BADANIA UK ADÓW OGRZEWANIA AUTOBUSÓW MIEJSKICH W KOMORZE KLIMATYCZNEJ

Transkrypt

1 PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 98 Transport 2013 Maciej Bajerlein, Dariusz Michalak, ukasz Rymaniak Andrzej Zió kowski, Micha Dobrzy ski Politechnika Pozna ska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu BADANIA UK ADÓW OGRZEWANIA AUTOBUSÓW MIEJSKICH W KOMORZE KLIMATYCZNEJ R kopis dostarczono, kwiecie 2013 Streszczenie: W artykule przedstawiono wp yw zastosowania uk adów ogrzewania postojowego na energoch onno autobusu miejskiego. Pomiary zrealizowano w dwóch seriach, w których ocenie poddano piec spalinowy oraz piec elektryczny. Uk ady ogrzewania montowano w poje dzie wyposa onym w hybrydowy uk ad nap dowy w konfiguracji szeregowej. Badania przeprowadzono w komorze klimatycznej, która zapewnia a w a ciwe kondycjonowanie autobusu i ustalenie takich samych warunków pocz tkowych. Wp yw na energoch onno pojazdu poszczególnych uk adów wyznaczono na podstawie zu ycia paliwa obliczonego metod carbon balance. Pomiary emisyjno ci autobusu zrealizowano za pomoc mobilnego przyrz du SEMTECH DS, klasyfikowanego jako urz dzenie nale ce do grupy PEMS (Portable Emissions Measurement Systems). Ponadto wykorzystano sond masowego nat enia przep ywu spalin oraz uk ad czujników termorezystancyjnych dla okre lenia rozk adu temperatur wewn trz pojazdu. S owa kluczowe: ekologia, emisja spalin, ogrzewanie postojowe 1. WST P Stosowanie uk adu ogrzewania w autobusie miejskim ma przede wszystkim na celu zapewnienie komfortu podró y pasa erom oraz kierowcy podczas pracy. Ponadto system ogrzewania korzystnie wp ywa na bezpiecze stwo, poniewa jego wykorzystanie zapewnia zmniejszenie wilgotno ci wewn trz pojazdu, która mo e niekorzystnie wp ywa na widoczno (wyst powanie pary wodnej na powierzchni szyb) [1]. W a ciwe warunki pracy kierowcy maj du y wp yw na jego sprawno psychofizyczn. Pojazdy komunikacji miejskiej s obecnie powszechnie wyposa ane w uk ady ogrzewania postojowego. Równie w przypadku samochodów osobowych wy szej klasy pojawiaj si tego typu rozwi zania w standardowym wyposa eniu. Obecnie obserwuje si zwi kszenie ilo ci osób podró uj cych komunikacj miejsk [6]. Przeci tna podro autobusem miejskim mie ci si w przedziale od kilku do kilkunastu minut, w czasie której

