Aplikacyjne metody badań jednostek napędowych pojazdów samochodowych i pozadrogowych sektora rolnego

Transkrypt

1 Aleksander Mazanek 1 Instytut Nafty i Gazu w Krakowie Janusz Jakóbiec 2 Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie Paweł Krzaczek 3 Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie Aplikacyjne metody badań jednostek napędowych pojazdów samochodowych i pozadrogowych sektora rolnego Wstęp Zmiany w przepisach dotyczących obniżenia emisji związków szkodliwych spalin, gazów cieplarnianych, a także zmniejszenia zużycia paliwa są obecnie jednymi z najważniejszych czynników wpływających na kierunki rozwoju motoryzacji i pozadrogowych ciągników rolniczych. Zainteresowanie związane z wpływem sektora transportu kołowego i maszyn rolniczych na jakość powietrza i emisję antropogeniczną gazów cieplarnianych stale wzrasta zarówno w opinii publicznej, jak i w organach ustawodawczych. Transport samochodowy i sektor rolny pozostają jednymi z największych źródeł emisji CO2 w Unii Europejskiej [1,2]. Coraz bardziej wymagające normy emisji zmuszają do dokonywania zmian nie tyko w konstrukcji i regulacji silników spalinowych, ale także w wyposażeniu badawczym i aparaturze pomiarowej stosowanych w laboratoriach prowadzących badania rozwojowe jednostek napędowych. Podstawowe trendy w konstrukcji silników pojazdów samochodowych i ciągników rolniczych są obecnie zależne od wymagań norm emisji szkodliwych substancji spalin, w tym redukcji dwutlenku węgla (CO2) jako substancji istotnie wpływającej na efekt cieplarniany. Zmniejszenie zanieczyszczenia środowiska naturalnego powodowanego przez transport kołowy i maszyny rolnicze jest zagadnieniem rozwiązywanym przy ścisłej współpracy specjalistów z różnych gałęzi przemysłu. Celem pracy jest analiza zmian w metodyce badawczej pojazdów samochodowych oraz pozadrogowych w kontekście zmieniających się uregulowań prawnych dotyczących emisji szkodliwych składników spalin. Rozwój metod badań zanieczyszczeń środowiska naturalnego Zaawansowane metody badań emisji mogą dostarczyć cennych wniosków dotyczących formowania się i przemieszczania zanieczyszczeń pochodzących od spalin silnikowych i strumieni ciepła emitowanych przez jednostkę napędową pojazdu lub ciągnika sektora rolnego. Coraz ostrzejsze wymagania ustawodawcze dotyczące testów emisji związków szkodliwych spalin są sporym wyzwaniem dla laboratoriów badawczych prowadzących pomiary w tym zakresie. Zważając na skalę problemu i wciąż rosnące zagrożenia ekologiczne, organy ustawodawcze wielu uprzemysłowionych państw wprowadzają coraz to bardziej restrykcyjne przepisy mające na celu szybkie i znaczne obniżenie emisji szkodliwych substancji przez silniki pojazdów samochodowych i maszyn rolniczych. Prawodawstwo Unii Europejskiej reguluje poziom emisji toksycznych składników spalin pojazdów samochodowych i pozadrogowych za pomocą norm Euro I-VI i Stage IIIA, IIIB, IV, których limity zamieszczono w tabeli 1 i 2. 1 Dr inż. Aleksander Mazanek, Instytut Nafty i Gazu w Krakowie 2 Prof. dr hab. inż. Janusz Jakóbiec, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Energetyki Paliw, Katedra Technologii Paliw 3 Dr inż. Paweł Krzaczek, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Energetyki i Środków Transportu Logistyka 5/

