EXAMINATION OF POLLUTANT EMISSIONS FROM A CAR WITH HYBRID POWERTRAIN

Transkrypt

1 Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 13, No. 1 EXAMINATION OF POLLUTANT EMISSIONS FROM A CAR WITH HYBRID POWERTRAIN Zdzisaw Chopek Warsaw University of Technology ul. Narbutta 84, Warszawa, Poland tel./fax: zchlopek@simr.pw.edu.pl Wojciech Bardziski Automotive Industy Institute ul. Jagielloska 55, 3-31 Warszawa, Poland tel.: , fax: w.bardzinski@pimot.org.pl Marek Jarczewski Automotive Industy Institute ul. Jagielloska 55, 3-31 Warszawa, Poland tel.: , fax: m.jarczewski@pimot.org.pl Hubert Sar Automotive Industy Institute ul. Jagielloska 55, 3-31 Warszawa, Poland tel.: , fax: bls@pimot.org.pl ukasz Akszak Okiczyc TOYOTA Wochy SJ lukasz.okinczyc@toyota.waw.pl Abstract The authors have presented results of examination of emissions from the engine of Prius II with hybrid drive. The testing has been carried out on chassis dynamometer in conditions simulating real operation of the car: both official certification tests (European ECE R83 and American: FTP 75 and HWFET) and special tests (Stop and Go and Autobahn) have been carried out. Features of emissions have been determined in relation with the average speed of the car during the testing. These features have been compared to the features determined during simulation tests of a standard car from the environment friendly class EURO 4. Essential elements of the paper are statements that there are apparent stabilization of working conditions of the combustion engine in condition dynamic, and in effect there is a considerable decreasing of emission level constituents of exhaust gases and fuel consumption (the most distinct effect is apparent in the case of carbon monoxide emission), very significant advantages are from of hybrid powertrain application in condition of variable driving speeds, first of all in condition of the driving with small average speeds, meeting movement in centres of municipal emissions where impurities and the fuel consumption in driving tests are dependent from the degree preliminary battery loading, whereas parameters emission of impurities can be treated or as regulatory for the degree of initial loading of the battery, or random. Keywords: vehicles, hybrid powertrain, combustion engines, exhaust gases emission, fuel consumption

2 Z. Chopek, W. Bardziski, M. Jarczewski, H. Sar,. Akszak Okiczyc BADANIA EMISJI ZANIECZYSZCZE Z SAMOCHODU Z NAPDEM HYBRYDOWYM Streszczenie Autorzy przedstawili wynik bada emisji od silnika Prius II z hybryd hybrydowym. Testy byy wykonane na dynamometrze podwoziowym w warunkach symulujcych rzeczywist eksploatacj samochodu: zarówno w oficjalnych certyfikowanych testach (europejski ECE R83 i amerykaski: FTP 75 i HWFET) jak i testach specjalnych (Zatrzymaj i Jed i Autostrada). Parametry emisji zostay okrelone w stosunku do redniej prdkoci samochodu w czasie testowania. Te parametry zostay porównane z parametrami okrelonymi podczas testów symulacji standardowego samochodu klasy EURO 4 przyjaznego rodowisku naturalnemu. Istotne elementy artykuu, to stwierdzenia, e wystpuje widoczna stabilizacja warunków pracy silnika spalinowego w warunkach dynamicznych, a w konsekwencji nastpuje znaczne zmniejszenie poziomu emisji skadników spalin oraz zuycia paliwa (najbardziej wyrany efekt jest widoczny w wypadku emisji tlenku wgla), bardzo znaczce korzyci przynosi zastosowanie napdu hybrydowego w warunkach zmiennych prdkoci jazdy, przede wszystkim w warunkach jazdy z maymi prdkociami rednimi, odpowiadajcych ruchowi w orodkach miejskich, gdzie emisja zanieczyszcze oraz zuycie paliwa w testach jezdnych s zalene od stopnia wstpnego naadowania akumulatora, natomiast charakterystyki emisji zanieczyszcze mona traktowa albo jako regulacyjne ze wzgldu na stopie wstpnego naadowania akumulatora, albo przypadkowe. Sowa kluczowe: pojazdy samochodowe, napdy hybrydowe, silnik spalinowy emisja spalin, zuycie paliwa 1. Wstp Rozwój samochodów, traktowany jako rodek do poprawy ich jakoci, napotyka na granice zwizane z prawami natury. Jedn z wyranych konsekwencji tych granic jest trudno w osigniciu znaczcej poprawy sprawnoci napdów samochodów w warunkach dynamicznych, co ogranicza moliwo zmniejszenia zuycia paliwa i w konsekwencji zuywania paliw kopalnych zawierajcych wgiel emisji globalnej dwutlenku wgla, podstawowego gazu odpowiedzialnego za zjawisko cieplarniane w atmosferze [1]. Jedn z podstawowych moliwoci poprawy sprawnoci napdów samochodów w warunkach dynamicznych jest zastosowanie napdów hybrydowych [1]. Napdy hybrydowe stanowi kombinacje: przetworników energii (z co najmniej jednym silnikiem), akumulatorów energii, ukadów przeniesienia energii. Przetwornikiem energii jest urzdzenie, w którym zachodzi zamiana rodzaju energii, np. w ogniwie paliwowym energia chemiczna na energi elektryczn. Silnikiem jest urzdzenie zamieniajce na energi ruchu (mechaniczn energi kinetyczn) inny rodzaj energii (np. silniki elektryczne, cieplne, wiatrowe itp.). Przetwornikami energii znajdujcymi zastosowanie w napdach hybrydowych s: tokowe silniki spalinowe: o zaponie iskrowym i o zaponie samoczynnym, turbinowe silniki spalinowe, silniki elektryczne, ogniwa paliwowe. Akumulatorami energii stosowanymi w napdach hybrydowych mog by: akumulatory energii kinetycznej koa zamachowe, akumulatory energii potencjalnej akumulatory: elektryczne, pneumatyczne, hydrauliczne. 246

