Wyznaczenie strat energii w układzie wylotowym autobusu komunikacji miejskiej w rzeczywistych warunkach eksploatacji

Transkrypt

1 MERKISZ Jerzy 1 FUĆ Paweł 2 LIJEWSKI Piotr BAJERLEIN Maciej ZIÓŁKOWSKI Andrzej 3 RYMANIAK Łukasz Wyznaczenie strat energii w układzie wylotowym autobusu komunikacji miejskiej w rzeczywistych warunkach eksploatacji WSTĘP Sprawność tłokowych silników spalinowych wynosi obecnie 30-40%, za wyjątkiem siłowni okrętowych wyposaŝonych w wolnoobrotowe silniki dwusuwowe, których sprawność moŝe wynosić nawet 50%. Analizując bilans energii silników o zastosowaniach motoryzacyjnych naleŝy stwierdzić, Ŝe jedynie 30-40% energii chemicznej dostarczonej z paliwem zamieniana jest na pracę mechaniczną. Pozostała część energii tracona jest wskutek: a) strat cieplnych odprowadzanych przez układ chłodzenia, b) strat cieplnych odprowadzanych z gazami wylotowymi, c) strat niezupełnego lub niecałkowitego spalania, d) pozostałe straty cieplne. Od wielu dziesięcioleci prowadzone są intensywne prace naukowo-badawcze zmierzające do ograniczenia strat energii cieplnej, a tym samym do poprawy sprawności ogólnej tłokowych silników spalinowych. Jednym z kierunków tych działań jest opracowanie metody odzysku energii odpadowej z gazów wylotowych. Do tej pory podstawowym sposobem odzysku tego typu energii było stosowanie turbospręŝarek, szczególne w silnikach o zapłonie samoczynnym. Układy turbospręŝarkowe poddawane są ciągłym modyfikacjom, które uwarunkowane są dynamicznym rozwojem konstrukcji tłokowych silników spalinowych w aspekcie ograniczenia ich zuŝycia paliwa oraz emisji związków toksycznych gazów wylotowych. Właśnie problematyka ograniczenia emisyjności silników jest głównym czynnikiem determinującym ich rozwój [4, 5, 6, 10]. Oprócz prac nad doskonaleniem układów doładowania silników trwają równieŝ prace nad innymi metodami odzysku energii odpadowej z gazów wylotowych [9,11]. W pracy Dingel i inni [3] przedstawiono i poddano analizie pozostałe metody konwersji tego typu energii, m.in. konwersji energii cieplnej na energię elektryczną przy wykorzystaniu technologii TEG (Thermoelectric Generator) i AMTEC (Alkali Metal Thermal to Electric Converter). Jednak dobór optymalnej metody konwersji energii wymaga wykonania bilansu energetycznego silnika ze szczególnym uwzględnieniem strat układu wylotowego. W pracy wyznaczono straty energii w układzie wylotowym autobusu komunikacji miejskiej podczas rzeczywistej eksploatacji na regularnej linii kursowania pojazdu. Pomiary przeprowadzono w dzień roboczy w godzinach południowych. 1. METODYKA BADAWCZA 1.1. Charakterystyka trasy badawczej Aby najlepiej odwzorować rzeczywiste warunki eksploatacji autobusów komunikacji miejskiej przeprowadzono pomiary na regularnej linii obsługiwanej przez MPK Poznań. Wybrano trasę zaliczaną do grupy najbardziej obciąŝonych w Poznaniu (rys. 1). Jej długość wynosi 16 km 1 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; ul. Piotrowo 3, Poznań, Tel: (+48) , fax: (+48) , jerzy.merkisz@put.poznan.pl 2 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; ul. Piotrowo 3, Poznań, Tel: (+48) , fax: (+48) , pawel.fuc@put.poznan.pl 3 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; ul. Piotrowo 3, Poznań, Tel: (+48) , fax: (+48) , andrzej.wo.ziolkowski@doctorate.put.poznan.pl 4258

