Wpływ prędkości obrotowej silnika na emisję zanieczyszczeń przez samochód dostawczy

Transkrypt

1 MERKISZ Jerzy 1 ANDRZEJEWSKI Maciej 2 NOWAK Mateusz 3 Wpływ prędkości obrotowej silnika na emisję zanieczyszczeń przez samochód dostawczy WSTĘP Obecnie na całym świecie panuje trend zmniejszania zużycia paliwa oraz emisji związków szkodliwych spalin. Taki kierunek rozwoju motoryzacji wymuszają ustawodawcy, którzy wprowadzają coraz bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące ilości emitowanych zanieczyszczeń. Ograniczenia te mają na celu poprawę jakości powietrza, szczególnie w strefach o dużym natężeniu ruchu drogowego, oraz zmniejszenie uzależnienia od paliw kopalnych. Podstawowymi metodami, stosowanymi w celu spełnienia wymagań dotyczących zmniejszenia zużycia paliwa oraz emisji związków szkodliwych, powszechnie stosowanymi przez konstruktorów jednostek napędowych, są downsizing i downspeeding [2, 4, 5]. Głównym założeniem downsizingu jest zmniejszenie objętości skokowej silników oraz zmniejszenie liczby cylindrów w tych silnikach, przy zachowaniu lub poprawie ich parametrów eksploatacyjnych. Natomiast downspeeding polega na zmianach konstrukcyjnych, w celu umożliwienia wykorzystania mniejszych prędkości obrotowych. Obie te technologie mają na celu zapewnienie pracy silnika w bardziej korzystnych pod względem emisji i zużycia paliwa obszarach charakterystyki. Przebieg wartości średnich ciśnień użytecznych oraz jednostkowego zużycia paliwa w pojazdach z różnych lat produkcji przedstawiono na rysunku 1. ge [g/kwh] pe [bar] Prędkość obrotowa [obr/min] Rys. 1. Zmiany podstawowych parametrów silników spalinowych o ZI [6] Celem badań opisanych w artykule była odpowiedź na zagadnienia wzrostu emisji związków szkodliwych spalin wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnika spalinowego. W efekcie podjętej analizy uzyskano wyniki dotyczące obciążeń środowiskowych dla różnej prędkości jazdy samochodem, przy zastosowaniu różnego biegu. W artykule rozpatruje się zagadnienie emisji 1 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; Poznań; ul. Piotrowo 3. tel: , Fax: , jerzy.merkisz@put.poznan.pl 2 Instytut Pojazdów Szynowych TABOR ; Poznań; ul. Warszawska 181. tel: , maciej_andrzejewski@op.pl 3 Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu; Poznań; ul. Piotrowo 3. tel: , Fax: , mateusz.sl.nowak@doctorate.put.poznan.pl 811

2 związków gazowych, takich jak: tlenek i dwutlenek węgla, węglowodory oraz tlenki azotu w odniesieniu do pojazdu użytkowego, napędzanego silnikiem o zapłonie samoczynnym. 1. METODYKA BADAŃ Przedmiotowym badaniom w rzeczywistych warunkach eksploatacji poddano samochód dostawczy, w wersji osobowej (rys. 2). Pojazd ten był wyposażony w silnik o zapłonie samoczynnym o objętości skokowej 2, dm3. Jest on zaliczany do klasy LDV (Light Duty Vehicle lekki samochód ciężarowy). Podstawowe dane techniczne tego samochodu przedstawiono w tabeli 1. Jego jednostka napędowa była wyposażona tylko w utleniający reaktor katalityczny DOC (Diesel Oxidation Catalyst), natomiast nie był zainstalowany filtr cząstek stałych typu DPF (Diesel Particulate Filter). W skład układu napędowego pojazdu wchodziła również 5-biegowa skrzynia przekładniowa. Tab. 1. Pojazd wykorzystywany podczas badań Rodzaj samochodu Typ silnika Objętość skokowa silnika Norma emisji spalin Maks. moc/maks. moment obrotowy Układ oczyszczania spalin Przebieg Masa własna Obciążenie Rok produkcji dostawczy ZS, 4-cyl cm3 Euro 3 66 kw/25 Nm reaktor utleniający 25 km 139 kg 35 kg 21 Rys. 2. Obiekt badań Citroën Berlingo Pomiarów stężenia podstawowych składników gazowych spalin badanego samochodu dostawczego dokonano z wykorzystaniem mobilnego urządzenia naukowo-badawczego z grupy PEMS (Portable Emission Measurement System; rys. 3). Tego typu aparatura umożliwia wykonanie pomiarów zanieczyszczeń w spalinach w warunkach emisji drogowej pomiar emisji CO, CO2, HC, NOx. Duże zakresy pomiarowe poszczególnych analizatorów tworzących opisywany sprzęt badawczy, umożliwiają jego wszechstronne zastosowanie badania między innymi wielu typów pojazdów silnikowych [1, 3]. Ponadto przedmiotowa aparatura charakteryzuje się uzyskiwaniem wyników pomiarów emisji wszystkich szkodliwych składników spalin w sposób natychmiastowy, co pozwala na szybkie wnioskowanie w trakcie prowadzenia badań. 812

