Wpływ wybranych parametrów użytkowych lekkiego pojazdu dostawczego na emisję w rzeczywistej eksploatacji

Transkrypt

1 FUĆ Paweł 1 KOZAK Miłosław 2 NOWAK Mateusz 3 RYMANIAK Łukasz 4 KUBIAK Kamil 5 Wpływ wybranych parametrów użytkowych lekkiego pojazdu dostawczego na emisję w rzeczywistej eksploatacji WSTĘP Obecnie panuje ogólnoświatowy trend mający na celu zmniejszenie zużycia paliwa i emisji związków szkodliwych spalin. W aktualnie eksploatowanych pojazdach zmniejszenie energochłonności i emisji zanieczyszczeń z pojazdów jest możliwe przede wszystkim przez odpowiedni dobór parametrów użytkowych pojazdu oraz utrzymywanie go w należytym stanie technicznym. Pod pojęciem parametrów użytkowych pojazdu rozumie się wiele czynników, takich jak: sposób eksploatacji pojazdu (styl jazdy) czy obciążenie pojazdu. Większość kierowców jest świadoma, że sposób eksploatacji pojazdu wpływa na zużycie paliwa, jednak nie każdy zdaje sobie sprawę z różnic w emisji związków szkodliwych spalin. Największy wpływ na sposób eksploatacji ma rodzaj dróg po których poruszają się pojazdy (jazda miejsca, pozamiejska, mieszana), ponieważ ruch innych pojazdów oraz elementy infrastruktury drogowej narzucają styl jazdy. W obrębie poszczególnych cykli jezdnych, a w szczególności podczas jazdy miejskiej, preferowane jest stosowanie zasad eco-drivingu. Podstawowa idea tego trendu sprowadza się do stosowania określonych zasad podczas jazdy pojazdem, mających skutkować zmniejszeniem zużycia paliwa. Poza korzyściami płynącymi ze zmniejszenia zużycia paliwa, tego typu styl jazdy przyczynia się do zmniejszenia emisji związków szkodliwych spalin [5]. Innym sposobem, który powszechnie jest uważany za przyczyniający się do zmniejszenie negatywnego oddziaływania pojazdów na środowisko naturalne jest zmniejszenie obciążenia pojazdu. W literaturze branżowej zauważono niedobór ilościowych danych na wskazany temat, dlatego w niniejszym artykule przedstawiono ocenę wpływu zmiany obciążenia pojazdu na emisję związków szkodliwych spalin i zużycie paliwa. 1. METODYKA BADAŃ Pomiary emisyjności badanego pojazdu przeprowadzono w warunkach rzeczywistej eksploatacji w obrębie aglomeracji poznańskiej (rysunek 1). Odcinek pomiarowy obejmował jazdę miejską, pozamiejską oraz autostradową, przez co objęto szeroki zakres pracy silnika. Tego typu eksploatacja jest typowa dla ciężarowych pojazdów dystrybucyjnych, których zadaniem jest dostarczenie towaru od producenta lub z głównego magazynu (zlokalizowanego najczęściej poza miastem) do odbiorcy (najczęściej w mieście), pokonując drogi pozamiejskie, główne arterie komunikacyjne w obrębie miasta, a także autostrady [6]. Obiektem badań był VW Transporter 2.0 TDI, którego widok oraz dane techniczne przedstawiono odpowiednio na 2 i w tabeli 1. Testowany pojazd wyposażony był w kabinę dla sześciu pasażerów przez co ograniczone były gabaryty przestrzeni ładunkowej. Masa aparatury badawczej wraz z osobami ją obsługującymi wynosiła ok. 420 kg. Przejazd w takiej konfiguracji 1 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu; Poznań, ul. Piotrowo 3. Tel.: , Fax: , pawel.fuc@put.poznan.pl 2 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu; Poznań, ul. Piotrowo 3. Tel.: , Fax: , miloslaw.kozak@put.poznan.pl 3 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu; Poznań, ul. Piotrowo 3. Tel.: , Fax: , mateusz.sl.nowak@doctorate.put.poznan.pl 4 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu; Poznań, ul. Piotrowo 3. Tel.: , Fax: , lukasz.m.rymaniak@doctorate.put.poznan.pl 5 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu; Poznań, ul. Piotrowo 3. Tel.: , Fax: , kamil.kubiak@vp.pl 1819