2 i uwzględnia 43 przystanki. Linia rozpoczyna się w północnej części miasta, następnie przebiega przez ścisłe centrum, a kończy się w południowej części miasta w pobliŝu autostrady A2. DuŜa liczba przystanków, a takŝe przebieg trasy warunkują duŝą zmienność przyspieszeń pojazdu, co znacząco wpływa na zuŝycie paliwa oraz na parametry termodynamiczne gazów wylotowych. Rys. 1. Przebieg odcinka pomiarowego wykorzystanego do badań [13] 1.2. Obiekt badawczy Obiektem badawczym był przegubowy autobus komunikacji miejskiej o długości 18. metrów, który moŝe przewozić maksymalnie 159 pasaŝerów. Jego dopuszczalna masa całkowita wynosi kg. Pojazd wyposaŝony był w silnik spalinowy o pojemności 9,2 dm 3 i mocy maksymalnej 231 kw. Silnik ten spełnia normę emisji EEV (tab. 1). Tab. 1. Charakterystyka autobusu wykorzystanego do badań [12] Parametr Wartość Rodzaj zapłonu Samoczynny Pojemność silnika 9,2 dm 3 Liczba cylindórw 6 Moc maksymalna 231 kw przy 1900 obr / min Maksymalny moment obrotowy 1275 Nm przy obr / min Norma emisji spalin EEV Układ oczyszczania gazów wylotowych SCR / DPF 1.3. Aparatura pomiarowa Do badań wykorzystano mobilny przyrząd SEMTECH DS z grupy PEMS przeznaczony do pomiarów emisji toksycznych składników gazów wylotowych w rzeczywistych warunkach eksploatacji (rys. 2). Przyrząd zbudowany z analizatorów NDUV, NDIR, FID, które mierzą stęŝenia odpowiednio NO x (NO i NO 2 ), CO i CO 2 oraz THC. Przyrząd posiada równieŝ elektrochemiczny czujnik O 2. W skład przyrządu wchodzi takŝe przepływomierz do pomiaru masowego natęŝenie przepływu gazów wylotowych. Działa on za zasadzie rurki Pitota. W zaleŝności od wartości mierzonego strumienia masy gazów wylotowych zmianie ulega średnica przepływomierza. W pomiarach wykorzystano przepływomierz o średnicy 4. Aparatura wyposaŝona jest takŝe w układ GPS, interfejs do komunikacji i odczytu danych z układu diagnostycznego pojazdu oraz posiada 4259

3 własną stację meteorologiczną. Szczegółowy opis przyrządu SEMTECH DS przedstawiono we wcześniejszych publikacjach autorów [1, 2, 7, 8]. a) b) Rys. 2. Mobilny przyrząd SEMTECH DS z grupy PEMS: a) przyrząd zainstalowany we wnętrzu autobusu, b) przepływomierz do pomiaru masowego natęŝenia przepływu gazów wylotowych Pomiar temperatury w układzie wylotowym silnika autobusu wykonano przy uŝyciu trzech czujników termorezystancyjnych, które rozmieszczone były w następującej konfiguracji (rys. 3): a) czujnik t 1 zamontowany w połowie długości reaktora katalitycznego SCR, b) czujnik t 2 zamontowany 0,4 m od wylotu reaktora katalitycznego SCR, c) czujnik t 3 zamontowany 0,6 m od wylotu reaktora katalitycznego SCR. t 1 t 2 t 3 Silnik DPF SCR 0,4 m 0,6 m Rys. 3. Rozmieszczenie czujników termorezystancyjnych w układzie wylotowym silnika badanego autobusu 1.4. Metoda wyznaczania strat energii Straty energii cieplnej Q sp wyznaczono w trzech punktach układu wylotowego badanego autobusu według zaleŝności: gdzie: Q sp straty energii z gazów wylotowych [kw], Q sp = m sp cpsp Tsp (1) m sp masowy strumień gazów wylotowych [kg/s], c psp ciepło właściwe gazów wylotowych przy stałym ciśnieniu [kj/(kg K)], T sp temperatura gazów wylotowych [K]. Aby określić udział strat energii w bilansie energetycznym silnika wyznaczono ilość doprowadzonej energii z paliwem z zaleŝności: Q = G W (2) gdzie: Q pal G s W u energia doprowadzona z paliwem [kw], sekundowe zuŝycie paliwa [g/s], wartość opałowa paliwa [kj/kg]. pal s u 4260

