Korelacja wyników nieprzeźroczystości spalin i emisji cząstek stałych PM w spalinach pojazdów z silnikami o zapłonie samoczynnym

Transkrypt

1 BIELACZYC Piotr 1 KORZEC Jerzy 2 SZCZOTKA Andrzej 3 Korelacja wyników nieprzeźroczystości spalin i emisji cząstek stałych PM w spalinach pojazdów z silnikami o zapłonie samoczynnym WSTĘP Negatywny wpływ spalin samochodowych na zanieczyszczenie powietrza w miastach stwierdzono już pod koniec lat pięćdziesiątych. Nieco później w Kalifornii w USA samochody uznano za główne źródło emisji związków szkodliwych do atmosfery i wprowadzono pierwsze przepisy ograniczające tę emisję [1]. Od tamtego czasu dążenie do ograniczenia emisji szkodliwych związków do atmosfery nabrało tempa i stało się ważne również w Europie oraz w innych krajach. Przepisy ograniczające emisję związków szkodliwych do atmosfery nieustannie się rozwijają wprowadzając coraz bardziej restrykcyjne ograniczenia emisji, a co za tym idzie coraz bardziej skomplikowane oraz drogie metodyki pomiarowe. Obecnie obowiązujące normy Euro 6 limitują zarówno emisję związków gazowych jak i emisję cząstek stałych (masową i liczbową). Grawimetryczny pomiar emisji cząstek stałych jest pomiarem dosyć kosztownym oraz dającym tylko wynik sumaryczny z całego cyklu jezdnego w jednostce g/km. Dotychczas nie opracowano dostatecznie prostych, tanich i szybkich metod określających poziom emisji cząstek stałych. W związku z tym, zastępczo lub uzupełniająco wykonuje się pomiary zadymienia lub nieprzezroczystości spalin [2]. Pomiar nieprzezroczystości spalin jest natomiast pomiarem szybkim i relatywnie tanim oraz dającym możliwość analizy poszczególnych fragmentów cyklu jezdnego. Z tego powodu metoda ta jest często wykorzystywana do prac rozwojowych na samochodach. Oprócz niskiego kosztu wykonania pomiarów jej zaletą jest również to, iż urządzenie pomiarowe jest małe i daje się z powodzeniem zamontować w samochodzie (możliwość pomiarów w testach drogowych). W niniejszym artykule podjęto próbę skorelowania wyników emisji cząstek stałych (mierzonej metodą grawimetryczną) z wynikami nieprzezroczystości spalin (mierzonej metodą absorpcji światła), a więc próbę oceny wykorzystania metody tańszej i szybszej do oszacowania wyników metody droższej i bardziej pracochłonnej. 1. METODYKA BADAŃ 1.1. Badane samochody Obiektami badań w niniejszym artykule były samochody osobowe oraz dostawcze z silnikami o zapłonie samoczynnym. Obiekty te opisano w tab. 1 i 2, w których przedstawiono ich najważniejsze dane. Należy zwrócić uwagę na to, że podane w wyżej wymienionych tabelach oznaczenia samochodów od A do I odnoszą się do całej floty pojazdów danego typu. I tak np. podana w tabeli 1 ilość przeprowadzonych prób, wynosząca 67 dla samochodów D oznacza, że taka ilość prób została przeprowadzona na kilkudziesięciu samochodach z silnikami o danych podanych w tej tabeli (na większości samochodach w ramach danej grupy wykonywano więcej niż 1 test emisji). Samochody G, wyróżniały się układem zasilania (wtrysk pośredni), samochody E i F z kolei wyposażone były w filtr cząstek stałych (DPF), a samochody G, H i I były samochodami dostawczymi. Dodatkowo w tabelach ujęte zostały dane dotyczące cyklu jezdnego, rozruchu silnika (zimny i ciepły rozruch) oraz ilość wykonanych prób dla każdego z badanych samochodów. Dla ułatwienia analizy, każdej z grup samochodów został przydzielony kolor, którym jest on oznaczany w niniejszym artykule. 1 Instytut Badań i Rozwoju Motoryzacji BOSMAL Sp. z o.o Bielsko-Biała ul. Sarni Stok 93 tel , piotr.bielaczyc@bosmal.com.pl 2 Instytut Badań i Rozwoju Motoryzacji BOSMAL Sp. z o.o Bielsko-Biała ul. Sarni Stok 93 tel , jerzy.korzec@bosmal.com.pl 3 Instytut Badań i Rozwoju Motoryzacji BOSMAL Sp. z o.o Bielsko-Biała ul. Sarni Stok 93 tel , andrzej.szczotka@bosmal.com.pl 355

