Józef Nita, Artur Borczuch Politechnika Radomska Instytut Eksploatacji Pojazdów i Maszyn ul. Chrobrego Radom tel.

Transkrypt

1 Journal of KONES Internal Combustion Engines 23, vol. 1, No 1-2 PRELIMINARY EVALUATION OF CORRELATION OF CVS AND MODAL TECHNIQUES IN HOMOLOGATION TESTS OF VEHICLE WITH REGARD TO EXHAUST-GAS TOXIC COMPONENTS EMISSION. Józef Nita, Artur Borczuch Politechnika Radomska Instytut Eksploatacji Pojazdów i Maszyn ul. Chrobrego Radom tel. (48) Abstract The correlation analysis of the results of toxic components emission measurements for SI engine made with CVS method (constant volume sample) and modal technique was included in the paper. There were presented the investigations carried out with AVL CEB-6 system on chassis dynamometer. The investigations were made within the limits of ECE-15 test. The subject of investigations was POLONEZ 1.6 GSI equipped with three-way catalytic converter. Weights of particular exhaust-gas components in this test were calculated on the base of concentration records made with use the modal technique and were referred to adequate weights calculated from concentration measurements made with use the bag method. In the summary the influence of chosen parameters of applied measurement equipment on convergence of the both methods was evaluated and the scheme of next investigations was sketched. WSTĘPNA OCENA KORELACJI TECHNIK CVS I MODALNEJ W BADANIACH HOMOLOGACYJNYCH POJAZDU POD WZGLĘDEM EMISJI TOKSYCZNYCH SKŁADNIKÓW SPALIN Streszczenie Publikacja zawiera analizę korelacji wyników pomiarów toksycznych składników spalin silnika benzynowego otrzymanych metodą CVS (constant volume sample) oraz techniką modalną. Zaprezentowano badania wykonane systemem AVL CEB-6 na hamowni podwoziowej. Badania wykonano w ramach realizacji testu ECE-15. Obiektem badawczym był samochód POLONEZ 1.6 GSI wyposażony w katalizator trzyfunkcyjny. Wartości mas poszczególnych składników spalin w tym teście obliczono w oparciu o wykonane rejestracje stężeń metodą modalną i odniesiono do odpowiednich mas obliczonych z pomiaru stężeń metodą workową. W podsumowaniu pracy oszacowano wstępnie wpływ wybranych parametrów stosowanej w badaniach aparatury pomiarowej na zbieżność obydwóch metod oraz nakreślono plan dalszych badań. 1. Wstęp Coraz szybszy rozwój motoryzacji powoduje wzrost liczby pojazdów poruszających się po drogach. W początkowym okresie boom-u motoryzacyjnego proporcjonalnie do wzrostu liczby pojazdów wzrastała emisja szkodliwych składników spalin do otoczenia. W ostatnich latach daje się zauważyć spowolnienie tempa wzrostu zanieczyszczeń środowiska przez emisję składników spalin. Szczególnie w krajach wysoko uprzemysłowionych widoczna jest walka o obniżenie zanieczyszczeń środowiska przez spaliny. Zmusza się producentów samochodów do zapewnienia coraz lepszej ochrony środowiska. Wymaga to przeprowadzania coraz

