Analiza emisji spalin z pojazdów wyposażonych w system start-stop

Transkrypt

1 Jerzy Merkisz 1, Paweł Fuć 2, Piotr Lijewski 3, Andrzej Ziółkowski 4 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu Analiza emisji spalin z pojazdów wyposażonych w system start-stop 1. WROWADZENIE Jednym ze skutków globalnego rozwoju cywilizacyjnego, jaki zaobserwowano na przełomie ostatnich dziesięcioleci, jest zwiększone zapotrzebowanie na podstawowe surowce energetyczne. Wiąże się to przede wszystkim z ciągłym wzrostem liczby ludności, którego największy efekt widać w tzw. krajach rozwijających się należą do nich Chiny, Indie czy Brazylia. Określenie zasobów światowych złóż konwencjonalnych kopalnych surowców energetycznych jest obecnie przedmiotem wielu prac i analiz [7]. Jak wykazują ostatnie badania organizacji odpowiedzialnych za światową gospodarkę energetyczną nadmierne wykorzystywanie kopalnych surowców energetycznych może być przyczyną ich szybkiego wyczerpania. Stąd wprowadzenie szeregu aktów prawnych zmierzających zarówno do ograniczenia wykorzystania konwencjonalnych źródeł energii, jak i pozyskiwania energii ze źródeł alternatywnych. Te wszystkie zabiegi określono mianem globalnej polityki zrównoważonego wykorzystania konwencjonalnych zasobów energetycznych. Ta polityka w przemyśle samochodowym realizowana jest przez wprowadzenie i ciągłe modyfikację przepisów dotyczących emisji toksycznych składników spalin z pojazdów samochodowych. Obowiązujące normy emisyjne określają jedynie limity emisji związków toksycznych (CO, HC, NO x, PM), bez limitu szkodliwego CO 2 będącego głównym produktem spalania paliw kopalnych. Emisja CO 2 jest jednocześnie tożsama z zużyciem paliwa przez jednostkę napędową. Komisja Europejska podjęła próbę rozszerzenia przepisów homologacyjnych, dotyczących emisji spalin, o wprowadzeniu limitów średniej emisji CO 2 z całej floty pojazdów danego producenta samochodów. Efektem tych zabiegów jest wprowadzenie dwóch rozporządzeń 443/2009 i 510/ 2011 [1-2], które precyzyjnie określają zarówno limity emisji CO 2, jak i sposób ich osiągnięcia. Przyjęto, że od 2015 roku limit średniej emisji CO 2 z floty pojazdów samochodowych będzie wynosił 140 g/km. Aby osiągnąć ten limit, producenci zobligowani są to stosowania działań wyłącznie o charakterze konstrukcyjnym, do których zalicza się [3-4]: zastosowanie napędów alternatywnych (elektrycznych, hybrydowych), szersze zastosowanie paliw alternatywnych jak źródło energii, rozwój konstrukcji silników spalinowych. Do technologii doskonalenia pojazdów konwencjonalnych zalicza się głównie downsizing czyli zwiększenie objętościowego wskaźnika mocy przez zastosowanie szeroko rozumianego doładowania. Dodatkowo wprowadzono wiele systemów wspomagających ograniczenie zużycia energii przez jednostkę napędową pojazdów, do których można zaliczyć m.in. systemy start-stop. Ich głównym zadaniem jest ograniczenie zużycia paliwa z pojazdów w warunkach jazdy miejskiej o dużym udziale postoju pojazdu. System w momencie zatrzymania pojazdu wyłącza jednostkę napędową, aby ją ponownie uruchomić w momencie wciśnięcia pedału przyspieszenia przez kierującego. 1 jerzy.merkisz@put.poznan.pl 2 pawel.fuc@put.poznan.pl 3 piotr.lijewski@put.poznan.pl 4 andrzej.j.ziolkowski@put.poznan.pl 648

