Analiza parametrów ekologicznych pojazdów zasilanych sprężonym gazem ziemnym (CNG) w rzeczywistych warunkach eksploatacji

Transkrypt

1 Politechnika Poznańska Wydział Maszyn Roboczych i Transportu Krystian Łabędź Analiza parametrów ekologicznych pojazdów zasilanych sprężonym gazem ziemnym (CNG) w rzeczywistych warunkach eksploatacji Rozprawa doktorska Promotor: dr hab. inż. Jacek Pielecha, prof. PP Poznań 214

2 Spis treści Streszczenie... 4 Wykaz ważniejszych symboli Wprowadzenie Gaz ziemny jako paliwo do pojazdów Aspekt ekologiczny Charakterystyka gazu ziemnego jako paliwa do zasilania silników spalinowych Spalanie gazu ziemnego w silnikach spalinowych Konstrukcje systemów zasilania gazem ziemnym Budowa systemów zasilania gazem ziemnym Klasyfikacja systemów zasilania gazem ziemnym Przegląd rozwiązań konstrukcyjnych pojazdów zasilanych gazem ziemnym Historia zasilania pojazdów CNG Współczesne rozwiązania systemów zasilania CNG Problematyka rozprawy, jej cel i zakres Metodyka badań Procedury badawcze emisji zanieczyszczeń i zużycia paliwa Obiekty badań Charakterystyka tras badawczych Aparatura badawcza Harmonogram badań Wyniki badań własnych i ich analiza Wpływ fazy zimnego rozruchu i nagrzewania silnika na emisję związków szkodliwych w temperaturze o C i 2 o C Badania drogowe pojazdów zasilanych gazem ziemnym i benzyną w warunkach miejskich Charakterystyka zarejestrowanych danych Wyniki natężenia emisji spalin odniesionych do pojazdu Wyniki emisji zanieczyszczeń w odniesieniu do silnika Wartości emisji drogowej zanieczyszczeń Ilościowe wskaźniki emisji zanieczyszczeń Porównanie emisji zanieczyszczeń z pojazdów o różnych klasach emisyjnych Badania drogowe pojazdów zasilanych gazem ziemnym w warunkach dużych aglomeracji miejskich Charakterystyka badań Analiza rejestrowanych parametrów Omówienie wyników końcowych... 98

3 Spis treści Badania drogowe pojazdów zasilanych gazem ziemnym w warunkach pozamiejskich Charakterystyka trasy badawczej Analiza zgodności etapów badań Analiza stężenia i emisji zanieczyszczeń gazowych Analiza stężenia i rozkładu średnicowego cząstek stałych Podsumowanie wyników końcowych Badania pojazdu zasilanego gazem ziemnym o przebiegu 5 km wyposażonego w nowy reaktor katalityczny Badania pojazdu przystosowanego do zasilania gazem ziemnym poza wytwórnią Wnioski i kierunki dalszych badań Podsumowanie Wnioski Kierunki dalszych prac Literatura Summary

4 Streszczenie Głównym celem rozprawy jest analiza parametrów ekologicznych pojazdów zasilanych sprężonym gazem ziemnym w rzeczywistych warunkach ruchu takich pojazdów. Szczególny nacisk położono na porównanie parametrów ekologicznych w stosunku do pojazdów zasilanych benzyną. Część wprowadzająca obejmuje opis zagadnień tworzenia mieszanki i spalania w silnikach o zapłonie iskrowym zasilanych gazem ziemnym. Zawarto w nim również klasyfikację systemów zasilania gazem ziemnym oraz scharakteryzowano rozwiązania konstrukcyjne pojazdów zasilanych gazem ziemnym. Praca dotyczy oceny parametrów ekologicznych pojazdów zasilanych sprężonym gazem ziemnym w rzeczywistych warunkach eksploatacji. W ramach rozprawy doktorskiej podjęto tematykę, dotyczącą zagadnień związanych z użytkowaniem pojazdów zasilanych paliwem alternatywnym sprężonym gazem ziemnym. W pracy zawarto szczegółową metodykę badań, opisano obiekty badań oraz warunki przeprowadzenia poszczególnych etapów testów emisyjnych i zastosowaną aparaturę. Wykorzystano aparaturę pomiarową zarówno do pomiaru związków gazowych, jak i cząstek stałych zarówno w odniesieniu do pomiaru masy, liczby cząstek oraz ich rozkładu średnicowego. Wykonane badania podzielono na kilka płaszczyzn, z których jednoznacznie wynikają korzyści ekologiczne pojazdów zasilanych sprężonym gazem ziemnym, a jednocześnie wskazano aspekty, które są gorsze w porównaniu z zasilaniem silnika benzyną. Ze względu na znaczny średni wiek pojazdów eksploatowanych w Polsce oraz ich znaczny przebieg przedstawiono również propozycje poprawy stanu ekologicznego takich pojazdów, mające na celu zmniejszenie uciążliwości środowiskowej. Przeanalizowano zmniejszenie emisji związków szkodliwych m.in. przez wymianę reaktora katalitycznego. W rozprawie poddano również analizie zagadnienie instalacji systemów zasilania sprężonym gazem ziemnym poza wytwórnią. Dokonana w tym przypadku analiza parametrów ekologicznych pojazdu z niefabryczną instalacją gazową i instalacją zamontowaną w fabryce uwidoczniła zalety instalacji fabrycznej. Zwrócono uwagę również na zagadnienia emisji cząstek stałych, zarówno pod względem masowym, liczbowym i wymiarowym silników zasilanych sprężonym gazem ziemnym. Wykazano, że dla pojazdów o znacznym przebiegu głównym problemem jest zwiększenie emisji drogowej masy cząstek stałych niż ich liczby, przy jednoczesnym gwałtownym zwiększeniu emisji składników gazowych spalin. W zakresie realizacji pracy przeprowadzono badania drogowe w rzeczywistych warunkach ruchu, mające na celu określenie zależności między parametrami emisyjnymi pojazdów. Badania wykonano w kilku etapach, z których najważniejsze to: badania parametrów ekologicznych pojazdów podczas rozruchu i nagrzewania się silnika w różnych temperaturach otoczenia dla różnych rodzajów rozruchu: zimnego i gorącego, badania emisji zanieczyszczeń pojazdów w zmiennych warunkach ruchu drogowego na kilku wybranych trasach, zarówno podczas testów zimowych, jak i letnich; porównanie emisyjne pojazdów o różnych klasach emisyjnych i różnych przebiegach całkowitych, próba oceny parametrów ekologicznych pojazdów zasilanych sprężonym gazem ziemnym z różnymi reaktorami katalitycznymi, badania porównawcze pojazdów z fabryczną instalacją sprężonego gazu ziemnego oraz montowaną poza wytwórnią. W zakończeniu zawarto podsumowanie i wnioski, wynikające z przeprowadzonych analiz i badań. Odniesiono je głównie do aspektów ekologicznych związanych z zastosowaniem gazu ziemnego jako paliwa do pojazdów osobowych, jednak część z nich ma charakter uniwersalny i może znaleźć zastosowanie także dla innych pojazdów.

5 Wykaz ważniejszych symboli ACEA b CAN CARB CCR CNG CO CO 2 DPF e E ECE ECM ECU EEC EOBD EPA EU EUDC Euro GDI HC ISO k L LDV LPG M o MPI n NDIR NDUV N e NEDC NO NO x Association des Constructeurs Européens d Automobile Stowarzyszenie Europejskich Konstruktorów Samochodów, emisja drogowa zanieczyszczeń, Controller Area Network sieć przesyłu danych, California Air Resource Board Kalifornijska Rada ds. Zasobów Powietrza, California Code of Regulations normy stanu Kalifornia, Compressed Natural Gas sprężony gaz ziemny, tlenek węgla, dwutlenek węgla, Diesel Particulate Filter filtr cząstek stałych, emisja jednostkowa zanieczyszczeń, natężenie emisji zanieczyszczeń, Economic Commission for Europe Europejska Komisja Gospodarcza, Engine Control Module moduł pomiarowo-sterujący silnika, Electronic Control Unit elektroniczny sterownik (silnika); główny mikrokontroler sterujący pracą silnika i układów redukcji spalin; miejsce implementacji pokładowych systemów diagnostycznych, European Economic Community Europejska Wspólnota Gospodarcza, European On-Board Diagnostic europejski system diagnostyki pokładowej, Environment Protection Agency Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska, czyli Urząd Ochrony Środowiska w USA, European Union Unia Europejska, Extra Urban Driving Cycle pozamiejski europejski test jezdny normy emisji spalin w Europie, Gasoline Direct Injection bezpośredni wtrysk benzyny do komory spalania (wysokociśnieniowy), węglowodory, International Organisation for Standardization Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna, wskaźnik emisji zanieczyszczeń pojazdu, długość odcinka pomiarowego, Light Duty Vehicle lekki użytkowy pojazd samochodowy o liczbie miejsc do 12 (według klasyfikacji amerykańskiej), Liquefied Petroleum Gas skroplone paliwo gazowe, moment obrotowy silnika, Multi Point Injection wielopunktowy wtrysk paliwa do kanałów dolotowych (niskociśnieniowy, dotyczy silników ZI), prędkość obrotowa, Non-dispersive Infrared niedyspersyjny na podczerwień, Non-dispersive Ultraviolet niedyspersyjny na ultrafiolet, moc użyteczna silnika, New European Driving Cycle nowy europejski cykl jezdny zmodyfikowany ECE R83 (tzw. Eurotest) z natychmiastowym poborem spalin, tlenek azotu, tlenki azotu,

6 Skróty i oznaczenia 6 OBD On-Board Diagnostic diagnostyka pokładowa (pokładowy system diagnostyczny), PC Passenger Car samochód osobowy, PCM Powertrain Control Module centralny sterownik układu napędowego, PM Particle Mass masa cząstek stałych, PN Particle Number liczba cząstek stałych, ppm parts per million liczba części na milion, SAE Society of Automotive Engineers Stowarzyszenie Inżynierów Samochodowych, SUV Sports Utility Vehicle samochód o przeznaczeniu sportowym, t czas, TD Time Density gęstość czasowa, THC Total Hydrocarbons całkowita emisja węglowodorów, u współczynnik udziału, UDC Urban Driving Cycle europejski miejski cykl jezdny, UE Unia Europejska, V prędkość pojazdu, ZI zapłon iskrowy, ZS zapłon samoczynny, współczynnik nadmiaru powietrza

