Wpływ sposobu rozpędzania samochodu ciężarowego na emisję toksycznych składników spalin

Transkrypt

1 Jerzy Merkisz 1, Paweł Fuć 2, Piotr Lijewski 3, Jacek Pielecha 4 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu Maciej Andrzejewski 5 Instytut Pojazdów Szynowych TABOR Andrzej Ziółkowski 6 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu Wpływ sposobu rozpędzania samochodu ciężarowego na emisję toksycznych składników spalin 1. WPROWADZENIE Badania właściwości ekologicznych gazów wylotowych są szczególnie istotne w dynamicznych i nieustalonych warunkach pracy silników spalinowych. Wspomniane warunki są niejednokrotnie charakteryzowane w dynamicznych testach badawczych, nie odzwierciedlają one jednak w pełni rzeczywistych warunków eksploatacji różnego typu silników pojazdów [5, 9]. Rozwój nowoczesnych technik pomiarowych, ukierunkowany na określanie bardzo małych stężeń substancji szkodliwych w spalinach, spowodował, że w ciągu kilku ostatnich lat pojawiły się jednak urządzenia umożliwiające wykonywanie badań drogowych pojazdów. W obliczu tego największy potencjał badawczy w środowisku motoryzacyjnym skoncentrowano obecnie właśnie na tego rodzaju badaniach w rzeczywistych warunkach ruchu pojazdów [8]. Światowi producenci silników spalinowych i pojazdów stosują różne sposoby ograniczania ich szkodliwości eksploatacyjnej. Dotyczą one między innymi poprawienia sprawności procesów silnikowych (w tym spalania paliwa) oraz zwiększenia stopnia konwersji związków szkodliwych w układach oczyszczania spalin rozwijanie nowych technologii. Ważny w aspekcie ekologicznej eksploatacji pojazdów jest również sposób jazdy kierowcy. Obecnie coraz większą popularność (także w Polsce) zdobywa sposób jazdy określany mianem eco-drivingu. Zaistniał on w połowie lat dziewięćdziesiątych XX wieku w Finlandii i Szwajcarii. Ten swojego rodzaju zbiór wskazówek i wytycznych, odnośnie sposobu wykonywania manewrów przez kierowcę, ma na celu zmniejszenie zużycia paliwa i emisji zanieczyszczeń z układów wylotowych pojazdów [1, 2]. Jedną ze wskazówek, na którą zwracają szczególną uwagę instruktorzy od eco-drivingu jest sposób rozpędzania pojazdu. W trakcie tej czynności silnik pojazdu pracuje bowiem w stanie nieustalonym (dynamiczne warunki pracy) i emituje znaczne ilości substancji szkodliwych oraz zużywa stosunkowo dużo paliwa. W artykule rozpatruje się zagadnienie emisji toksycznych związków gazowych spalin w odniesieniu do pojazdów ciężkich w aspekcie kształtowania dynamiki jazdy samochodem w zakresie od jego postoju do uzyskania stałej prędkości jazdy. Okres rozpędzania pojazdu, a ściślej jego dynamika, odpowiada w głównej mierze za masę wyemitowanych związków toksycznych. Celem przeprowadzonych prac było uzyskanie odpowiedzi na następujące pytanie badawcze: jakich różnic w emisji zanieczyszczeń gazowych można oczekiwać przy zastosowaniu różnej dynamiki rozpędzania pojazdu? Odpowiedź uzyskano na podstawie wykonanych pomiarów toksyczności spalin przy wykorzystaniu mobilnej aparatury badawczej typu PEMS (Portable Emissions Measurement System) [6]. 1 jerzy.merkisz@put.poznan.pl 2 pawel.fuc@put.poznan.pl 3 piotr.lijewski@put.poznan.pl 4 jacek.pielecha@put.poznan.pl 5 maciej_andrzejewski@op.pl 6 andrzej.wo.ziolkowski@doctorate.put.poznan.pl Logistyka 4/