2 oznaczono jako bez obciążenia, natomiast w konfiguracji z obciążeniem w pojeździe umieszczono dodatkowo ok. 510 kg ładunku. W pierwszym etapie wykonano pomiar emisji związków szkodliwych spalin z pojazdu obciążonego, wykonując jeden przejazd trasy badawczej. W następnej kolejności weliminowano dodatkowe obciążenie i przeprowadzono kolejną próbę przejazdu trasy badawczej. Podczas przejazdów rejestrowano natężenia emisji gazowych związków szkodliwych spalin przy użyciu mobilnego urządzenia SEMTECH DS. oraz emisję cząstek stałych przy użyciu urządzenia AVL Micro Soot Sensor. Jest to bardzo zaawansowana aparatura, umożliwiająca pomiar emisji spalin w warunkach rzeczywistej eksploatacji pojazdu, zgodnie z wymaganiami odpowiednich norm [1, 2, 3, 7]. Rejestracja natężenia przepływu spalin oraz danych z pokładowego systemu diagnostycznego, umożliwiła uzyskanie masy związku szkodliwego wyemitowanego na badanym odcinku pomiarowym. Ponadto podczas badań rejestrowano prędkość i przyspieszenie pojazdu za pomocą urządzenia GPS. Wartości wszystkich parametrów zapisywano z częstotliwością 1 Hz. Rys. 1. Przebieg odcinka pomiarowego z zaznaczonym punktem początku i końca pomiaru [8] Rys. 2. Widok obiektu badań 1820

3 Tab. 1. Dane techniczne obiektu badań Marka VW Model Transporter rodzaj paliwa / pojemność skokowa olej napędowy / 1968 cm 3 skrzynia biegów manualna 5 b Masa własna / dmc 1660 / 2800 Przebieg km Obciążenie podczas badań ok. 420 / 930 kg 2. WYNIKI BADAŃ Prędkość pojazdu podczas analizowanych przejazdów przedstawiono na rysunku 3. Z porównania obu przebiegów, można zauważyć, że charakter obu przejazdów był zbliżony. W części autostradowej prędkość maksymalna dla obu przejazdów wynosił ok. 120 km/h, a w jeździe pozamiejskiej i miejskiej nie przekraczała 90 km/h. Na rysunkach 4 6 przedstawiono odpowiednio przejechaną drogę, czas przejazdu oraz prędkość średnią podczas obu prób. Zarówno przejazd z obciążeniem, jak i bez obciążenia cechują porównywalne parametry przejazdu. Przejazd bez obciążenia mierzył 28,41 km i był o ok 40 m dłuższy niż przejazd z obciążeniem. Większą prędkością średnią (62,58 km/h) cechuje się natomiast przejazd z obciążeniem, jednak różnica wynosi jedynie 0,19 km/h. Rys. 3. Prędkość pojazdu podczas przejazdów badawczych Rys. 4. Dystans pokonany podczas przejazdów badawczych 1821

4 Rys. 5. Czas przejazdów badawczych Rys. 6. Średnia prędkość pojazdu podczas przejazdów badawczych Wartości natężenia emisji CO 2, CO, NO x, HC oraz PM w funkcji przebytej drogi przedstawiono kolejno na rysunkach Zarejestrowane wartości emisji wszystkich analizowanych składników spalin osiągają zbliżone wartości dla obu przejazdów. Maksymalne wartości natężenia emisji CO 2 osiągają od ok. 5 do ok. 9 g/s. Natomiast zarejestrowane wartości natężenia emisji CO, NOx, HC i PM, zawierają się w następujących przedziałach: 0 15 mg/s, 0 78 mg/s, 0,3 8 mg/s oraz 0 0,06 mg/s. Większość z zarejestrowanych wartości osiąga zazwyczaj większe wartości dla przejazdu z obciążeniem za wyjątkiem natężenia emisji CO. Rys. 7. Natężenie emisji CO 2 podczas analizowanych przejazdów 1822

5 Rys. 8. Natężenie emisji CO podczas analizowanych przejazdów Rys. 9. Natężenie emisji NO X podczas analizowanych przejazdów Rys. 10. Natężenie emisji HC podczas analizowanych przejazdów 1823

6 Rys. 11. Natężenie emisji PM podczas analizowanych przejazdów 3. ANALIZA WYNIKÓW Sumaryczną emisję analizowanych składników spalin przedstawiono na rysunkach W przypadku emisji CO 2 różnica wynosi 10 % na niekorzyść przejazdu z obciążeniem. Emisja CO 2 jest ściśle powiązana ze zużyciem paliwa, dlatego należy się spodziewać, że zużycie paliwa również było większe o 10 % podczas przejazdu z obciążeniem. Analizując sumaryczną emisję CO NO x i HC (rysunki 11 13), sytuacja nie jest już taka jednoznaczna. Przejazd z obciążeniem cechuje mniejsza emisja CO i HC o odpowiednio 20 i 15 %. Ze względu na większe obciążenie silnika podczas przejazdu z obciążeniem, zaobserwowano większą emisję NO x, niż w przypadku przejazdu bez obciążenia, przy czym różnica ta wynosi 10%. Zwiększenie obciążenia pojazdu, a co za tym idzie zmiany parametrów pracy silnika, poskutkowało zwiększeniem emisji PM o 100 %. Do takiego stanu przyczynia się z pewnością zmiana składu mieszanki paliwowo-powietrznej [4]. Rys. 10. Sumaryczna emisja CO 2 podczas analizowanych przejazdów 1824