4 Sekundowe zuŝycie paliwa obliczane moŝe być na podstawie wartości zuŝycia paliwa odczytanego z układu diagnostycznego pojazdu. Z reguły zuŝycie paliwa wyraŝane jest w dm 3 /s i w tym wypadku uzyskane wartości naleŝy przemnoŝyć przez gęstość paliwa. JeŜeli układ diagnostyczny pojazdu nie rejestruje wartości zuŝycia paliwa naleŝy skorzystać z metody carbon balance wyraŝonej w następującej postaci: G s = a [( 0,866 THC ) + (0,429 CO) + (0,273 CO2 )] (3) gdzie: G s sekundowe zuŝycie paliwa [g/s]; a dla silników ZI a = 1,154; dla silników ZS a = 1,155; THC, CO, CO 2 masowy strumień emisji [g/s]. 2. ANALIZA WARUNKÓW DROGOWYCH PODCZAS BADAŃ Badania autobusu komunikacji miejskiej przeprowadzono w aglomeracji poznańskiej w roboczy dzień tygodnia. Wybrano poranne godziny szczytu komunikacyjnego, w których liczba pasaŝerów w autobusach komunikacji miejskiej jest znacząco większa niŝ w przypadku godzin południowych czy wieczornych. W tych godzinach równieŝ potok poruszających się pojazdów po drogach jest nasilony, poniewaŝ mieszkańcy aglomeracji udają się do pracy, szkół etc. Analizując charakterystykę przejazdu autobusu naleŝy stwierdzić, Ŝe faza postoju pojazdu była dominująca podczas przeprowadzonych badań i stanowiła 31% całkowitego czasu (rys. 4). Drugim obszarem o znaczącym udziale czasu pracy był zakres prędkości m/s (36-51 km) przy przyspieszeniu 0-0,6 m/s 2. Rys. 4. Charakterystyka udziału czasu pracy badanego autobusu w przedziałach prędkości i przyspieszenia Analizując zarejestrowane rzeczywiste profile ruchu autobusu wyraŝone w funkcji f = V(t) i f = a(t) stwierdzić moŝna, Ŝe przejazd charakteryzował się duŝą zmiennością prędkości, a tym samym przyspieszenia (rys. 5). Będzie to miało wpływ na parametry gazów wylotowych, tj. masowe natęŝenie przepływu oraz temperatura. Parametry te, oddziaływać będą na pracę pozasilnikowych układów oczyszczania gazów wylotowych DPF i SCR, w które wyposaŝony był badany autobus. W tych układach bardzo duŝa ilość energii cieplnej jest wykorzystywana do rozgrzania nośnika katalitycznego, w którego warstwach zachodzą reakcje utleniania PM i redukcji NO x. Do ich zajścia konieczna jest wysoka temperatura. Taki przebieg profilu ruchu pojazdu świadczy o moŝliwości wyznaczenia start energii w szerokim zakresie pracy silnika spalinowego. 4261

5 Rys. 5. Rzeczywiste profile ruchu autobusu uzyskane podczas badań drogowych 3. WYNIKI BADAŃ DYSKUSJA Sekundowe zuŝycie paliwa obliczono przy wykorzystaniu zaleŝności (3) na podstawie zmierzonej emisji CO 2, CO i THC. Maksymalna jego wartość podczas testu wyniosła 11 g/s (rys. 6). Następnie na podstawie zaleŝności (2) wyznaczono ilość energii dostarczanej do silnika z paliwem podczas całego testu. Zaobserwować moŝna, Ŝe największe zapotrzebowanie energetyczne układu napędowego autobusu występuje w fazie rozpędzania. W tej fazie do silnika dostarczana jest energia o maksymalnym poziomie kw. Na biegu jałowym dostarczane jest średnio 13 kw energii. Podczas całego testu średnia energia dostarczona z paliwem wynosiła 60 kw. Całkowite zuŝycie paliwa w teście wyniosło 7 dm 3, co stanowi 41 dm 3 /100 km. Na podstawie doświadczenia autorów w zakresie pomiarów emisji gazów wylotowych i zuŝycia paliwa przez autobusy komunikacji miejskiej stwierdzić moŝna, Ŝe uzyskane przebiegowego zuŝycie paliwa na poziomie 41 dm 3 /100 km nie jest największym jakie rejestrowano na tym odcinku pomiarowym dla tego typu obiektów badawczych. Rys. 6. Przebieg sekundowego zuŝycia paliwa oraz energii dostarczonej z paliwem Największą temperaturę gazów wylotowych podczas testu zarejestrowano w pierwszym punkcie pomiarowym t 1 zlokalizowanym w reaktorze katalitycznym SCR (rys. 7). Średnia wartość temperatury dla tego punktu pomiarowego wyniosła 240 o C. W punkcie t 2 i t 3 wartości temperatury były zdecydowanie mniejsze niŝ w punkcie t 1. W tych punktach maksymalna temperatura wyniosła 170 o C, gdzie w punkcie t 1 osiągnęła wartość 311 o C. Zaobserwowano równieŝ, Ŝe największy spadek temperatury gazów wylotowych występuje w reaktorze katalitycznym SCR, poniewaŝ róŝnica pomiędzy temperaturą w punkcie t 1 i t 2 wyniosła maksymalnie 151 o C, a pomiędzy punktem t 2 i t 3 9 o C (rys. 8). Potwierdza to zatem fakt występowania największych strat energii cieplnej w reaktorach 4262