3 EXAMINATION OF POLLUTANT EMISSIONS FROM A CAR WITH HYBRID POWERTRAIN Kombinacje elementów napdu hybrydowego wystpuj w ukadach: szeregowym, równolegym, mieszanym. Najwaniejszymi zaletami napdów hybrydowych s: moliwo pracy silnika w warunkach optymalnych ze wzgldu na przewidywane cele: energetyczne, ekonomiczne, ekologiczne. ograniczenie udziau stanów dynamicznych w pracy silnika spalinowego, moliwo odzyskiwania czci energii hamowania, indywidualny napd i hamowanie kó jezdnych. moliwo ograniczenia zespoów mechanicznych w ukadach przeniesienia energii. moliwo zastosowania rónych sposobów sterowania ukadu hybrydowego ze wzgldu na róne cele: tylko napd elektryczny w obszarach chronionych ekologicznie, jednoczesne wykorzystywanie mocy silnika elektrycznego i np. spalinowego w warunkach duego zapotrzebowania na moc: przyspieszania pojazdu, jazdy z maksymaln prdkoci czy jazdy pod gór itp. W pracy podjto zadanie zbadania emisji zanieczyszcze z silnika samochodu z napdem hybrydowym w warunkach symulujcych uytkowanie trakcyjne, a wic równie w warunkach znacznie odbiegajcych od testów homologacyjnych. 2. Wyniki bada samochodu Prius na hamowni podwoziowej Badania samochodu osobowego Prius II z napdem hybrydowym zostay wykonane na hamowni podwoziowej w Laboratorium Bada Silników Przemysowego Instytutu Motoryzacji w Warszawie. Schemat napdu samochodu Prius II przedstawiono na rysunku 1 [2]. Badania samochodu przeprowadzono na hamowni podwoziowej typu EMDY 48 firmy Schenck Komeg z jedn rolk o rednicy 48 (rysunek 2). Rys. 1. Schemat napdu samochodu Prius II (MG maszyna elektryczna) Fig. 1. A diagram of Prius II hybrid powertrain (MG the electric machine/engine) 247