2 dokładniejszych badań i kontroli nowych pojazdów. Każdy samochód przed wprowadzeniem na rynek musi odbyć badania homologacyjne w zakresie emisji toksycznych składników spalin. Badania w tym zakresie odbywają się na hamowniach podwoziowych. Generalnie wyposażenie hamowni podwoziowej można podzielić na trzy podstawowe segmenty: urządzenia do odwzorowania oporów ruchu pojazdu (rolki); urządzenie do przygotowania próbek spalin (tunel rozrzedzający spaliny CVS); urządzenia do analizy próbek spalin (analizatory spalin). Koszt każdego z tych urządzeń jest porównywalny ze sobą. Niestety jest on znaczny. Dlatego też na zakup przedstawionych powyżej przyrządów mogą sobie pozwolić tylko nieliczne jednostki naukowo-badawcze. W chwili obecnej w Polsce aparaturę tego typu posiada: Ośrodek Badawczo Rozwojowy DAEWOO - FSO ; Ośrodek Badawczo Rozwojowy BOSMAL ; Przemysłowy Instytut Motoryzacji PIMOT. Oprócz samych kosztów zakupu także znaczny koszt eksploatacji tego typu urządzeń powoduje ograniczone zastosowanie (mała liczba punktów badawczych). Wykorzystanie wspomnianej aparatury wymaga, bowiem klimatyzowanych pomieszczeń oraz ciągłego używania drogich gazów wzorcowych. Jeżeli wziąć pod uwagę także wysokie koszty serwisu pogwarancyjnego to wykorzystanie takiej aparatury nie jest możliwe przez małe placówki naukowo-badawcze, których budżety nie są wstanie sprostać tak wysokim kosztom. Wobec powyższego koniecznym staje się opracowanie takiej metody, która pozwoli na zminimalizowanie kosztów badań przy jednoczesnym jak najszerszym zastosowaniu posiadanej tańszej aparatury badawczej. Poniższa praca ma na celu sprawdzenie przydatności i wiarygodności wyników różnych typów analizatorów spalin w zależności od rodzaju przeprowadzanych pomiarów. 2. Omówienie typów badań wykonywanych na hamowniach podwoziowych W chwili obecnej na hamowniach podwoziowych można dokonywać następujących pomiarów [1], [3]: spalin stężonych w sposób ciągły, spalin rozcieńczonych w sposób ciągły, średnich stężeń z worków, współczynnika składu mieszanki, zużycia paliwa metodą bezpośrednią oraz metodą bilansu węgla w spalinach. Wymienione powyżej pomiary realizowane są w trakcie prowadzenia następujących rodzajów badań: analiza z worków, analiza tła, analiza modalna. Zgodnie z wymaganiami stawianymi przez przepisy homologacyjne analiza z worków jest podstawowym pomiarem wykonywanym podczas przeprowadzanych badań emisji związków toksycznych zawartych w spalinach w trakcie realizacji testu jezdnego. Polega ona na pomiarze zawartości średnich stężeń poszczególnych składników w mieszaninie spalin i powietrza

3 pobieranych do worków. Dzięki niej uzyskuje się średnią wartość emisji dla różnych faz testu jezdnego. Analiza tła jest nieodłączną częścią analizy workowej. Dla określenia poziomu zanieczyszczeń znajdujących się w pomieszczeniu badawczym, w trakcie całego testu jezdnego pobierana jest próbka otaczającego powietrza. Pobór ten odbywa się w sposób ciągły. Uśredniona próbka znajduje się w oddzielnym worku pomiarowym. Efektem finalnym analizy jest wartość emisji danego składnika wynikająca z różnicy jego udziału w mieszaninie spalin i powietrzu rozcieńczającym. Analiza modalna często wykorzystywana jest w badaniach rozwojowych prowadzonych na hamowniach podwoziowych. Pozwala ona na badania emisji związków toksycznych w spalinach dla każdej z wybranych faz testu jezdnego, tj.: bieg jałowy, jazda ze stałą prędkością, przyśpieszanie oraz hamowanie. Czas trwania każdej fazy (modu) może być zmieniany w zakresie od 1 s do nawet kilkunastu minut. Powyższa analiza może być wykonywana na dwa sposoby, tj.: ciągłego pomiaru rozcieńczonych gazów spalinowych oraz ciągłego pomiaru stężonych gazów spalinowych z użyciem tracera CO 2. Powszechnie wykorzystywany jest drugi z wymienionych sposobów. Dzięki niemu możliwy jest pomiar stężonego HC, CO, NO x i CO 2 oraz rozcieńczonego CO 2. Porównując poziomy CO 2 w spalinach rozcieńczonych i nierozcieńczonych oraz znając natężenie przepływu mieszaniny spalin oraz powietrza w systemie CVS można obliczyć objętość spalin dla każdego modu testu jezdnego. Sposób podłączenia sond pomiarowych, na stanowisku badawczym hamowni podwoziowej, w celu przeprowadzenia wyżej wymienionych badań przedstawia poniższy rysunek. Rys. 1. System pomiarowy dla analizy modalnej i workowej [3] Fig.1. Measurement system for modal and bags analysis.