2 22 Maciej Bajerlein, Dariusz Michalak, ukasz Rymaniak, Andrzej Zió kowski, Micha Dobrzy ski pojazd jest kilkukrotnie wietrzony podczas obs ugi przystanków, kiedy nast puje wymiana pasa erów. Z tego powodu bardzo istotne jest, aby uk ady ogrzewania charakteryzowa y si wysok sprawno ci, szczególnie przy bardzo niskich temperaturach otoczenia. Regulacja uk adu ogrzewania musi obejmowa temperatur oraz kierunek i si nadmuchu [7]. Temperatura powietrza w poje dzie powinna by ni sza na wysoko ci g owy ni przy pod odze. Ma to bezpo redni wp yw na pasa erów i kierowc, poniewa taki uk ad zapobiega powstawaniu uczucia senno ci oraz zm czenia. Oprócz zalet stosowania uk adu ogrzewania w autobusie miejskim mo na wyró ni tak e pewne wady. Dotycz one g ównie kosztów zwi zanych z ich obs ug (konserwacj ) i eksploatacj. W czenie uk adu powoduje uruchomienie pieca, który pobiera dodatkow ilo paliwa w przypadku pieca spalinowego lub dodatkow energi elektryczn z zasobników energii b d alternatora, kiedy wykorzystywany jest piec elektryczny. W celu uzyskania jak najmniejszej energoch onno ci systemu ogrzewania nale y dobiera poszczególne elementy uk adu zgodnie z charakterystyk i przeznaczeniem danego autobusu. Takie post powanie korzystnie wp ywa na ekologiczno pojazdu, co wpisuje si w polityk Unii Europejskiej dotycz c zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych [2]. 2. METODYKA BADA 2.1. OBIEKT BADA Obiektami badawczymi by y dwa piece ogrzewania postojowego stosowane w autobusach miejskich. W pierwszej kolejno ci pomiary wykonano dla konwencjonalnego pieca spalinowego o mocy grzewczej 30 kw. W drugiej serii pomiarowej wykorzystano piec elektryczny, który przeznaczony jest do stosowania w pojazdach wykorzystuj cych nap d elektryczny, hybrydowy lub wodorowy. Rozwi zanie to charakteryzuje si wysok wydajno ci, zerow emisj spalin oraz niskim poziomem emisji ha asu. W celu wyznaczenia bilansu energetycznego obu rozwi za przeprowadzono badania emisyjno ci oraz zu ycia paliwa w dwóch cyklach na tym samym autobusie komunikacji miejskiej o d ugo ci 18 m. Pojazd wykorzystany do bada wyposa ony jest w nap d hybrydowy w konfiguracji szeregowej. G ównymi elementami uk adu nap dowego s baterie litowo-fosforowe, zespó superkondensatorów, silnik trakcyjny o mocy 240 kw oraz jednostka spalinowa o mocy 209 kw spe niaj c norm EEV. Ca y system mo e dzia a w trybie hybrydowym bez konieczno ci dostarczania energii z zewn trz, jednak zaimplementowany w uk adzie jest tak e system zewn trznego adowania baterii. Z cze typu plug-in o dopuszczalnym pr dzie adowania 63 A pozwala uzupe nia energi w czasie postoju pojazdu.

3 Badania uk adów ogrzewania autobusów miejskich w komorze klimatycznej APARATURA BADAWCZA I WARUNKI PRZEPROWADZANIA POMIARÓW Pomiary emisji CO, CO 2 oraz HC zrealizowano za pomoc mobilnego przyrz du SEMTECH DS firmy Sensors Inc (rys. 1a, tab. 1). Urz dzenie klasyfikowane jest jako narz dzie do pomiarów emisji w rzeczywistych warunkach eksploatacji, a wi c zaliczane jest do grupy PEMS (Portable Emissions Measurement System). W przyrz dzie zastosowano szereg analizatorów, które wyznaczaj st enie poszczególnych zwi zków szkodliwych w próbce gazów wylotowych [5]: CO 2 i CO analizator NDIR (Non-Dispersive Infrared) wykorzystuje metod niedyspersyjn oraz promieniowanie podczerwone; HC analizator FID (Flame Ionization Detector) wykorzystuje metod jonizacji p omienia. Ponadto w przyrz dzie zaimplementowane s analizatory s u ce do pomiaru NO x oraz okre lenia zawarto ci O 2 w gazach wylotowych. Uzyskane warto ci emisji poszczególnych zwi zków szkodliwych mog by poddawane korekcji obejmuj cej wp yw warunków otoczenia, poniewa urz dzenie ma do czan stacj meteorologiczn umo liwiaj c pomiar ci nienia, temperatury oraz wilgotno ci powietrza. Rejestrowane dane uzupe nione zosta y o parametry generowane przez pok adowy system diagnostyczny, z którego odczytywane by y informacje w czasie pomiarów emisji. Nat enie przep ywu gazów wylotowych mierzone by o sond o rednicy 4 z wbudowan rurk Pitota (rys. 1b) [3, 5]. Uk ady wylotowe jednostki nap dowej i pieca spalinowego po czono w celu jednoczesnego pomiaru emisji szkodliwych i toksycznych sk adników spalin. Ponadto przewód transportuj cy gazy wylotowe z uk adu ogrzewania odizolowano termicznie, dzi ki czemu nie wyst pi y zjawiska skraplania HC i kondensacji spalin. Dane techniczne mobilnego przyrz du SEMTECH DS [5] Tablica 1 Parametr Metoda pomiaru Dok adno St enie zwi zków: HC NDIR niedyspersyjna, zakres 0-10% ±3% CO FID p omieniowo-jonizacyjna, zakres ppm ±2,5% CO 2 NDIR niedyspersyjna (podczerwie ), zakres 0-20 % ±3% O 2 elektrochemiczna, zakres 0-20 % ±1% Próbkowanie Przep yw spalin Obs ugiwane systemy diagnostyczne 1-4 Hz masowe nat enie przep ywu T max do 700 o C SAE J1850/SAE J1979 (LDV) SAE J1708/SAE J1587 (HDV) CAN SAE J1939/J2284 (HDV) ±2,5% ±1% zak.