4 Z. Chopek, W. Bardziski, M. Jarczewski, H. Sar,. Akszak Okiczyc Rys. 2. Samochód Prius II z napdem hybrydowym na hamowni podwoziowej Fig. 2. Prius II with hybrid powertrain on chassis dynamometer Do poboru spalin do analizy zastosowano ukad CVS 73 firmy Horiba (constant volume sampling o staym nateniu przepywu). Do pomiaru ste rozcieczonych powietrzem skadników spalin zosta wykorzystany zestaw analizatorów MEXA 72 firmy Horiba. Program bada oraz akwizycja wyników bada i ich przetwarzanie byy realizowane pod nadzorem ukadu VETS 7 firmy Horiba. Badania przeprowadzano w warunkach testów homologacyjnych: testu europejskiego do oceny emisji zanieczyszcze i zuycia paliwa zgodnego z regulaminem ECE R 83; test ten skada si z testu jazdy w miastach UDC (urban drive cycle) oraz testu jazdy poza miastami EUDC (extra urban drive cycle) [1], testu federalnego Stanów Zjednoczonych FTP 75oceny emisji zanieczyszcze i zuycia paliwa [1], testu federalnego Stanów Zjednoczonych do oceny zuycia paliwa HWFET (highway federal extra test) [1] oraz testów specjalnych (rysunki 3 i 4): testu Stop and Go [1] do oceny emisji zanieczyszcze i zuycia paliwa samochodów w warunkach znacznego utrudnienia ruchu (kongestii), tzw. korków ulicznych, testu Autobahn [1] do oceny emisji zanieczyszcze i zuycia paliwa samochodów w warunkach jazdy na autostradach i trasach szybkiego ruchu Rys. 3. Test Stop and Go Fig. 3. The Stop and Go test 18 v 16 max > 15 km/h v max 13 km/h km/h < v max 15 km/h Rys. 4. Test Autobahn Fig. 4. The Autobahn test 248

5 EXAMINATION OF POLLUTANT EMISSIONS FROM A CAR WITH HYBRID POWERTRAIN Na rysunkach 5 8 przedstawiono przykadowo przebiegi natenia emisji zanieczyszcze w tecie Stop and Go na tle przebiegu prdkoci. E CO [g/s],3,2,1 -,1 -,2 -, Rys. 5. Przebieg prdkoci samochodu i natenia emisji tlenku wgla w tecie Stop and Go Fig. 5. Car speed and emission intensity of carbon monoxide during a test Stop and Go E HC [g/s],6,4, ,2 -,4 -, Rys. 6. Przebieg prdkoci samochodu i natenia emisji wglowodorów w tecie Stop and Go Fig. 6. Car speed and emission intensity of hydrocarbons during a test Stop and Go 2 1 E NOx [g/s],6,4, ,2 -,4 -, Rys. 7. Przebieg prdkoci samochodu i natenia emisji tlenków azotu w tecie Stop and Go Fig. 7. Car speed and emission intensity of nitrogen oxides during a test Stop and Go

6 Z. Chopek, W. Bardziski, M. Jarczewski, H. Sar,. Akszak Okiczyc E CO2 [g/s] Rys. 8. Przebieg prdkoci samochodu i natenia emisji dwutlenku wgla w tecie Stop and Go Fig. 8. Car speed and emission intensity of carbon dioxide during a test Stop and Go Do ilustracji zachowania si samochodu z napdem hybrydowym celowo wybrano test, w którym akumulator samochodu by w peni naadowany. Jak wida, silnik spalinowy praktycznie dopiero po okoo 7 s zacz by wykorzystywany do przyspieszania. Dla niszych stopni naadowania akumulatora efekt ten nie jest a tak znaczny, jednak mimo wszystko stabilizacja warunków pracy silnika spalinowego jest wyrana. Na rysunkach 9 12 przedstawiono porównanie emisji drogowej zanieczyszcze z samochodu Prius i typowego samochodu kategorii EURO 4. Zalenoci dla samochodu Prius otrzymano z bada w poszczególnych testach jezdnych, natomiast charakterystyki dla typowego samochodu kategorii EURO 4 zostay wyznaczone z zastosowaniem baz danych zawartych w oprogramowaniu INFRAS AG [3]. 2 1 b CO [g/h] 1,6 1,4 1,2 EURO 4 1,8,6,4, b CO [g/h] (Prius),2 2,15 1,5 EURO 4,1 1,5, b CO [g/km] (EURO 4) Rys. 9. Porównanie emisji drogowej tlenku wgla z samochodu Prius i typowego samochodu kategorii EURO 4 (z prawej strony z osobn skal dla emisji drogowej tlenku wgla dla samochodu Prius) Fig. 9. A comparison between specific distance emission of carbon oxide from Prius and from a standard car of the class EURO 4 (on the right hand side, a separate scale for specific distance emission of carbon oxide for Prius) b HC [g/h],8,7,6,5,4,3 EURO 4,2, Rys. 1. Porównanie emisji drogowej wglowodorów z samochodu Prius i typowego samochodu kategorii EURO 4 Fig. 1. A comparison between specific distance emission of hydrocarbons from Prius and from a standard car of the class EURO 4 b NOx [g/h],7,6,5,4,3,2,1 EURO Rys. 11. Porównanie emisji drogowej tlenków azotu z samochodu Prius i typowego samochodu kategorii EURO 4 Fig. 11. A comparison between specific distance emission of nitrogen oxides from Prius and from a standard car of the class EURO 4 25