2 2. METODYKA BADAWCZA Badaniom w rzeczywistych warunkach eksploatacji poddano samochód użytkowy typu HDV (Heavy Duty Vehicle). Był to samochód ciężarowy marki MAN TGL o dopuszczalnej masie całkowitej kg z 6cylindrowym silnikiem o objętości skokowej 6,9 dm3 (rys. 1) [4]. Służy on do przewozu ładunków o masie prawie 6000 kg. Pojazd na potrzeby badań częściowo obciążono ładunkiem. Obiekt badań był wyposażony w układy oczyszczania spalin: układ recyrkulacji spalin EGR (Exhaust Gas Recirculation) oraz MAN PM-Kat filtr cząstek stałych oraz 8-przełożeniową manualną skrzynię biegów. Szczegółowe dane techniczne jednostki napędowej obiektu badań są następujące: zapłon: samoczynny, układ i liczba cylindrów: R6, objętość skokowa: 6,9 dm3, układ wtryskowy: common rail, doładowanie: turbosprężarkowe, spełniana norma emisji spalin: EEV, Rys. 1. Samochód ciężarowy poddany moc maksymalna: 184 kw/250 KM przy 2300 min 1, badaniom drogowym. maksymalny moment obrotowy: 1000 N m w zakresie min 1. W celu wykonania pomiarów stężenia toksycznych składników spalin CO, HC, NOx posłużono się mobilnym urządzeniem pomiarowym typu PEMS (Semtech-DS firmy Sensors Inc.; rys. 2). Elementami składowymi ww. urządzenia są: zestaw analizatorów, przepływomierz spalin, moduł pozwalający na odczyt i rejestrację danych z systemu diagnostyki pokładowej pojazdu oraz moduł umożliwiający komunikację z systemem lokalizacji GPS [7]. Jednym z analizatorów wchodzących w skład opisywanej aparatury jest analizator niedyspersyjny na podczerwień NDIR (NonDispersive Infra Red). Niedyspersyjna metoda pomiaru z wykorzystaniem promieniowania podczerwonego Rys. 2. Aparatura pomiarowa typu PEMS pozwala wyznaczyć konieczne dla dokonywanej Semtech-DS zamontowana w ładowni pojazdu. analizy stężenie CO w spalinach (analizator NDIR mierzy również stężenie CO2). Oprócz pomiaru stężenia poszczególnych gazowych substancji szkodliwych Semtech-DS umożliwia też pomiar masowego natężenia przepływu spalin, co jest niezbędne do obliczania emisji drogowej. Pomiary zawartości toksycznych składników spalin silnikowych przeprowadzono w warunkach przyspieszania obiektu badawczego. Jazdy testowe wykonywano na wydzielonej przestrzeni wolnej od ruchu drogowego o długości kilkuset metrów (można było dzięki temu dowolnie kształtować dynamikę rozpędzania badanego samochodu). Analizowano przejazdy testowe, kiedy przedmiotowy pojazd przyspieszał od fazy zatrzymania do osiągnięcia stałej prędkości jazdy wynoszącej 30 i 50 km/h. Poszczególne przejazdy oznaczono literą R oraz kolejnymi cyframi. Zarejestrowane przebiegi prędkości jazdy badanego samochodu ciężarowego z kilkunastu prób (dla każdej z prędkości) posłużyły do wybrania kilku rejestracji reprezentatywnych, które następnie poddano szczegółowej analizie. Wytypowano m.in. przebiegi o największych (R3, R8) i najmniejszych (R2, R7) wartościach osiąganych przyspieszeń przez 2202 Logistyka 4/2014

3 pojazd, w celu maksymalnego zróżnicowania dynamiki jego rozpędzania. Opisywane wybrane przebiegi (w zależności od czasu jazdy) zaprezentowano na rysunku R1 R2 R3 R4 60 R5 R6 R7 R Prędkość [km/h] Prędkość [km/h] Rys. 3. Przebieg prędkości pojazdu podczas przyspieszania do: a) 30 km/h, b) 50 km/h Źródło: [3] ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Wykresy przedstawione na rysunku 4 zawierają informacje na temat chwilowego przyspieszenia uzyskiwanego przez samochód badawczy. Maksymalne przyspieszenie pojazdu dla przejazdów R1 R4 mieści się w zakresie 1,2 2,3 m/s 2, natomiast dla przejazdów R5 R8 jest nieco mniejsze, przyjmując wartości w granicach 1,4 1,7 m/s 2. Jako wyznacznik dynamiki rozpędzania obiektu badawczego, na potrzeby przedmiotowej analizy, przyjęto uzyskane przyspieszenie między 2 a 10 sekundą jazdy (tab. 1). 2,5 R1 R2 R3 R4 2,5 R5 R6 R7 R8 2,0 2,0 Przyspieszenie [m/s 2 ] 1,5 1,0 0,5 Przyspieszenie [m/s 2 ] 1,5 1,0 0,5 0,0-0,5 0,0 Rys. 4. Przebieg przyspieszenia uzyskiwanego przez pojazd podczas jego rozpędzania do: a) 30 km/h, b) 50 km/h Tabela 1. Wartości przyspieszenia uzyskane w trakcie przejazdów Nr przejazdu R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 V 2 [m/s] 0,54 0,63 0,31 0,80 0,40 0,09 0,13 0,22 V 10 [m/s] 5,14 4,83 8,72 5,50 5,54 8,05 5,68 8,67 a 2-10 [m/s 2 ] 0,58 0,53 1,05 0,59 0,64 0,99 0,69 1,06-0,5 Na podstawie zmierzonego stężenia składników spalin silnikowych określono natężenie emisji tych związków dla wszystkich ośmiu charakterystycznych przejazdów. Wybrane przebiegi wartości tego natężenia zaprezentowano na rysunkach 5 i 6. Widoczny znaczący wzrost natężenia emisji CO dla rozpędzania R1 wynika z gwałtowniejszego wciśnięcia pedału przyspieszenia w końcowej fazie przejazdu. Natomiast obserwowana duża wartość natężenia emisji CO w początkowej fazie ruchu pojazdu dla rozpędzania R3 wynika z dynamicznego zadania obciążenia silnika, co z kolei miało wpływ na przebieg procesu spalania znaczny niedobór tlenu. Logistyka 4/

