Badania emisji pojazdów z silnikami o zapłonie iskrowym w wybranej SKP w Žilinie na Słowacji

Transkrypt

1 RYBICKA Iwona 1 DROŹDZIEL Paweł 2 KOMSTA Henryk 3 Badania emisji pojazdów z silnikami o zapłonie iskrowym w wybranej SKP w Žilinie na Słowacji WSTĘP Zagrożenie ekologiczne, pochodzące od silników spalinowych, stymuluje do ciągłego udoskonalania konstrukcji jednostek napędowych pojazdów. Zmiany te dotyczą przede wszystkim właściwej organizacji spalania paliwa, systemów oczyszczania spalin i bieżącego nadzorowania tego procesu. Część badaczy [6, 8, 9], koncentruje się na badaniach związanych z konsumpcją i sposobem zużywania paliwa przez pojazdy silnikowe podczas ich eksploatacji. Eksploatacja pojazdu w stanie awaryjnym jest przyczyną gwałtownego wzrostu emisji spalin gazów wydechowych [10]. W skali światowej stanowi to poważne zagrożenie ekologiczne. Rozwój systemów wpływających na poprawę czystości spalin wydechowych oraz systemów diagnostyki silnika jest ściśle związany z postępującymi wymaganiami norm emisji zanieczyszczeń [10]. W Europie są one znane jako tzw. normy EURO (tabela nr 1), których kolejne generacje obowiązują w krajach Unii od 1993 roku [10]. Tab. 1. Dopuszczalna emisja zanieczyszczeń z silników o zapłonie iskrowym [2, 10]. NORMA Data wejścia w życie normy przy homologacji CO (g/km) HC (g/km) EURO II ,2 6,5 EURO III ,3 0,20 EURO IV ,0 0,1 EURO V ,0 0,68 Paliwa silnikowe stanowią mieszaninę węglowodorów różniących się budową chemiczną i wynikającymi stąd właściwościami chemicznymi. Węglowodory podczas spalania ulegają rozpadowi na składniki podstawowe: węgiel i wodór. Przy spalaniu zupełnym benzyny pozbawionej domieszek: wodór (H) łączy się z tlenem (O 2 ) i daje wodę (H 2 O), która w temperaturze wydechu występuje w postaci pary wodnej; węgiel (C) łączy się z tlenem (O 2 ), tworząc dwutlenek węgla (CO 2 ) [3]. Pozostałe gazy będące składnikami powietrza, jak azot (N), trudno wchodzą w związki lub nie wchodzą wcale, a więc w znacznie mniejszym stopniu przyczyniają się do skażania środowiska. Jednak w silnikach występuje w praktyce spalanie niezupełne paliwa zawierającego dodatki i zanieczyszczenia, co sprawia, że w spalinach znajdują się: azot (N 2 ), tlen (O 2 ), dwutlenek węgla (CO 2 ), węglowodory (HC), tlenki azotu (NO x ). 1 Instytut Transportu, Silników Spalinowych i Ekologii Politechniki Lubelskiej, ul. Nadbystrzycka 36, Lublin, i.rybicka@pollub.pl 2 Instytut Transportu, Silników Spalinowych i Ekologii Politechniki Lubelskiej, ul. Nadbystrzycka 36, Lublin, p.drozdziel@pollub.pl 3 Instytut Transportu, Silników Spalinowych i Ekologii Politechniki Lubelskiej, ul. Nadbystrzycka 36, Lublin, h.komsta@pollub.pl 5504