2 Tabela 1. Wartości graniczne emisji norm Euro dla silników o zapłonie samoczynnym [3] Poziom Data Test CO [g/kw h] Euro I 1992, <85 ECE R- kw , >85 kw Euro II ESC & ELR Euro III , tylko EEV HC [g/kw h] NOx [g/kw h] PM [g/kw h] 4,5 1,1 8,0 0,612 4,5 1,1 8,0 0,36 Zadymienie [m -1 ] 4,0 1,1 7,0 0, ,0 1,1 7,0 0,15 ESC & 1,5 0,25 2,0 0,02 0,15 ELR ,1 0,66 5,0 0,10 0,8 0,13* ,5 0,46 3,5 0,02 0,5 PN [#/k m] Euro IV0 Euro V ,5 0,46 2,0 0,02 0,5 Euro VI ,5 0,13 0,5 0,01 6 x * Dla silników o pojemności wirowej na cylinder poniżej 0,75 dm 3 i prędkości znamionowej przekraczającej 3000 m NH3 [mg/k g] 10 Tabela 2. Europejskie limity emisji dla pojazdów o zastosowaniu pozadrogowym (Stage IIIA, IIIB, IV) [1] Kategoria silnika Moc silnika [kw] CO HC NOx HC+NO x PM Stage IIIA H , ,2 I ,3 J ,7 0,4 K , ,5 0,6 Stage IIIB L ,5 0,19 2-0,025 M ,19 3,3-0,025 N ,19 3,3-0,025 P ,7 0,025 Stage IV Q ,5 0,19 0,4-0,025 R ,19 0,4-0,025 Obniżone limity emisji zawarte w normie Euro 5 są znacznie niższe w stosunku do poprzedniej normy Euro 4 (redukcja od 20 do 80%) wymuszą prowadzenie prac rozwojowych, które pozwolą na spełnienie tych wymagań. Wiedza o planowanych i wprowadzanych normach w dziedzinie emisji spalin jest kluczową sprawą dla procesu projektowania laboratoriów badawczych. Dodatkowym czynnikiem są wprowadzone nowe specyfikacje paliw silnikowych i ich normy jakości (razem z trendami w konstrukcji silników spalinowych dowsazing). Wszystkie te tendencje muszą być stale monitorowane celem możliwie szybkiego przygotowania laboratoriów badawczych spełniających wymogi ustawodawców i przemysłu [1,2]. W pracy zaprezentowano istotna analizę różnych aspektów i konsekwencji ostatnio wprowadzonych zmian w przepisach i metodykach badawczych emisji związków szkodliwych spalin z pojazdów samochodowych i ciągników rolniczych. 374 Logistyka 5/2015