4 Dla prędkości jazdy wynoszącej 50 km/h zaobserwować można wyraźnie narastające wartości natężenia emisji HC, a także NO x, w miarę upływu czasu jazdy, co wynika m.in. ze zwiększających się oporów ruchu pojazdu wzrost obciążenia silnika. Wartości te osiągają maksymalnie 0,03 g/s w przypadku HC oraz 0,1 g/s w przypadku NO x. Rys. 5. Natężenie emisji CO (a) i NO x (b) dla prędkości maksymalnej 30 km/h i przejazdów R1 R4. Rys. 6. Natężenie emisji HC (a) i NO x (b) dla prędkości maksymalnej 50 km/h i przejazdów R5 R8. Dla osiągnięcia celów niniejszej analizy obliczono także, na podstawie określonego wcześniej natężenia emisji CO, HC i NO x, masę całkowitą poszczególnych zanieczyszczeń gazowych w spalinach. Jak można zaobserwować masa NO x (rys. 7) określona dla przejazdów realizowanych do prędkości wynoszącej 30 km/h jest bardziej zróżnicowana w porównaniu do przejazdów dla większej prędkości jazdy (50 km/h). Wynika to z większego zróżnicowania samego sposobu rozpędzania pojazdu (por. rys. 3a i 3b). W przypadku prędkości maksymalnej 50 km/h można dodatkowo zauważyć, że uzyskano bardzo zbliżone (praktycznie identyczne) wartości masy całkowitej NO x dla wykonanych przejazdów testowych. Należy jednak pamiętać, że pojazd pokonał w trakcie ich realizacji różny dystans drogi. Rys. 7. Masa NO x wyznaczona dla przejazdów R1 R8 z prędkościami: a) 30 km/h, b) 50 km/h Logistyka 4/2014

