Wykorzystanie procedur UE582/2011 i NTE do oceny wskaźników ekologicznych silnika spalinowego

Transkrypt

1 RYMANIAK Łukasz 1 MERKISZ Jerzy 2 Wykorzystanie procedur UE582/2011 i NTE do oceny wskaźników ekologicznych silnika spalinowego WSTĘP Rozwój motoryzacji ukierunkowany jest przede wszystkim na zmniejszenie negatywnego oddziaływania na środowisko naturalne. Konstrukcje silników spalinowych i układów napędowych pojazdów opracowywane są zarówno pod względem uzyskania jak najlepszych wskaźników pracy, jak również osiągnięcia jak najmniejszej emisji związków szkodliwych spalin: CO, HC, NOx oraz PM (w zakresie masy i liczby) [3]. Pierwsze prace związane z oceną wskaźników ekologicznych jednostek spalinowych rozpoczęto w latach 40. XX wieku w Kalifornii (USA). W chwili obecnej w Unii Europejskiej dla samochodów osobowych badania homologacyjne wykonuje się zgodnie z procedurą testu NEDC (New European Driving Cycle) na hamowni podwoziowej. W Stanach Zjednoczonych dla samochodów osobowych obowiązuje norma Tier II, która przewiduje wykonywanie badań również na hamowni podwoziowej, zgodnie z określonym profilem testu miejskiego i pozamiejskiego [7]. W przypadku pojazdów ciężkich na obszarze Unii Europejskiej wykonuje się badania samych silników spalinowych zgodnie z procedurami testów WHTC (World Harmonized Transient Cycle) i WHSC (World Harmonized Steady-State Cycle). Jak wskazują badania przeprowadzone w Instytucie Silników Spalinowych Politechniki Poznańskiej oraz innych czołowych instytutach badawczych, emisja zanieczyszczeń z pojazdów mierzona w rzeczywistych warunkach eksploatacji znacząco różni się od wartości w stosunku do wyników uzyskiwanych w testach opisanych wymaganiami legislacyjnymi [1, 2]. W związku z tym, trwają prace nad opracowaniem i przygotowaniem specjalnych programów badawczych uwzględniających rzeczywistą eksploatację, które staną się w przyszłości głównym elementem homologacji pojazdów (wprowadzenie planowane jest od w 2017 roku). W chwili obecnej do oceny wskaźników ekologicznych pojazdów w warunkach drogowych wykorzystywane są procedury: UE 582/2011 (Unia Europejska) oraz NTE (Not-To-Exceed; USA). 1. OCENA EMISJI ZANIECZYSZCZEŃ ZGODNIE Z PROCEDURĄ UE582/2011 W rozporządzeniu Komisji Unii Europejskiej 582/2011 w Dodatku I [6] przedstawiono procedurę badań emisji zanieczyszczeń z pojazdów za pomocą przenośnych analizatorów należących do grupy PEMS (Portable Emissions Measurement System). Norma przewiduje pomiar stężeń następujących związków: THC, CO, NO x, CH 4 oraz CO 2 (wymaganego do obliczania zużycia paliwa). Obliczenia wykonuje się stosując metodę ruchomego okna uśredniania wyznaczanego na podstawie pracy lub emisji CO 2. Wyznaczanie okien polega na określaniu masowego natężenia emisji dla podzbiorów, których długość ustala się w taki sposób, aby odpowiadały masie CO 2 z silnika lub pracy zmierzonej w warunkach nieustalonych na stanowisku hamulcowym. Do wyznaczenia ruchomych okien wykorzystuje się przyrost czasowy Δt odpowiadający okresowi pobierania próbek [6]. W celu wyznaczenia okna uśredniania na podstawie wykonanej pracy należy skorzystać z zależności: W(t 2,i ) W(t 1,i ) W ref (1) W(t j,i ) praca silnika zmierzona między uruchomieniem, a czasem t j,i [kw h], W ref praca silnika w teście WHTC [kw h]. 1 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; ul. Piotrowo 3, Poznań, Tel.: (+48) , Fax: (+48) , lukasz.rymaniak@put.poznan.pl 2 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; ul. Piotrowo 3, Poznań, Tel.: (+48) , Fax: (+48) , jerzy.merkisz@put.poznan.pl 4230