2 Tab. 1. Specyfikacja samochodów A - D Samochód A Samochód B Samochód C Samochód D Pojemność skokowa sil. [cm 3 ] Moc silnika [kw] Masa własna pojazdu [kg] Moc jednostkowa [kw/kg] Moc jednostkowa [kw/cm 3 ] Wtrysk Wtrysk Wtrysk Wtrysk Układ zasilania bezpośredni bezpośredni bezpośredni bezpośredni Układ recyrkulacji spalin tak tak tak tak Filtr cząstek stałych nie nie nie nie Cykl jezdny NEDC NEDC NEDC NEDC Kategoria samochodu M1 M1 M1 M1 Poziom emisji Euro 4 Euro 4 Euro 4 Euro 4 Limit emisji PM [g/km] Kolor oznaczania w artykule Tab. 2. Specyfikacja samochodów E - I Samochód E Samochód F Samochód G Samochód H Samochód I Pojemność skokowa sil. [cm 3 ] Moc silnika [kw] Masa własna pojazdu [kg] Moc jednostkowa [kw/kg] Moc jednostkowa [kw/cm 3 ] Wtrysk Wtrysk Wtrysk Wtrysk Wtrysk Układ zasilania bezpośredni bezpośredni pośredni bezpośredni bezpośredni Układ recyrkulacji spalin tak tak tak tak tak Filtr cząstek stałych tak tak nie nie nie Cykl jezdny NEDC NEDC NEDC NEDC NEDC Kategoria samochodu M1 N1 N1 N1 N1 Poziom emisji Euro 4 Euro 4 Euro 3 Euro 3 Euro 4 Limit emisji PM [g/km] Kolor oznaczania w artykule 1.2. Stanowisko badawcze Przyrządy badające zadymienie i nieprzezroczystość spalin są urządzeniami mierzącymi optyczne właściwości spalin z silników o zapłonie samoczynnym. Przyrządy te zostały zaprojektowane do określania widocznej emisji sadzy, w oparciu o wygaszanie wiązki światła przez rozpraszanie i absorpcję [4]. Są to przyrządy tanie i proste w obsłudze. Do badania emisji cząstek stałych metodą grawimetryczną potrzebny jest układ rozcieńczania i poboru próbki spalin na specjalnych filtrach pomiarowych (zdjęcie 1), pomieszczenie do sezonowania i ważenia filtrów oraz bardzo dokładna mikrowaga. 356

3 Zdjęcie 1. Tunel rozcieńczający pełnego przepływu AVL CET z widocznym na końcu punktem poboru spalin na filtrach pomiarowych [6] Rys. 1. Schemat laboratorium emisji spalin w IBiRM BOSMAL Na zdjęciu 1 przedstawiono laboratorium badań emisji spalin w IBiRM BOSMAL, w którym wykonywane były badania w ramach niniejszego artykułu. Do pomiarów nieprzezroczystości spalin użyto dymomierza absorpcyjnego AVL 439 OPECIMETER Cykl jezdny Wszystkie badania wykonano podczas obowiązującego w krajach Unii Europejskiej testu jezdnego NEDC (New European Driving Cycle), pokazanego na rys. 2 i opisanego w [3, 4, 5]. Podczas wykonywania testu jezdnego rejestrowano nieprzezroczystość spalin z częstotliwością 1 Hz oraz wykonywano pomiar emisji cząstek stałych metodą grawimetryczną uzyskując w ten sposób komplet danych wejściowych do dalszej analizy. 357

