COMPARISON OF POLLUTANT EMISSIONS TEST CYCLES FOR IC ENGINES

Transkrypt

1 Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol.14, No COMPARISON OF POLLUTANT EMISSIONS TEST CYCLES FOR IC ENGINES Andrzej ótowski Motor Transport Institute Jagielloska 8, 3-31 Warsaw tel.: wew. 518, fax: andrzej.zoltowski@its.waw.pl Abstract There are many test cycles used for measurement of pollutant emissions from exhaust systems in internal combustion engines. In the paper are compared results of pollutant emissions testing in three different test cycles simulating transient conditions of engine operating in bus. There were used following test cycles: European Transient Cycle used in European type approval testing, Heavy Duty Diesel Transient Cycle used in USA and Non Road Transient Cycle used in type approval testing for off-road engines. These cycles were compared by using statistic analysis as well as drawing of histogram for engine torque and speed. In discussion about test results are indicated differences between mean parameters specific for each cycle. These differences are the reason why emission test results for each cycle are different. Author of this paper wanted to find answer to following question: is it possible to replace with one another emission transient test cycles and can we look forward similar emission test results for different kind of cycles? Keywords: transport, internal combustion engines, emission of pollutants, engine testing PORÓWNANIE CYKLI BADAWCZYCH DO POMIARU EMISJI ZANIECZYSZCZE Z SILNIKÓW SPALINOWYCH Streszczenie Na wiecie opracowano wiele cykli badawczych uywanych do wyznaczania emisji toksycznych skadników spalin z ukadów wylotowych silników. W niniejszej pracy porównano wyniki bada emisji zanieczyszcze z silnika stosowanego do napdu autobusu, zmierzone na stanowisku hamownianym przy zastosowaniu trzech rónych cykli badawczych symulujcych nieustalone warunki pracy silnika. Uyte w badaniach cykle pomiarowe to European Transient Cycle stosowany w homologacji europejskiej, Heavy Duty Diesel Transient Cycle stosowany w USA oraz Non Road Transient Cycle, stosowany przy homologacji silników maszyn ruchomych. Cykle te porównano ze sob dokonujc ich analizy statystycznej poprzez okrelenie funkcji rozkadu czstoci wystpowania momentu i prdkoci obrotowej silnika. Przeprowadzono dyskusj nad otrzymanymi wynikami pomiarów emisji, wykazano rónice w rednich parametrach charakteryzujcych porównywane cykle badawcze uzasadniajc tym uzyskane wyniki pomiarów emisji. Praca stanowi prób odpowiedzi na pytanie, czy jest moliwe zamienne stosowanie cykli badawczych do wyznaczania wskaników charakteryzujcych waciwoci emisyjne silnika i czy w wyniku zamiany cyklu badawczego mona spodziewa si otrzymania podobnych wyników? Sowa kluczowe: transport, silniki spalinowe, emisja zanieczyszcze, badania silników 1. Wstp Istnieje wiele sposobów okrelania emisji toksycznych skadników spalin z ukadów wylotowych silników. Poniewa masa emitowanych przez silnik zanieczyszcze zaley przede wszystkim od prdkoci obrotowej i obcienia silnika, problem wyznaczenia wskaników, które charakteryzowayby waciwoci emisyjne silnika sprowadza si do pomiaru jego emisji jednostkowej w okrelonych warunkach pracy. Problem waciwego wyboru punktów pracy

2 A. ótowski silnika podczas pomiarów emisji powsta z chwil wprowadzenia przepisów homologacyjnych ograniczajcych iloci zanieczyszcze emitowanych do atmosfery przez pojazdy. Organizacje zajmujce si tworzeniem przepisów homologacyjnych (np. Agencja do Spraw Ochrony rodowiska w USA, Europejska Komisja Gospodarcza ONZ z siedzib w Genewie, Komisja Europejska, ISO International Standard Organization, czy organizacje krajowe np. w Japonii) opracowyway i opracowuj dla potrzeb homologacji cykle badawcze, w których mierzy si warto szkodliwej emisji z silników. 2. Ewolucja cykli pomiarowych emisji Historia rozwoju cykli badawczych emisji zanieczyszcze ma ju ponad 2 lat. Pocztkowo byy to wycznie cykle stacjonarne, w których emisj zanieczyszcze wyznaczano w warunkach ustalonych. 8 6 T [Nm] T [Nm] 8 6 HDDTC NRTC ETC -2 T [Nm] czas [s] Rys. 1. Przebieg momentu obrotowego badanego silnika w wybranych cyklach badawczych Fig. 1. Course of torque in tested engine for different test cycles 592