2 Natomiast wartość t 2,i wybiera się tak, aby: W(t 2,i Δt) W(t l,i ) < W ref W(t 2,i ) W(t 1,i ) (2) Δt jest częstotliwością próbkowania (1 s lub mniej). Emisje jednostkowe zanieczyszczeń e j wyrażoną w mg/(kw h) oblicza się dla każdego okna na podstawie wzoru: e j m (3) W(t ) W(t ) 2,i 1,i m masa składnika w oknie uśredniania [mg], W(t 2,i ) W(t 1,i ) praca silnika w i-tym oknie uśredniania [kw h]. Ważne okna pomiarowe występują pod warunkiem, przekroczenia przez moc progu 20% maksymalnej mocy silnika. Dla tego warunku, odsetek ważnych okien musi wynosić 50% lub więcej. Jeżeli powyższe wymagania nie zostają spełnione to ocenę danych powtarza się z zastosowaniem niższych progów mocy. Próg jest zmniejszany co 1% do uzyskania poziomu 15% maksymalnej mocy silnika. Uzyskanie niższych wartości unieważnia wyniki pomiarów. Metodę wyznaczania okien opartą na pracy przedstawiono na rysunku 1. emisja m(t 2,i ) m m(t 1i ) W(t 2,i ) W(t 1,i ) W ref W(t 2,i Δt) W(t 1,i ) < W ref Rys. 1. Metoda wyznaczania okien na podstawie pracy [6] W metodzie wyznaczania okien uśredniania z wykorzystaniem masy CO 2 czas trwania okna ustala się na podstawie zależności: m CO 2 (t 2,i) m CO 2 (t 1,i) m CO 2ref (4) m CO 2 (t j,i) masa CO 2 zmierzona między początkiem badania a czasem t j,i, [kg], m CO 2ref masa CO 2 określona w teście WHTC [kg], Natomiast wartość t 2,i wybiera się tak, aby: m CO 2 (t 2,i Δt) m CO 2 (t l,i) < m CO 2ref m CO2 (t 2,i) m CO 2 (t 1,i) (5) gdzie Δt jest częstotliwością próbkowania (1 s lub mniej). W(t 1i ) W(t 2i t) W(t 2i ) W(t) 4231

3 W celu kontroli poprawności wyznaczenia okien pomiarowych, dokonuje się przeliczenia czasu ich trwania zgodnie ze wzorem: D max maksymalny czas trwania okna [s], Ne max maksymalna moc silnika [kw]. D W ref max 3600 (6) 0,2 Nemax Jeżeli czas wyznaczonego okna jest dłuższy, to zostaje ono uznane za nieważne. Na rysunku 2 przedstawiono metodę wyznaczania okien na podstawie masy CO 2. W dalszej kolejności, w zależności od przyjętego sposobu wyznaczania okien, oblicza się współczynniki eksploatacyjne oraz certyfikacyjne. Pozytywna ocena wydawana jest dla pojazdu jeżeli co najmniej 90% okien pomiarowych, spełnia limity emisji określone dla silnikowych testów homologacyjnych. emisja m(t 2,i ) m m(t 1i ) m CO2 (t 2,i ) m CO2 (t 1,i ) m CO2ref m CO2 (t 2,i t) m CO2 (t 1,i ) < m CO2ref Rys. 2. Metoda wyznaczania okien na podstawie masy CO 2 [6] m CO2 (t 1i ) m CO2 (t 2i t) m CO2 (t 2i ) m CO2 (t) 2. OCENA EMISJI ZANIECZYSZCZEŃ ZGODNIE Z PROCEDURĄ NTE Amerykańska agencja US EPA (United States Environmental Protection Agency) zaproponowała test służący kontroli emisji zanieczyszczeń z pojazdów ciężkich w warunkach pozatestowych NTE (Not-To-Exceed), który może być stosowany podczas oceny rzeczywistych wskaźników ekologicznych pojazdów. Wymagania NTE zostały wprowadzone w 1998 roku jako dekret, za zgodą producentów silników przeznaczonych do pojazdów ciężkich [5]. Obostrzenia testu były stopniowo rozszerzane dla innych kategorii silników. W założeniu limity oraz procedury wykonywania testu zostały przygotowane jako dodatkowe potwierdzenie, że emisja zanieczyszczeń jest zgodna z wymaganiami legislacyjnymi w całym zakresie prędkości obrotowych i obciążeń. Obszar testu NTE dla przykładowego silnika spalinowego przedstawiono na rysunku 3. Procedura testu nie określa konkretnego cyklu jazdy, jednak zawiera wytyczne dotyczące sposobu wyznaczania obszaru, dla którego mierzona jest emisja. Badania mogą być wykonywane w dowolnych warunkach eksploatacji. Istotne jest, aby w pewnym zakresie silnik spalinowy pracował przez co najmniej 30 s w obszarze kontrolnym. W tym okresie wartości obciążenia jednostki spalinowej i prędkości obrotowej wału korbowego nie mogą wyjść poza określone pole. Uzyskane wartości emisji zanieczyszczeń są uśredniane i w końcowym etapie porównane do obowiązujących limitów emisji NTE. Do wyznaczenia obszaru kontrolnego konieczne jest określenie podstawowych charakterystyk silnika spalinowego i spełnienie następujących warunków [5]: badane prędkości obrotowe muszą być większe niż: 4232