2 2. OPIS SYSTEMU START-STOP NA PRZYKŁADZIE OBIEKTÓW BADAWCZYCH Jak wspomniano wcześniej głównym zadaniem systemu start-stop jest ograniczenie emisji toksycznych składników spalin oraz zużycia paliwa przez jednostkę napędową pojazdu podczas jego postoju. Wymaga to jednak szeregu modyfikacji układu rozruchowego silnika oraz zastosowania zaawansowanego systemu sterowania w pełni kompatybilnego z siecią transmisji danych CAN. W pierwszym obiekcie badawczym jako układ rozruchowy zastosowano specjalnie zmodyfikowany rozrusznik, mocniejszy i trwalszy, niż standardowa wersja, w którą jest wyposażony pojazd (rys. 1). Zapewnia on, dużo większą ilość skutecznych rozruchów silnika poprzez zastosowanie zmodyfikowanych materiałów. Zmiana materiałów oraz geometrii zapewniła redukcję głośności w fazie rozruchu, a zwiększona moc znacznie skróciła proces ponownego uruchomienia jednostki napędowej. Rys. 1. Schemat rozrusznika zastosowanego w pierwszym pojeździe: 1 przekaźnik włączania; 2 sprężyny; 3 silnik elektryczny; 4 magnesy stałe; 5 przekładnia; 6 koła zębate z łożyskiem rolkowym; 7 przekładnia z tłumikami tłumiącymi; 8 atakujące koło zębate; 9 tuleja końcowa z łożyskiem rolkowym; 10 dźwignia Źródło: [9]. W pojeździe zastosowano również akumulator o zwiększonej pojemności o nazwie Heavy Duty który zapewnia wymaganą ilość energii do ponownego uruchomienia silnika, gdy nie pracuje alternator. W biegunie ujemnym akumulatora zastosowano czujnik stanu akumulatora, który pełni zasadniczą funkcję w układzie sterowania systemu start-stop (rys. 2). Rys. 2. Akumulator wraz z czujnikiem stanu akumulatora: 1 przewód masowy; 2 ujemny zacisk szybkiego wyładowania; 3 połączenie pomiędzy zaciskiem i czujnikiem stanu; 4 biegun ujemny; 5 czujnik stanu Źródło: [9]. 649

3 Czujnik dostarcza informację do systemu o napięciu akumulatora, natężeniu prądu oraz temperatury wewnątrz. Na tej podstawie system określa stan naładowania akumulatora, stan zdrowia akumulatora oraz stan jego funkcjonowania. Na podstawie tych oraz innych parametrów system sterujący aktywuje bądź dezaktywuje start-stop. W celu zabezpieczenia urządzeń znajdujących się w pojeździe przed spadkiem napięcia podczas uruchamiania systemu zastosowano specjalny stabilizator napięcia. Ma on za zadanie utrzymywać optymalne napięcie potrzebnego do zasilania m.in. panelu sterującego w raz z radioodtwarzaczem. Urządzenia tego typu w wyniku nadmiernego spadku napięcia zasilania mogą ulec uszkodzeniu. Działanie systemu start-stop jest uzależnione od rodzaju przekładni mechanicznej zastosowanej w pojeździe. W przypadku przekładni mechanicznej uruchomienie systemu następuje kiedy prędkość pojazdu jest poniżej 3 km/h przez sekundę i zwolniony jest pedał przyspieszania. Dodatkowo skrzynia biegów musi znajdować się w pozycji neutralnej na luzie oraz musi być zwolniony pedał sprzęgła. Ponowne uruchomienie silnika odbywa się w momencie wciśnięcia pedału sprzęgła przez kierującego. Dla skrzyni automatycznej wyłączenie silnika następuje w momencie całkowitego zatrzymania pojazdu dźwignia zmiany biegów znajduję się w innym położeniu niż UP (+), DOWN (-) lub R i wciśnięty jest pedał hamulca. Uruchomienie silnika odbywa się po zwolnieniu pedału hamulca. System nie włączy silnika gdy dźwignia zmiany biegów będzie ustawiona w pozycji N. Aktywacja systemu dla obu skrzyń biegów jest sygnalizowana lampką kontrolną na pulpicie sterującym pojazdu. System start-stop można ręcznie aktywować/dezaktywować za pomocą przycisku znajdujące się w desce rozdzielczej pojazdu. System sterującym