3 Comparison of Pollutant Emissions Test Cycles for IC Engines Przykadem moe tu by - wzorowany na uywanym w Kalifornii - 13-fazowy cykl badawczy stosowany w regulaminie 49 EKG ONZ. Skada si on z trzynastu punktów pomiarowych, z których kady jest scharakteryzowany prdkoci obrotow silnika, jego obcieniem, czasem pracy w danym punkcie i wspóczynnikiem wagi. Obecnie cykl ten przeksztaci si w cykl ESC (European Steady Cycle), w którym silnik pracuje przy czterech rónych prdkociach obrotowych (wliczajc w to bieg jaowy). Cykle stacjonarne dla pojazdów typu Heavy Duty powstaway na podstawie statystycznej analizy pracy silnika w warunkach rzeczywistych i byy prób zastpienia rzeczywistych parametrów pracy silnika cyklem badawczym w warunkach ustalonych, w którym byyby zachowane procentowe udziay rzeczywistych prdkoci i obcie. 3 n [obr/min] HDDTC NRTC ETC n [obr/min] 1 n [obr/min] czas [s] Rys. 2. Przebieg prdkoci obrotowej badanego silnika w wybranych cyklach badawczych Fig. 2. Course of speed in tested engine for different test cycles Wraz z postpem technicznym i rozwojem nowoczesnych hamulców silnikowych sterowanych komputerowo, pozwalajcych midzy innymi na symulacj stanów hamowania silnikiem, pojawia si moliwo pomiarów emisji zanieczyszcze w warunkach symulujcych rzeczywiste warunki pracy silnika. Organizacje odpowiedzialne za tworzenie przepisów homologacyjnych opracoway odpowiednie cykle badawcze do bada w warunkach nieustalonych, okrelajc przebiegi zmian momentu obrotowego i prdkoci obrotowej silnika w odstpach jednosekundowych. Przykadem moe tu by amerykaski cykl Heavy Duty Diesel Transient Cycle, czy europejski cykl European Transient Cycle. Kady z tych cykli ma sw genez. I tak trwajcy 3 minut cykl ETC w swym zamyle ma odzwierciedla róne rodzaje ruchu drogowego. Moemy w nim wyróni trzy obszary, z których kady trwa po 1 minut, reprezentatywne dla warunków drogowych spotykanych podczas: 593

4 A. ótowski jazdy miejskiej, jazdy pozamiejskiej (w terenie niezabudowanym), jazdy po autostradzie ETC NRTC HDTC czsto [%] T [Nm] czsto [%] n [obr/min] Rys. 3. Czsto wystpowania momentu obrotowego i prdkoci obrotowej w rónych cyklach badawczych Fig. 3. Frequency of occurrence torque and speed in different test cycles Na rys. 1 i 2 przedstawiono przebieg momentu obrotowego i prdkoci obrotowej badanego silnika (moc znamionowa 13 kw, prdko znamionowa 26 obr/min) w cyklach badawczych ETC (European Transient Cycle), HDDTC (Heavy Duty Diesel Transient Cycle) i NRTC (Non Road Transient Cycle). Badania wykonano na stanowisku badawczym w Instytucie Transportu Samochodowego. Cykl NRTC pochodzi ze znowelizowanej dyrektywy 97/68/EC i jest przeznaczony do bada homologacyjnych silników przeznaczonych do maszyn ruchomych wyposaonych w silniki o zaponie samoczynnym i mocy wikszej ni 19 kw. Analizujc przebiegi przedstawione na rys. 1 i 2, mona dostrzec, e skadaj si one z czci reprezentujcych róne rodzaje i stany pracy silnika. Zmienno i rónorodno stanów pracy silnika w czasie odtwarzania poszczególnych cykli sprawia, e rednie obcienie silnika, czy rednia prdko obrotowa w cyklu róni si w poszczególnych cyklach. Na rys. 3 przedstawiono statystyczn analiz czstoci wystpowania obcienia i prdkoci obrotowej silnika w poszczególnych cyklach. W tym celu dziedzin zakresu uytecznych 594