4 Rys. 2. Cykl jezdny NEDC [2,3] 2. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA 2.1. Obliczenia nieprzeźroczystości spalin oraz emisji cząstek stałych Dane wejściowe otrzymane z przebiegu każdej próby są następujące: czas trwania poszczególnych faz testów (odpowiednio t UDC =780 s, t EUDC =400s), droga, jaką samochód przejechał w trakcie przeprowadzonej próby, wyrażona w km (dalej oznaczana, jako S UDC dla fazy UDC oraz jako S EUDC dla fazy EUDC), wartość emisji cząstek stałych pochodząca z systemu CVS, wyrażona w g/km (oznaczana dalej jako PM UDC i PM EUDC, odpowiednio poszczególnych dla faz), ciągły przebieg nieprzezroczystości spalin w czasie, mierzony co sekundę przez dymomierz absorpcyjny, wyrażony w %. Na podstawie wyżej wymienionych danych obliczono wartości nieprzeźroczystości spalin oraz emisji cząstek stałych w obydwóch fazach testu (UDC oraz EUDC) Analiza porównawcza emisji cząstek stałych uzyskanej metodą grawimetryczną oraz nieprzezroczystości spalin uzyskanej za pomocą dymomierza absorpcyjnego Zakres badań obejmował analizę porównawczą wyników uzyskanych metodą grawimetryczną z systemu CVS oraz wyniku z dymomierza absorpcyjnego. Do tego celu posłużono się wykresami nieprzezroczystości spalin () w funkcji emisji cząstek stałych (). Na rys. 3 przedstawiono porównanie emisji PM* oraz nieprzezroczystości spalin w fazie UDC dla wszystkich przebadanych samochodów. Każdy punkt jest wynikiem jednej przeprowadzonej próby, na którą składają się dwie wartości, N* = f(pm*). Wartości emisji cząstek stałych zmieniają się w zakresie od 0 do g/s, natomiast nieprzezroczystości spalin od 0 do około 1, %/s. Można zauważyć, że uzyskane punkty pomiarowe tworzą zależność zbliżoną do liniowej. Wartości zmierzone w danej próbie zależne są ściśle od samochodu, dla którego dana próba została wykonana. Można zaobserwować jak kształtują się wyniki uzyskane z samochodów E i F, wyposażonych w filtry cząstek stałych DPF, na tle pozostałych samochodów, które emitują do atmosfery znacznie większe ilości cząstek stałych. 358

5 1.2E E E E E E E E E-03 0.E+00 1.E-04 2.E-04 3.E-04 4.E-04 5.E-04 6.E-04 Rys. 3. Zależność emisji PM * oraz N * w fazie UDC dla wszystkich samochodów Samochody A Samochody B Samochody C Samochody D Samochody E Samochody F Samochody G Samochody H Samochody I 4.0E E E E E-02 Samochody A Samochody B Samochody C Samochody D 2.0E E E E E E E-03 Rys. 4. Zależność emisji PM * oraz N * w fazie EUDC dla wszystkich samochodów Samochody E Samochody F Samochody G Samochody H Samochody I Samochody I oprócz najwyższych wartości emisji PM* cechują się również największym rozrzutem uzyskiwanych wyników. Jak widać, wspomnianej już wcześniej zależności liniowej nie spełniają wszystkie punkty, a najbardziej oddalone od tej tendencji są punkty odpowiadające samochodom G oraz H. Generalnie można stwierdzić, że mimo iż większość punktów z wszystkich badanych samochodów tworzy pewną ogólną zależność, to jednak porównań należy dokonywać w grupach samochodów o zbliżonych specyfikacjach lub też zupełnie indywidualnie. Na rys. 4 przedstawiono zbiór punktów pomiarowych odpowiadający fazie pozamiejskiej dla wszystkich badanych samochodów. Podczas fazy EUDC zmierzono wyższy poziom nieprzezroczystości spalin oraz emisji PM*, co wynika z wyższych obciążeń silnika. Podobnie jak w fazie UDC, również i tutaj punkty pomiarowe układają się według liniowej zależności. Punkty, odpowiadające samochodom G i H, tworzą osobną grupę (są oddalone od ogólnej tendencji). Ponadto samochody I w zakresie emisji cząstek stałych , g/s generują mniejsze zadymienie spalin (nie odpowiadające ogólnej tendencji). 359