3 Kierunki badań jednostek napędowych testy emisji po rozruchu zimnego silnika Wprowadzenie wymagań dla badań jednostek napędowych w temperaturze otoczenia -7 o C [4] i -6,7 o C [5, 6] zmuszają laboratoria badawcze do dostosowywania się do tych warunków i posiadania możliwości przeprowadzenia takich badań w ciągu całego roku kalendarzowego. Emisja związków szkodliwych podczas zimnego rozruchu silnika spalinowego jest najważniejszym problemem związanym z kontrolą emisji spalin w pojazdach, który musi być rozwiązany przez producentów silników, a także stanowi klucz do rozwoju systemów katalitycznego oczyszczania spalin. Rozruch silnika ma szczególne znaczenie w aspekcie emisji i zużycia paliwa, przy ścisłym związku z temperaturą silnika, przy której jest uruchamiany. Zimny rozruch silnika jest definiowany temperaturą oleju, płynu chłodzącego i elementów silnika (T) w odniesieniu do temperatury otoczenia (Ta) [7]. Podczas gorącego rozruchu temperatura elementów składowych silnika, oleju i płynu chłodzącego jest bliska temperaturze panującej podczas pracy w pełni rozgrzanego silnika (Tw). Termin chłodnego rozruchu oznacza z kolei rozruch w temperaturach pośrednich (Ta < T < Tw). Najczęściej każdy użytkownik samochodu wykonuje jeden lub dwa zimne rozruchy dziennie ok. 69 % wszystkich podróży zaczyna się od uruchomienia zimnego silnika [7]. Rozruchy zimnego i nienagrzanego silnika stanowią poważne problemy w kontekście formowania mieszanki palnej, przy jednoczesnym utrzymywaniu emisji i zużycia paliwa na rozsądnym poziomie, a znaczenie tego problemu wzrasta wraz ze spadkiem temperatury otoczenia, w którym silnik jest uruchamiany a pojazd będzie eksploatowany. Silniki o zapłonie samoczynnym cechują się mniejszą emisją związaną z zimnym rozruchem w niskich temperaturach otoczenia niż silniki o zapłonie iskrowym [6]. Należy podkreślić, że w Unii Europejskiej nie zostały jeszcze określone normy emisji silników o zapłonie iskrowym dla niskich temperatur, w chwili obecnej trwają prace w tym zakresie. Istotnym problemem, który występuje podczas rozruchu i nagrzewania silników o zapłonie samoczynnym to zużycie paliwa. Aktualne przepisy homologacyjne samochodów osobowych (TA) Unii Europejskiej zawierają również limity emisji węglowodorów i tlenków węgla w testach UDC przy temperaturze prowadzenia badań 7 C tylko dla pojazdów z silnikami o zapłonie iskrowym. Obecnie dodatkowe wymaganie homologacyjne odniesiono do silników o zapłonie samoczynnym. Nawiązują one do osiągnięcia przez układy katalitycznego oczyszczania spalin z tlenków azotu przy temperaturze umożliwiającej efektywną pracę w ciągu 400 sekund od zimnego rozruchu. Oprócz prawnych wymagań dotyczących badań samochodów z silnikami ZI, wykonywanie testów w różnych temperaturach otoczenia jest przedmiotem zainteresowania również wielu podmiotów zajmujących się m.in.: rozwojem paliw, reaktorów katalitycznych, jednostek napędowych, a także jednostek badawczych prowadzących prace w zakresie emisji związków normowanych i nienormowanych. Rozruch zimnego silnika został zidentyfikowany jako zdarzenie naukowo-badawcze wysokiej wagi dla producentów silników o zapłonie iskrowym [8]. Przy okazji wdrażania coraz surowszych standardów w zakresie ograniczenia emisji spalin, wywierany jest ogromny nacisk na producentów silników spalinowych, konstrukcję systemów recyrkulacji i katalitycznego oczyszczania spalin. Ponadto podczas zimnych rozruchów należy kontrolować o wiele więcej parametrów jednocześnie niż podczas innych stanów pracy silnika, co wiąże się z koniecznością zwiększenia zakresu badań stanowisk badawczych. Istotnym elementem badań silnikowych zarówno w państwach Unii Europejskiej jaki w Stanach Zjednoczonych są testy homologacyjne dla nie samochodowych zastosowań silników spalinowych, a więc maszyn rolniczych i pojazdów pozadrogowych. Zagadnienie to próbuje się rozwiązać w oparciu o wdrażany test badawczy ISO 8178, 11-fazowy, wykonywany na hamowni silnikowej. Na podstawie jego wyników wyznacza się średnią emisję jednostkową poszczególnych składników toksycznych spalin. Charakterystyczne współczynniki udziału pracy w każdej fazie testu są dobierane w zależności od zastosowania praktycznego silnika. Coraz częściej podejmowana jest dyskusja na temat warunków pomiaru emisji związków toksycznych spalin czy warunki obowiązującego testu homologacyjnego w pełni odzwierciedlają rzeczywiste warunki eksploatacyjne pojazdów. Logistyka 5/