4 24 Maciej Bajerlein, Dariusz Michalak, ukasz Rymaniak, Andrzej Zió kowski, Micha Dobrzy ski a) b) Rys. 1. Widok aparatury do bada emisji: a) mobilny przyrz d SEMTECH DS zainstalowany w autobusie, b) widok uk adu poboru spalin Temperatury wewn trz pojazdu mierzono za pomoc czujników termorezystancyjnych, których sygna y rejestrowane by y przez przetwornik IOTECH PERSONAL DAQ 3000 (rys. 2). Modu pomiarowy wyposa ony jest w interfejs USB oraz przetwornik A/C (1MHz/16bit). Informacje z poszczególnych torów pomiarowych przekazywane s do komputera, który zapisuje dane zgodnie z zadan cz stotliwo ci pomiaru. Rys. 2. Rozmieszczenie czujników termorezystancyjnych w badanym poje dzie Badania emisyjno ci autobusu wyposa onego w ró ne typy pieców ogrzewania postojowego, ich wp ywu na energoch onno ca ego pojazdu oraz rozk adu temperatur dokonano w komorze klimatycznej. Temperatura pocz tkowa w ka dej serii pomiarowej wynosi a -15 C. Przed rozpocz ciem bada pojazd by kondycjonowany w tej temperaturze przez 12 godzin. Takie post powanie wp yn o korzystnie na powtarzalno warunków realizacji bada. W trakcie pomiarów pojazd pracowa na biegu ja owym, a jednostka spalinowa by a dodatkowo obci ona jedynie przez uk ad ogrzewania. Wszystkie pozosta e uk ady i systemy by y wy czone. Widok pojazdu w komorze klimatycznej przedstawiono na rysunku 3.

5 Badania uk adów ogrzewania autobusów miejskich w komorze klimatycznej 25 Rys. 3. Widok autobusu podczas bada w komorze klimatycznej 3. WYNIKI POMIARÓW I ICH ANALIZA Na podstawie zarejestrowanych warto ci emisji sekundowej CO 2, CO i HC wyznaczono sekundowe zu ycie paliwa autobusu dla kolejnych cykli pomiarowych. W obliczeniach wykorzystano metod carbon ballance. W przypadku autobusu wyposa onego w piec elektryczny uzyskano wi ksze zu ycie paliwa ni dla uk adu konwencjonalnego o 8,2 % (rys. 4). Jak wynika z przedstawionej charakterystyki dla rozwi zania elektrycznego po 2500 s testu zacz y wyst powa cykliczne spadki/wzrosty sekundowego zu ycia paliwa w przedziale 0,5-2 g/s. By o to bezpo rednio zwi zane z charakterystyk pracy uk adu nap dowego. Pobór mocy przez badany uk ad by znaczny, w zwi zku z czym konieczne by o do adowanie akumulatorów pojazdu. Na podstawie danych odczytanych z uk adu diagnostycznego autobusu stwierdzono, e praca silnika w tym przedziale czasowym charakteryzowa a si du ymi zmianami pr dko ci obrotowej wa u korbowego. Sumaryczne zu ycie paliwa jednostki spalinowej oraz pieca spalinowego w pocz tkowej fazie testu osi gn o warto 2,71 g/s, nast pnie spada o i po oko o 1500 s testu osi gn o warto 1,48 g/s. Chwilowe okresy zwi kszenia zu ycia paliwa wynika y z konieczno ci do adowania zasobników energii uk adu elektrycznego.