2 Normy emisji są lub będą wprowadzone w większości krajów europejskich. Jako że normy te są narzucane urzędowo, urządzenia pomiarowe muszą spełniać odpowiednie standardy, które niestety nie są do końca ujednolicone. Różnią się przede wszystkim w podstawowych wymaganiach dokładności pomiaru. Większość znaczących standardów dla analizatorów spalin w Europie jest zdefiniowana przez międzynarodowy standard OIML R 99 dla urządzeń Klasy I. Ten standard jest stosowany w urządzeniach pomiarowych w Niemczech w warunkach AU (poprzednia nazwa ASU II). W Polsce zostały ustalone specjalne przepisy dotyczące urządzeń do kontroli emisji, podobne do wymienionego wyżej standardu. Do badania emisji toksycznych substancji w spalinach silników stosuje się: analizatory spalin - dla silników z zapłonem iskrowym, dymomierze - dla silników z zapłonem samoczynnym [3]. 1. POMIARY SKŁADNIKÓW EMISJI SPALIN SILNIKÓW O ZAPŁONIE ISKROWYM Przepisy dotyczące emisji składników toksycznych przez silniki spalinowe nakazują, aby w spalinach pojazdu z silnikiem o zapłonie iskrowym: 1. zawartość tlenku węgla (CO) i węglowodorów (HC) nie przekraczała: 0,5% objętości spalin (CO) i 100 ppm (HC) - przy pomiarze na biegu jałowym, a w odniesieniu do motocykli 4,5% objętości spalin (CO), 0,3% objętości spalin (CO) i 100 ppm (HC) - przy pomiarze z podwyższoną prędkością obrotową silnika, czyli z zakresu od 2000 do 3000 obr./min; 2. w przypadku pojazdu wyposażonego w sondę lambda wartość współczynnika nadmiaru powietrza (lambda) przy pomiarze z podwyższoną prędkością obrotową silnika (z zakresu od 2000 do 3000 obr./min), zawierała się w granicach od 0,97 do 1,03 [1]. Podstawowym warunkiem prawidłowej analizy spalin jest sprawdzenie szczelności układu wydechowego. Nieszczelny układ wydechowy nie tylko wyrzuca spaliny, ale także zasysa powietrze. Jeśli jest ono zasysane przed katalizatorem i sondą lambda, zakłóca pracę całego układu sterowania, jeśli za nimi - to fałszuje wyniki prowadzonych pomiarów [3]. Po uruchomieniu silnika należy przestrzegać zasady, aby sonda pomiarowa analizatora była osadzona w rurze wydechowej pojazdu na głębokość co najmniej 30cm. Silnik powinien być nagrzany do normalnej temperatury pracy (min. 70 C dla oleju silnikowego, min. 80 C dla płynu chłodzącego). Pomiar należy dokonać najpierw przy podwyższonej prędkości obrotowej silnika, a następnie przy prędkości obrotowej biegu jałowego. Urządzeniami pomiarowymi, które odpowiadają obowiązującym dziś standardom, są czterogazowe analizatory spalin. Umożliwiają one pomiar zawartości tlenku węgla (CO), dwutlenku węgla (CO 2 ), węglowodorów (HC) i tlenu (O 2 ) oraz zapewniają stałą kontrolę współczynnika nadmiaru powietrza lambda. Mierzą również prędkość obrotową silnika, temperaturę oleju, kąt wyprzedzenia zapłonu, kąt zwarcia styków przerywacza, sygnał napięciowy sondy lambda. Przeznaczone są do badania silników dwu- i cztero-suwowych, a także silników z układem zapłonowym DIS. Ponadto mogą mieć w wyposażeniu sondę indukcyjną do pomiaru obrotów silnika, montowaną na przewodzie wysokiego napięcia między aparatem zapłonowym a świecą zapłonową [1]. Podczas kontroli emisji spalin wykorzystano aparaturę pomiarową która znajduję się SKP w Uniwersytecie w Žilinie (rysunek 1). 5505