7 Rys. 11. Sumaryczna emisja CO podczas analizowanych przejazdów Rys. 12. Sumaryczna emisja NO x podczas analizowanych przejazdów Rys. 13. Sumaryczna emisja HC podczas analizowanych przejazdów 1825

8 Rys. 14. Sumaryczna emisja PM podczas analizowanych przejazdów WNIOSKI Zmiana parametrów użytkowych lekkiego pojazdu dostawczego w postaci zwiększenia masy przewożonego ładunku poskutkowała zwiększeniem zarówno zużycia paliwa, jak i emisji związków szkodliwych spalin (rysunek 15 i 16). Emisja CO oraz HC była większa podczas przejazdu bez obciążenia, odpowiednio o 20 i 15 %, co mogło wynikać z mniejszej temperaturą w komorze spalania podczas przejazdu bez obciążenia oraz mogło być spowodowane różnicami w stanie cieplnym silnika na początku każdej z prób. Większe obciążenie przyczynia się jednak do zwiększenia emisji NO x (o 10 %) oraz emisji CO 2 i zużycia paliwa o 10 %. Dlatego na etapie planowania i logistyki transportu, należy zwrócić szczególną uwagę, aby robić jak najkrótsze dystanse z dużym obciążeniem pojazdu. Rys. 15. Całkowita emisja CO, NOx oraz HC podczas przejazdów badawczych 1826

9 Rys. 16. Całkowita emisja CO2 oraz zużycie paliwa podczas przejazdów badawczych Streszczenie W ostatnich czasach w ogólnoświatowej gospodarce panuje słuszny trend w zmniejszaniu negatywnego wpływu działalności człowieka na środowisko naturalne. W opinii wielu ludzi sektorem, mającym znaczący wpływ na emisję związków szkodliwych jest motoryzacja. Powszechnie znanych jest wiele metod zmniejszania negatywnego oddziaływania motoryzacji na środowisko. Ostatnimi czasy bardzo popularne jest promowanie eco-drivingu, czyli tzw. eko-jazdy. Jak twierdzą twórcy tego stylu jazdy, stosowanie w praktyce przez kierowców pewnych zasad powinno skutkować najmniejszym zużyciem paliwa, a jednocześnie w najmniejszym stopniu wpływać na zanieczyszczenie środowiska. Innym parametrem, mającym wpływ na emisję związków szkodliwych spalin z pojazdów jest ich obciążenie ładunkiem, co szczególnie dotyczy pojazdów dostawczych i ciężarowych. W niniejszym artykule podjęto próbę ilościowego wpływu obciążenia pojazdu na emisję związków szkodliwych spalin oraz na zużycie paliwa. Influence of selected operational parameters of a light duty vehicle on exhaust emission in actual operation conditions Abstract In recent times, the global economy there is a legitimate trend in reducing the negative impact of human activity on the environment. In the opinion of many people a industry sector, having a significant impact on the emission of harmful compounds is automotive. There are many well-known methods for reducing the negative environmental impact of automotive. Very popular in recent times is to promote eco driving. As the developers claim that style of driving, the practical application of certain rules by drivers should result in the least fuel consumption, while the least impact on environmental pollution. Another parameter that affects the emission of harmful compounds from vehicle exhaust their load cargo, especially in the commercial vehicles and trucks. In this article the authors attempt to quantify the effect of vehicle load on the exhaust emission and on the fuel consumption. The research was funded by the National Centre for Research and Development. Project nr: N R Prace sfinansowano ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju. Numer projektu: N R BIBLIOGRAFIA 1. 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 Confer-ence, Ann Arbor

10 2. Bougher T., Khalek I.A., Trevitz S., Akard M., Verification of a gaseous Portable Emissions Measurement System with a laboratory system using the Code of Federal Regulations Part SAE Technical Paper Series , Cichy M., Nowe teoretyczne ujęcie charakterystyki gęstości czasowej. Silniki Spalinowe 1986, nr Fuć P., Studium pasywnej regeneracji filtrów cząstek stałych w silnikach o zapłonie samoczynnym. Rozprawa habilitacyjna, Wyd. Politechniki Poznańskiej, Poznań Merkisz J., Andrzejewski M., Pielecha J., The effect of applying the eco-driving rules on the exhaust emissions. Combustion Engines 2013, No Merkisz J., Kozak M., Molik P., Nijak D., Andrzejewski M., Nowak M., Rymaniak Ł., Ziółkowski A., The analysis of the emission level from a heavy-duty truck ia city traffic. Combustion Engines 2012, No Merkisz J., Pielecha J., The on-road exhaust emissions characteristics of SUV vehicles fitted with diesel engines. Combustion Engines 2011, No