3 Oprócz odpowiednich dla danych związków chemicznych analizatorów (NDIR, NDUV, FID) w skład opisywanej aparatury badawczej wchodzą [7]: przepływomierz spalin o różnej średnicy, uzależnionej od objętości skokowej silnika pojazdu, przeznaczony do mierzenia wydatku spalin dla zmiennych warunków pracy silnika, moduł pozwalający rejestrować dane pochodzące z systemu diagnostyki pokładowej pojazdu OBD (On-Board Diagnostics), przeznaczony do określania m.in. warunków jazdy i parametrów pracy silnika, moduł umożliwiający komunikację z systemem lokalizacji GPS, przeznaczony do określania bieżącej pozycji pojazdu. Rys. 3. Aparatura pomiarowa zamontowana w pojeździe urządzenie SEMTECH-DS Wartości stężeń poszczególnych szkodliwych gazowych składników w spalinach uzyskano w efekcie wykonania badań w rzeczywistych warunkach ruchu podczas przejazdów na trasie Poznań Kórnik (fragment drogi ekspresowej S11). Długość trasy badawczej wynosiła w przybliżeniu 11 km. Przejazdy testowe realizowano w porze popołudniowej, przy występowaniu dość dużego natężenia ruchu na odcinku pomiarowym. W celu przeprowadzenia analizy rozpędzano obiekt badań do prędkości jazdy wynoszących kolejno 6, 8 i 1 km/h. Prędkości te uzyskiwano przy wykorzystaniu różnej, maksymalnej liczby biegów (tab. 2). Skutkowało to różnymi wartościami prędkości obrotowej silnika spalinowego, odczytywanymi z systemu diagnostyki pokładowej pojazdu OBD. Tab. 2. Prędkość obrotowa silnika zarejestrowana w trakcie przejazdów testowych Parametr Prędkość obrotowa silnika [obr/min] Prędkość jazdy [km/h] bieg

4 2. WYNIKI POMIARÓW I ICH ANALIZA W celu dokonania analizy w pierwszej kolejności określono skumulowaną emisję poszczególnych gazowych substancji szkodliwych w spalinach ich masę całkowitą. Następnie na jej podstawie obliczono emisję drogową tych substancji, wyrażaną w g/km. Emisję tę obliczono dla każdego przejazdu z prędkością 6, 8 i 1 km/h (rys. 4). Przejazdy trasą badawczą, w zakresie zmienności prędkości obrotowej jednostki napędowej obiektu badań, cechują się wyraźnie odmienną specyfiką emisji szkodliwych składników spalin w postaci tlenku węgla, dwutlenku węgla, węglowodorów i tlenków azotu. Jak można zauważyć w miarę zwiększania biegu, a tym samym zmniejszania prędkości obrotowej silnika, zmniejsza się również emisja drogowa wszystkich czterech analizowanych substancji. a) b) 2 25 V = 6 km/h V = 8 km/h V = 1 km/h V = 6 km/h V = 8 km/h V = 1 km/h Emisja drogowa CO [g/km] 1 Emisja drogowa CO 2 [g/km] bieg c) d) 4 bieg,3 1,8 V = 6 km/h V = 8 km/h V = 1 km/h V = 6 km/h V = 8 km/h V = 1 km/h Emisja drogowa HC [g/km],2,1 Emisja drogowa NO x [g/km] 1,2,6 4 bieg 4 bieg Rys. 4. Wartości emisji drogowej uzyskane dla poszczególnej prędkości jazdy: a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu Aby wykazać dokładne różnice w emisji drogowej CO, CO 2, HC i NO x, określono względną różnicę procentową emisji wobec stosowanego w trakcie jazdy 4-go biegu (rys. 5). Ze sporządzonych wykresów wynika, że najbardziej zauważalne różnice dotyczą tlenku węgla, zwłaszcza w przypadku jazdy z większymi prędkościami (spadek wartości emisji o około 5%). Dla tych prędkości przejazdu (8 i 1 km/h) różnice procentowe w wartościach emisji drogowej pozostałych trzech analizowanych związków mieszczą się w zakresie od 1 do 25%. W przypadku dwutlenku węgla oraz tlenków azotu zauważono ponadto analogiczny charakter uzyskanych różnic, przy czym dla tego pierwszego związku są one wartościowo większe (rys. 5b i 5d). Ogólnie największą redukcję emisji, po zastosowaniu w trakcie przejazdów piątego biegu zamiast czwartego, odnotowano dla zawartości dwutlenku węgla w spalinach przy jeździe z prędkością 6 km/h zmniejszenie emisji drogowej o około 4%. 814