7 1. Wprowadzenie W ostatnich dekadach jakość powietrza atmosferycznego w Unii Europejskiej (EU European Union) niewątpliwie uległa poprawie, co zawdzięcza się m.in. działaniom w sektorze transportu drogowego. W okresie kilkudziesięciu lat w krajach Unii Europejskiej zaprojektowano i wprowadzono różnego rodzaju instrumenty prawne w celu poprawy jakości powietrza atmosferycznego (także sektorowo: w transporcie drogowym i przemyśle) przez kontrolowanie emisji zanieczyszczeń szkodliwych dla zdrowia człowieka i jego środowiska naturalnego [1]. Są to niewątpliwie istotne działania, jednak nieodpowiednia jakość powietrza atmosferycznego w Europie w dalszym ciągu wywołuje określone skutki w postaci [13 15, 24]: negatywnego wpływu na zdrowie ludzkie przez narażenie na oddziaływanie cząstek stałych i ozonu (w mniejszym stopniu narażenie na oddziaływanie dwutlenku azotu, dwutlenku siarki, tlenku węgla, ołowiu czy benzenu), niszczenia materiałów i bogactwa kulturowego przez narażenie na oddziaływanie zakwaszających zanieczyszczeń i ozonu, wpływu metali ciężkich i zanieczyszczeń organicznych na zdrowie człowieka i ekosystemy. Emisja składników szkodliwych spalin w Unii Europejskiej ze względu na ich ograniczenia przyjmuje coraz mniejsze wartości. Obserwuje się pozytywny trend ograniczania emisji większości szkodliwych związków. W latach zmniejszeniu uległa emisja całkowita do atmosfery prekursorów w tworzeniu się ozonu, tj. tlenku węgla o ok. 62% oraz tlenków azotu o ok. 47% [23, 69]. Emisja tlenków azotu z transportu drogowego uległa około 4% zmniejszeniu od 199 roku, głównie jako rezultat wprowadzenia trójfunkcyjnych reaktorów katalitycznych w samochodach osobowych oraz bardziej rygorystycznych przepisów dotyczących emisji zanieczyszczeń z pojazdów drogowych ciężkich w całej Europie. Jest to znaczące osiągnięcie, bowiem transport samochodowy jest bardzo istotnym źródłem emisji tlenków azotu i tlenku węgla. Związki te miały w 212 roku odpowiednio 42% i 29% udział w emisji całkowitej tych zanieczyszczeń [23]. Procentowe zmiany emisji niektórych zanieczyszczeń z unijnych sektorów gospodarki, w całkowitej emisji danego zanieczyszczenia w 212 roku (dane obejmują 27 państw) przedstawiono na rysunku 1.1. Rys Udziały procentowe emisji zanieczyszczeń z poszczególnych sektorów gospodarki, w całkowitej emisji danego zanieczyszczenia w Unii Europejskiej w 212 roku [23] Ograniczenie emisji zanieczyszczeń przez rygorystyczne limity jest przynajmniej częściowo niwelowane przez większą pracę przewozową transportu oraz większy udział samochodów napędzanych silnikami o zapłonie samoczynnym (ZS) [25]. Transport

8 1. Wprowadzenie 8 drogowy jest odpowiedzialny za największą emisję dwutlenku węgla z sektora transportu w krajach Unii Europejskiej (odpowiadał on w 29 roku za 71,7% tej emisji) [32 34, 36]. Głównym komponentem inwestycyjnym procesu dostarczania energii będzie wydobycie paliw kopalnych, transport i rafinacja ropy naftowej; wytwarzanie energii elektrycznej to koszt 1 mld USD, z czego technologie niskoemisyjne będą stanowiły prawie 75% inwestycji [1]. Inwestycje w dostawy gazu ziemnego zwiększają się, ale sprostanie długookresowemu wzrostowi popytu na ropę naftową będzie coraz bardziej zależne od inwestycji na Bliskim Wschodzie. Prognozuje się, że wydatki na wydobycie ropy i gazu wzrosną o 25% do poziomu ponad 85 mld USD rocznie do 235 roku, a sektor gazowy będzie odpowiedzialny za przeważającą część tego wzrostu [11, 12]. Sumaryczny wpływ pojazdów na środowisko naturalne można zobrazować po uwzględnieniu wszystkich składowych, m.in. źródła energii pierwotnej (kopalne lub odnawialne), typu nośnika energii napędzającej pojazd oraz rodzaju zastosowanego napędu (silnik spalinowy, silnik elektryczny zasilany z akumulatorów lub ogniwa paliwowe). W publikacji [3] opisano wskaźnik CWEG (Cost, Water, Energy, GHG koszt, woda, energia, emisja gazów cieplarnianych), sformułowany na podstawie wymienionych czynników. Z jego wykorzystaniem powstał ranking, zgodnie z którym największa liczba punktów odpowiadała najbardziej ekologicznym napędom. W innym ujęciu największa wartość wskaźnika odpowiada pojazdowi w całym cyklu życia najbardziej przyjaznemu środowisku. Pojazdy napędzane gazem ziemnym uzyskały rezultat na poziomie Mniejsze wartości wskaźnika otrzymały pojazdy hybrydowe z silnikiem ZS (CWEG = 45), natomiast pojazdy napędzane ogniwem paliwowym, dla którego wodór produkuje się z użyciem energii elektrycznej pochodzącej z sieci energetycznej, a pojazdy nie emitują żadnych związków szkodliwych, otrzymały wynik równy Z tego porównania wynika, że pojazdy zasilane sprężonym gazem ziemnym (CNG Compressed Natural Gas) są najbardziej przyjazne dla środowiska (rys. 1.2). a) b) Ogniwo paliwowe 12,84 15,5 ZI 35,81 44,12 Wodór 36,84 42,89 Etanol 37,43 41,26 ZS 4,89 45,1 CNG 7,61 74, Wskaźnik CWEG [-] Wskaźnik CWEG [-] Rys Wartości indeksu CWEG dla pojazdów o różnych rodzajach napędu: a) konwencjonalnych, b) o napędzie hybrydowym (opracowanie własne na podstawie [3])

9 1. Wprowadzenie 9 Na świecie jeździ ponad 2 milionów samochodów zasilanych gazem ziemnym. Funkcjonuje ponad 25 tys. stacji zasilania tym paliwem. Iran znajduje się w ścisłej czołówce państw o największej liczbie aut napędzanych paliwem gazowym [38]. Użytkowanych tam jest ponad 3,5 mln samochodów na CNG, a liczba stacji tankowania sprężonego gazu ziemnego wciąż się zwiększa (ponad 22 stacji). Kolejne miejsce zajmują Chiny, gdzie gazem ziemnym jest napędzanych ponad 3,3 mln pojazdów (57 stacji ładowania). Dodatkowo w związku z coraz bardziej rygorystycznymi przepisami dotyczącymi emisji spalin, można spodziewać się dalszego wzrostu popytu na paliwa alternatywne, w tym CNG. Potentatem w liczbie pojazdów napędzanych gazem ziemnym jest również Pakistan. Według danych NGV journal [68] w Pakistanie znajduje się 2,8 mln tego typu pojazdów. Na czwartym miejscu znajduje się Argentyna z ponad 2,4 mln samochodów [26], na kolejnym Indie z 1,8 mln pojazdów zasilanych gazem ziemnym. Na rynku amerykańskim od dawna są sprzedawane samochody zasilane gazem ziemnym. W USA jako zachętę do kupna tego typu pojazdów wprowadzono wiele znaczących ulg podatkowych: obniżenie podatku autostradowego na CNG, zwrot 8% różnicy kosztów pojazdu (lub przeróbki ), ulgi podatkowe za samochody ciężarowe (do 5 tys. USD) i za stację tankowania (do 1 tys. USD). Efektem prowadzonej polityki fiskalnej jest: 13 pojazdów zasilanych CNG i ponad 13 stacji tankowania CNG [11]. Włochy zajmują pierwsze miejsce w Europie pod względem liczby eksploatowanych pojazdów CNG ponad 823 tys. pojazdów (stan na II kwartał 214 roku), obsługiwanych przez ponad 1 stacji tankowania [68]. Włoski koncern motoryzacyjny Fiat promuje pojazdy z instalacją CNG; większość z nich jest fabrycznie wyposażona w instalację CNG. Włoska firma Faber jest pionierem w produkcji zbiorników CNG przeznaczonych do montażu w pojazdach. Pojazdy wyposażone w instalację CNG są traktowane jako ekologiczne i nie dotyczą ich ograniczenia ruchu pojazdów; ponadto zakup oraz montaż instalacji CNG jest dotowany przez państwo. Dofinansowywana jest także budowa stacji tankowania CNG [34]. W Niemczech eksploatowanych jest 96 tys. pojazdów zasilanych CNG (214; drugie miejsce w Europie). Znajduje się tam ponad 91 stacji tankowania. Taka liczba stacji pozwala na jazdę z wykorzystaniem CNG na terenie całego kraju. Planuje się wybudowanie w ciągu 5 lat kolejnego 1 dystrybutorów CNG [35, 44]. Na mapie Polski można zaobserwować 2 ogólnodostępnych stacji CNG (rys. 1.3). W ciągu niecałych dwóch lat ich liczba zmniejszyła się o 1/4. Od roku 212 zlikwidowano stacje m.in. w Bydgoszczy, Kielcach, Gdyni, Olsztynie, Jaśle, Dębicy i Jarosławcu. PGNiG, do którego należą prawie wszystkie tego typu obiekty w kraju, likwiduje stacje, gdyż nie są rentowne. Dyrektywa Czysta energia dla transportu została ostatecznie zatwierdzona w dniu 2 marca 214 roku i przekazana do wdrożenia [13]. Dzięki temu, państwa członkowskie UE zostaną zobowiązane do zbudowania punktów tankowania gazu ziemnego. Do 22 roku ma powstać sieć tankowania CNG we wszystkich europejskich aglomeracjach miejskich, a do 225 roku wzdłuż szlaków transportowych punkty tankowania CNG. Dyrektywa Czysta energia dla transportu ma na celu zredukować uzależnienie transportu Unii Europejskiej od ropy naftowej, a także przyczynić się do ograniczenia emisji spalin z transportu. Nakłada na państwa członkowskie obowiązek rozwoju infrastruktury tankowania paliw alternatywnych. Główne zobowiązania wynikające z dokumentu to m.in. opracowanie i wdrożenie planów budowy [18]:

10 1. Wprowadzenie 1 Rys Ogólnodostępne stacje gazu ziemnego CNG w Polsce (stan na 214) stacji tankowania sprężonego gazu ziemnego oraz energii elektrycznej w dużych aglomeracjach miejskich do 22 roku, stacji tankowania CNG (co 1 kilometrów) oraz LNG (co 4 kilometrów) dla transportu tranzytowego wzdłuż szlaków transportowych do 225 roku. Ponadto, cześć państw przyjęła dobrowolne zobowiązania do budowy punktów tankowania wodoru w aglomeracjach miejskich do 225 roku. Polska nie przyjęła niniejszego zobowiązania [83]. Temat rozprawy doktorskiej wpisuje się w aktualność problematyki dotyczącej poszukiwania nowych koncepcji napędów środków transportu ukierunkowanych na rozwiązania proekologiczne i paliwa alternatywne. Opracowanie metodyki oceny ekologicznej pojazdów zasilanych sprężonym gazem ziemnym pozwoli na klasyfikację tego paliwa do napędu pojazdów samochodowych, nie tylko pod względem zużycia paliwa (tego typu badania są dostępne w literaturze, m.in. [44]), ale jednocześnie pod kątem emisji zanieczyszczeń gazowych i cząstek stałych.