6 26 Maciej Bajerlein, Dariusz Michalak, ukasz Rymaniak, Andrzej Zió kowski, Micha Dobrzy ski Rys. 4. Przebieg sekundowego zu ycia paliwa autobusu wyposa onego w uk ad elektrycznego i spalinowy Zmiany temperatur w sze ciu punktach wewn trz pojazdu przedstawiono na rysunkach 5 i 6. Czas fazy nagrzewania do redniej temperatury 18 C by dla obu pieców zbli ony. Po nagrzaniu wn trza przeprowadzono procedur otwierania drzwi na czas 15 s. w 5-cio minutowych odst pach czasowych. Post powanie takie mia o na celu odzwierciedlenie pracy autobusu podczas obs ugi przystanków. Dla 3 i 4 punktu pomiarowego zaobserwowano znacz ce spadki temperatury podczas otwierania drzwi, które osi ga y warto do -5 C. Punkty te znajdowa y si w wietle drzwi, przez co by y najbardziej nara one na dzia anie warunków zewn trznych. Jak wynika z przedstawionych charakterystyk na rys. 5, otwieranie drzwi nie mia o znacz cego wp ywu na zwi kszenie sekundowego zu ycia paliwa. Rys. 5. Rozk ad temperatur wewn trz pojazdu wyposa onego w piec elektryczny

7 Badania uk adów ogrzewania autobusów miejskich w komorze klimatycznej 27 Rys. 6. Rozk ad temperatur wewn trz pojazdu wyposa onego w piec spalinowy 4. WNIOSKI W celu okre lenia ró nic ca kowitego zu ycia paliwa przez pojazd w obu seriach pomiarowych przyj to do porównania taki sam przedzia czasowy dla obu testów. Uk ad nap dowy wraz z piecem elektrycznym charakteryzowa si wy szym rednim sekundowym zu yciem paliwa. W przypadku temperatury pocz tkowej -15 C, w której rozpocz to pomiar, wzgl dna ró nica redniego sekundowego zu ycia paliwa wynios a 8,2%. wiadczy to o du ym zapotrzebowaniu tego rozwi zania na energi elektryczn, któr wytwarza jednostka spalinowa wspó pracuj ca z pr dnic. W uk adach wylotowych piców spalinowych najcz ciej nie wykorzystuje si uk adów oczyszczania spalin, co ma niekorzystny wp yw na rodowisko. Z tego powodu lepszym rozwi zaniem jest u ycie uk adów elektrycznych, które pomimo wi kszego zapotrzebowania energetycznego, nie emituj gazów wylotowych, w tym przede wszystkim toksycznych PM [4]. Na rynku pojawia si coraz wi cej pojazdów wyposa onych w nap dy hybrydowe. Konieczne jest wi c rozwijanie systemów i uk adów funkcjonalnych wykorzystywanych w tego typu pojazdach. Najw a ciwsze jest stosowanie rozwi za w pe ni elektrycznych, które nie obci aj w sposób bezpo redni jednostki spalinowej. Konieczne jest jednak stosowanie najbardziej optymalnych i energooszcz dnych konstrukcji, a tak e w a ciwe projektowanie gospodarki energetycznej danego pojazdu. Bibliografia 1. Deh U.: Klimatyzacja w samochodzie, WKi, Warszawa Gis W., Gis M.: Selected issues related to the reduction of the CO2 emission from combustion engines fitted in vehicles of the M and N categories; a 2012 update. Combustion Engines / Silniki Spalinowe nr 1/2012 (148), p , (2012).

8 28 Maciej Bajerlein, Dariusz Michalak, ukasz Rymaniak, Andrzej Zió kowski, Micha Dobrzy ski 3. Merkisz J., Fuc P.: The Exhaust Emission from Light Duty Vehicles in Road Test in Urban Traffic. SAE Technical Paper Series , (2010). 4. Merkisz J., Fu P., Lijewski P.: The mass and size of PM measurement from HDV vehicles under real operating conditions. BAQ 2012, Better Air Quality Conference, 5-7 December 2012, Hong Kong. 5. Sensors Inc., Emissions measurement solutions. SEMTECH -DS On Board In Use Emissions Analyzer, Erkrath TESTS ON BUS HEATING SYSTEMS IN A CLIMATIC CHAMBER Summary: The paper examines the influence of stationery heating systems in a city bus on the amount of energy the vehicle consumes. The heating systems consisted of either a combustion furnace or an electric heater. The energy consumption was measured in two sequences. The heating systems were mounted in a city bus with a series hybrid transmission. The tests were carried out in a climatic chamber, which ensures appropriate conditioning and allows setting the same initial conditions. Bus s energy consumption with respect to the type of heating system was estimated on the basis of fuel consumption and calculated with Carbon Balance method. Emission tests were carried out with one of PEMS (Portable Emissions Measurement Systems) analyzers. Moreover, an endoscope was applied to check mass exhaust flow as well as thermal resistantion in order to determine temperature propagation inside the bus. Keywords: ecology, exhaust emission, stationery heating system