7 EXAMINATION OF POLLUTANT EMISSIONS FROM A CAR WITH HYBRID POWERTRAIN EURO 4 b CO2 [g/h] Rys. 12. Porównanie emisji drogowej dwutlenku wgla z samochodu Prius i typowego samochodu kategorii EURO 4 Fig. 12. A comparison between specific distance emission of carbon dioxide from Prius and from a standard car of the class EURO 4 Skutek zastosowania napdu hybrydowego do samochodu jest bardzo wyranie widoczny na charakterystykach Szczególnie wyrana w samochodzie Prius jest bardzo maa emisja tlenku wgla oraz ogólnie znaczna poprawa waciwoci ekologicznych w zakresie maych prdkoci rednich. 3. Wnioski Na podstawie przeprowadzonych bada samochodu z napdem hybrydowym (równie tych, których wyniki nie mogy by przedstawione w niniejszej pracy ze wzgldu na ograniczenia objtoci publikacji) mona sformuowa nastpujce wnioski: 1. Bardzo wyranie jest widoczna stabilizacja warunków pracy silnika spalinowego w warunkach dynamicznych w przeprowadzanych testach jezdnych. W konsekwencji tego nastpuje znaczne zmniejszenie si emisji skadników spalin oraz zuycia paliwa. Najbardziej wyrany efekt jest widoczny w wypadku emisji tlenku wgla. 2. Bardzo znaczce korzyci przynosi zastosowanie napdu hybrydowego w warunkach znacznego nieustabilizowania prdkoci jazdy, przede wszystkim w warunkach jazdy z maymi prdkociami rednimi, odpowiadajcych ruchowi w centrach miejskich. S to warunki szczególnie uciliwe dla ludzi i ich rodowiska ze wzgldu na due natenia ruchu pojazdów oraz du gsto przebywania ludzi. 3. Emisja zanieczyszcze oraz zuycie paliwa w testach jezdnych s zalene od wstpnego stopnia wstpnego naadowania akumulatora. Charakterystyki emisji zanieczyszcze mona zatem traktowa albo jako regulacyjne ze wzgldu na stopie wstpnego naadowania akumulatora, albo t wielko uznawa za przypadkowe warunki pracy napdu hybrydowego i w konsekwencji stosowa do bada metody stochastyczne. Ten drugi sposób potraktowania problemu odpowiada rzeczywistej eksploatacji samochodu w warunkach uytkowania trakcyjnego. Podzikowanie Autorzy wyraaj podzikowanie kierownictwu Toyota Wochy SJ za udostpnienie do bada samochodu Prius. 251

8 Z. Chopek, W. Bardziski, M. Jarczewski, H. Sar,. Akszak Okiczyc Literatura [1] Chopek, Z., Pojazdy samochodowe Ochrona rodowiska naturalnego. WK. Warszawa 22. [2] Pius samochód z napdem hybrydowym spalinowo elektrycznym. Materiay firmy Toyota. [3] INFRAS AG, Handbuch für Emissionsfaktoren des Strassenverkehrs, Version 2.1, Bern