11 2. Gaz ziemny jako paliwo do pojazdów 2.1. Aspekt ekologiczny Szkodliwość benzyn silnikowych i gazu ziemnego dla środowiska naturalnego to nie tylko oddziaływanie pośrednie toksyczność produktów spalania [5], ale również opisywane w literaturze [5, 6, 77] oddziaływanie bezpośrednie, czyli wpływ toksyczny na środowisko wody, gleby i powietrza w przypadku przedostania się do nich paliw silnikowych. Paliwa gazowe należą do najważniejszych paliw alternatywnych do silników ZI (rys. 2.1), natomiast w niewielkim zakresie stosowane są w silnikach ZS [64, 92]. Spośród wszystkich paliw gazowych do zasilania silników najszerzej stosowane są węglowodory gazowe: metan (gaz ziemny) oraz propan butan, gaz płynny, gaz skroplony. Paliwa alternatywne do silników o zapłonie iskrowym gazowe ciekłe biopaliwa otrzymywane przemysłowo naturalne biopaliwa otrzymywane przemysłowo gaz fermentacyjny gaz ze zgazowania biomasy wodór z biomasy (biopaliwo III generacji) propan-butan (LPG) wodór gaz ze zgazowania paliw mineralnych gaz ziemny alkohol etylowy (biopaliwo I generacji) paliwa syntetyczne z biomasy (biopaliwa II generacji) metanol paliwa syntetyczne z surowców mineralnych Rys Paliwa gazowe na tle innych paliw alternatywnych do silników ZI [91] W przypadku przedostania się benzyny do środowiska istnieje zagrożenie skażenia wód powierzchniowych jak i gruntowych, skażenia gleby i powietrza atmosferycznego. Lotne frakcje benzyn przedostają się do powietrza atmosferycznego, np. węglowodory mogą powodować intensyfikację efektu cieplarnianego, zwiększać zjawisko smogu, reagować fotochemicznie pod wpływem promieniowania słonecznego, mogą również tworzyć ozon w niższych warstwach atmosfery, co z kolei powodować może podrażnienie płuc i problemy z oddychaniem. Stwierdzono również, że szczególnie toksyczne dla organizmów żywych są węglowodory aromatyczne. Z kolei mało lotne frakcje mogą przedostawać się do wód powierzchniowych, co powoduje ich skażenie i w zależności od stężenia zatrucie organizmów żywych w wodach powierzchniowych. Ciężkie frakcje benzyny silnikowej przedostają się do gruntu i zgodnie z [2] mogą znajdować się w dwóch fazach: fazie gazowej, która migruje przez strefę aeracji gruntu, wykorzystuje wolne przestrzenie, np. wzdłuż kolektorów ściekowych, studzienek powoduje zagrożenie wybuchem,

12 2. Gaz ziemny jako paliwo do pojazdów 12 fazie ciekłej, która może być częściowo zaadsorbowana na cząstkach gleby i gruntu (głównie węglowodory alifatyczne) lub częściowo rozprzestrzeniać się w gruncie i migrując ulegać selektywnej adsorpcji na cząsteczkach gruntu. Węglowodory pozostające w gruncie zakłócają obieg azotu, hamują proces nitryfikacji i niszczą żyjące tam mikroorganizmy. Również bezpośredni wpływ benzyny silnikowej jest toksyczny na organizmy ludzkie, przez oddziaływanie na układ oddechowy, pokarmowy i skórny. W pracy [8] stwierdzono, że pozostający w środowisku MTBE (eter metylo-tertbutylowy) nie sorbuje się w glebie i rozprzestrzenia się w wodzie na odległości znacznie większe niż pozostałe składniki spalin; a średni czas migracji MTBE od źródeł wycieków do zbiorników wody pitnej wynosi ok. 2 lata. Przedostawanie się par benzyn silnikowych występuje nie tylko podczas niekontrolowanego wycieku do atmosfery. Emisja do środowiska możliwa jest podczas procesów logistycznych transportu, tankowania do pojazdów na stacjach paliwowych oraz z układów zasilania pojazdów. Od wielu lat, aby spełnić wymagania dopuszczalnej emisji par benzyn samochodowych stosuje się specjalne systemy odpowietrzania zbiornika benzynowego (EVAP evaporation prevention), które zapobiegają emisji par paliwa do atmosfery zarówno podczas pracy silnika, jak i postoju pojazdu. Żeby spełnić wymagania OBD II/EOBD producenci pojazdów muszą wyposażać je w systemy EVAP oraz zapewnić możliwość kontroli szczelności układu. Powoduje to konieczność stosowania specjalnych systemów sprawdzających szczelność układu i informujących kierowcę pojazdu o ewentualnych uszkodzeniach [63, 93]. Gaz ziemny nie jest trujący. Jest lżejszy od powietrza, co powoduje, że przy nieszczelnościach szybko ulatnia się do atmosfery. Dla organizmów żyjących nie jest szkodliwy, ewentualne szkodliwe działanie może wynikać pośrednio przez zmniejszenie zawartości tlenu w powietrzu. Metan jako gaz cieplarniany po przedostaniu się do atmosfery powoduje wielokrotnie większą termoizolacyjność niż w przypadku dwutlenku węgla. W pracy [16] stwierdzono, że 1 g metanu uwolnionego do atmosfery powoduje równoważne skutki z emisją 58 g CO 2. Jednakże w górnych warstwach atmosfery przez oddziaływanie promieniowania ultrafioletowego duża część metanu ulega rozkładowi. Emisja gazu ziemnego do atmosfery możliwa jest wskutek awarii i spowodowanych nią nieszczelności. Podczas normalnej pracy pojazdu zasilanego gazem ziemnym nie ma możliwości przedostawania się paliwa do otoczenia. Przy zasilaniu silników gazem ziemnym nie ma konieczności tworzenia dodatkowych systemów kontrolujących emisję cząstek paliwa do atmosfery jak to ma w przypadku układów zasilania benzyną. Kontrola szczelności układu gazowego zarówno po stronie wysokociśnieniowej, jak i niskociśnieniowej może odbywać się z wykorzystaniem elementów, które wchodzą w skład gazowego układu zasilania. W codziennej eksploatacji pojazdu zasilanego CNG jedyna możliwa emisja gazu ziemnego do atmosfery może nastąpić podczas tankowania paliwa. Do dużego przedostania się gazu ziemnego do atmosfery może dojść w wyniku poważnej awarii rurociągu, stacji pośredniej bądź cysterny. Niemniej jednak ewentualne skutki i zagrożenia dla środowiska i ludzi są niewspółmiernie mniejsze niż w przypadku wycieku paliw płynnych [17]. Podziału stacji tankowania CNG można dokonać ze względu na charakter (publiczna, zakładowa, przydomowa): stacja publiczna dostępna dla wszystkich klientów; możliwość tankowania samodzielnego, stacja niepubliczna (zakładowa) przeznaczona dla określonej grupy odbiorców; najczęściej zlokalizowana na terenie zamkniętego zakładu,

13 2. Gaz ziemny jako paliwo do pojazdów 13 stacja przydomowa (garażowa) przeznaczona dla indywidualnego odbiorcy bądź wąskiej grupy klientów. Paliwo do stacji można dostarczyć dwoma sposobami: gazową siecią podziemną lub transportem kołowym. Na całym świecie bardziej powszechna jest gazowa sieć podziemna [79]. Bardzo ważnym elementem na stacji tankowania CNG jest sprężarka, gdyż ciśnienie w zbiorniku stacji ładowania jest zbyt małe, aby zatankować pełen zbiornik paliwem. Znaczący wpływ na ilość zatankowanego gazu ma również temperatura w jakiej zasilany jest pojazd. Gdy temperatura gazu będzie wyższa od temperatury otoczenia, to ciśnienie gazu w zbiorniku pojazdu będzie zmniejszać się aż do chwili zrównania się z temperaturą otoczenia. Proces ten może potrwać kilkanaście minut i może okazać się, że ciśnienie w zbiorniku samochodu wynosi np. 17 MPa (przy zakładanym 2 MPa). Znajomość temperatury i ciśnienia umożliwia diagnozowanie uszkodzenia zaworu butlowego. Jeżeli podczas tankowania CNG jeden ze zbiorników jest zimny oznacza to, że gaz nie jest do niego wtłaczany. W zależności od charakteru potrzeb można wyróżnić stacje wolnego tankowania oraz szybkiego tankowania [49]. W stacji wolnego tankowania gaz dostarczany jest z sieci gazowej pod ciśnieniem od,1 do,4 MPa. Aby uzyskać ciśnienie 2 MPa należy zastosować sprężarkę (od jej działania zależy wydajność danej stacji). Bezpośrednio ze sprężarki gaz można wtłaczać do zbiorników pojazdu. Do sprężarki gaz dostarcza się przez układ filtrująco-osuszający. Zadaniem tego układu jest odpowiednie osuszenie i oczyszczenie gazu. Często układ filtrująco-osuszający znajduje się także na wyjściu ze stacji CNG przed przyłączem do pojazdu. Stosuje się sprężarki smarowe oraz bezolejowe w szczelnych obudowach. Na stacji wolnego tankowania stosuje się również chłodnice gazu, gdzie czynnikiem chłodzącym jest powietrze, którego ruch wymuszony jest działaniem wentylatora. W układzie stacji stosowany jest również zbiornik wyrównawczy, który neutralizuje wahania ciśnienia oraz temperatury gazu. Gaz podawany jest do zbiorników pojazdów przez dystrybutor paliwa (rys. 2.2 i 2.3). Rys Schemat stacji wolnego tankowania [9]