4 Obecnie wykorzystane są systemy mobilnych analizatorów, które umożliwia pomiary emisyjności pojazdów nie tylko w warunkach stacjonarnych, ale także w warunkach dynamicznych, np. podczas rozruchu, a także w warunkach przejściowych pomiędzy dwoma procesami (np. regeneracji filtra cząstek stałych). Należy podkreślić, że coraz częściej bada się w rzeczywistych warunkach eksploatacji maszyny rolnicze (rys. 1), które charakteryzują się dużą zmiennością i trudnością w wykonaniu identycznych powtórzeń. Rys. 1 Widok maszyn rolniczych podczas badań w rzeczywistych warunkach eksploatacji [9] Pomiary takie dają możliwość oceny poziomu emisji poszczególnych związków toksycznych spalin w zależności od warunków pracy maszyny (warunków otoczenia, rodzaju gleb, parametrów pracy silnika, stanu technicznego pojazdu) [9]. Modernizacja laboratorium w zakresie badań emisji związków szkodliwych spalin Przykładem zmodernizowanego laboratorium dotyczącego pomiaru emisji istnieje możliwość regulacji dowolnej temperatury otoczenia, przy której wykonywane są badania emisji związków szkodliwych spalin, by poszerzyć wiedze na temat rzeczywistej emisji z pojazdów drogowych i pozadrogowych stanowi Instytut Badań i Rozwoju Motoryzacji BOSMAL Bielsko-Biała. Obecnie laboratorium pomiaru emisji wyposażone jest w zestawy analizatorów do prowadzenia ciągłej i modalnej analizy nierozcieńczonych i rozcieńczonych spalin w dowolnym miejscu próbkowania przed i za układem oczyszczania spalin, co umożliwia dokładniejszą analizę emisji podczas zimnych rozruchów dla pojazdów z silnikami różnych typów zasilanych różnymi paliwami. Schemat zmodyfikowanego laboratorium pomiaru emisji z komorą klimatyczną, hamownia podwoziową, tunelem rozcieńczającym spaliny powietrzem, workami na próbki spalin, zestawem analizatorów spalin wraz z nowo dodanym zestawem analizatorów do analizy modalnej spalin rozcieńczonych przedstawiono na rysunku 2 [10]. 376 Logistyka 5/2015

5 Rys. 2. Schemat zmodyfikowanego laboratorium emisji z komorą klimatyczną, hamownią podwoziową, tunelem rozcieńczającym spaliny powietrzem, workami na próbki spalin, analizatorami spalin wraz z nowo dodanym zestawem analizatorów do analizy modalnej spalin nierozcieńczonych Zmodyfikowane laboratorium pomiaru emisji spalin służy do przeprowadzania testów emisji związków szkodliwych w spalinach pojazdu, zużycia paliwa i jego osiągów podczas różnych cykli jezdnych, które mogą być wykorzystywane w szerokim zakresie temperatur otoczenia. Ponadto umożliwia wykonanie testów emisji typu homologacyjnego z wykorzystaniem specjalnych worków wykonanych z tworzywa sztucznego (tedlar) w tym pobierania próbek spalin rozcieńczonych powietrzem z otoczenia oraz tunelu rozcieńczającego dla silników o ZI i ZS. Nowoczesne laboratoria są przystosowane do prowadzenia bardzo różnorodnych typów badań jak: badania próbki spalin rozcieńczonych powietrzem z wykorzystaniem układu CVS oraz badania spalin nierozcieńczonych zgodnie z międzynarodowymi przepisami [11, 12]; analiza modalna spalin rozcieńczonych i nierozcieńczonych pomiary spalin nierozcieńczonych w dowolnym punkcie w układzie wylotowym silnika (głównie przed i za reaktorem katalitycznym); pomiary i archiwizacja temperatur w ośmiu punktach umieszczania termopar układu wylotowego oraz pomiaru stosunku powietrza i paliwa dostarczonego do silnika, obliczanie współczynnika nadmiaru powietrza λ oraz stopnia recyrkulacji spalin EGR; pomiary skuteczności konwersji reaktora katalitycznego oraz określanie czasu light off w celu utleniania i redukcji związków szkodliwych (HC, CH4, NMHC, CO, NO, NO2 i NOx); pomiary emisji CO2 i zużycia paliwa zgodnie z przepisami UE [13]; pomiary nieprzeźroczystości spalin zgodnie z przepisami UE [12]; masowy pomiar emisji cząstek stałych oraz określanie liczby emitowanych cząstek stałych według [11,14]. Podsumowanie Rozwój transportu drogowego i pojazdów pozadrogowych wymaga ciągłej pracy w zakresie doskonalenia jednostki napędowej pod katem niezawodności i sprawności oraz ograniczenia emisji szkodliwych zanieczyszczeń jak również wymaga zmian w metodyce badań parametrów pracy silników spalinowych. Dynamiczny rozwój jednostek napędowych obserwowany w ostatnich latach wymusza wprowadzenia nowych metod badań jak: np. pomiar cząstek stałych, których nie ogranicza się już tylko do wyznaczenia ich masy, ale zmierza w kierunku określenia właściwości fizycznych cząstek stałych. Analiza światowych trendów w dziedzinie ekologii wskazuje, że w celu efektywnego obniżenia zanieczyszczenia środowiska naturalnego, konieczny jest pomiar emisji gazów toksycznych w warunkach rzeczywistych. Zespół analizatorów mobilnych jest takim urządzeniem umożliwiającym kompleksowy pomiar Logistyka 5/