6 katalitycznych i filtrach cząstek stałych w odniesieniu do całego układu wylotowego silnika. Wynika to głównie z porowatej struktury nośników tych układów oraz z większej pojemności cieplnej. Rys. 7. Przebiegi masowego natęŝenia przepływu i temperatury gazów wylotowych Rys. 8. Przebiegi róŝnicy temperatury między punktami pomiarowymi Na podstawie zarejestrowanego masowego natęŝenia przepływu gazów wylotowych i ich temperatury zgodnie z równaniem (1) wyznaczono przebiegi strat energii w trzech punktach pomiarowych (Rys. 9). W tym przypadku główny wpływ na straty energii ma temperatura gazów wylotowych i dlatego największe straty zarejestrowano dla pierwszego punktu pomiarowego. Wynosiły one maksymalnie 71 kw. W pozostałych punktach pomiarowych maksymalny straty wyniosły odpowiednio: Q 2 = 58 kw i Q 3 = 57 kw. Rys. 9. Straty energii w układzie wylotowym badanego autobusu 4263

7 Udział sumy strat energii z gazów wylotowych w całkowitej energii dostarczonej z paliwem kształtował się następująco: a) punkt 1 17%, b) punkt 2 14%, c) punkt 3 13%. WNIOSKI W pracy przedstawiono empiryczną metodę wyznaczania strat energii w układzie wylotowym autobusu komunikacji miejskiej na podstawie badań przeprowadzonych w rzeczywistych warunkach eksploatacji. Ta metoda umoŝliwia nie tylko ilościowe wyznaczenie strat energii, ale równieŝ rozkład energii w poszczególnych elementach układu wylotowego pojazdu. Analizując uzyskany rozkład energii w układzie wylotowym silnika badanego autobusu komunikacji miejskiej stwierdzono, Ŝe większość energii z gazów wylotowych tracona jest głównie w reaktorach katalitycznych i filtrach cząstek stałych. Jest to spowodowane przejmowaniem energii cieplnej przez nośniki tych układów oraz wykorzystywaniem jej do przebiegu reakcji chemicznych. Uzyskane dane mogą posłuŝyć do określenia wymiany ciepła pomiędzy układem wylotowym silnika, a otoczeniem. Dzięki temu moŝliwe będzie opracowanie załoŝeń do metody odzysku energii cieplnej z gazów wylotowych. W przypadku autobusów komunikacji miejskiej moŝna zastosować w ich układzie wylotowym wszelkiego rodzaju generatory elektryczne (turbogeneratory, generatory TEG, etc.), które będą słuŝyły do konwersji energii cieplnej na elektryczną. Ta energia wykorzystana zostanie m.in. do oświetlenia wewnętrznego i zewnętrznego. To przełoŝy się na wzrost sprawności ogólnej silnika spalinowego autobusu, przez co ograniczona zostanie jego energochłonność. Prace sfinansowano z funduszy Narodowego Centrum Badań i Rozwoju projekt badawczy w ramach Programu Badań Stosowanych (umowa nr PBS1/A6/7/2012). The research was funded by the National Centre for Research and Development (Narodowe Centrum Badań i Rozwoju) research project within the Applied Research Programme (contract No. PBS1/A6/7/2012). Streszczenie Straty energii w układzie wylotowym stanowią obecnie około 30% całkowitych strat energii w bilansie zewnętrznym silnika spalinowego Zasadnym staje się zatem odzysk energii odpadowej ze strumienia gazów wylotowych i jej następna konwersja na inną formę przykładowo na energię elektryczną poprzez wykorzystanie modułów termoelektrycznych. W pracy wyznaczono straty energii w układzie wylotowym autobusu komunikacji miejskiej na podstawie pomiarów przeprowadzonych w rzeczywistych warunkach ruchu na regularnej linii ich kursowania. Dokonano pomiaru temperatury strumienia gazów wylotowych w trzech punktach oraz masowego natęŝenia przepływu. W tym celu wykorzystano czujniki termorezystancyjne oraz mobilny przyrząd SEMTECH DS do pomiarów emisji w warunkach rzeczywistych. Na podstawie zmierzonej emisji CO 2, CO i THC wyznaczono przebiegowe zuŝycie paliwa. Następnie wyznaczono ilość energii dostarczonej do silnika oraz straty układu wylotowego na całej trasie przejazdu. The calculation of energy losses from city bus exhaust system based on the measurement under actual traffic conditions Abstract It is generally acknowledged that energy losses from the exhaust system are approximately 30% of the total losses of energy supplied to the engine in the form of fuel. Hence, it is vital to recuperate the waste energy and convert it into different forms such as electrical energy using thermoelectric modules. In the paper, the authors determined the energy loss in an exhaust system of a city bus following the measurements carried out under actual traffic conditions on a regular bus route. The measurements of the exhaust gas temperature and mass flow were performed at three points. For this, thermoresistors and a portable exhaust emission analyzer 4264