14 2. Gaz ziemny jako paliwo do pojazdów 14 Rys Dystrybutor stacji wolnego tankowania [75] Sprężarka wraz z silnikiem napędowym, chłodnicą, układem spustu kondensatów najczęściej stanowi wspólną konstrukcję (rys. 2.4). Budowa kontenera musi spełniać wymagania ochrony przeciwpożarowej ścian ogniowych i dźwiękochłonnych, zabezpieczać przed deszczem i ograniczać strefę zagrożenia do wnętrza kontenera (rys. 2.5). Kontrolę nad poprawnością działania całego systemu zapewnia układ sterowania. Stanowiska nie są wyposażone w dokładny układ pomiarowy, ponieważ stacja wolnego tankowania nie ma charakteru komercyjnego. Rys Sprężarka na stacji wolnego tankowania CNG [66] Rys Blaszany kontener z zabudowanymi elementami stacji CNG [66] Stacje szybkiego tankowania gazem ziemnym są dostępne dla wszystkich użytkowników. Każdy pojazd jest tankowany w czasie kilku minut. Szybkie tankowanie możliwe jest dzięki magazynom CNG (rys. 2.6), które stabilizują temperaturę. Czas w jakim zatankowany będzie pojazd zależny jest od średnicy przewodu połączeniowego, objętości zbiorników oraz różnicy ciśnień. Zależnie do warunków pracy występuje kilka rodzajów dystrybutorów (rys. 2.7). Wiele z nich posiada możliwość odczytu procentowego stopnia napełnienia zbiorników w pojeździe. Układ optymalizacji tankowania uwzględnia temperaturę gazu, dzięki czemu pojazd można zatankować w 1% paliwem gazowym.

15 2. Gaz ziemny jako paliwo do pojazdów 15 Rys Magazyn CNG na stacji szybkiego tankowania Rys Rodzaje dystrybutorów na stacji szybkiego tankowania CNG [16] Tankowanie pojazdu z instalacją CNG jest ekologiczne podczas tankowania samochodu nie emituje się toksycznych oparów, które wydzielają się podczas tankowania paliwem płynnym Charakterystyka gazu ziemnego jako paliwa do zasilania silników spalinowych W najbliższych latach należy spodziewać się dalszego zaostrzenia obowiązujących norm toksyczności spalin i wprowadzenia ograniczenia zużycia paliwa przez nowe pojazdy [78]. Reakcje producentów będą ukierunkowane na opracowanie bardziej ekonomicznych pojazdów, emitujących mniej substancji toksycznych, z drugiej strony na rozpowszechnienie napędów alternatywnych: elektrycznych, hybrydowych, gazowych oraz zastosowanie ekologicznych paliw zastępczych [2]. W silniku spalinowym, konstrukcyjnie przystosowanym do spalania benzyny lub oleju napędowego, istnieje możliwość stosowania innych paliw, zarówno płynnych jak i gazowych, ale z różną efektywnością. Za paliwa alternatywne dla benzyny lub oleju napędowego można uznać tylko te, które spełniają trzy następujące warunki: ich wartość opałowa jest tego samego rzędu, co paliwa bazowego (benzyny, oleju napędowego), koszt paliwa jest mniejszy od paliwa bazowego oraz poziom emisji składników toksycznych w spalinach jest mniejszy. Moc silnika nie może ulec zarówno znacznemu zmniejszeniu, jak i zwiększeniu. Koszty eksploatacji muszą być mniejsze, a pod względem ekologicznym pojazd musi być bardziej przyjazny dla środowiska. Przy uwzględnieniu pięciu najbardziej istotnych kryteriów, tj.: emisji składników toksycznych, emisji CO 2, autonomii pojazdu (odległości możliwej do pokonania bez uzupełniania paliwa), dodatkowych kosztów związanych z przystosowaniem pojazdu do zasilania paliwem alternatywnym, kosztu paliwa i infrastruktury, gaz ziemny okazuje się alternatywą dla paliw ropopochodnych [15]. Za paliwem tym przemawiają również takie jego zalety jak m.in. [21]: niska emisja cząstek stałych, dwutlenku węgla oraz składników toksycznych w trakcie rozruchu silnika [3], szeroki zakres zapalności mieszanki, brak emisji benzenu oraz znikoma emisja aldehydów,

16 2. Gaz ziemny jako paliwo do pojazdów 16 wyższa temperatura zapłonu, utrudniająca samozapłon mieszanki a tym samym zwiększenie bezpieczeństwa eksploatacji, duża liczba oktanowa (umożliwiająca zwiększenie stopnia sprężania), mniejsza prędkość spalania wpływająca na zmniejszenie hałasu silnika. Na podkreślenie zasługuje kwestia bezpieczeństwa urządzeń i tankowania. W świadomości opinii publicznej uchodzi on za bardzo niebezpieczne medium. Biorąc pod uwagę właściwości gazu ziemnego (granice samozapłonu w wąskim przedziale procentowego udziału gazu ziemnego w powietrzu oraz wysoką temperaturę zapłonu) jest to bardziej bezpieczne paliwo niż benzyna, olej napędowy czy ciekły gaz ziemny. Technologia wytwarzania zbiorników wysokociśnieniowych zapewnia bezpieczeństwo gromadzenia gazów pod ciśnieniem nawet do 7 MPa, gdy tymczasem ciśnienie robocze w zbiornikach CNG w pojazdach nie przekracza 25 MPa. Jeśli z jakiegoś powodu nastąpiłoby rozszczelnienie zbiornika ze sprężonym gazem ziemnym, to konstrukcja takiego zbiornika zapewnia, iż rozszczelnienie następuje bez wybuchu i rozerwania butli, a poprzez wyciek. Dla sprężonego gazu ziemnego oznacza to gwałtowne zmniejszenie jego temperatury wskutek rozprężenia, co z kolei praktycznie uniemożliwia zapalenie się tego gazu, gdyż temperatura zapłonu wynosi ponad 63 o C. Gaz ziemny dla pojazdów kołowych jest paliwem o wielu zaletach i powinien być wykorzystany przede wszystkim tam, gdzie czynnikiem nadrzędnym jest ochrona środowiska (tab. 2.1). Oprócz ekologii głównymi uwarunkowaniami stosowania gazu ziemnego jako paliwa silnikowego do napędu pojazdów są: bezpieczeństwo jego użytkowania, niższa cena nabywcza od benzyn silnikowych, olejów napędowych, alkoholi i propanu-butanu oraz zbliżenie technologiczne do paliwa wodorowego mającego zastosowanie w silnikach spalinowych i w ogniwach paliwowych [29]. Tablica 2.1. Możliwości zastosowania gazu ziemnego jako paliwa w różnych typach pojazdów (opracowanie na podstawie [51, 52, 94]) Typy pojazdów Osobowe Paliwo LPG Biopaliwo Elektryczne Hybrydowe benzyna, olej napędowy CNG, LNG tak tak tak tak tak (CNG) Vany olej napędowy tak tak nie tak tak (CNG) Dostawcze olej napędowy nie tak nie tak tak (CNG) Autobusy olej napędowy nie tak tak tak tak (CNG) Autokary olej napędowy nie tak nie nie tak (LNG) Ciężarowe olej napędowy nie tak nie nie tak (LNG) Pozadrogowe olej napędowy nie tak nie nie tak (LNG) Lokomotywy olej napędowy, elektryczne? tak tak nie tak (LNG) Statki olej napędowy? tak nie nie tak (LNG) Zainteresowanie gazem ziemnym do napędu pojazdów pojawiło się w krajach mających łatwy do niego dostęp i tam gdzie jest dużo tańszy od innych paliw. Wiek XX był okresem dominacji paliw motoryzacyjnych wytwarzanych z ropy naftowej, natomiast w wieku XXI znaczący wpływ w ich bilansie może mieć gaz ziemny. Udokumentowane naturalne zasoby gazu ziemnego przeliczone na obecne globalne jego zapotrzebowanie wystarczą na około siedemdziesiąt lat, podczas gdy złoża ropy naftowej tylko na pół wieku. W ostatnich dziesięcioleciach odkryto na dnie oceanów i w obszarach wiecznej zmarzliny znaczne zasoby hydratów [65], których głównym składnikiem jest metan

17 2. Gaz ziemny jako paliwo do pojazdów 17 uwieziony w krystalicznej strukturze wody w postaci stałej. Zasoby hydratów w przeliczeniu na energię są dwukrotnie większe od zasobów wszystkich paliw kopalnianych (węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego). W porównaniu z benzyną i olejem napędowym zastosowanie do napędu pojazdów gazu ziemnego powoduje znaczne zmniejszenie ilości emitowanych substancji szkodliwych a nawet całkowite wyeliminowanie niektórych z nich. Warto zauważyć znaczne obniżenie emisji podstawowego produktu spalania, jakim jest dwutlenek węgla w porównaniu do pozostałych paliw, z powodu niskiego stosunku węgla pierwiastkowego do wodoru w gazie ziemnym, oszacowanego na,255. Gaz ziemny jest paliwem spełniającym wszystkie poziomy zanieczyszczeń wymagane w Europie i zapisywane w kolejnych rygorystycznych normach od Euro 2 do Euro 6, które ograniczają dopuszczalną emisję drogową substancji szkodliwych pochodzących z pojazdów samochodowych. Kolejnym aspektem ekologicznym stosowania gazu ziemnego, jako paliwa do pojazdów jest zmniejszenie drgań i głośności pracy silnika przeciętnie o kilka decybeli, co znacznie zwiększa komfort jazdy [83]. Innymi atrybutami stosowania sprężonego gazu ziemnego do napędu pojazdów poza korzystnym wpływem na środowisko i większym bezpieczeństwem są [31, 39, 42]: znacznie większe zasoby gazu ziemnego od zasobów ropy naftowej, ogólna dostępność i możliwość bezpośredniego wykorzystania złóż lokalnych, brak konieczności magazynowania gazu na niektórych stacjach napełniania, dogodność i łatwość transportu gazu (niezależność od pogody i transportu samochodowego), dodatkowa dywersyfikacja rynku paliwowego zwiększającego konkurencyjność i wzrost bezpieczeństwa dostaw (przez zróżnicowanie paliw, dostawców i odbiorców), niższe koszty związane z ekologia, niższe koszty eksploatacyjne (niższa na świecie cena gazu ziemnego od 15 do 5% w porównaniu z paliwami ciekłymi), mniejsze koszty budowy silnika zasilanego CNG, jako paliwem zasadniczym, kreowanie nowych miejsc pracy, unowocześnienie taboru samochodowego, możliwości nowych rozwiązań technicznych, stosowanie pojazdów dwupaliwowych (gaz + elektryczność, gaz + benzyna), zamknięty system napełniania od gazociągu do silnika, łatwość zapłonu silnika w niskiej temperaturze otoczenia (ponieważ paliwo jest zawsze w stanie gazowym), mniejsze zużycie oleju silnikowego i dłuższa żywotność silnika i filtrów oleju (z powodu lepszego smarowania gładzi cylindrów i braku osadzania się na ich ściankach cząstek stałych, jako konsekwencja słabej rozpuszczalności gazu ziemnego w związkach organicznych o dużej masie cząsteczkowej). Natomiast do wad można zaliczyć: nieznaczne zmniejszenie mocy silnika i prędkości pojazdu, mniejszy zasięg pojazdu, dotychczasowy negatywny odbiór społeczny gazu ziemnego, jako paliwa niebezpiecznego, dodatkowe koszty dotyczące nowych lub przerobionych pojazdów na gaz ziemny, koszty budowy związane z infrastrukturą stacji napełniania sprężonym gazem ziemnym, mała liczba stacji napełniania oraz trwające prace nad przepisami i normami. Wszystkie powyższe wady są możliwe do zminimalizowania, a niektóre z nich nawet do wyeliminowania.