4 n lo hi lo 0,15 n n (7) n hi największa prędkość obrotowa silnika na krzywej mocy, przy której 70% maksymalnej mocy silnika jest jeszcze osiągalne, n lo najmniejsza prędkość obrotowa silnika na krzywej mocy, przy której 50% maksymalnej mocy silnika nadal jest osiągalne. Rys. 3. Wyznaczony obszar testu NTE dla silnika spalinowego pojazdu ciężkiego wszystkie punkty pracy silnika muszą być większe lub równe 30% maksymalnej wartości momentu obrotowego wytwarzanego przez silnik, wszystkie prędkości obrotowe i punkty obciążenia muszą osiągać poziom minimalnej wartości 5% wartości BSFC (Brake Specific Fuel Consumption) dla danego silnika, wszystkie punkty prędkości obrotowej i obciążenia silnika nie mogą być mierzone, gdy moc jednostki napędowej jest mniejsza niż 30% maksymalnej mocy wytwarzanej przez silnik. Dopuszczalna wartość emisji danych zanieczyszczeń, przedstawioneych w tabeli 1, stanowi suma dopuszczalnej emisji z testu WHTC oraz składnika dodatkowego NTE comp, który wyznacza się zgodnie z procedurą NTE. Tab. 1. Dopuszczalne wartości emisji zanieczyszczeń wg. procedury NTE Związek Wartość dopuszczalna toksyczny [mg/(kw h)] CO THC 220 NO x 600 PM WYKORZYSTANIE PROCEDUR UE582/2011 I NTE DO WYZNACZANIA WSKAŹNIKÓW EKOLOGICZNYCH SILNIKA SPALINOIWEGO AUTOBUSU NA PODSTAWIE BADAŃ W RZECZYWISTYCH WARUNKACH EKSPLOATACJI Procedury UE582/2011 i NTE wykorzystano do oceny wskaźników ekologicznych autobusu miejskiego z napędem konwencjonalnym o długości 18 m. W pojeździe zastosowano silnik o zapłonie samoczynnym spełniający normę emisji Euro V, o pojemności 9,2 dm 3, i mocy 231 kw, który generuje moment maksymalny 1275 Nm. Autobus wyposażono w 4-biegową automatyczną skrzynię przekładniową. Badania wykonano na trasie linii komunikacyjnej aglomeracji poznańskiej. Trasa 4233

5 charakteryzowała się średnią prędkością ruchu wynoszącą 19,9 km/h. Całkowity dystans wyniósł 14,4 km i obejmował 30 przystanków. Do pomiaru toksycznych składników spalin wykorzystano analizatory należące do grupy PEMS. W celu wykorzystania procedury UE582/2011 konieczne jest przeprowadzenie tzw. denormalizacji homologacyjnych testów silnikowych. Zarówno testy ETC, WHTC, jak i WHSC są cyklami, w których punkty pracy silnika opisane są przez znormalizowaną prędkość obrotową wału korbowego n/n max [%] oraz znormalizowany moment obrotowy M/M max [%]. W związku z tym konieczne jest wyznaczenie rzeczywistych parametrów pracy jednostki spalinowej. W pierwszej kolejności określa się charakterystykę pełnej mocy, która zostaje wykorzystana do obliczenia rzeczywistej prędkości obrotowej wału korbowego i momentu obciążającego silnik. Do obliczeń korzysta się z wzorów zawartych w [4]. Wyniki denormalizacji testu ETC i WHTC dla badanego silnika przedstawiono na rysunku 4. Otrzymane wartości wskazują, że w pierwszym cyklu badany silnik wykonał pracę o wartości 31,2 kw h, a w drugim 17,2 kw h. a) b) Rys. 4. Prędkość i moment obrotowy badanego silnika spalinowego po denormalizacji testu: a) ETC, b) WHTC Wyniki denormalizacji zastosowano w metodzie wyznaczania okien uśredniania z