3 Rys. 1. Aparatura pomiarowa na stanowisku kontroli emisji spalin 2. ANALIZA WYNIKÓW KONTROLI EMISJI POJAZDÓW Z SILNIKAMI O ZI Badaną grupą były pojazdy z silnikiem o zapłonie iskrowym zgłoszonych na badanie emisji w 2012 roku. Analizowano pojazdy których silnik pracował na biegu jałowym. Dane o liczbie pojazdów, są uszeregowane wg rodzaju paliwa, układu wydechowego i kategorii pojazdu: [7]. BKAT (silnik bez katalizatora), NKAT (silnik z katalizatorem), RKAT (silnik bez katalizatora). RKAT OBD (silnik z katalizatorem i diagnostyka pokładowa). Podczas testu emisji spalin sprawdzane były poziomy węglowodorów (HC) i tlenku węgla (CO). Rysunek nr 2 przedstawia skategoryzowany wykres wartości emisji CO. Rys. 2. Wykres wartości emisji spalin CO W celu sprawdzenia, czy istnieją istotne statystycznie różnice w analizowanych wartościach średnich emisji CO przeprowadzono analizę wariancji. Ze względu na to, że dane nie spełniają założeń klasycznej analizy wariancji wykorzystano nieparametryczny test Kruskala-Wallisa. Wartość testu Kruskala-Wallisa wynosi , poziom istotności p = , wskazuje (przy założonym 5506

4 poziomie istotności p < 0.05), że występują istotne statystycznie różnice pomiędzy wartością średnią CO dla poszczególnych grup wymienionych pojazdów. Następnym krokiem analizy było porównanie otrzymanych wyników badania emisji CO dla danego typu pojazdów z obowiązującą normą. Na rysunku 3 pokazano wyliczoną różnicą. Rys.3. Porównanie wartości w stosunku do normy Ze względu na to, że dane nie spełniają założeń klasycznej analizy wariancji wykorzystano nieparametryczny test Kruskala-Wallisa. Wartość testu Kruskala-Wallisa wynosi , poziom istotności p = , co wskazuje (przy założonym poziomie istotności p < 0.05), że występują istotne statystycznie różnice pomiędzy zmierzoną wartością średnią emisji CO a normą obowiązującą dla wymienionych grup pojazdów Kolejnym składnikiem badany spalin była emisja HC. Na rysunku 4 przedstawiono wykres skategoryzowany wartości emisji spalin HC badanych pojazdów z silnikiem o zapłonie iskrowym. Rys. 4. Wykres wartości emisji węglowodorów (HC) Analizując rysunek 4 należy stwierdzić, że wartość emisji HC w przypadku silników bez katalizatora. Z uwagi na to, że dane nie spełniają założeń klasycznej analizy wariancji wykorzystano nieparametryczny test Kruskala-Wallisa. Wartość testu Kruskala-Wallisa wynosi , zaś poziom istotności p = , wskazuje (przy założonym poziomie istotności p < 0.05), że obserwuje 5507

5 się wystąpienie istotnych statystycznie różnic pomiędzy wartością emisji węglowodorów HC dla badanych pojazdów. Porównanie otrzymanych w badaniach wartości emisji węglowodorów HC z obowiązującą normą przedstawiono na wykresie z rysunku 5. Rys. 5. Porównanie wartości emisji spalin HC z obowiązującą normą Z uwagi na to, że dane nie spełniają założeń klasycznej analizy wariancji wykorzystano nieparametryczny test Kruskala-Wallisa. Wartość testu Kruskala-Wallisa wynosi , zaś poziom istotności p = , wskazuje (przy założonym poziomie istotności p < 0.05), wystąpienie istotnych statystycznie różnic pomiędzy wartością emisji HC (tak jak dla CO). Należy zaznaczyć, że wszystkie z analizowanych pojazdów, które przyjechały na obowiązkową kontrolę techniczną przeszły testy z pozytywnym wynikiem, uzyskały przedłużenie obowiązkowych badań kontrolnych na stosowny okres czasu (2 lata). WNIOSKI Kierunek rozwoju silników z zapłonem iskrowym (ZI) w znaczny sposób zmienił się w ciągu ostatnich lat. W przeszłości główny nacisk kładziono na rozwój rynku motoryzacyjnego i związane z tym wprowadzanie coraz to nowszych technologii, zwiększając różnorodność produktów. Aktualnie podstawowymi celami konstruktorów jest spełnianie przez silniki coraz bardziej surowych norm dotyczących emisji toksycznych składników spalin, oraz zmniejszanie zużycia paliwa i związanej z tym emisji dwutlenku węgla [5]. Analiza spalin silnika ZI umożliwia poznanie składników spalin przedostających się do atmosfery oraz jest podstawowym testem decydującym o dopuszczeniu pojazdu do ruchu drogowego. Indywidualny ruch samochodowy, a także transport może produkować do 87% ogólnej emisji pyłów w transporcie [4]. Analizowane pojazdy, podczas obowiązkowej kontroli technicznej w roku 2012 przeszły testy z wynikiem pozytywnym. Pojazdy spełniały obowiązujące dla danego typu normy dotyczące emisji spalin w rezultacie uzyskały one przedłużenie obowiązkowych badań kontrolnych na 2 lata. Streszczenie W artykule zaprezentowano wyniki badań dotyczące spełniania norm toksyczności spalin pojazdów (CO i HC) wyposażonych w silniki ZI z katalizatorem spalin i układami BKAT, NKAT, RKAT i RKAT-OBD. Wyniki badań technicznych kontroli emisji, przeprowadzono w stacji kontroli pojazdów (Žilina Universytet), W analizie uwzględniono tylko wybraną grupę pojazdów, podczas kontroli emisji w 2012 roku. Przeprowadzona analiza wyników badań kontroli emisji pojazdów została zrealizowana dzięki współpracy w ramach programu Erasmus. 5508