18 2. Gaz ziemny jako paliwo do pojazdów 18 Gaz ziemny jest paliwem naturalnym, kopalnianym. Po wydobyciu wymaga tylko osuszenia, odsiarczenia i może być stosowany jako paliwo do silników spalinowych. Głównym składnikiem gazu ziemnego jest metan (CH 4 ) (83 98%), dodatkowo może zawierać również: etan, propan, butan i inne ciężkie węglowodory oraz zanieczyszczenia: siarkowodór, azot, dwutlenek węgla, powietrze, argon i inne w ilościach śladowych [2]. W tablicy 2.2 przedstawiono porównanie właściwości benzyny i gazu ziemnego. Tablica 2.2. Zestawienie głównych cech benzyn silnikowych i gazu ziemnego [37, 78] Parametr Jednostka benzyny Rodzaj paliwa metan Wartość opałowa MJ/kg 42,5 43,5 5 MJ/m ,82 Wartość opałowa mieszanki stechiometrycznej MJ/m 3 3,5 3,37 Teoretyczne zapotrzebowanie powietrza 14,7 17,2 Liczba oktanowa Gęstość badawcza motorowa w 2 o C kg/m 3 715,668 w o C kg/m 3,717 Granice wybuchowości % 1,16 7, 5 15 Prędkość spalania laminarnego m/s,3,6,34 Temperatura samozapłonu Temperatura wrzenia o C o C Ciepło parowania kj/kg Metan to najprostszy węglowodór parafinowy o najkrótszym łańcuchu. Cecha ta powoduje, że ma on największą wartość opałową spośród wszystkich węglowodorów. Metan ma bardzo dużą odporność na spalanie stukowe z powodu odporności termicznej nie ulega rozpadowi termicznemu do temperatury ok. 21 o C. Gaz ziemny ze względu na wyższą liczbę oktanową charakteryzuje się wyższą odpornością na spalanie stukowe, niż w przypadku benzyn można stosować wyższy stopień sprężania, a tym samym uzyskać wyższą sprawność. Mniejsza gęstość gazu ziemnego, niż benzyny sprawia, iż gaz ziemny doskonale miesza się z powietrzem podczas przygotowywania mieszanki paliwowo-powietrznej i nie występuje tu zjawisko wykraplania się kropel paliwa jak w przypadku benzyn. Z tego powodu silnik zasilany gazem ziemnym nie wymaga stosowania układu wzbogacania mieszanki podczas zimnego rozruchu oraz nagłego przyspieszania w czasie jazdy. Umożliwia to również łatwiejsze utrzymanie założonego, stechiometrycznego składu mieszanki paliwowo-powietrznej w czasie pracy silnika w warunkach nieustalonych. Z drugiej strony główny składnik gazu ziemnego, metan ma dużą wartość energii aktywacji więc prędkość laminarnego płomienia mieszanki gazowo-powietrznej jest mniejsza, niż mieszanki paliwa ciekłego. Powoduje to wydłużenie okresu spalania, a to przyczynia się do zmniejszenia sprawności obiegu [2]. Z powyższych porównań wynika, że żeby w silniku ZI zasilanym benzyną zastosować w sposób optymalny zasilanie gazem ziemnym należałoby zwiększyć wartość kąta wyprzedzenia zapłonu, zwiększyć stopień sprężania, zoptymalizować czasy otwarcia i zamknięcia zaworów, aby możliwe było całkowite spalenie ładunku. Jeżeli silnik po-

19 2. Gaz ziemny jako paliwo do pojazdów 19 jazdu ma być jednostką dwupaliwową to należałoby stosować rozwiązania kompromisowe. Technicznie trudne jest do osiągnięcia przez tę samą jednostkę silnikową dobrej pracy zarówno podczas zasilania benzyną jak i gazem ziemnym. Aby to osiągnąć silnik powinien być nowoczesną konstrukcją wyposażoną w systemy zmiennych faz rozrządu lub zmiany stopnia sprężania. Podobnie jak w odniesieniu do paliw płynnych, również w przypadku paliw gazowych obowiązują akty prawne regulujące ich właściwości. W Polsce wymagania jakościowe dotyczące gazu CNG określone są w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki z dnia 28 grudnia 26 r., w sprawie wymagań jakościowych dla sprężonego gazu ziemnego (CNG) DzU nr 251, poz W odniesieniu do gazu CNG w rozporządzeniu przewiduje się określenie takich parametrów, jak: zawartość siarkowodoru, zawartość siarki całkowitej, zawartość par rtęci, intensywność zapachu, ciepło spalania, zawartość wody, zawartość wyższych węglowodorów (propanu i butanu), zawartość pyłu i zawartość tlenu (tabl. 2.3). Warto zwrócić uwagę na odmienność wymagań obowiązujących w przypadku paliw gazowych i w przypadku ciekłych paliw silnikowych; szczególnie dotyczy to CNG. Tablica 2.3. Wymagania jakościowe dla gazu CNG określone w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki z dnia 28 grudnia 26 r. Parametr Jednostka minimum Zakresy maksimum Zawartość siarkowodoru mg/m 3 7, Zawartość siarki mg/m 3 4 Zawartość par rtęci g/m 3 3 Intensywność zapachu Ciepło spalania Zawartość wody (przy ciśnieniu 2 MPa i temperaturze 2 C) Zawartość wyższych węglowodorów (w temp. 3 o C) propan butan Zawartość pyłu o średnicy cząstek większej niż 5 μm % V/V MJ/m 3 zapach wyraźnie wyczuwalny, gdy stężenie gazu w powietrzu osiągnie wartość: a) 1,5 dla nominalnej liczby Wobbego 25 35, b) 1, dla nominalnej liczby Wobbego 41,5 5 a) 18 dla nominalnej liczby Wobbego 23 27, b) 22 dla nominalnej liczby Wobbego 27 32,5, c) 26 dla nominalnej liczby Wobbego 32,5 37,5, d) 3 dla nominalnej liczby Wobbego 37,5 45, e) 34 dla nominalnej liczby Wobbego mg/m 3 3 % Zawartość tlenu % (mol/mol) 5,8 1,8 mg/m 3 1,2

20 2. Gaz ziemny jako paliwo do pojazdów 2 Wymagania jakościowe wobec gazu CNG stosowanych jako paliwa silnikowe określone są również w polskich i europejskich normach, PN-EN ISO 1543:21 Gaz ziemny stosowany jako sprężone paliwo do pojazdów. Wymagania jakościowe określone przez Ministra Gospodarki w dużym stopniu są zbieżne z zapisami przywołanych norm Spalanie gazu ziemnego w silnikach spalinowych Praca mechaniczna silnika spalinowego jest wynikiem spalania paliwa. Spalanie to proces fizykochemiczny, w którym z dużą prędkością przebiega reakcja utleniania, polegająca na gwałtownym łączeniu się spalanej substancji z utleniaczem. Sam przebieg spalania zależy od jego warunków oraz od właściwości spalanego paliwa. Paliwo znajdujące się w komorze spalania w stanie innym niż gazowy nie ulega spaleniu i zostaje tracone [48]. W przypadku spalania paliw węglowodorowych przyjmuje się teorię spalania jako rozgałęzioną reakcję łańcuchową. Zgodnie z tą teorią zapłon powstaje w wyniku reakcji łańcuchowych, w których jako zjawisko wtórne wydziela się ciepło. Można tu wydzielić trzy etapy [82]: inicjowanie łańcucha (absorbowana energia powoduje wytworzenie cząstki aktywnej), wzrost łańcucha (aktywizacja kolejnych cząsteczek kosztem innych), zakończenie łańcucha (cząsteczki aktywne zanikają i nie tworzą się nowe). Początkowo w wyniku połączenia cząsteczki aktywnego tlenu z cząsteczką paliwa powstają aktywne organiczne nadtlenki (ROOR) bądź też hydronadtlenki (ROOH) C m H n + 2C 2 ROOR lub ROOH, gdzie: R rodnik węglowodorowy. W dalszej kolejności nadtlenki i hydronadtlenki ulęgają rozpadowi, produkty rozpadu ulegają dalszemu utlenieniu, w wyniku czego powstają aldehydy: para wodna, kwasy oraz CO i CO 2. W wyniku tego powstaje lawinowa reakcja cieplna z wydzieleniem się ciepła. Aby reakcja dalej się rozwijała musi być spełniony następujący warunek: szybkość powstawania nowych rodników węglowodorowych i innych cząsteczek aktywnych musi być większa, niż szybkość zrywania łańcuchów. Według teorii cieplnej szybkość wydzielania ciepła w procesach przedpłomiennych musi przewyższać szybkość odprowadzania ciepła do otoczenia, dopiero po spełnieniu tego warunku może dojść do rozpoczęcia reakcji chemicznej procesu spalania. Jeżeli zatem ilość ciepła wydzielająca się w wyniku reakcji jest większa od ilości ciepła odprowadzanego do otoczenia, to reakcja przebiega aż do całkowitego spalenia paliwa. Podczas rzeczywistej pracy silnika spalinowego w cylindrze znajduje się nie tylko mieszanka paliwowo-powietrzna ale również pozostałości spalin z poprzedniego cyklu pracy silnika. Aby mieszanka uległa spaleniu musi nastąpić najpierw jej zapłon, który jest możliwy pod warunkiem: odpowiedniego składu mieszanki roboczej (stężenie par paliwa na odpowiednim poziomie), energia iskry elektrycznej występującej między elektrodami świecy zapłonowej musi być odpowiednia dla danej mieszanki roboczej. Najbardziej zbliżonym do rzeczywistości wydaje się model łańcuchowo-cieplny [23]. Zakłada on, że dla progresywnego rozwoju reakcji łańcuchowych konieczny jest