może dezaktywować funkcję start-stop w następujących przypadkach: temperatura cieczy chłodzącej silnika jest poniżej 40 o C, stan naładowania akumulatora jest poniżej 75%, zmniejszony jest poziom podciśnienia w układzie hamulcowym, odbywa się regeneracja filtra cząstek stałych w przypadku silników o ZS, aktywne jest ogrzewanie tylnej szyby, wycieraczki przedniej szyby pracują z maksymalną prędkością powyżej 5 sekund, pasy bezpieczeństwa kierowcy nie są zapięte, drzwi kierowcy nie są zamknięte, wartość temperatury ustawionej przez kierującego w automatycznym układzie klimatyzacji różni się o 4 o C i powyżej temperatury wewnątrz pojazdu. Informacja o dezaktywacji funkcji start-stop jest na bieżąco wyświetlana na panelu sterującym pojazdu. W drugim obiekcie badawczym zasada funkcjonowanie systemu start-stop jest bardzo zbliżona do pierwszego pojazdu. 3. METODYKA BADAWCZA 3.1. Charakterystyka obiektów badawczych Do oceny systemu start-stop wybrano dwa pojazdy samochodowe. Pierwszy z nich posiadał silnik benzynowy o pojemności skokowej 0,9 dm 3 z wielopunktowym wtryskiem do kolektora dolotowego MPI, doładowany turbosprężarkowo (tabl. 1). Charakteryzował się objętościowym wskaźnikiem mocy 70,8 kw/dm 3. Jest to doskonały przykład jednostki napędowej z zastosowanym tzw. downsizingiem. Drugi obiekt badawczy należał do kategorii pojazdów SUV. Wyposażony był w jednostkę napędową zasilaną olejem napędowym o objętościowym wskaźniku mocy 58.7 kw/dm 3. Był on niższy o 17% niż wskaźnik jednostki napędowej pojazdu A. Silnik generował maksymalny moment obrotowy 550 Nm w zakresie obr/min. Układ ograniczający emisję toksycznych składników spalin z silnika pojazdu składał się z silnikowego układu recyrkulacji spalin EGR oraz pozasilnikowego utleniającego reaktora katalitycznego DOC oraz filtra cząstek stałych DPF. 650

4 Tabela 1. Charakterystyka badanych obiektów Parametr Pojazd A Pojazd B Rodzaj zapłonu Iskrowy Samoczynny Pojemność silnika 0,9 dm 3 3,0 dm 3 Układ oraz liczba cylindrów Rzędowy 2 Typu V 6 Maksymalny moment obrotowy 145 Nm przy 1800 obr/min 550 Nm przy obr/min Objętościowy wskaźnik mocy 70,8 kw/dm 3 58,7 kw/dm 3 Układ wtryskowy MPI common rail Rodzaj doładowania Turbosprężarka Turbosprężarka Układ oczyszczania spalin TWC EGR, DPF, DOC Rodzaj przekładni zautomatyzowana automatyczna Źródło: [9] Rys. 3. Obiekty badawcze podczas drogowych badań emisji spalin 3.2. Odcinek wybrany do badań drogowych Drogowe badania emisji spalin obu pojazdów wykonano na odcinku pomiarowym którego długość wynosiła 12 km. Przy wyborze trasy badawczej kierowano się możliwością odwzorowania warunków typowo miejskich, które warunkują częste zatrzymania pojazdu, oraz warunków podmiejskich. Wybrany odcinek pomiary spełniał stawiane kryteria. Część miejska obejmowała przejazd drogami o dużym natężeniu ruchu wraz wieloma węzłami komunikacyjnymi. Część podmiejską stanowił odcinek drogi krajowej nr 92 będący jedną z głównych dróg wjazdowych do aglomeracji poznańskiej od strony wschodniej. Rys. 4. Odcinek badawczy wykorzystany do pomiarów emisji spalin 651