6 Emission testing of vehicles with spark-ignition engines in the selected SKP in Žilina in Slovakia Abstract The article presents the results of research on meeting standards vehicle exhaust gas toxicity (CO and HC) positive ignition spark engines equipped with exhaust and catalyst systems BKAT, NKAT, RKAT and RKAT- OBD. The results of the technical emission control was carried out in a vehicle control station (Žilina University). The analysis included only a selected group of vehicles, while the emission control in The conducted analysis of the results of control vehicle emissions was realized through the cooperation within the framework of the Erasmus program. BIBLIOGRAFIA 1. Dziennik Ustaw RP Warszawa, Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 16 grudnia 2003 r. w sprawie zakresu i sposobu przeprowadzania badań technicznych pojazdów oraz wzorów dokumentów stosowanych przy tych badaniach. 2. Gnap J., Konečný V., Šimková I., The development of numbers and structures of vehicles in Slovak Republic. Doprava a spoje elektronický časopis Fakulty prevádzky a ekonomiky dopravy a spojov Žilinskej Univerzity v Žiline 2012, No. 2, pp Kowalewski A., Prawidłowa analiza spalin r. nr 4(62). 4. Majerová Z., Vrábel J., Environmentálne problémy v doprave. Podniková ekonomika a manažment, Číslo 1 Rok 2013, pp Buková B., Madleňák R., Kubasáková I., Elektronické podnikanie v doprave a logistike. Iura Edition, 1. vyd. Bratislava Mareczek M., Sprawność i toksyczność spalin silnika z zapłonem iskrowym zasilanego ubogą mieszanką propanu-butanu z powietrzem i wyposażonego w reaktor magazynujący tlenki azotu, Biblioteka Cyfrowa Politechniki Krakowskiej. 6. Podstanickỳ I., Liščák Š., Droździel P., Modern method of fuel consumption measurement in vehicle transport. Maintenance and Reliability, 2005, 1(25), pp Šarkan B., Analýza kontrolovaných hodnôt emisií na základe roku výroby vozidla v rámci emisnej kontroly u vozidiel so zážihovým motorom. Doprava a spoje elektronický časopis Fakulty prevádzky a ekonomiky dopravy a spojov Žilinskej Univerzity v Žiline, (1) 2011, pp Šarkan B., Holeša L.: Porovnanie globálne definovaných jazdných cyklov pre meranie emisií a spotreby pohonných látok. Žilina Šarkan B., Holeša L., Caban J., Measurement of fuel consumption of a road motor vehicle by outdoor driving testing. Advances in Science and Technology, Research Journal, 2013, Vol. 7, No. 19, pp Wituszyński K., Jakubowski W., Analiza toksyczności spalin pojazdów wyposażonych w silniki ZI w świetle obowiązujących przepisów prawa ruchu drogowego. Acta Mechanica et Automatica, 2009, Vol. 3, No