6 W dalszej części analizy, z uwagi na zaobserwowane prawidłowości, otrzymane wyniki rozpatrywane są w następujących grupach samochodów podobnych: grupa 1 samochody o tej samej pojemności skokowej silnika, zbliżonej mocy oraz masie własnej (A, B, C, D), grupa 2 samochody wyposażone w filtry cząstek stałych (E, F), grupa 3 samochody o większej pojemności skokowej silnika, wyższych mocach silnika oraz większych masach własnych (G, H, I). Zauważając dobrą korelację dla niektórych z samochodów postanowiono pogłębić analizę korelacji wartości PM* oraz N* wykorzystując : Linię trendu jest to krzywa stopnia pierwszego, która dopasowuje się do zadanych punktów korzystając z metody najmniejszych kwadratów. Wartość R 2 jest to wskaźnik determinacji jakości dopasowania modelu do danych (w naszym przypadku modelem jest linia trendu). Wartość R 2 znana także pod nazwą współczynnika ustalenia, jest wskaźnikiem zmieniającym się w zakresie od 0 do 1 porównującym szacunkowe i rzeczywiste wartości w próbce. Linia trendu jest najbardziej wiarygodna, jeśli wartość jej R 2 jest równa lub bliska 1 oznacza to istnienie doskonałej korelacji pomiędzy porównywanymi parametrami. Zestawienie wyników wskaźnika determinacji R2 przedstawiono na rys E E E E E E E E E-03 Samochody A Samochody B Samochody C Samochody D Liniowy (Samochody A) Liniowy (Samochody B) Liniowy (Samochody C) 5.0E E E E-04 Rys. 5. Zależność emisji PM* oraz N* w fazie UDC dla samochodów grupy 1 Liniowy (Samochody D) Na rysunkach 5 i 6 przedstawiono odpowiednio porównanie emisji PM* i N* w fazie miejskiej i pozamiejskiej dla samochodów grupy 1. Mimo iż emisja PM* każdego z tych typów samochodów kształtuje się na różnym poziomie, to można zauważyć liniową tendencję wzrostu nieprzezroczystości przy wzroście emisji PM* wyznaczonej metodą wagową. Z uwagi na to, że punkty pomiarowe charakteryzują się dużym rozrzutem, zależność ta nie może być opisana przez równanie jednej prostej. Można jednak wyznaczyć pewien przedział odchylenia od wyznaczonej prostej, w którym zawierałyby się wszystkie rozpatrywane punkty. Dla fazy UDC zmierzone poziomy emisji wynosiły: PM*=4, , g/s, N*=1, , %/s. Dla fazy EUDC można zaobserwować mniejszy rozrzut punktów pomiarowych, niż dla fazy UDC, a zmierzone wartości mieściły się w przedziałach: PM*=1, , g/s, N*=4, , %/s. Na rys. 7 oraz 8 przedstawiono porównanie emisji PM* i N* w fazie miejskiej i pozamiejskiej dla samochodów grupy 2. Grupa ta reprezentowana jest przez samochody wyposażone w DPF. Trudno tutaj zauważyć jakąś wyraźną tendencję (szczególnie dla samochodów F). Wartości emisji PM* otrzymane metodą grawimetryczną, w szczególności w fazie EUDC, są tutaj bardzo małe, a w niektórych przypadkach wynoszą nawet 0 g/km, co po przeliczeniu daje również 0 g/s. Dla tych 360