5 3.3. Aparatura pomiarowa Do pomiarów emisji CO, NO x, CO 2 oraz przebiegowego zużycia paliwa wykorzystano mobilny przyrząd SEMTECH DS z grupy PEMS. Pomiar stężenia CO i CO 2 odbywał przy użyciu analizatora NDIR (Non- Dispersive Infrared), a stężenie NO x mierzono analizatorem NDUV (Non-Dispersive Ultraviolet). W pierwszym przypadku zakres pomiarowy wynosi 0-20% (dokładność ±3%), a w drugim zakres pomiarowy wynosi ppm (dokładność ±3%). Przyrząd posiadał własną stację meteorologiczną umożliwiającą pomiar ciśnienia, temperatury oraz wilgotności powietrza. Przyrząd wyposażony był także w moduł GPS (Global Positioning System) oraz umożliwiał komunikację z systemem diagnostycznym pojazdu [5-6]. Pomiar masowego natężenia przepływu spalin odbywał się przy użyciu przepływomierza działającego na zasadzie rurki Pitota. 4. WYNIKI BADAŃ W celu wyznaczenia skuteczności systemu start-stop pomiary emisji szkodliwych i toksycznych składników spalin wykonano dla aktywnego i nieaktywnego systemu. Jako kryterium decydujące o możliwości porównania obu przejazdów, dla jednego pojazdu, wybrano średnią prędkość. Jej maksymalną względną różnicę ustalono na poziomie 5%. Dla pojazdu A względna różnica prędkości wyniosła 3,5%, a dla pojazdu B 5%. Zatem, możliwe było wyznaczenie skuteczności działania systemu start-stop. Udział czasu pracy tego systemu określono na podstawie wyznaczonej charakterystyki udziału całkowitego czasu pracy odniesionego do jednostki napędowej pojazdu (rys. 5). Te charakterystyki wykonano na podstawie informacji odczytanych z układu diagnostycznego prędkości obrotowej wału korbowego i obciążenia silnika. Największy udział czasu pracy systemu start-stop, który wyniósł 10%, zarejestrowano dla pojazdu A (rys. 5a). Udział dla pojazdu B był o połowę niższy i wyniósł 5%. a) b) Rys. 5. Charakterystyka udziału czasu pracy w przedziałach prędkości obrotowej wału korbowego i obciążenia silnika: a) pojazdu A, b) pojazdu B Na rysunku 6 przedstawiono, przykładowo, przebiegi emisji sekundowej, CO 2, NO x, CO, THC oraz prędkości obrotowej wału korbowego silnika dla pojazdu B podczas przejazdu z aktywnym systemem startstop. Analizując otrzymane przebiegi stwierdzono 3-krotne wyłączenie jednostki napędowej. W tych obszarach emisja sekundowa CO 2 była zerowa. Zaobserwowano także, że w pierwszej połowie (0-600 s) testu maksymalne wartości emisji CO 2 były niższe niż dla drugiej połowy testu. To było uwarunkowane charakterystyką odcinka pomiarowego druga część testu przypadka na przejazd drogą dojazdową do miasta. Na niej osiągnięto większą prędkość, co warunkowało wzrost zapotrzebowania energetycznego silnika tym samym wzrost emisji CO 2. W przypadku przebiegu emisji sekundowej NO x i CO zaobserwowano taką samą tendencję jak dla emisji CO 2. Najwyższy poziom emisji sekundowej THC wystąpił w pierwszej fazie testu. Wynikać to mogło z relatywnie niskiej temperatury utleniającego reaktora katalitycznego. Wnioskować można, że reaktor katalityczny DOC na początku testu nie osiągnął temperatury light off. 652

6 a) b) c) d) Rys. 6. Przebiegi emisji sekundowej CO 2 (a), NO x (b), CO (c), THC (d) oraz prędkość obrotowa wału korbowego silnika pojazdu B podczas przejazdu z aktywnym systemem start-stop. 5. WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych pomiarów wyznaczono efektywność zastosowanego systemu startstop. I tak, dla pojazdu A aktywny system skutkował obniżeniem: emisji CO 2 o 7%, emisji NO x o 8%, emisji CO o 10%, emisji THC o 10%, przebiegowego zużycia paliwa o 9%. Dla pojazdu B zarejestrowano spadek: emisji CO 2 o 10%, emisji NO x o 7%, emisji CO o 8%, emisji THC o 15%, przebiegowego zużycia paliwa o 11%. Powyższe wyniki potwierdzają słuszność stosowania systemów start-stop we