wykorzystaniem pracy odniesienia zgodnie z normą UE 582/2011. Z całych przejazdów na linii miejskiej wyznaczono okna dla których: W( t) W ref. Wartość W ref jest pracą określoną w wyniku denormalizacji testu WHTC. Ponadto w obliczeniach wykonano denormalizację testu ETC i wyznaczono dla uzyskanych wartości przykładowe okno pomiarowe. Zgodnie z procedurą wyznaczono 1187 okien pomiarowych (dla WHTC), całkowity czas ich trwania stanowiła 1010 s. Wybrane zależności przedstawiono na rysunku 5. Całkowita energia, niezbędna do pokonania trasy, wyniosła 42,8 kw h. Rys. 5. Emisja CO 2, prędkość pojazdu oraz prędkość i moment obrotowy silnika spalinowego podczas badań na trasie miejskiej 4234

6 Wartości momentu oraz prędkości obrotowej wału korbowego zarejestrowane podczas badań, naniesiono na charakterystyki silnikowe, w celu wyznaczenia obszaru testu NTE przedstawionego na rysunku 6. Udział czasu postoju autobusu podczas cyklu pomiarowego osiągnął 19% czasu trwania pomiarów. Na trasie miejskiej silnik spalinowy autobusu pracował najczęściej w zakresie prędkości obrotowych obr/min i obciążeń Nm całkowity udział czasu pracy w tym obszarze wyniósł 59%. Drugi obszar o udziale 25% wystąpił w przedziale obr/min przy obciążeniach większych niż 1000 Nm. W przypadku zastosowania procedury NTE, wyznaczono udział pracy w obszarze testu na poziomie 23,8%, silnik spalinowy pracował nieprzerwanie przez minimum 30 s w rozpatrywanym zakresie pracy wpływ na to miały znaczne prędkości średnie jazdy, a także długie odcinki trasy, gdzie nie występowały skrzyżowania oraz kongestie. Umożliwiło to wyznaczenie dziewięciu okien pomiarowych. Rys. 6. Obszar testu NTE wyznaczony na podstawie badań na trasie miejskiej Dla autobusu o długości 18 m wyposażonego w skrzynie przekładniową 4-biegową uzyskano takie warunki pracy jednostki spalinowej, że możliwe było określenie obszarów testu NTE. Czas przejazdu i całkowita wygenerowana energia pozwoliły określić emisję zanieczyszczeń według procedury EU 582/2011. Wyniki badań przedstawiono na rysunku 7. Rys. 7. Emisja jednostkowa wyznaczona według procedur EU 582/2011, NTE oraz z badań na trasie miejskiej 4235

7 W rozpatrywanym przypadku metoda wyznaczania okien uśredniania, przy wykorzystaniu pracy odniesienia, umożliwiła odwzorowanie emisji zanieczyszczeń z dokładnością do 5,4%. Wartości pokazują, że zrealizowana procedura UE 582/2011 odzwierciedla w sposób zbliżony rzeczywistą eksploatację pojazdu w warunkach miejskich, ponieważ okna reprezentują duży fragment całkowitego przejazdu, dzięki czemu uwzględnione zostały także postoje pojazdu podczas obsługi przystanków. Dla przeprowadzonej procedury obliczeniowej dla obszaru NTE stwierdzono, że uzyskane wyniki są zawyżone, nawet o 37,8% dla emisji HC. Oznacza to, że procedura tego testu przedstawia nieadekwatne wyniki emisji zanieczyszczeń autobusu miejskiego w warunkach rzeczywistej eksploatacji. WNIOSKI Jak wynika z projektów przyszłych przepisów dotyczących emisji z silników spalinowych pojazdów, konieczne staje się podjęcie problemu badań emisji w rzeczywistych warunkach eksploatacji. Jednak badania w warunkach drogowych wymagają zastosowania wysokiej klasy aparatury oraz opracowania uniwersalnej metody realizacji badań, a także sposobu obróbki rezultatów otrzymanych pomiarów. Wynika to z faktu, iż rzeczywista eksploatacja, a w szczególności ruch miejski, charakteryzuje się znaczną różnorodnością oraz przypadkowością. W chwili obecnej nie są zdefiniowane pełne procedury homologacyjne przewidujące wykorzystanie omawianych metod badawczych. Silniki spalinowe