21 2. Gaz ziemny jako paliwo do pojazdów 21 impuls cieplny. W literaturze z zakresu tematyki procesów spalania w silnikach ZI za początek spalania przyjmuje się chwilę pojawienia się iskry między elektrodami świecy zapłonowej i wyróżnia się trzy okresy spalania: okres wstępny (od chwili pojawienia się iskry do chwili wystąpienia wzrostu ciśnienia), okres właściwego spalania (od chwili wzrostu ciśnienia do chwili wystąpienia maksymalnego ciśnienia), okres dopalania (od chwili wystąpienia maksymalnego ciśnienia do zakończenia wydzielania się ciepła). W pracach [99, 1] stwierdzono, że utlenianie cząsteczek paliwa występuje już wcześniej, od chwili zmieszania paliwa z powietrzem w układzie dolotowym i później już w cylindrze przed wystąpieniem iskry elektrycznej. Mieszanka znajdująca się w cylindrze ogrzewa się od ścianek cylindra od denka tłoka i ścianek głowicy, co powoduje, że w mieszance do chwili wystąpienia iskry elektrycznej zachodzą reakcje utleniania niskotemperaturowego, których wynikiem są pośrednie produkty utleniania: aldehydy, alkohole, ketony, kwasy, hydrokwasy, nadtlenki itp. Dlatego zgodnie z powyższym w procesie spalania można zdefiniować cztery okresy [48] (rys. 2.8): 1. Okres wstępny rozpoczyna się w kolektorze dolotowym silnika i przebiega z małą, ale rosnącą intensywnością przez cały czas sprężania mieszanki. W okresie tym niektóre składniki węglowodorowe paliwa ulęgają rozkładowi, reagują z tlenem tworząc w niewielkiej ilości nadtlenki, aldehydy, alkohole i kwasy organiczne. Intensywność tych reakcji zależy m.in. od właściwości paliwa oraz czasu stykania się jego par z powietrzem. Im czas ten jest krótszy, np. przy zasilaniu wtryskowym, tym ilość produktów reakcji okresu wstępnego jest mniejsza. Rys Charakterystyczne punkty spalania w silniku ZI [48] 2. Okres powstawania płomienia (spalania utajonego) rozpoczyna się w chwili pojawienia się iskry miedzy elektrodami świecy zapłonowej, a kończy się (umownie) w chwili wystąpienia gwałtownego wzrostu ciśnienia spowodowanego spalaniem.

22 2. Gaz ziemny jako paliwo do pojazdów 22 W okresie tym charakterystyka wzrostu ciśnienia dla mieszanki zapalonej i niezapalonej jest taka sama. Obejmuje on czas opóźnienia zapłonu i wytworzenia krytycznego obszaru objętego płomieniem. Od tego czasu płomień może rozprzestrzeniać się już bez dopływu energii z zewnątrz. Pod koniec tego okresu szybkość wywiązywania się ciepła jest zbliżona do maksymalnej. Czas trwania okresu powstawania płomienia jest zdeterminowany właściwościami paliwa (mieszanki), energią iskry i stopniem sprężania. 3. Okres rozprzestrzeniania się płomienia (spalania właściwego) trwa od chwili przyrostu ciśnienia spowodowanego spalaniem do chwili wystąpienia maksymalnej wartości ciśnienia. W okresie tym czoło płomienia rozprzestrzenia się od obszaru początkowego przez całą objętość mieszanki i następuje bardzo szybkie wywiązywanie się ciepła, któremu towarzyszy gwałtowny przyrost ciśnienia. Okres ten kończy się wtedy, gdy czoło płomienia dochodzi do najodleglejszej ścianki komory spalania, czemu odpowiada maksymalna wartość ciśnienia. Czas trwania tego okresu zależy m.in. od ukształtowania i wymiarów komory spalania, umiejscowienia świecy zapłonowej, stopnia zawirowania mieszanki, kąta wyprzedzenia zapłonu oraz prędkości obrotowej i właściwości paliwa. 4. Okres dopalania trwa od chwili wystąpienia maksymalnej wartości ciśnienia do zakończenia wydzielania się ciepła. W okresie tym dopalają się resztki mieszanki w objętości komory spalania, a temperatura osiąga największą wartość. Ciśnienie zmniejsza się w wyniku wzrostu objętości zajmowanej przez ładunek, i zmniejsza się doprowadzanie ciepła. Okres ten jest zakończeniem procesu spalania.

23 3. Konstrukcje systemów zasilania gazem ziemnym 3.1. Budowa systemów zasilania gazem ziemnym Instalacje zasilania gazem ziemnym są znane praktycznie od powstania silnika ZI. Silnik skonstruowany w 186 roku przez francuza Etienne Lenoir zasilany był gazem świetlnym [43]. Od rodzaju instalacji zasilania paliwem gazowym, jej technicznego zaawansowania zależy, podobnie jak w przypadku układów zasilania benzyną, ilość związków toksycznych w spalinach. Ciągły rozwój układów zasilania paliwami konwencjonalnymi wymusza równoległy rozwój instalacji zasilania paliwami gazowymi. Oba typy instalacji, zarówno LPG (Liquefied Petroleum Gas skroplone paliwo gazowe), jak i CNG, składają się z bardzo podobnych elementów. W skład każdej z nich wchodzą: zbiornik paliwa z osprzętem (zwykle w instalacjach CNG stosuje się kilka zbiorników), elektrozawór gazowy, reduktor ciśnienia oraz wtryskiwacze gazu. Wszystkie elementy są połączone przewodami, sztywnymi (w części wysokociśnieniowej układu) lub elastycznymi (za reduktorem ciśnienia), w zależności od panującego w nich ciśnienia. Przechowywanie paliwa W instalacjach CNG gaz jest przechowywany w fazie gazowej pod bardzo wysokim ciśnieniem. Ciśnienie robocze dla butli CNG wynosi 2 MPa i jest 8-krotnie większe niż w przypadku zbiorników LPG (2,5 MPa). Pozwala to na znaczne zwiększenie gęstości magazynowanej energii, a tym samym zasięgu pojazdu. Dlatego też gaz ziemny przechowuje się w postaci sprężonej, co wymaga zastosowania odpowiednich zbiorników zdolnych do wytrzymania wysokiego ciśnienia. Aby zapewnić odpowiednią wytrzymałość, butle do CNG są produkowane z jednego materiału w procesie obróbki plastycznej (tłoczenie i przeciąganie na gorąco). Ścianki w ten sposób wykonanej butli mają grubość około 5 mm, pozwalającą na przechowywanie gazu pod ciśnieniem 2 MPa [11]. Podstawową wadą takich zbiorników jest ich duża masa, która w znaczny sposób ogranicza ładowność pojazdu (masa zbiornika stalowego o objętości 66 dm 3 wynosi 74 kg). Dlatego coraz częściej, szczególnie w samochodach osobowych i autobusach niskopodłogowych (gdy zbiorniki są na dachu), stosowane są znacznie lżejsze zbiorniki kompozytowe. W ich budowie wykorzystuje się aluminiowy wkład, na który nawijane jest włókno węglowe przesycane żywicą. W ten sposób otrzymuje się zbiornik zdolny pracować z ciśnieniem roboczym 2 MPa, którego masa jest znacznie mniejsza niż stalowego (dla zbiornika o objętości 65 dm 3 wynosi ona nieco ponad 2 kg, czyli 54 kg mniej w stosunku do stalowego). Do przechowywania gazu ziemnego stosuje się zbiorniki wysokociśnieniowe wyposażone w odpowiednie zawory zapewniające bezpieczną pracę oraz minimalizujące skutki w razie wypadku bądź innych niekorzystnych sytuacji losowych. Zbiorniki ciśnieniowe ze względu na ich budowę i zgodnie z normą ISO (Gas cylinder High pressure cilinders for the on-board storage of natural gas as a fuel for automotive vehicles) dzieli się na cztery typy (tabl. 3.1).

24 3. Konstrukcje systemów zasilania gazem ziemnym 24 Tablica 3.1. Typy zbiorników przechowywania gazu ziemnego w pojazdach Typ zbiornika Rodzaj materiału Stosunek masy zbiornika do objętości [kg/dm 3 ] Minimalne ciśnienie rozrywające [MPa] CNG-1 całkowicie stalowy 1, 45 CNG-2 CNG-3 CNG-4 korpus ze stopów lekkich, częściowo opleciony cienki korpus ze stopów lekkich, całkowicie opleciony całkowicie z materiałów kompozytowych,6,8 47 5,3,5 47 7,3, Najtańszym rozwiązaniem jest zbiornik typu CNG-1 (rys. 3.1a), który jest wykonany całkowicie ze stali. Powstaje w procesie przeciągania na gorąco rozgrzanego bloku stali o odpowiednim składzie. Tak powstała rura z dnem zamykana jest w procesie rolowania na gorąco. Po wykonaniu otworu gwintowanego pod zawór i zabezpieczeniu antykorozyjnemu zbiornik jest gotowy do eksploatacji. Zbiorniki CNG-1 to najstarsze rozwiązanie stosowane w pojazdach samochodowych na szeroką skalę już na początku ubiegłego wieku. Z ekonomicznego punktu widzenia jest to najtańsze rozwiązanie przechowywania sprężonego gazu ziemnego. Rozwiązanie to posiada jednak wadę, którą jest masa zbiorników. Masa zastosowanych zbiorników w znaczny sposób wpływa na dopuszczalną ładowność pojazdu, jego zużycie paliwa, czyli tym samym emisję związków toksycznych do atmosfery. Przykładowo w samochodzie VW Caddy Maxi w wersji zasilanej CNG masa butli to ok. 2 kg plus masa paliwa CNG ok. 34 kg. Jeżeli zastosowano by w nim butlę typu 3 bądź 4 (rys. 3.1b) to możliwe byłoby zredukowanie masy pojazdu o ok kg. Butle stalowe znajdują natomiast szerokie zastosowanie w produkowanych obecnie samochodach osobowych i dostawczych np. VW Passat EcoFuel, Opel Zafira, Fiat Multipla, Mercedes Sprinter NGV czy Iveco Daily. a) b) Rys Rodzaje zbiorników gazu ziemnego: a) stalowy zbiornik typu CNG-1 w samochodzie Fiat Panda Natural Power, b) kompozytowe zbiorniki Mercedes B18 NGT [19] Zbiorniki typu 2 oraz 3 posiadają korpus z metali lekkich wzmocniony oplotem z włókien szklanych, węglowych lub kewlaru. Obecnie zbiorniki typu 3 spotyka się najczęściej w autobusach miejskich. Są to przede wszystkim niskopodłogowe autobusy miejskie, w których butle umieszcza się na dachu. Zastosowanie stalowych butli spo-