wszystkich kategoriach pojazdów, ponieważ ich aktywne działanie obniża emisję spalin oraz przebiegowego zużycie paliwa. Streszczenie W artykule wyznaczono wpływ systemu start-stop na emisję szkodliwych i toksycznych składników spalin oraz na przebiegowe zużycie paliwa. Badania przeprowadzono dla dwóch pojazdów. Pierwszym z nich był pojazd przeznaczony do użytkowania typowo w warunkach miejskich posiadał jednostkę napędową o zapłonie iskrowym, pojemności 0,9 dm3 o mocy maksymalnej 63.7 kw. Drugim był pojazd należący do grupy SUV (Sport Utility Vehicle) wyposażony w jednostkę napędową o zapłonie samoczynnym i pojemności 3.0 dm3. Pomiary emisji dla obu pojazdów wykonano na tej samej trasie badawczej, której dystans wyniósł około 11 km. W tym celu wykorzystano mobilny analizator SEMTECH DS należący do grupy PEMS (Portable Emissions Measurement System). Słowa kluczowe: system start-stop, emisja spalin, badania w rzeczywistych warunkach ruchu. 653

7 The analysis of the exhaust emission from vehicles fitted with start-stop system Abstract The paper describes the influence of the start-stop system on the exhaust emissions and fuel consumption. The tests were performed for two vehicles. The first one was a vehicle designed specifically to operate in city conditions. It was fitted with a gasoline engine of the displacement of 0.9 dm3 and maximum power output of 63.7 kw. The other vehicle was an SUV (Sports Utility Vehicle) fitted with a diesel engine of the displacement of 3.0 dm3. The measurements of the exhaust emission were carried out on the same route under actual traffic conditions. For the tests a portable exhaust emissions analyzer from the PEMS group SEMTECH DS was used (PEMS Portable Emissions Measurement System). Key words: start-stop system, exhaust emissions, portable emission measurement system. LITERATURA [1] Regulation (EC) no 443/2009 for the European Parliament and of the Council of 23 April 2009 setting emission performance standards for new passenger cars as part of the Community s integrated approach to reduce CO 2 emission from light-duty vehicles. OJ L 140/1. [2] Regulation (EC) no 510/2011 for the European Parliament and of the Council of 11 May 2011 setting emission performance standards for new light commercial vehicles as part of the Community s integrated approach to reduce CO 2 emission from light-duty vehicles. OJ L 145/1. [3] Gao Y, Checkel M.D.: Emission Factors Analysis for Multiple Vehicles Using an On-Board, In-Use Emissions Measurement System. SAE Technical Paper Series , (2007). [4] J. Merkisz., S. Radzimirski: The analysis of the possibilities of fulfillment of EU carbon dioxide emission requirements through non-construction methods. Combustion Engines / Silniki Spalinowe nr 4/2011 (147), p , (2011). [5] Merkisz J., Fuc P.: The Exhaust Emission from Light Duty Vehicles in Road Test in Urban Traffic. SAE Technical Paper Series , (2010). [6] Shahinian V.D.: SENSOR tech-ct Update Application Soft-ware for SEMTECH Mobile Emission Analyzers. Sensors 4th Annual SUN (SEMTECH User Network) Conference, [7] Walsh M.P.: Global trends in motor vehicle pollution control; a 2011 update. Part 1. Combustion Engines / Silniki Spalinowe nr 2/2011 (145), p , (2011). [8] Information from Worldwide Emissions Standards. Passenger Cars & Light Duty Vehicles. Delphi brochure 2010/ Emissions-Brochure pdf. [9] Information from vehicle producers. 654