5 a) b) Różnica w emisji CO [%] ,2-51, -49,1 Różnica w emisji CO 2 [%] ,4-16,5-23, -8 V = 6 km/h V = 8 km/h V = 1 km/h -8 V = 6 km/h V = 8 km/h V = 1 km/h c) d) Różnica w emisji HC [%] ,2-22,8-13,2 Różnica w emisji NO x [%] ,4-1,5-2,5-8 V = 6 km/h V = 8 km/h V = 1 km/h -8 V = 6 km/h V = 8 km/h V = 1 km/h Rys. 5. Procentowa różnica emisji drogowej względem 4-go biegu: a) tlenku węgla, b) dwutlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu WNIOSKI Współcześnie wielu producentów silników spalinowych znacznie zmniejsza produkcję tych, charakteryzujących się stosunkowo dużą objętością skokową. W ich miejsce wprowadzane są nowe jednostki napędowe o małej objętości skokowej, często przewyższające swoimi parametrami eksploatacyjnymi jednostki o większej objętości. Nowe konstrukcje silników spalinowych (oprócz mniejszych wymiarów) charakteryzują się ponadto większą sprawnością lepszym wykorzystaniem energii chemicznej zmagazynowanej w paliwie czyli mniejszym przebiegowym zużyciem paliwa [5]. Dzieje się tak chociażby w wyniku zmniejszania prędkości obrotowej silników downspeeding. Oceniając kierunki działań i prowadzonych prac podejmowanych przez poszczególnych producentów silników i pojazdów nie da się podważyć tego, że są one uzasadnione i słuszne. Szczególnie, jeśli weźmiemy pod uwagę fakt, iż prowadzą one do znacznego zmniejszenia negatywnego oddziaływania pojazdów na środowisko oraz wolniejszego wykorzystywania zasobów, pochodzących ze złóż nieodnawialnych. Przeprowadzone badania samochodu dostawczego w warunkach drogowych uwidoczniły znaczący wpływ osiąganej prędkości obrotowej silnika na emisję gazowych składników spalin. Należy wskazać na znacząco mniejszą emisję drogową tych związków w przypadku jazdy z załączonym mniejszym przełożeniem w skrzyni przekładniowej wyższy bieg (porównanie 4-go i 5-go biegu). Zaobserwowana zależność dotyczy wszystkich osiąganych w trakcie pomiarów prędkości jazdy: 6, 8 i 1 km/h. Należy podkreślić, że wykonane badania były jedynie badaniami wstępnymi. Aby w pełni określić wpływ prędkości obrotowej silnika pojazdu na jego właściwości ekologiczne należy poszerzyć badania, przykładowo o większą liczbę pojazdów oraz o inne wartości prędkości jazdy. Pracę sfinansowano z funduszy Narodowego Centrum Badań i Rozwoju projekt badawczy w ramach Programu Badań Stosowanych (umowa nr PBS1/A6/2/212) 815

6 Streszczenie W artykule zaprezentowano wyniki badań drogowych samochodu dostawczego, napędzanego silnikiem o zapłonie samoczynnym. Celem badań było zweryfikowanie tezy o wpływie prędkości obrotowej silnika na emisję gazowych składników spalin. Artykuł zawiera wyniki pomiarów stężenia podstawowych związków szkodliwych emitowanych ze spalinami przez silnik badanego pojazdu typu LDV. W pomiarach wykorzystano mobilną aparaturę do badań toksyczności spalin. Badania przeprowadzono w rzeczywistych warunkach ruchu samochodu jazda drogą ekspresową. The influence of engine speed on exhaust emission from commercial vehicle Abstract The article presents the results of road tests of commercial vehicle, driven by a compression ignition engine. The aim of the study was to verify the thesis about the influence of engine speed on the exhaust emission of gaseous components. The article contains the results of measurements of the concentration of basic harmful components emissions from the tested LDV class vehicles engine. In the tests, authors used exhaust emissions mobile analysers. The study was conducted during operation of the car under real traffic conditions on the expressway. BIBLIOGRAFIA 1. Daham B., Li H., Andrews G.E., Ropkins K., Tate J.E., Bell M.C., Comparison of real world emissions in urban driving for Euro 1 4 vehicles using a PEMS. SAE Technical Paper Series De Sá L., Ferrarese A., Ring pack for downsized spark ignition engines. SAE Technical Paper Series Engeljehringer K., Automotive emission testing and certification. Past, present and future. 2 nd International Exhaust Emissions Symposium, Bielsko-Biała Merkisz J., The automotive market in the time of global economic crisis: a 29 update. Combustion Engines, No. 3/29 (138), p Merkisz J., Pielecha J., Andrzejewski M., Wpływ downsizingu na zużycie paliwa i emisję substancji szkodliwych w spalinach. Logistyka 3/211, s (dostęp z dnia ) 7. (dostęp z dnia ) 816