6 emisji toksycznych składników spalin on-board w czasie rzeczywistym, w warunkach polowych/drogowych pojazdów zasilanych różnymi paliwami (benzyna, olej napędowy, B100, LPG, CNG, E85 itd.). Streszczenie Prezentowany materiał zawiera informację na temat rozwoju nowych przepisów dotyczących emisji toksycznych składników spalin z pojazdów samochodowych i pozadrogowych ciągników rolniczych oraz wymagań potencjału aparaturowego i metod badawczych. APPLICABLE METHODS OF RESEARCH ON CARS AND NON-ROAD VEHICLE POWER UNITS IN AGRICULTURE Abstract The following study contains an information about the development of new laws regarding the emission of toxic exhaust gases from cars and non-road vehicles, tractors, as well as the requirements of apparatus capability along with research methods. Literatura: [1] Bielaczyc P.: Exhaust pollutants and CO2 emissions reduction as the main drivers of automobile powertrain development Proceedings of The First International Exhaust Emissions Symposium, Bielsko-Biala, Poland, May COMBUSTION ENGINES, No. 1/2013 (152) [2] Bielaczyc P., Woodburn J.: Global trends in emissions regula tion and reduction. Combustion Engines/ Silniki Spalinowe, Paper 2010-SS3-301, 3/2010 (142), 3-27, [3] Stanik W; Jakóbiec J.: Europejska legislacja emisji spalin z pojazdów samochodowych; Autobusy- Technika-Eksploatacja-Systemy transportowe, Nr 6/2013; str [4] Council Directive 70/220/EEC of 20 March 1970 on the approximation of the laws of the Member States relating to measures to be taken against air pollution by gases from positive-ignition engines of motor vehicles. OJ L076, [5] California Air Resources Board Exhaust Emission Standards and Test Procedures for 2001 and Subsequent Model Passenger Cars, Light-Duty Trucks, and Medium-Duty Vehicles. Last amended: Available online: [6] United States Code of Federal Regulations, Title 40, Chapter I, Parts 81-99, revised as of 1 July Available online: ecfr.gpoaccess.gov [7] Bielaczyc P., Szczotka A., Woodburn J.: The effect of a low ambient temperature on the cold-start emissions and fuel consumption of passenger cars. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 225, DOI: / [8] Andrianov D., Manzie C., Brear M.: A Methodology for Minimising Emissions Constrained Cold Start Fuel Con sumption, SAE Technical Paper , 2012, DOI: / [9] Merkisz J; Tendencje rozwojowe silników spalinowych maszyn i agregatów rolniczych; Technika Rolnicza Ogrodnicza Leśna Nr 2/2010, str [10]Bielaczyc P., Szczotka A., Pajdowski P., Woodburn J.: Development of vehicle exhaust emission testing methods BOSMAL s new emission testing laboratory. Combustion Engines/Silniki Spalinowe, 1/2011 (144), 3-12, [11]Commission Regulation (EC) No 692/2008 of 18 July 2008 implementing and amending Regulation (EC) No 715/2007 of the European Parliament and of the Council on type approval of motor vehicles with respect to emissions from light passenger and commercial vehicles (Euro 5 and Euro 6) and on access to vehicle repair and maintenance information. OJ L 199/1, [12]United Nations Economic Commission for Europe, Regulation no. 101, series Logistyka 5/2015

7 [13]United Nations Economic Commission for Europe Regulation no. 83 Series 05 Rev.1/Add.82/Rev.3/Amend.4. [14]Bielaczyc P., Szczotka A., Swiatek,A., Woodburn J.: A comparison of ammonia emission factors from light-duty vehicles operating on gasoline, liquefied petroleum gas (LPG) and compressed natural gas (CNG), SAE Int. J. Fuels Lubr. 5(2):2012, DOI: / Logistyka 5/

8 380 Logistyka 5/2015