autobusów miejskich pracują w ograniczonym zakresie prędkości obrotowych wału korbowego i w szerokim spektrum obciążeń. Procedura UE 582/2011 nakazuje budowanie okien pomiarowych na podstawie sumarycznej pracy lub emisji CO 2 uzyskanej w teście WHTC. Znaczące wartości pracy generowanej przez silniki spalinowe w testach homologacyjnych, bezpośrednio związane są z wyznaczaniem okien o długim czasie pomiaru, a uzyskane wartości są reprezentatywne dla danego przejazdu. Jednak w sytuacji, gdy czas samego przejazdu na zadanej trasie jest zbyt krótki (wygenerowana zostaje zbyt mała praca), to procedura nie może zostać zrealizowana. W odniesieniu do procedury NTE, można stwierdzić, że ze względu na sposób określania obszaru kontrolnego oraz czas pracy silnika w tym obszarze, analiza wskaźników ekologicznych silnika spalinowego autobusu miejskiego jest nieadekwatna do stanu rzeczywistego. W związku z ciągłym rozwojem laboratoryjnych stanowisk pomiarowych, pojawiają się nowe metody badań silników spalinowych. Chodzi tutaj o stanowiska hamulcowe wyposażane w hamulce dynamiczne. Tego typu hamownie wyposażone są w infrastrukturę pozwalającą na realizację pomiarów zarówno w warunkach ustalonych, jak i nieustalonych pracy silnika spalinowego, w tym wykorzystanie napędu zewnętrznego. Algorytmy i modele matematyczne zainstalowane w oprogramowaniu takich stanowisk, pozwalają odwzorowywać warunki eksploatacji jednostki spalinowej w rzeczywistym pojeździe np. w warunkach drogowych. Możliwe jest także tworzenie różnego rodzaju programów i testów badawczych, w tym także odzwierciedlających badania realizowane na hamowniach podwoziowych. Wykonanie takich symulacji i zaprogramowanie testu wymaga wykonania szeregu procedur i znajomości rzeczywistych warunków pracy pojazdu. Należy jednak zauważyć, że wykorzystanie tego typu hamowni może uprościć badania nie tylko samych silników spalinowych, ale także elementów układu napędowego i cech fizycznych pojazdu, które mogą być w dowolny sposób modelowane. Ich wykorzystanie może znacząco zmniejszyć koszty badań i skrócić czas realizacji pomiarów. W tego typu badaniach, przy symulacji warunków rzeczywistych, również da się wykorzystać procedury UE582/2011 i NTE do oceny wskaźników ekologicznych silnika spalinowego. "Publikacja powstała w ramach realizacji projektu "Inżynier Przyszłości. Wzmocnienie potencjału dydaktycznego Politechniki Poznańskiej.", nr POKL /12, współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego." "This article was financially supported within the project "Engineer of the Future. Improving the didactic potential of the Poznan University of Technology" - POKL /12, implemented 4236

8 within the Human Capital Operational Programme, co-financed by the European Union within the European Social Fund." Streszczenie W artykule przedstawiono szczegółowy opis procedur służących do oceny wskaźników ekologicznych pojazdów w warunkach drogowych: UE 582/2011 oraz NTE (Not-To-Exceed). Pierwsza z wymienionych metod realizowana jest na terenie Unii Europejskiej, wykorzystuje zarówno wyniki badań wykonywanych na silnikowych stanowiskach hamulcowych, jak i w rzeczywistych warunkach eksploatacji. Procedura NTE stosowana jest w Stanach Zjednoczonych i opiera się na pomiarze emisji oraz parametrów pracy silnika spalinowego w warunkach drogowych. W pracy przedstawiono przykładowe wyniki badań autobusu miejskiego o długości 18 m, wyposażonego w silnik o zapłonie samoczynnym (pojemność: 9,2 dm 3, moc: 231 kw przy 2200 obr/min, moment: 1275 Nm przy 1100 obr/min) oraz 4-biegową automatyczną