7 wartości emisji, nieprzezroczystość spalin zmienia się jednak w dość szerokim zakresie. Zaobserwować można dosyć duży rozrzut wartości zadymienia dla tych samochodów. Dla fazy UDC zmierzone poziomy emisji wynosiły: PM*=0 7, g/s, N*= , %/s, a dla fazy EUDC zmierzone wartości mieściły się w przedziałach : PM*=0 2, g/s, N*= , %/s. 2.0E E E E E E E-03 Samochody A Samochody B Samochody C Samochody D Liniowy (Samochody A) Liniowy (Samochody B) Liniowy (Samochody C) Liniowy (Samochody D) 1.0E E E E E-04 Rys. 6. Zależność emisji PM* oraz N* w fazie EUDC dla samochodów grupy 1 2.4E-03 Samochody E Samochody F Liniowy (Samochody E) Liniowy (Samochody F) 1.6E E E E-04 0.E+00 1.E-05 2.E-05 3.E-05 4.E-05 5.E-05 6.E-05 7.E-05 8.E-05 Rys. 7. Zależność emisji PM* oraz N* w fazie UDC dla samochodów grupy 2. Porównania emisji PM* i N* dla samochodów z grupy 3 przedstawiono na rysunku 9 i 10. Jest to grupa samochodów cechująca się najwyższym poziomem zarówno emisji PM*, jak również nieprzezroczystości spalin N*. Dla fazy UDC zmierzone poziomy emisji wynosiły: PM*=0, , g/s, N*=1, , %/s, a dla fazy EUDC zmierzone wartości mieściły się w przedziałach: PM*=2, g/s, N*=3, , %/s. W tej grupie różnice pomiędzy poszczególnymi samochodami są szczególnie widoczne. Wzajemna zależność emisji PM* i N* dla samochodów G i H różni się od zależności uzyskanej dla samochodów I. Na rys. 10 punkty pomiarowe dla samochodu G układają się niemal w poziomie, czyli 361

8 nie wykazują zmian wartości N* przy zmianach PM*. Grupa 3 badanych samochodów potwierdza zatem tezę przedstawioną wcześniej, iż najlepiej jest analizować poszczególne samochody z osobna, Analiza taka została przedstawiona poniżej. 1.0E E E E-03 Samochody E Samochody F Liniowy (Samochody E) Liniowy (Samochody F) 5.0E E E E E E E E E-04 Rys. 8. Zależność emisji PM* oraz N* w fazie EUDC dla samochodów grupy E E-02 Samochody G 1.0E E-03 Samochody H 7.0E-03 Samochody I 6.0E E-03 Liniowy (Samochody G) 3.0E-03 Liniowy (Samochody H) 1.0E-03 Liniowy (Samochody I) 0.E+00 1.E-04 2.E-04 3.E-04 4.E-04 5.E-04 6.E-04 Rys. 9. Zależność emisji PM* oraz N* w fazie UDC dla samochodów grupy

9 R-kwadrat 4.0E E E E E-02 Samochody G Samochody H Samochody I 2.0E E E-02 Liniowy (Samochody G) Liniowy (Samochody H) Liniowy (Samochody I) 5.0E E E E-03 Rys. 10. Zależność emisji PM* oraz N* w fazie EUDC dla samochodów grupy Faza UDC - wypełnienie kreskowane Faza EUDC - wypełnienie pełne 1.0 B C E B I D 0.4 A F G Rys. 11. Wartości R 2 dla wszystkich samochodów. WNIOSKI Emisja cząstek stałych wyrażona w g/s zmienia się w dosyć szerokim zakresie, podczas gdy zadymienie spalin wyrażone w %/s pozostaje praktycznie na niezmiennym poziomie. W fazie EUDC, kiedy silnik samochodu jest już w pełni nagrzany, można zaobserwować dużo lepszą korelację wartości PM* oraz N*. Rozpatrując poszczególne testy zauważono, że dla niektórych badanych samochodów istnieje wyraźna liniowa korelacja pomiędzy wynikami emisji cząstek stałych otrzymanymi metodą grawimetryczną, a nieprzezroczystością spalin uzyskana za pomocą dymomierza absorpcyjnego. Jednocześnie odnotowano przypadek samochodów F wyposażonego w DPF oraz G spełniającego normę Euro 3, dla których nie stwierdzono liniowej zależności między emisja cząstek stałych, a nieprzezroczystością spalin. Celem niniejszego artykuły była próba znalezienia relacji pomiędzy emisją cząstek stałych, a nieprzezroczystością spalin. W oparciu o zmierzone poziomy emisji PM* i N*, po przeanalizowaniu uzyskanych wyników, zebrano wartości współczynnika ustalenia R 2 i przedstawiono na rysunku 11. Można przyjąć, następujące kryteria analizy wskaźnika determinacji: dopasowanie zadowalające dla R 2 z przedziału 0,6 0,8, dopasowanie dobre dla R 2 z przedziału 0,8 0,9, 363