25 3. Konstrukcje systemów zasilania gazem ziemnym 25 wodowałoby znaczne zwiększenie masy autobusu (rys. 3.2a), ale również niekorzystnie wpłynęłoby na właściwości trakcyjne poprzez zmianę środka ciężkości pojazdu. Zbiorniki typu 4 wykonane są w całości z kompozytów i mają najlepszy stosunek swojej masy do objętości. Niestety zbiorniki typu 3 i 4 są wielokrotnie droższe w produkcji niż zbiorniki typu 1 i dlatego swoje zastosowanie znajdują w pojazdach, w których istnieje potrzeba zmagazynowania dużych ilości paliwa przy ograniczonych możliwościach zwiększania masy całkowitej pojazdu. Zbiorniki typu 4 składają się z wkładu wykonanego z materiału niemetalowego z pełnym oplotem z włókna węglowego i szklanego, przesycanym żywicą epoksydową. Spotyka się także zbiorniki z oplotem wykonanym z włókien aramidowych. Będąca elementem nośnym zbiornika kompozytowego powłoka wykonana z różnego rodzaju włókien musi być nawijana w ściśle określonych i kontrolowanych warunkach. Włókno w postaci ciągłej jest nakładane ze ściśle określonym naprężeniem (rys. 3.2b). Gotowy metalowy lub kompozytowy wkład zbiornika z zamontowanym króćcem do wkręcenia zaworu jest umieszczany na maszynie do nawijania włóknem ciągłym. W czasie nawijania włókno jest nasączane odpowiednią ilością żywicy epoksydowej znajdującej się w wannie impregnującej. Naprężenie włókna zależne od wielkości zbiornika jest monitorowane i archiwizowane razem z innymi parametrami procesu nawijania włókien i ich przesycania (czas procesu, temperatura żywicy, temperatura otoczenia). a) b) Rys Kompozytowe butle do przechowywania gazu ziemnego (a) oraz proces nawijania włókien (b) [96] Firma Tuffshell opatentowała konstrukcję butli z zastosowaniem piankowych wkładek w zewnętrznym oplocie z włókna szklanego, co powoduje absorbcję energii ewentualnego uderzenia (rys. 3.3). Rys Przekrój butli do przechowywania gazu ziemnego firmy Tuffshell [97]

26 3. Konstrukcje systemów zasilania gazem ziemnym 26 Kompozytowe zbiorniki do przechowywania sprężonego gazu ziemnego poddane są cyklowi badań, który obejmuje, m.in: hydrauliczną próbę ciśnieniową, ciśnieniowe testy zmęczeniowe w różnych temperaturach, próbę odporności udarowej zbiornika, próbę ogniową, odporność na przestrzelenie. W normie ISO określono również czas użytkowania butli do przechowywania CNG, który może wynosić maksymalnie 2 lat. Później butla, pomimo że może spełniać inne wymagania musi być wycofana z eksploatacji. Czas eksploatacji określa producent zbiornika, opierając się na założeniu, że butla będzie napełniana 1 razy w roku, co najmniej 15 razy w czasie całego okresu użytkowania. Rygorystyczne procedury związane z produkcją i badaniami zbiorników CNG oraz montowany w każdej butli zawór zespolony zapewniają bezpieczeństwo użytkowania samochodu zasilanego CNG. Osprzęt zbiorników Każdy zbiornik CNG zamontowany w pojeździe jest wyposażony w zawór zespolony, pozwalający na prawidłową i bezpieczną eksploatację butli. W skład zaworu zespolonego wchodzą następujące elementy (rys. 3.4): elektrozawór roboczy odcinający dopływ gazu do silnika w przypadku, gdy silnik nie pracuje, ręcznie sterowany zawór wypływu (zawór roboczy), stosowany w pracach serwisowych lub w sytuacji, kiedy trzeba odciąć dopływ paliwa do komory silnikowej, zawór zwrotny, uniemożliwiający przepływ z butli w kierunku zaworu tankowania, zawór ogniowy, zawór nadmiernego wypływu, ograniczający wypływ gazu ze zbiornika w przypadku uszkodzenia części wysokociśnieniowej instalacji; znajduje się on w części zaworu wewnątrz zbiornika, dzięki czemu zawór działa po uszkodzeniu części zewnętrznej zaworu zespolonego, zawór bezpieczeństwa, cechowany na ciśnienie 3 MPa, manometr, pozwalający na ocenę stanu napełnienia zbiorników instalacji gazowej; sygnał z niego jest również wykorzystywany do wysterowania wskaźnika poziomu paliwa gazowego na desce rozdzielczej. Rys Zawór zespolony zbiornika CNG, wyposażony w dwa zawory ogniowe: 1 cewka elektrozaworu roboczego, 2 króciec wyjściowy gazu ze zbiornika, 3 zawory ogniowe, 4 zawór nadmiernego wypływu, 5 pokrętło ręcznie sterowanego zaworu roboczego, 6 króćce, którymi uchodzi gaz po zadziałaniu zaworów ogniowych

27 3. Konstrukcje systemów zasilania gazem ziemnym 27 Przewody gazowe Do łączenia elementów instalacji CNG w części wysokociśnieniowej, w której panuje takie samo ciśnienie, jak w zbiorniku (2 MPa), używa się sztywnych przewodów stalowych, o znacznie większej wytrzymałości w stosunku do miedzianych stosowanych w systemach LPG. Przewody (bez szwu) powinny być wykonane ze stali nierdzewnej lub mieć pokrycie antykorozyjne (rys. 3.5). W części niskociśnieniowej instalacji (za reduktorem) stosowane są przewody elastyczne z uwagi na dużo mniejsze wartości ciśnienia. Rys Przewody gazowe w fabrycznej instalacji CNG samochodu Fiat Panda Natural Power: 1 stalowy, sztywny przewód doprowadzający gaz ze zbiorników paliwa (panuje w nim ciśnienie 2 MPa), 2 sztywny przewód za reduktorem ciśnienia (panuje w nim ciśnienie około,2 MPa), 3 elastyczny przewód łączący część niskociśnieniową z listwą wtryskiwaczy gazowych (kompensuje on drgania jednostki napędowej) Reduktor ciśnienia i elektrozawór gazowy Wykorzystywane w układach zasilania gazem ziemnym reduktory, nie odparowują paliwa, które jest przechowywane w stanie gazowym. Wymagana jest jednak znacznie większa redukcja ciśnienia z 2 MPa do,1,2 MPa. Z tego powodu reduktory stosowane w instalacjach CNG redukują ciśnienie w 2 lub 3 stopniach. Reduktor ciśnienia w systemach zasilania gazem ziemnym jest także ogrzewany cieczą z układu chłodzenia silnika, ponieważ przy rozprężaniu gazu gwałtownie obniża się jego temperatura. Elektrozawór gazowy stanowi integralną część reduktora (rys. 3.6). a) b) Rys Reduktory ciśnienia: a) firmy Emer, b) firmy Metatron

28 3. Konstrukcje systemów zasilania gazem ziemnym 28 Wtryskiwacze gazu Wiele z dostępnych na rynku wtryskiwaczy przechodzi podwójny proces homologacyjny i może być z powodzeniem stosowanych do dawkowania obu rodzajów paliw (LPG, CNG). Konstrukcyjnie są one właściwie identyczne. W przypadku systemów zasilania gazem ziemnym wymaganą większą wydajność wtryskiwaczy uzyskuje się przez zastosowanie większych dysz wkręcanych w kolektor dolotowy lub zwiększenie ciśnienia zasilania wtryskiwaczy (rys. 3.7). O różnych warunkach, w jakich pracują instalacje zasilane CNG i LPG, świadczą również różne regulaminy, według których są one homologowane. Systemy zasilane sprężonym gazem ziemnym muszą być zgodne z regulaminem 11, podczas gdy instalacje LPG są homologowane zgodnie z regulaminem 67. Rys Wtryskiwacze gazu są bardzo często homologowane według wymagań regulaminów 67 i 11, dzięki czemu mogą być używane zarówno w systemach LPG jak i CNG Sterowniki elektroniczne W obu systemach zasilania (LPG i CNG) sterowniki służą do wyznaczenia czasu otwarcia wtryskiwaczy gazowych. Często są to również urządzenia uniwersalne, przechodzące proces homologacyjny na zgodność z regulaminem 67 i 11, które mogą być z powodzeniem stosowane zarówno w systemach zasilania LPG, jak i CNG. Sterowniki są identyczne, a zmiana algorytmu działania, wynikająca z właściwości paliwa, następuje po wybraniu z poziomu menu rodzaju paliwa (LPG lub CNG). Systemy te w instalacjach nakładkowych korzystają z sygnału sterującego wtryskiwaczy benzynowych, które służą do sterowania wtryskiwaczami gazowymi (rys. 3.8). Rys Sterownik elektroniczny systemu zasilania gazem ziemnym samochodu MB Sprinter