5 Comparison of Pollutant Emissions Test Cycles for IC Engines prdkoci obrotowych badanego silnika podzielono na klasy o szerokoci 5 obr/min, za dziedzin momentu obrotowego na klasy o szerokoci 1 Nm. W kadej z tak zdefiniowanych klas wyznaczono czsto wystpowania momentu i prdkoci obrotowej. Mona zauway, e w cyklu ETC maksimum krzywej rozkadu prdkoci obrotowej wystpuje w pobliu prdkoci maksymalnego momentu obrotowego (n T ), co odzwierciedla normalny sposób pracy silnika napdzajcego pojazd w warunkach drogowych. W cyklu NRTC maksimum to znajduje si pomidzy prdkoci maksymalnego momentu obrotowego a prdkoci znamionow silnika. W cyklu HDDTC najczciej wystpujc prdkoci obrotow silnika jest prdko zbliona do prdkoci biegu jaowego. Analizujc krzyw rozkadu momentu obrotowego mona dostrzec, e waciwie we wszystkich trzech cyklach zwiksza si czsto wystpowania momentu obrotowego silnika wraz ze spadkiem wartoci momentu. Szczególnie wyranie jest to widoczne w cyklu HDDTC. Prawidowo t mona dostrzec równie w cyklu ETC, z wyjtkiem przedziau 6 7 Nm, gdzie wystpuje skokowy wzrost czstoci wystpowania momentu obrotowego, oznaczajcy, e w przypadku cyklu ETC istnieje relatywnie wiksza liczba punktów pracy silnika przy penym obcieniu silnika. W przypadku cyklu NRTC zasada wzrostu czstoci pojawienia si danej wartoci momentu obrotowego wraz z jego spadkiem nie znajduje potwierdzenia jedynie dla najniszych obcie, gdzie czsto wystpowania momentu obrotowego w tym przedziale wyranie maleje. Opisany rozkad prdkoci i obcienia silnika w poszczególnych cyklach rzutuje na wartoci emisji jednostkowej zanieczyszcze wyznaczone podczas bada silnika w rónych cyklach badawczych. I tak w przypadku cyklu NRTC na ostateczny wynik pomiaru emisji jednostkowej z silnika bdzie miaa znaczny wpyw charakterystyka emisji przy rednich obcieniach silnika, w przypadku cyklu HDTC przy maych obcieniach i maych prdkociach obrotowych, za w przypadku cyklu ETC szczególnie istotna bdzie warto emisji przy prdkociach zblionych do prdkoci maksymalnego momentu obrotowego. Wida std, e mona spodziewa si tym wikszych róni w pomiarze emisji jednostkowych w poszczególnych cyklach, im bardziej zrónicowane bd wartoci emisji w polu pracy badanego silnika. Tab. 1. Wyniki pomiarów emisji zanieczyszcze w rónych cyklach badawczych Tab. 1. Emission results in different test cycles Rodzaj cyklu Rodzaj zanieczyszczenia Emisja jednostkowa Non Road Transient Cycle (NRTC) European Transient Cycle (ETC) Heavy Duty Diesel Transient Cycle (HDDTC) 3. Badania emisji w warunkach nieustalonych CO,67 THC,3 NO x 9,66 PM,2 CO 1,744 THC,284 NO x 9,52 PM,125 CO 2,666 THC,62 NO x 1,78 PM,32 Obserwujc zasób opracowanych cykli badawczych przeznaczonych do stosowania w praktyce, mona zada pytanie na ile wyniki pomiaru emisji otrzymane przy ich uyciu bd 595

6 A. ótowski zbiene ze sob. W tablicy 1 zestawiono wyniki pomiarów emisji jednostkowych zanieczyszcze z ukadu wylotowego badanego silnika, zmierzonych w cyklach badawczych w warunkach nieustalonych. Analizujc dane zawarte w tablicy 1 mona zauway, e wszystkie mierzone szkodliwe emisje w poszczególnych cyklach pomiarowych poza NO x róni si znacznie midzy sob. W tablicy 2 przedstawiono redni warto emisji obliczon na podstawie pomiarów w cyklach NRTC, ETC i HDDTC. Oprócz wartoci redniej tablic 2 dodatkowo uzupeniono o wartoci redniego odchylenia standardowego, wyraonego zarówno w jednostkach bezwzgldnych jak i w procentach. Patrzc na wartoci przedstawione w tablicy 2 widzimy, e jedynie w dla NO x mamy do czynienia w przypadku trzech uytych cykli badawczych z praktycznie t sam wartoci emisji jednostkowej. W przypadku pozostaych skadników spalin (CO, THC i PM) rednie odchylenie standardowe rozrzutu wyników pomiarów przyjmuje warto od 46 do 63 %. Badany silnik by silnikiem speniajcym norm Euro 2. rednie odchylenie standardowe rozrzutu pomidzy pomiarami w poszczególnych cyklach stanowi w wypadku CO jedynie 18 %, dla THC 23 %, a dla NO x 6 % wartoci dopuszczalnych limitu Euro 3. Oznacza to, e w badaniach kwalifikacyjnych ze wzgldu na emisj zanieczyszcze z ukadu wydechowego silnik praktycznie nie jest zbyt wraliwy na zmian rodzaju cyklu badawczego, a wynike std rónice wyników CO, THC i NO x nie przekraczaj 25 % wartoci dopuszczalnych Euro 3. Tab. 2. Analiza statystyczna wyników pomiarów emisji zanieczyszcze w trzech cyklach badawczych (NRTC, ETC i HDDTC) Tab. 2. Statistic of emission results in three transient cycles (NRTC, ETC i HDDTC) Rodzaj zanieczyszczenia rednia emisja rednie odchylenie standardowe jednostkowa % CO 1,59 1, 63 THC,39,18 46 NO x 9,86,3 3 PM,22,1 46 Odmienna sytuacja wystpuje w przypadku czstek staych, gdzie zmiana cyklu badawczego powoduje rozrzut odchylenia standardowego wyników rzdu 61 % limitu Euro 3. Wida to dobrze na przykadzie wyników pomiaru emisji PM (tablica 1) w cyklach ETC i HDTC, gdzie emisja PM w cyklu ETC stanowi 39 % emisji PM w cyklu HDTC. Poniewa emisja PM w cyklu ETC bya niewiele mniejsza od wartoci dopuszczalnej Euro 3 (,13 g/kwh), tak znaczny wzrost emisji PM w cyklu HDTC powoduje, e w badanym przypadku nie mona mówi o moliwoci zamiennego stosowania cykli badawczych w pomiarach emisji czstek staych. Tab. 3. Wartoci rednie wybranych parametrów pracy silnia w cyklach badawczych Tab.3. Mean values of chosen engine parameters in transient test cycles Rodzaj cyklu Moment obrotowy [Nm] Temperatura spalin [ C] Jednostkowe zuycie paliwa Wspóczynnik nadmiaru powietrza HDDTC ,1 NRTC ,5 ETC ,7 596