5 Rys. 8. Emisja drogowa substancji toksycznych w spalinach wyznaczona dla każdego rozpatrywanego przejazdu z prędkościami: a) 30 km/h, b) 50 km/h. Na podstawie otrzymanej w wyniku obliczeń całkowitej wyemitowanej masy CO, HC i NO x, określono w dalszej kolejności emisję drogową tych związków dla każdego przejazdu, określaną w g/km (rys. 8). W tym przypadku poszczególne sposoby rozpędzania badanego samochodu ciężarowego cechują się znacząco odmienną specyfiką emisji związków toksycznych spalin w zależności od dynamiki przyspieszania. Na podstawie zaprezentowanych w formie zbiorczej wyników badań należy stwierdzić, że pożądanymi sposobami rozpędzania pojazdu ze względów ekologicznych mała emisja CO, HC, NO x są przejazdy R2 i R4 oraz R5 i R7, które charakteryzowały się stosunkowo małą wartością przyspieszenia uzyskiwaną przez badany pojazd (rys. 8). 4. PODSUMOWANIE W przedmiotowym artykule przedstawiono ocenę skutków ekologicznych w zależności od przyjętego sposobu, a zwłaszcza dynamiki, rozpędzania pojazdu ciężkiego (typu HDV) do zamierzonej prędkości jazdy. Przeprowadzone badania drogowe samochodu ciężarowego klasy średniej w rzeczywistych warunkach jego eksploatacji uwidoczniły znaczący wpływ stosowanego przez kierowcę sposobu rozpędzania pojazdu na emisję podstawowych substancji toksycznych w spalinach w postaci CO, HC oraz NO x. Należy wskazać na znaczny wzrost wartości emisji drogowej tych związków chemicznych w wyniku zastosowania bardzo dynamicznego przyspieszania (przyspieszenie chwilowe powyżej 1,5 m/s 2 ). Wbrew obiegowej opinii twierdzącej, że należy gwałtownie przyspieszać celem szybkiego osiągnięcia przejazdowej prędkości jazdy. Najmniejsze negatywne skutki ekologiczne ponosi się jednak przy umiarkowanym rozpędzaniu pojazdu (przyspieszenie w początkowej fazie ruchu na poziomie około 1 m/s 2 ). Należy wspomnieć, że na drogach dość często można zaobserwować stosowanie przez kierowców dynamicznego, a nawet bardzo agresywnego sposobu ruszania pojazdem z miejsca. Mając na uwadze wnioski wyciągnięte z przeprowadzonych badań drogowych warto podkreślić, że może to w dużym stopniu wpływać na stopień zanieczyszczenia środowiska naturalnego człowieka. Praca naukowa zrealizowana w ramach projektu badawczego pt. "Kształtowanie proekologicznego systemu transportowego" (EMITRANSYS), finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. Streszczenie W artykule zaprezentowano wyniki pomiarów toksyczności spalin samochodu ciężarowego klasy średniej w warunkach rzeczywistej eksploatacji w zależności od sposobu jego rozpędzania. Na podstawie pozyskanych danych pomiarowych dokonano oceny rozpędzania pojazdu uwzględniając minimalną emisję substancji toksycznych w spalinach. Badaniom drogowym poddano dystrybucyjny samochód ciężarowy o dopuszczalnej masie całkowitej wynoszącej niespełna kg. Testy rozpędzanie samochodu wykonywano na krótkim odcinku jazdy, stosując różny styl osiągania założonej maksymalnej prędkości jazdy. Do pomiarów stężenia gazowych toksycznych składników spalin wykorzystano mobilną aparaturę typu PEMS. Słowa kluczowe: samochód ciężarowy, rozpędzanie pojazdu, emisja substancji toksycznych. Logistyka 4/

6 The influence of the acceleration style of the truck on toxic exhaust components emissions Abstract The paper presents the results of the investigations into the relation of the exhaust emissions of a heavy-duty vehicle under actual operating conditions and its acceleration. Based on the obtained measurement data an evaluation of the vehicle acceleration was performed taking into account the minimum emission of toxic substances in the exhaust gases. The on-road tests were carried out on a delivery truck of the gross vehicle weight approximating kg. The tests (vehicle acceleration) were performed on a short road portion applying different driving techniques to reach the desired maximum speed. For the measurements of the emission of toxic exhaust components the authors used a portable exhaust emission analyzer PEMS type. Key words: heavy duty vehicle, acceleration of the vehicle, emission of toxic substances. LITERATURA [1] Casanova J., Barrios C., Espinosa F., Capability of on-board emission measurement systems for driver behavior assessment, International Conference on Transport and Environment: A global challenge, Technological and Policy Solutions, Milan, Italy, March [2] Casanova J., Margenat S., Ariztegui J., Impact of driving style on pollutant emissions and fuel consumption for urban cars, Proceedings of the 1 st International Congress of Energy and Environment Engineering and Management, Portalegre, Portugal, [3] Merkisz J., Kozak M., Andrzejewski M., Wpływ sposobu rozpędzania samochodu ciężarowego na emisję dwutlenku węgla, Combustion Engines, No. 3/2013, s [4] Merkisz J., Kozak M., Molik P., Nijak D., Andrzejewski M., Nowak M., Rymaniak Ł., Ziółkowski A., The analysis of the emission level from a heavy-duty truck in city traffic, Combustion Engines/Silniki Spalinowe, No. 3/2012 (150), p [5] Regulation (EC) No 510/2011 of the European Parliament and of the Council of 11 May 2011 Setting Emission Performance Standards for New Light Commercial Vehicles, OJ L 145/1. [6] Rubino L., Bonnel P., Carriero M., Krasenbrink A., Portable emission measurement system (PEMS) for heavy duty diesel vehicle PM measurement: the European PM PEMS program, SAE Technical Paper Series [7] Shahinian V.D., SENSOR Tech-CT Update Application Software for SEMTECH Mobile Emission Analyzers. Sensors 4th Annual SUN (SEMTECH User Network) Conference, [8] Walsh M., Global trends in motor vehicle pollution control: a 2011 update. Part 1, Combustion Engines/Silniki Spalinowe, No. 2/2011 (145), p [9] Worldwide emissions standards: passenger cars, light duty vehicles and heavy duty vehicles, Delphi Innovation for the Real World, Logistyka 4/2014