skrzynię przekładniową. Pojazd spełniał normę Euro V. Pomiary wykonano w dzień roboczy, w czasie szczytu komunikacyjnego, na jednej z tras komunikacyjnych aglomeracji poznańskiej. Wyniki badań opracowano zgodnie z procedurami UE 582/2011 oraz NTE i na tej podstawie sformułowano wnioski dotyczące ich możliwości aplikacyjnych. Ponadto przedstawiono tendencje rozwoju procedur badawczych silników spalinowych i pojazdów, a także odniesiono się do możliwości wykorzystania stanowisk hamulcowych wyposażonych w hamulce dynamiczne. Słowa kluczowe: silnik spalinowy, PEMS, autobus miejski, UE 582/2011, NTE Using of UE582/2011 and NTE procedures for evaluate ecological indicators of combustion engines Abstract This paper presents a detailed description of the procedures for assessing the environmental indicators in real road conditions: EU 582/2011 and NTE (Not-To-Exceed). The first of these methods is implemented in the European Union, uses both the results of the tests performed on the engine test beds, as well as in real operating conditions. NTE procedure is used in the United States and it is based on the measurement of emissions and operating parameters of the engine in real traffic conditions. The paper presents an example of the results of a city bus with a length of 18 m, equipped with a diesel engine (capacity: 9.2 dm 3, Power: 231 kw at 2200 rpm, the torque 1275 Nm at 1100 rpm), and 4 speed automatic transmission. Vehicle meets Euro V standard. Measurements were performed on a working day during peak traffic, on one of communication path of the Poznan agglomeration. The test results are compiled in accordance with EU 582/2011 and NTE procedures and on this basis formulated conclusions regarding their possible their applications. In addition, shown trends in the development of test procedures of combustion engines and vehicles, and reference to the possibility of using the engine test beds equipped with dynamic brakes. Keywords: combustion engine, PEMS, city bus, EU 582/2011, NTE BIBLIOGRAFIA 1. Bajerlein M., Studium emisji związków toksycznych spalin z systemów napędowych autobusów miejskich, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań Fuć P., Lijewski P., Ziółkowski A., Analiza emisyjności pojazdu HDV spełniającego normę Euro V w warunkach jazdy pozamiejskiej, Materiały konferencyjne, VI International Scientific Conference Transport Problems, Gis W., Gis M., Selected issues related to the reduction of the CO 2 emission from combustion engines fitted in vehicles of the M and N categories, Combustion Engines / Silniki Spalinowe nr 1/2012 (148). 4. Global Registry created on 18 November 2004, pursuant to Article 6 of: Agreement concerning the establishing of global technical regulations for wheeled vehicles, equipment and parts which can be fitted and/or be used on wheeled vehicles (ECE/TRANS/132 and Corr.1). GTR No. 4 Test procedure for compression-ignition (C.I.) engines and positive-ignition (P.I.) engines fuelled with natural gas (NG) or liquefied petrole-um gas (LPG) with regard to the emission of pollutants. ECE/TRANS/180/Add. 4,

9 5. Informacje zawarte na stronie: (dostęp ). 6. Regulations Commission: Regulation (EU) No 582/2011 of 25 May 2011 implementing and amending Regulation (EC) No 595/2009 of the European Parliament and of the Council with respect to emissions from heavy duty vehicles and amending, Annexes I and III to Directive 2007/46/EC of the European Parliament and of the Council, Worldwide Emissions Standards, Heavy Duty and Off-Highway Vehicles, Delphi Innovation for the Real World 2012/