4 3. Przebieg realizacji badań Przedstawione badania realizowano na hamowni podwoziowej w warunkach testu ECE-15. Obiektem badawczym był samochód POLONEZ 1.6 GSI wyposażony w katalizator. W trakcie badań dokonywano rejestracji stężeń poszczególnych toksycznych składników spalin. Wykonano je zarówno dla spalin rozcieńczonych (metodą CVS) jak również spalin stężonych. Próbki spalin stężonych pobierane były za katalizatorem natomiast spalin rozcieńczonych z tunelu rozcieńczającego. Celem niniejszej pracy było zaprezentowanie i porównanie wyników pomiaru toksycznych składników spalin w trakcie realizacji testu ECE-15. W pracy zaprezentowano sposób przeliczania zarejestrowanych stężeń poszczególnych emitentów na ich masę, która jest wielkością finalną oceniającą badany pojazd pod względem emisji. Praca zawiera również charakterystyki porównawcze, sporządzone na podstawie badań, mas poszczególnych składników wyliczonych dla spalin rozcieńczonych jak i stężonych. Ze względu na zbyt małą przejrzystość wykresu zawierającego cały przebieg testu wybrano jego przykładowy fragment. Zilustrowano to na rys.2-5. Przed porównaniem wyników badań z wartościami obowiązujących norm należy je odpowiednio przetworzyć. Masowa emisja i-tego składnika zanieczyszczeń (M i ) obliczona zostaje według wzoru [2]: M = V Q k C 1 6 i mix i H i, (3.1) gdzie: M i - masa emisji zanieczyszczenia w gramach, V mix - objętość rozcieńczonych spalin wyrażona w litrach i skorygowana do warunków normalnych (273,2 K i 11,33 kpa), Q i - gęstość zanieczyszczenia w gramach na litr przy normalnej temperaturze i ciśnieniu (273,2 K i 11,33 kpa), k H - współczynnik korekcji wilgotności stosowany do obliczania masy wyemitowanych tlenków azotu; nie stosuje się korekcji wilgotności dla HC i CO, C i - stężenie poszczególnych składników spalin skorygowane o zawartość ich w powietrzu podane w ppm. W przypadku pomiarów metodą CVS, gdy znana jest wartość średniego stężenia mieszaniny spalin i powietrza rozcieńczającego oraz znane stałe z góry założone natężenie przepływu, obliczenie masy powstałego zanieczyszczenia za test nie stanowi żadnego problemu. Stosuje się w tym przypadku wzór przedstawiony powyżej. (3.1) W przypadku, gdy realizowane jest to za pomocą pomiaru stężeń spalin konieczna jest znajomość nie objętości mieszaniny (rozcieńczonych spalin), lecz objętość spalin. Wydatek objętościowy spalin jest parametrem trudnym do określenia, ze względu na jego częste zmiany w trakcie realizacji testu, uzależnionym m.in. od prędkości, obciążenia silnika i temperatury. W tym celu, jeśli nie jest mierzone stężenie mieszaniny (spalin rozcieńczonych) należy zastosować dodatkowy analizator CO 2, który służy do jego pomiaru. Objętość spalin jest wartością wynikową ze stosunku stężenia CO 2 spalin rozcieńczonych do stężonych, pomnożonych przez jednostkową objętość mieszaniny (natężenie przepływu). Jeśli jest znana objętość jednostkowa z wzoru przedstawionego wcześniej można wyznaczyć masę jednostkową bądź sumaryczną przypadającą na cały, bądź fragment testu jezdnego.

5 Masa CO (rozcieńczone) Masa CO (nierozcieńczone) CO [mg/s] t [s] Rys. 2. Porównanie emisji CO spalin rozcieńczonych i nierozcieńczonych na tle wybranego fragmentu testu jezdnego Fig.2. The comparison of CO emission, dilute and undiluted exhaust-gas with chosen part of the traction test as a background MasaCO2 (rozcieńczone) Masa CO2 (nierozcieńczone) CO 2 [mg/s] t [s] Rys. 3. Porównanie emisji CO 2 spalin rozcieńczonych i nierozcieńczonych na tle wybranego fragmentu testu jezdnego Fig.3. The comparison of CO 2 emission, dilute and undiluted exhaust-gas with chosen part of the traction test as a background.

6 Masa THC (rozcieńczone) Masa THC (nierozcieńczone) THC [mg/s] t [s] Rys. 4. Porównanie emisji THC spalin rozcieńczonych i nierozcieńczonych na tle wybranego fragmentu testu jezdnego Fig.4. The comparison of THC emission, dilute and undiluted exhaust-gas with chosen part of the traction test as a background Masa NOx (rozcieńczone) Masa NOx (nierozcieńczone) NO x [mg/s] t [s] Rys. 5. Porównanie emisji NO X spalin rozcieńczonych i nierozcieńczonych na tle wybranego fragmentu testu jezdnego Fig.5. The comparison of NO x emission, dilute and undiluted exhaust-gas with chosen part of the traction test as a background.