8 SEMTECH DS (designed for exhaust emission testing under actual traffic conditions) were used. Based on the measured exhaust emission of CO2, CO and THC the authors determined the vehicle gas mileage. Then the amount of energy supplied to the engine and the losses through the exhaust system throughout the entire test run of the bus were determined. BIBLIOGRAFIA 1. Bajerlein M., Rymaniak Ł., Świątek P., Ziółkowski A., Daszkiewicz P., Dobrzyński M., Modification of a Hybrid City Bus Powertrain in the Aspect of Lower Fuel Consumption and Exhaust Emissions. Applied Mechanics and Materials Vol. 518 (2014) pp Bajerlein M., Rymaniak Ł., The Reduction of Fuel Consumption on the Example of Ecological Hybrid Buses. Applied Mechanics and Materials Vol. 518 (2014) pp Dingel O, Semper T, Ambrosius V., Seebode J.: Waste Heat Recovery: What are the Alternatives to the thermoelectric Generator?. Thermoelectrics Goes Automotive II (Thermoelectrics III), pp , Fuć P.: Studium pasywnej regeneracji filtrów cząstek stałych w silnikach o zapłonie samoczynnym. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań Fuc P., Rymaniak L., Ziolkowski A.: The correlation of distribution of PM number emitted under actual conditions of operation by PC and HDV vehicles, WIT Transactions on Ecology and the Environment. WIT Press, Vol Str ISBN: WIT Press, Merkisz, J. and Fuc, P.: The Exhaust Emission from Light Duty Vehicles in Road Test in Urban Traffic, SAE Int. J. Fuels Lubr. 3(2): , Merkisz J., Fuc P., Lijewski P., Ziolkowski A.: The on-road exhaust emissions from vehicles fitted with the start-stop system. Applied Mechanics and Materials Vol. 390 (2013), pp Merkisz J., Fuć P., Lijewski P., Ziółkowski A.: The application of nanometric composite materials in a diesel engine in the aspect of improvement of deep bed filtration in a Diesel Particulate Filter. International Congress of FISITA 2012, F2012-A04-031, Bejing Singh, S., Garg, A., Gupta, A., and Permude, A., Analysis of Thermal Balance of Diesel Engine and Identification of Scope for Waste Heat Recovery, SAE Technical Paper , Walsh M. P.: Global trends in motor vehicle pollution control; a 2011 update. Part 1. Combustion Engines / Silniki Spalinowe nr 2/2011 (145), pp , Wojciechowski, k.t., et. al. Prototypical thermoelectric generator for waste heat conversion from combustion engines. Combustion Engines. 2013, 154(3), ISSN Dane producenta pojazdu. 13. Wykonano na podstawie