7 Comparison of Pollutant Emissions Test Cycles for IC Engines e CO, e THC, e PM CO THC PM TORQUE [Nm] T [K] Rys.4. Zaleno emisji jednostkowej od redniego obcienia silnika i redniej temperatury spalin Fig. 4. Specific emission versus mean torque and exhaust temperature e CO, e THC, e PM THC CO PM W tablicy 3 przedstawiono rednie parametry pracy silnika wyznaczone dla poszczególnych cykli badawczych. Z umieszczonych w niej danych wynika, e rednie obcienia silnika w cyklach NRTC i ETC róni si o ok. 2%, czemu towarzyszy podobna temperatura spalin oraz zbliony wspóczynnik nadmiaru powietrza. Na tym tle wyranie róni si cykl Heavy Duty Diesel Transient Cycle, gdzie rednie obcienia silnika s mniejsze o ponad poow od dwu pozostaych, co znajduje odzwierciedlenie w niszej temperaturze spalin i wikszej wartoci redniego wspóczynnika nadmiaru powietrza e CO, e THC, e PM 2 1 CO THC PM [-] TORQUE [Nm] Rys. 5. Zaleno emisji jednostkowej od redniego wspóczynnika nadmiaru powietrza i redniego obcienia silnika Fig. 5. Specific emission equivalent A/F ratio () and mean torque e NOx Oceniajc zmierzone rednie jednostkowe zuycie paliwa w cyklach mona zauway, e w cyklach NRTC i ETC rónice pomidzy rednimi wartociami momentu obrotowego s duo mniejsze ni rónice rednich wartoci jednostkowego zuycia paliwa. Oznacza to, e w cyklu ETC silnik pracuje z mniej stabilnym obcieniem, charakteryzujcym si wikszymi oscylacjami momentu obrotowego w stosunku do wartoci redniej. Na rys. 3 i 4 przedstawiono zaleno emisji jednostkowych w cyklach NRTC, ETC HDDTC w funkcji wartoci wybranych parametrów urednionych w cyklu, a przedstawionych w tablicy 3. Wyznaczone linie regresji dowodz, e spadek redniej wartoci obcienia silnika w cyklu badawczym prowadzi do wzrostu emisji jednostkowych wszystkich mierzonych zanieczyszcze. 597

8 A. ótowski 4. Wnioski Przeprowadzone badania wykazay, e warto emisji jednostkowej zanieczyszcze (CO, THC, PM) jest uzaleniona od rodzaju uytego cyklu badawczego. Relatywnie najmniej wraliwa na rodzaj uytego cyklu badawczego jest emisja NO x. Analizowane cykle badawcze nie mog by stosowane zamiennie do wyznaczania emisji. Rónice w zmierzonych wartociach emisji s efektem rónic warunków pracy silnika w poszczególnych cyklach, wyraonych takimi parametrami jak redni moment obrotowy w cyklu, redni wspóczynnik nadmiaru powietrza, czy rednia temperatura spalin. Rónice w wartociach emisji zmierzonych w poszczególnych cyklach (ETC, HDDTC, NRTC) s tym wiksze im wiksza jest wraliwo silnika na zmiany jego emisji jednostkowej wraz ze zmian parametrów pracy silnika. 598