężenie emisji tlenków azotu z badanych pojazdów, należy stwierdzić, że uzyskiwane jej wartości emisja dla autobusu zasilanego gazem ziemnym są o około 5% mniejsze w stosunku do autobusu zasilanego olejem napędowym (rys. 9). Potwierdzeniem tego są wartości uzyskane dla uśrednionych wartości przyspieszenia dla sta- 778

5 NO x [mg/s] Q [-], CO, HC, NO x, CO 2 [-] NO x [mg/s] Q [dm 3 / km], CO, HC, NO x, CO 2 [g/km] NO x [mg/s] Q [m 3 / km], CO, HC, NO x, CO 2 [g/km] NO x [mg/s] łych prędkości jazdy pojazdu (rys. ). Zakres zmienności wartości natężenia emisji tlenków azotu dla pojazdu zasilanego gazem i wyposażonego w reaktor katalityczny, to przedział od 4 mg/s do 7 mg/s, natomiast dla pojazdu zasilanego olejem napędowym wartości te były z zakresu od 6 mg/s do mg/s a [m/s 2 ] - - Porównanie wyników przebiegowego zużycia paliwa i emisji drogowej zanieczyszczeń uzyskane z badań autobusów zasilanych różnymi paliwami uwidacznia, że mniejsze wartości przebiegowego zużycia paliwa oraz emisji drogowej tlenku węgla, węglowodorów oraz dwutlenku węgla uzyskano dla pojazdu zasilanego olejem napędowym (rys. ). Jedynym związkiem, którego emisja drogowa była większa dla pojazdu zasilanego olejem napędowym w porównaniu do pojazdu zasilanego gazem ziemnym, to tlenki azotu (rys. 2). Emisja drogowa tych związków podczas badań była większa o 22% dla pojazdu zasilanego olejem napędowym w stosunku do pojazdu zasilanego gazem zmiennym a [m/s 2 ] - - Rys. 9. Dwuwymiarowe histogramy natężenia emisji tlenków azotu podczas badań we współrzędnych prędkość przyspieszenie: pojazd zasilany CNG, pojazd zasilany olejem napędowym, Q CO HC NOx CO2 Zużycie paliwa, związek szkodliwy 747,94 28,2 9,,99,34 Q CO HC NOx CO2 Zużycie paliwa, związek szkodliwy Rys.. Wyniki przebiegowego zużycia paliwa i emisji drogowej zanieczyszczeń spalin uzyskane z badań: pojazd zasilany CNG, pojazd zasilany olejem napędowym) % 2% CNG ON 22% Rys.. Histogramy natężenia emisji tlenków azotu podczas badań dla uśrednionych wartości prędkości: pojazd zasilany CNG, pojazd zasilany olejem napędowym % 8% 6% 4% 2% % 7% 4% 48% Q CO HC NOx CO2 Zużycie paliwa, związek szkodliwy Rys. 2. Porównanie przebiegowego zużycia paliwa i emisji drogowej zanieczyszczeń uzyskane z badań 73% 779

