Analiza emisyjności pojazdu ciężkiego spełniającego normę Euro VI w warunkach rzeczywistej eksploatacji

Transkrypt

1 BAJERLEIN MACIEJ 1 MERKISZ Jerzy 2 DOBRZYŃSKI Michał 3 RYMANIAK Łukasz 4 ZIÓŁKOWSKI Andrzej 5 Analiza emisyjności pojazdu ciężkiego spełniającego normę Euro VI w warunkach rzeczywistej eksploatacji WSTĘP Na przestrzeni ostatniej, dekady we flocie pojazdów użytkowych przeznaczonych w głównej mierze do przewozu ładunków, obserwuje się znaczący wzrost udziału w pojazdach poruszających się po drogach publicznych. Przekłada się to bezpośrednio na zwiększenie przebiegowego zużycia paliwa wpływającego się na emisje zanieczyszczeń do atmosfery przez tą grupę pojazdów. Należy więc zwrócić szczególną uwagę na kwestię zmniejszania ich negatywnego oddziaływania na środowisko. W związku z tym ustanawiane są nowe wytyczne emisyjne, stające się wymogiem do przystosowania jednostek napędowych oraz układów oczyszczania spalin przez producentów pojazdów, jednakże weryfikacja nowych konstrukcji w wyidealizowanych warunkach w dużym stopniu nie odzwierciedla pracy jaką wykonują w czasie rzeczywistej eksploatacji. 1. NOWE PROCEDURY HOMOLOGACYJNE W POJAZDÓW CIĘŻKICH W ASPEKCIE EMISJI SPALIN Pierwsze pomiary Euro I, II odbywały się w teście ECE 49. Pomiary Euro III do V odbywały się zgodnie z testami ESC (European Stationary Cycle) i ELR (European Load Response) i ETC (European Transient Cycle). Norma EEV (Environmentally Enhanced Vehicle) nigdy nie była Rys. 1. Widok schematu układu oczyszczania spalin zamontowanego w pojeździe ciężkim spełniającym normę emisji spalin Euro VI [5] 1 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; ul. Piotrowo 3, Poznań, Tel.: (+48) , Fax: (+48) , maciej.bajerlein@put.poznan.pl 2 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; ul. Piotrowo 3, Poznań, Tel.: (+48) , Fax: (+48) , jerzy.merkisz@put.poznan.pl 3 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; ul. Piotrowo 3, Poznań, Tel.: (+48) , Fax: (+48) , michal.dobrzynski@put.poznan.pl 4 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; ul. Piotrowo 3, Poznań, Tel.: (+48) , Fax: (+48) , 5 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; ul. Piotrowo 3, Poznań, Tel.: (+48) , Fax: (+48) , 172

2 obowiązkowym wymogiem przy rejestracji, jednakże uznano ją jako szczególnie przyjazną dla środowiska. Rozporządzenie zgodne z dyrektywą WE 595/2009 stawia nowe wytyczne emisyjne dla Euro VI stające się obowiązkowe dla pojazdów rejestrowanych po raz pierwszy od dnia r. Norma ta ustala wspólne przepisy związane z produkcją nowych typów pojazdów, silników i części zamiennych pod względem emisji substancji szkodliwych. Wprowadzenie nowej normy spowodowało dalszą redukcję tlenków azotu NO x i cząstek stałych PM, a także węglowodorów HC. Wartość tych ostatnich jest mierzona także w aspekcie emisji ze skrzyni korbowej podczas czynności obsługowych. Znaczącym założeniem jest ograniczenie emisji NO x o 80% w stosunku do normy Euro V i redukcja cząstek stałych o 66%. Dodatkowo wprowadzono przepisy o zgodności będących w użyciu aut i silników z wymaganiami dotyczącymi trwałości, dostępu do informacji z pokładowego systemu diagnostycznego OBD, pomiaru zużycia paliwa i emisji dwutlenku węgla CO 2. Nowo wyprodukowane pojazdy będą badane według zharmonizowanych cykli jezdnych dla pojazdów ciężarowych i autobusów. Metody opierać będą się na pomiarach zgodnych z WHSC (cykl stacjonarny) i WHTC (cykl dynamiczny) odpowiadających rzeczywistej charakterystyce roboczej pojazdów użytkowych w eksploatacji. Nową procedura objęty został pomiar ilości cząstek stałych, oraz wyznaczony został poziom limitu dla stężenia NH3 w spalinach [1]. 2. METODYKA BADAŃ BADANY OBIEKT Obiektem badawczym był zespół członowy w postaci ciągnika siodłowego wraz naczepą widoczny na rysunku 2 o konfiguracji osi 4 x 2. Szczegółowe dane pojazdu zaprezentowano w tabeli 1. Pojazd był wyposażony w silnik spalinowy generujący maksymalną moc 331 kw (450 KM), maksymalny a) b) Rys.2. Pojazd wykorzystany do badań podczas: a) instalacji aparatury badawczej, b) wykonywania pomiarów emisji CO 2 w warunkach drogowych Tab.1 Charakterystyka obiektu badawczego [6] Parametr Wartość Pojemność silnika 12,7 dm 3 Liczba cylindórw / układ Moc maksymalna Maksymalny moment obrotowy Norma emisji Układ oczyszczania gazów wylotowych 6 / rzędowy 331 kw przy 1900 obr/min 2400 Nm przy obr/min Euro VI EGR, SCR, DOC, DPF, ASC Skrzynia biegów automatyczna 12+1 Konfiguracja osi ciągnika siodłowego 4 x 2 173