7 W tabeli nr 1 zestawiono wyniki mas poszczególnych emitentów otrzymanych metodą workową oraz metodą modalną dla spalin rozcieńczonych oraz stężonych. Tab.1. Korelacja wyników uzyskanych w metodzie workowej i modalnej Tab.1. The correlation of results obtained with the bag and modal techniques. Składnik Rodzaj metody Faza 1 - UDC [g/km] Faza 2 EUDC [g/km] Średnia [g/km] HC Workowa,213,43,16 Modalna rozcieńczone spaliny,195,38,96 Modalna - stężone spaliny,28,49,18 NO x Workowa,214,149,173 Modalna rozcieńczone spaliny,233,164,19 Modalna - stężone spaliny,116,58,8 CO Workowa 1,72,589 1,12 Modalna rozcieńczone spaliny 1,81,635 1,74 Modalna - stężone spaliny 1,43,772 1,18 CO 2 Workowa 251,33 162, ,711 Modalna rozcieńczone spaliny 272,49 164,15 24,418 Modalna - stężone spaliny 245, ,92 196,31 4. Wnioski końcowe Różnice w otrzymanych wynikach mogą występować z następujących przyczyn: 1. Wykraplania się pary wodnej przy dostarczaniu próbki do analizatorów spalin, która do analizy, powinna posiadać temperaturę w zakresie 2-4 o C. Zjawisko to nie występuje przy rozcieńczaniu spalin ze względu na obniżenie punktu rosy. Należy przy tym zauważyć, iż temperatura na końcu rury wylotowej badanego samochodu zmieniała się w zakresie 5-35 o C, natomiast pobór spalin odbywał się tuż za katalizatorem, gdzie temperatura maksymalna jest bez mała dwukrotnie wyższa od temperatury maksymalnej na końcu układu wylotowego spalin. Wykraplanie się pary wodnej powoduje zmianę objętości próbki spalin, w której mierzy się udział objętościowy danego emitenta. 2. Asynchronizacji czasu pomiaru tej samej próbki spalin, dla analizy stężenia CO 2 w spalinach stężonych i rozcieńczonych ze względu na dwa różne, oddalone od siebie punkty ich poboru (za katalizatorem i z tunelu rozcieńczającego). 3. Niedokładnego wyliczenia mas poszczególnych próbek spalin ze względu na zbyt małą rozdzielczość pomiaru, co 1s. 4. Braku analizy tła 5. Wpływu wilgotności w próbce spalin na dokładność pomiaru, szczególnie tlenków azotu. Biorąc pod uwagę wyniki uzyskane w obu metodach przy pomiarze takich wartości jak: HC, CO, CO 2 zarówno dla fazy pierwszej jak i drugiej testu jezdnego można stwierdzić, iż znacząco nie odbiegają od siebie. Natomiast w przypadku pomiaru NO X dla spalin stężonych w metodzie modalnej różnią się znacznie od wyników dla metody workowej oraz modalnej dla spalin rozcieńczonych. Należy zwrócić szczególną uwagę, iż stosując metodę modalną dla pomiaru wydatku spalin stężonych korzysta się ze stosunku stężeń CO 2 spalin nierozcieńczonych

8 i rozcieńczonych. Zła synchronizacja w czasie podczas pomiaru oraz błąd wskazań jednego z analizatorów może spowodować znaczny błąd przy wyliczaniu masy pozostałych składników spalin. W celu określenia powtarzalności omawianych metod pomiarów emisji toksycznych składników spalin, również w kontekście faktu, że do badań użyto analizatory o takiej samej klasie dokładności, wyprodukowane przez tą samą firmę, należy rozważyć konieczność powtórzenia badań. Pozwoli to na sprawdzenie czy różnice w otrzymywanych wynikach pomiarów mają charakter stały, czy też występowały wyłącznie w dniu przeprowadzenia badań omawianych w niniejszej pracy. Jeżeli różnice te występowałyby trwale to badania takie pozwoliłyby również na określenie przyczyny powstałych, w/w błędów, tj.: czy są one wynikiem użytej w badaniach aparatury pomiarowej, czy zastosowanego algorytmu obliczeniowego. 5. Literatura [1]. Merkisz J.: Ekologiczne problemy silników spalinowych. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań [2]. Regulamin nr 83 Jednolite przepisy dotyczące homologacji pojazdów w zakresie emisji zanieczyszczeń gazowych przez silnik w zależności od wymagań paliwowych silnika. Organizacja Narodów Zjednoczonych, Genewa [3]. Materiały informacyjne firm produkujących analizatory spalin HORIBA, COMBUSTION, PIERBURG, AVL.