10 dopasowanie bardzo dobre dla R 2 z przedziału 0,9 1,0. Stwierdzono, że istnieje dobra lub bardzo dobra korelacja w 4 przypadkach (samochody B, E, H, I) w fazie UDC oraz w 2 przypadkach w (samochody C, E) w fazie EUDC. Natomiast zadowalająca korelacja pomiędzy wynikami emisji cząstek stałych uzyskanej metodą grawimetryczną, a nieprzezroczystości spalin dla jednego przypadku (samochody C) w fazie UDC oraz dla 3 przypadków w fazie EUDC (samochody B, D, I). Dopasowanie słabe lub niezadowalające stwierdzono w 3 przypadkach (samochody A, F oraz G) niezależnie od fazy testu NEDC. Streszczenie Pomiar masy cząstek stałych jest pomiarem dosyć kosztownym, czasochłonnym a zarazem nie dającym pełnego obrazu na temat emisji PM w trackie cyklu jezdnego NEDC. Nieprzezroczystość spalin jest zjawiskiem fizycznie pokrewnym z emisją PM, jest pomiarem szybkim i relatywnie tanim, a ponadto jest mierzona w sposób ciągły, co daje możliwość wnikliwej jej analizy. W artykule przedstawiono próbę korelacji pomiędzy emisją cząstek stałych mierzoną metodą grawimetryczną, a nieprzezroczystością spalin podczas badań w cyklu jezdnym NEDC na hamowni podwoziowej. Zakres badań obejmował badania na 9 różniących się od siebie grupach samochodów. Słowa kluczowe: silnik o zapłonie samoczynnym, emisja spalin, emisja cząstek stałych, pomiar nieprzeźroczystości spalin, cykl NEDC Correlation between gas opacity and particle emission in diesel exhausts Abstract The measurement of particle mass is pretty expensive, time-consuming and also not giving a full picture of PM emissions during the NEDC driving cycle. Opacity is a physical phenomenon related to the issue of PM, it is fast, relatively cheap and also a continuous measurement which enables in-depth analysis. This paper presents an attempt correlation between particulate emissions measured by the gravimetric method and exhaust opacity during the NEDC driving cycle on a chassis dynamometer. The scope of research included studies on nine different groups of cars. Keywords: compressed ignition engine, exhaust emission, particle mater emission, exhaust gas opacity measurement, NEDC cycle DEFINICJE / SKRÓTY DPF Diesel particulate filter filtr cząstek stałych NEDC New European Driving Cycle Europejski cykl jezdny UDC Urban Driving Cycle faza miejska cyklu jezdnego EUDC Extra Urban Driving Cycle faza pozamiejska cyklu jezdnego LITERATURA 1. P. Bielaczyc, J. Merkisz, J. Pielecha Stan Cieplny silnika spalinowego, a emisja związków szkodliwych. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań J. Merkisz, P. Lijewski, J. Pielecha, P. Bielaczyc Uwagi o pomiarach emisji cząstek stałych i zadymienia spalin w testach stacjonarnych (Remarks about particular matter and smoke measurements in stationary cycles). International Conference EURO OIL&FUEL, Cracow UNECE, Regulation No. 83 Annex 8, 2011, available online: DAM/trans/main/wp29/wp29regs/r083r4e 4. P. Bielaczyc, J. Korzec, A. Szczotka Analiza nieprzeźroczystości spalin podczas badań emisji związków szkodliwych spalin na hamowni podwoziowej. LogiTrans Bielaczyc, P., Szczotka, A., Woodburn, J., Development of vehicle exhaust emission testing methods BOSMAL s new emission testing laboratory. Combustion Engines, ISSN: , 1/2011 (144), 3-12, J. Korzec, Przeprowadzenie badań i porównanie metod pomiarowych emisji cząstek stałych. Praca magisterska, Wydział Budowy Maszyn i Informatyki, Akademia Techniczno-Humanistyczna