3 moment obrotowy 2400 Nm, spełniający normę Euro VI. W pojeździe zastosowano zaawansowany układ oczyszczania gazów wylotowych, w którego skład wchodzi: układ recyrkulacji gazów wylotowych EGR, utleniający reaktor katalityczny DOC, filtr regeneracji pasywnej cząstek stałych DPF, dwa układy selektywnej redukcji katalitycznej SCR oraz dwa amoniakalne reaktory katalityczne ASC [3] Metodyka badań Badanie emisji CO 2 dla danego obiektu przeprowadzono na odcinku pomiarowym, którego długość wyniosła 56 km. Na rysunku 3 przedstawiono przebieg trasy, na której realizowano pomiary. Głównym kryterium decydującym o wyborze odcinka pomiarowego była możliwość przeprowadzenia pomiarów w warunkach odwzorowujących jazdę miejską i pozamiejską. Rozpoczęcie jak i również zakończenie wykonanego testu odbywało się na drodze krajowej nr 11 będącej trasą wyjazdową z aglomeracji Poznańskiej. Przebieg trasy badawczej jest odwzorowaniem codziennej eksploatacji pojazdów ciężkich przeznaczonych do długodystansowych przewozów ładunków. Pojazd w trakcie badania obciążony był ładunkiem o masie kg. Rys. 3 Przebieg trasy wykorzystany do badań [7] 1.3. Aparatura pomiarowa Pomiar emisji CO 2 wykonano przy użyciu mobilnego przyrządu widocznego na rysunku 4 SEMTECH DS firmy SENSORS, należącej grupy analizatorów typu PEMS. Rejestracja stężenia CO 2 odbywała przy użyciu analizatora NDIR (Non Dispersive Infrared). Zakres pomiarowy stężenia CO 2 wynosi 0-20% (dokładność ±3%). Przyrząd wyposażony jest we własną stację meteorologiczną umożliwiającą pomiar parametrów warunków otoczenia takich jak temperaturę, ciśnienie, oraz wilgotność powietrza. Przyrząd dodatkowo wyposażony jest w moduł GPS (Global Positioning System), a także przetwornik sygnału umożliwiającego komunikację z systemem diagnostycznym pojazdu w celu rejestracji bieżących parametrów pracy silnika. Pomiar masowego natężenia przepływu gazów wylotowych odbywał się przy użyciu przepływomierza o średnicy 5 wykorzystującego metodę opartą na zasadzie działania rurki Pitota [4]. 174

4 a) b) Rys. 4 Widok a)urządzenie pomiarowe SEMTECH DS., b) przepływomierz do pomiaru masowego natężenia przepływu gazów wylotowych zamontowany w układzie wylotowym badanego pojazdu 3. WYNIKI BADAŃ Na rysunku 5 przedstawiono przebieg prędkości pojazdu oraz natężenie emisji CO 2. Średnia prędkość pojazdu na trasie wyniosła 54 km/h. Można wyróżnić dwa obszary pracy, w których pojazd uzyskał prędkość maksymalną i w tym fragmencie nie zarejestrowano dużej zmienności przyspieszenia. Obszary te stanowią 50% całkowitego czasu testu. W pozostałej części testu zaobserwowano większe zmiany prędkości pojazdu, co wynikało z przejazdu przez małą miejscowość. Na podstawie tych danych można stwierdzić, że uzyskany profil ruchu pojazdu odzwierciedlał warunki jazdy miejskiej i pozamiejskiej. b) Rys. 5 Wykres przebiegu sekundowej emisji CO 2 [g/s] względem prędkości pojazdu [km/h] Poniżej przedstawiono wyniki emisji sekundowej CO 2 uzyskane podczas badań drogowych. Na podstawie tych danych wyznaczono zależności charakteryzujące wpływ dynamiki ruchu pojazdu na emisję związków szkodliwych. Dynamikę ruchu pojazdu zdefiniowano w sposób pośredni, 175