6 5. Podsumowanie Z wykonanych badań w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego wnioski są następujące: przebiegowe zużycie paliwa (gazu ziemnego): 4,38 m 3 / km (pojazd zasilany CNG) oraz 28,2 dm 3 / km (pojazd zasilany olejem napędowym), drogowa emisja tlenku węgla: 25,6 g/km (pojazd zasilany gazem ziemnym) oraz,99 g/km (pojazd zasilany olejem napędowym) zmniejszenie o 96%, drogowa emisja węglowodorów: 2,77 g/km (pojazd zasilany gazem ziemnym) oraz,34 g/km (pojazd zasilany olejem napędowym) zmniejszenie o 52%, drogowa emisja tlenków azotu: 7,47 g/km (pojazd zasilany gazem ziemnym) oraz 9, g/km (pojazd zasilany olejem napędowym) zwiększenie o 22%, drogowa emisja dwutlenku węgla: 3 g/km (pojazd zasilany gazem ziemnym) oraz 748 g/km (pojazd zasilany olejem napędowym) zmniejszenie o 27%. Należy podkreślić, że emisja dwutlenku węgla w cyklu istnienia jest niemal zerowa w przypadku zasilania autobusu gazem ziemnym, zamiast właśnie gazem ziemnym biometanem. Dlatego też wykonano, pierwszą w kraju, instalację dla jego pozyskania. Skróty i oznaczenia a acceleration/przyspieszenie CNG compressed natural gas/sprężony gaz ziemny e jednostkowa emisja zanieczyszczeń Euro normy emisji spalin w Europie EU European Union/Unia Europejska PEMS Portable Emissions Measurement System/ przenośny system do pomiaru emisji związków toksycznych spalin t TWC u V ZI ZS time/czas tree way catalyst/reaktor katalityczny potrójnego działania share/współczynnik udziału vehicle speed/prędkość pojazdu silnik o zapłonie iskrowym silnik o zapłonie samoczynnym Literatura [] Bonnel P., Weiss M., Provenza A.: In-use emissions requirements in the new and future European motor vehicle emissions regulations: state of play. In: 8th Annual SUN Conference, Ann Arbor 2. [2] Deutsche Energie Agentur GmbH: Erdgas und Biomethan im künftigen Kraftstoffmix Handlungsbedarf und Lösungsansätze für eine beschleunigte Etablierung im Verkehr (The role of natural gas and methane in the fuel mix of the future in Germany), DENA, Berlin 2. [3] Gis W., Żółtowski A. i in.: Wstępna ocena emisji zanieczyszczeń z maszyn niedrogowych w rzeczywistych warunkach pracy. Praca Instytutu Transportu Samochodowego 63/COŚ. Warszawa 22. [4] International Energy Agency, Energy technology perspectives 2: scenarios and strategies to 25. OECD/IEA, Paris 2. [5] Merkisz J., Pielecha J., Radzimirski S.: New trends in emission control in the European Union. Springer Tracts on Transportation and Traffic, Springer Verlag, Vol. 4, 24, p. 7. [6] Neandross E.: Developments in the U.S. LNGV market. LNG is HOT: Opportunities, Challenges & Strategies as a Vehicle Fuel, Conference, Gladstein, Neandross and Associates (GNA), Brussels 29. [7] Regulation (EC) No. 595/29 of the European Parliament and of the Council of 2 June 27 on type approval of motor vehicles with respect to emissions from heavy duty vehicles (Euro VI) and on access to vehicle repair and maintenance information and amending Regulation (EC) No 75/27 and Directive 27/ 46/EC and repealing Directives 8/269/EEC, 25/55/EC and 25/78/EC. OJ L 88/, [8] Regulation No. 49 Revision 5. Uniform provisions concerning the measures to be taken against the emission of gaseous and particulate pollutants form compression ignitions engines for use in vehicles, and the emission of gaseous pollutants from positive ignition engines fuelled with natural gas or liquefied petroleum gas for use in vehicles. E/ECE/ 324/Rev./Add.48/Rev.5-E/ECE/TRANS/ 55/Rev./Add.48/Rev.5. [9] Regulation No. 49 Revision 6. Uniform provisions concerning the measures to be taken against the emission for gaseous and particulate pollutants from compression ignition engines and positive ignition engines for use in 78

7 vehicles. E/ECE/324/Rev./Add.48/Rev.6- E/ECE/TRANS/55/Rev./ Add.48/ Rev.6. [] Rozporządzenie Komisji (UE) Nr 582/2 wykonujące i zmieniające rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (WE) nr 595/29 w odniesieniu do emisji zanieczyszczeń pochodzących z pojazdów ciężarowych o dużej ładowności (Euro VI) oraz mieniające załączniki I i III do dyrektywy 27/46/WE Parlamentu Europejskiego i Rady. Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej L67/. [] Rozporządzenie Komisji (UE) Nr 64/22 zmieniające rozporządzenie (UE) nr 582/2 Parlamentu Europejskiego w odniesieniu do emisji zanieczyszczeń pochodzących z pojazdów ciężarowych o dużej ładowności (Euro VI). [2] Smerkowska B.: Rynek biogazu i CNG jako paliwa w Europie. Forum Czystej Energii Poleko, Poznań 22. [3] Taib Iskandar Mohamad: Compressed natural gas direct injection (spark plug fuel injector). [In:] Natural Gas, Primox Potocnik (ed.), Intech 2. [4] Tsinoglou D., Koltsakis G., Samaras Z.: Performance of OBD systems for Euro 4 level vehicles and implications for the future OBD legislation. [In:] Predelli O.: Onboard- Diagnose II, Expert Verlag, 27. [5] Westport. Natural gas vehicle technologies for light, medium, heavy and high horsepower applications. II Konferencja Metan dla motoryzacji, Warszawa [6] Zajkowski R., Wieczorek K.: Perspektywy wykorzystania metanu do zasilania pojazdów. II Konferencja Metan dla motoryzacji, Warszawa Jerzy Merkisz, DSc., DEng. Professor in the Faculty of Machines and Transport at Poznan University of Technology. Prof. dr hab. inż. Jerzy Merkisz profesor na Wydziale Maszyn Roboczych i Transportu Politechniki Poznańskiej. Wojciech Gis, DSc., DEng. Assistant Professor in Motor Transport Institute in Warsaw. Dr hab. inż. Wojciech Gis adiunkt w Instytucie Transportu Samochodowego w Warszawie. Jacek Pielecha, DSc., DEng. Professor in the Faculty of Machines and Transport at Poznan University of Technology. Dr hab. inż. Jacek Pielecha, prof. PP profesor na Wydziale Maszyn Roboczych i Transportu Politechniki Poznańskiej. Maciej Gis Eng. student in the Faculty of Automotive and Construction Machinery Egineering at Warsaw University of Technology. Inż. Maciej Gis student Wydziału Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej. Remigiusz Jasiński, MSc, Eng. PhD student in the Faculty of Machines and Transport at Poznan University of Technology. Mgr inż. Remigiusz Jasiński doktorant na Wydziale Maszyn Roboczych i Transportu Politechniki Poznańskiej. 78