5 wykorzystując podział całego pola pracy silnika na przedziały prędkości obrotowej wału korbowego i obciążenia. W tych przedziałach wyznaczono macierz udziału czasu pracy silnika i natężenia emisji CO 2. Największy udział czasu pracy spalinowej jednostki napędowej przypada w obszarze średniej prędkości obrotowej wału korbowego zawierających się w przedziale obr/min. Sumaryczna wartość emisji w tym obszarze stanowiła 50% całkowitej emisji CO 2 uzyskanej podczas badań. Maksymalne natężenia emisji CO 2, określone w gramach na sekundę, rozłożone jest w zakresie prędkości obrotowej wału korbowego obr/min. Stężenie CO 2 wzrastając proporcjonalnie do wygenerowanego momentu przez silnik spalinowy osiągając maksimum wynoszące 50 g/s przy wartości 2400 Nm. Rys. 6 Charakterystyka emisji dwutlenku węgla w przedziałach prędkości obrotowej wału korbowego i momentu Rys. 7 Charakterystyka udziału czasu pracy w przedziałach prędkości obrotowej wału korbowego i wygenerowanego momentu obrotowego 176

6 WNIOSKI W kontekście wykonanych badań warto zwrócić uwagę na projekt normy emisji spalin Euro VI dla ciężkich pojazdów samochodowych, który zakłada opracowanie metodyki wykorzystania aparatury PEMS do szacowania emisji spalin tych pojazdów w rzeczywistych warunkach eksploatacji. Aby opracować poprawną metodykę badań pojazdów, należy przeprowadzić pomiary dla większej liczby pojazdów w zróżnicowanych warunkach ruchu. Zasadne zatem jest prowadzenie dalszych badań opartych na metodyce przedstawionej w niniejszym artykule. Kolejnym krokiem autorów będzie przeprowadzenie badań dla tego typu pojazdów wyłącznie w warunkach jazdy autostradowej. Przewiduje się przeprowadzenie analizy emisyjnej przy wykorzystaniu metod badawczych charakteryzujących warunki poza testowe, np. procedura NTE lub UE 582/2011. Prace sfinansowano z funduszy Narodowego Centrum Badań i Rozwoju projekt badawczy w ramach programu Innotech (umowa nr INNOTECH-K2/IN2/36/182269/NCBR/12). The research was funded by the National Centre for Research and Development (Narodowe Centrum Badań i Rozwoju) research project within the Innotech Programme (contract No. INNOTECH- K2/IN2/36/182269/NCBR/12). Streszczenie W artykule zaprezentowano analizę emisyjności pojazdu ciężarowego o dopuszczalnej masie całkowitej kg. Przedstawiono aktualne wytyczne dotyczące nowych wymogów przeprowadzania badań pod kątem normy Euro VI Pomiar emisji składników szkodliwych spalin w przeprowadzono w warunkach rzeczywistej eksploatacji. Obiektem badawczym był zespół członowy w postaci ciągnika siodłowego wraz naczepą. Pomiary przeprowadzono na odcinku o długości 56 km, uwzględniającego odzwierciedlenie eksploatacji w warunkach jazdy miejskiej, oraz pozamiejskiej. Badania wykonano przy użyciu mobilnej aparatury typu PEMS firmy SENSORS Inc. The analysis of emission from Euro VI heavy duty vehicle under actual operation conditions Abstract The paper presents the analysis of vehicle emission in heavy duty car with a total mass vehicle kg. Presents current guidelines for the new testing requirements for Euro VI emission. Measurement was carried out harmful ingredients asleep during the actual operating conditions. The test facility consisted of a modular unit in the form of the tractor unit and the trailer. The measurements were performed at a distance of 56 km, taking into account the reflection operation in urban driving conditions, extra-urban. The study was performed using mobile devices PEMS type of companies SENSORS Inc. BIBLIOGRAFIA 1. Fuć P., Studium pasywnej regeneracji filtrów cząstek stałych w silnikach o zapłonie samoczynnym. Rozprawa habilitacyjna, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań Merkisz J., Badania emisji pojazdów w rzeczywistych warunkach ruchu; a 2011 update. Combustion Engines / Silniki Spalinowe nr 3/2011 (146), p. 3-15, (2011). 3. Merkisz J., Kozak M., Molik P., Nijak D., Andrzejewski M., Nowak M., Rymaniak Ł., Ziókowski A., Analiza emisyjności samochodu ciężarowego w ruchu miejskim / Silniki Spalinowe nr. 3/2012 (150), p , (2012) 4. WeiQ., Rooney R.: The On-Board PM Mass Calibration for the Real-Time PM Mass Measurement. SAE Technical Paper Wykonano na podstawie: 6. Dane producenta pojazdu 7. Wykonano na podstawie: 8. Wykonano na podstawie: 177