29 3. Konstrukcje systemów zasilania gazem ziemnym 29 Sterowniki systemów CNG stosowanych jako fabryczne wyposażenie pojazdów działają podobnie jak układy benzynowe korzystając z szeregu parametrów odczytywanych z czujników zamontowanych na silniku (temperatura i obciążenie silnika, sonda lambda, prędkość obrotowa) oraz parametrów paliwa gazowego (ciśnienie i temperatura gazu) dostosowują czas wtrysku do aktualnego zapotrzebowania na paliwo Klasyfikacja systemów zasilania gazem ziemnym Klasyfikacja systemów zasilania gazem ziemnym może być przeprowadzona w wielu aspektach, jednak najczęściej przeprowadza się ją w odniesieniu do miejsca instalacji, sposobu magazynowania gazu ziemnego oraz sposobu jego dawkowania. Ze względu na miejsce montażu instalacje zasilania gazem ziemnym można podzielić na: fabryczne, nakładkowe. Instalacje fabryczne to takie, w które pojazd jest wyposażony już na etapie produkcji. To producent dobiera odpowiednie elementy układu, zapewnia ustawienie wymaganych parametrów. Można zatem stwierdzić, że wszystkie układy silnika są dobrane pod kątem zasilania paliwem gazowym. Dotyczy to przede wszystkim układów dolotowego, paliwowego, zapłonowego, wylotowego (w szczególności katalitycznego układu oczyszczania spalin) oraz kwestii kształtu komory spalania, umieszczenia świecy bądź świec zapłonowych. W układzie dolotowym stosuje się odpowiednie modyfikacje żeby w odpowiednim miejscu zainstalować elementy odpowiadające za dawkowanie paliwa gazowego, również kształt kolektora dolotowego jest tak projektowany aby ograniczyć zjawisko wybuchów (problem często spotykany w starszych generacjach instalacji gazowych). W zależności od tego czy dany silnik będzie zasilany tylko paliwem gazowym, czy też będzie to silnik zasilany dwupaliwowo, będzie występowała instalacja doprowadzająca paliwo gazowe i odpowiednio paliwo ciekłe. Pod pojęciem nakładkowe systemy zasilania gazem należy rozumieć systemy dodatkowo montowane przez użytkowników do już istniejących fabrycznych systemów zasilania benzyną [8]. Konwersji zasilania silnika pojazdu dokonują wyspecjalizowane zakłady montażu posiadające odpowiednie uprawnienia. Istnieje wielu producentów, którzy w swojej ofercie posiadają zestawy do przystosowania wielu pojazdów samochodowych do zasilania paliwem gazowym. Kolejnego podziału instalacji zasilania gazem ziemnym można dokonać ze względu na sposób przechowywania paliwa w pojeździe. Z uwagi na fakt, że gaz ziemny charakteryzuje się małą gęstością energii zawartej w jednostce objętości, w praktyce stosuje się dwa sposoby magazynowania gazu ziemnego: w postaci sprężonej oraz w postaci skroplonej [13]: sprężony do ciśnienia ok. 25 MPa (CNG), sprężany w odpowiednich stacjach sprężania i przechowywany w pojazdach w specjalnych zbiornikach wysokociśnieniowych, skroplony, w temperaturze 162 o C (LNG Liquefied Natural Gas) wymagający wcześniejszego skroplenia i przechowywany jest w pojazdach w specjalnych zbiornikach o odpowiedniej izolacji termicznej. Gaz ziemny po skropleniu zajmuje około 6-krotnie mniejszą objętość. W tej postaci zmagazynowana energia w jednostce objętości odpowiada ok. 75% zmagazyno-

30 3. Konstrukcje systemów zasilania gazem ziemnym 3 wanej energii w benzynie silnikowej oraz jest ponad 3-krotnie większa niż w przypadku sprężenia gazu ziemnego do ciśnienia 2 MPa. Dzięki temu zmagazynowanie gazu ziemnego w takiej postaci zajmuje mniej miejsca w porównaniu z tą samą ilością energii zgromadzonej w sprężonym gazie ziemnym. Konstrukcja systemów zasilania paliwami gazowymi przez lata była rozwijana, tak aby umożliwiać przystosowywanie do zasilania gazem silników wyposażonych w coraz to nowsze systemy zasilania benzyną. Przyjmuje się, że ze względu na sposób przygotowania mieszanki paliwowo-powietrznej systemy zasilania gazem dzieli się na pięć generacji. Podział ten obowiązuje zarówno dla instalacji zasilania gazem ziemnym (CNG), jak i gazem płynnym (LPG). Instalacje pierwszej generacji to najstarsze rozwiązanie umożliwiające przystosowanie do zasilania paliwem gazowym silników gaźnikowych. Paliwo gazowe podawane jest przez mieszalnik umieszczony między gaźnikiem a filtrem powietrza. Mieszalnik powoduje zmianę ciśnienia w układzie dolotowym, które niezbędne jest do właściwego wymieszania paliwa gazowego z powietrzem. Mieszalniki występują w różnych formach wykonania np.: palnikowy, rurkowy, prosty. Najczęściej są dedykowane do konkretnego typu układu zasilania (gaźnika) i od właściwego doboru mieszalnika do instalacji zasilania w przeważającej mierze zależy późniejsze działanie gazowego układu zasilania. Podciśnienie wywołane przez mieszalnik służy również do zmiany wydatku gazu przez reduktor gazu. Reduktor gazu posiada dwa stopnie redukcji. W przypadku instalacji CNG w pierwszym stopniu następuje redukcja ciśnienia z poziomu ciśnienia panującego w zbiorniku gazu (maksymalnie od ok. 23 MPa) do poziomu ciśnienia ok.,1 MPa [95]. Gwałtownemu spadkowi ciśnienia gazu w zbiorniku do wartości z pierwszego stopnia redukcji towarzyszy gwałtowne pobieranie ciepła ze ścianek reduktora. Aby zbilansować ciepło pobrane podczas rozprężania gazu, reduktor włączony jest w układ chłodzenia silnika. Ciepło odebrane z płynu chłodzącego silnik bilansuje ciepło niezbędne do prawidłowej pracy reduktora, zapobiegając jego ewentualnemu oblodzeniu. Drugi stopień reduktora odpowiada za dawkowanie ilości gazu potrzebnego do wytworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej. Wzrost podciśnienia wytworzonego przez mieszalnik powoduje przesunięcie membrany w reduktorze, która połączona z zaworem dozującym zwiększa ilość gazu dostarczanego do mieszalnika. Dodatkowo na przewodzie doprowadzającym gaz z reduktora do mieszalnika zamontowany jest zawór dławiący, mający za zadanie regulację wydatku gazu z reduktora w zależności od różnicy ciśnienia na przeponie drugiego stopnia reduktora. Poprawność działania tego typu instalacji zależy w dużym stopniu od zastosowanych elementów, poprawności montażu oraz ich regulacji. Regulacji dokonuje się przeważnie doświadczalnie; celem jest zapewnienie optymalnego składu mieszanki w każdym punkcie pracy silnika. Niestety systemy te nie gwarantują poprawnego składu mieszanki w całym zakresie pracy silnika. Brak tu rozwiązań umożliwiających korektę składu mieszanki w zależności od punktu pracy. Układ zasilania pierwszej generacji można porównać do gaźnika elementarnego z układu zasilania benzyną. Do wad tego rodzaju układów można zaliczyć: brak jakichkolwiek dodatkowych układów umożliwiających wzbogacenia mieszanki, bądź też układów oszczędzających paliwo, tak jak w przypadku zawansowanych gaźników. Do zalet tego rodzaju układów zasilania niewątpliwie należy prosta konstrukcja. Jest to jedyny system zasilania gazowego umożliwiający konwersję gaźnikowego silnika spalinowego. Układy drugiej generacji różnią się od poprzednich rozwiązań zastosowaniem zamiast stałej regulacji znajdującej się na przewodzie gazowym między reduktorem a mieszalnikiem, zaworu regulującego przepływ gazu z wykorzystaniem silnika krokowego. Zawór ten sterowany jest za pomącą urządzenia sterującego, które ma możliwość

31 3. Konstrukcje systemów zasilania gazem ziemnym 31 odczytu sygnałów z czujnika stężenia tlenu (sondy lambda), jak również i z innych czujników silnika. Wprowadzenie elektronicznie sterowanego zaworu regulującego przepływ gazu umożliwiła zachowanie stechiometrycznego składu mieszanki paliwowo-powietrznej w dużo większym zakresie pracy silnika, niż miało to miejsce w przypadku poprzedniej generacji. Instalacje gazowe drugiej generacji można stosować do silników gaźnikowych wyposażonych w czujnik stężenia tlenu, oraz do silników zasilanych wtryskowo, systemem wtrysku jednopunktowego oraz wielopunktowego. W celu poprawnego rozdziału mieszanki paliwowo-powietrznej do poszczególnych cylindrów odległość od mieszalnika do zaworu/zaworów dolotowych poszczególnych cylindrów musi być jednakowa. W przypadku kolektorów niesymetrycznych, występujących szczególnie w silnikach zasilanych wielopunktowym wtryskiem pośrednim nie ma możliwości uzyskania równomiernego rozdziału mieszanki. Aktualne wymogi dopuszczalnej emisji związków toksycznych w spalinach spowodowały, że praktycznie tylko instalacje trzeciej i czwartej generacji oraz nowsze rozwiązania techniczne są w stanie im sprostać. Celowo zatem nie dokonano w niniejszej pracy opisu działania instalacji mieszalnikowych (pierwszej i drugiej generacji). Po pierwsze ich stosowanie najczęściej nie miało nic wspólnego z polepszeniem właściwości ekologicznych pojazdu, było najczęściej powodowane chęcią uzyskania korzyści ekonomicznych spowodowanych atrakcyjną ceną paliwa gazowego w porównaniu z ceną benzyny. Po drugie, żaden z producentów samochodów nie montował tego typu instalacji jako fabrycznego wyposażenia pojazdu. Zastosowanie w układzie wylotowym reaktora katalitycznego niesie konieczność zasilania silnika mieszanką o składzie stechiometrycznym. Dopiero wtedy reaktor osiąga najwyższą sprawność. Jedynie instalacje od trzeciej generacji wzwyż są w stanie tak dokładnie dawkować paliwo, aby uzyskać wymagany skład mieszanki paliwowopowietrznej w szerokim zakresie pracy silnika spalinowego. Również pojazdy fabrycznie przystosowane do zasilania gazem ziemnym to pojazdy wyposażone w instalacje trzeciej, bądź w przypadku pojazdów najnowszych, czwartej generacji. W instalacjach wtrysku gazu paliwo dawkowane jest w pobliżu miejsca podawania benzyny. Jest to cecha wspólna dla instalacji trzeciej i czwartej generacji. Istnieją jednak różnice w sposobie dawkowania gazu i sposobie sterowania gazowym układem zasilania. W układach trzeciej generacji w reduktorze następuje zmniejszenie ciśnienia gazu od wartości panującej w zbiornikach gazu do wartości roboczej. Wartość robocza ciśnienia za reduktorem, dzięki zastosowaniu układu kompensacji umożliwia utrzymanie stałej wartości nadciśnienia w stosunku do ciśnienia panującego w kolektorze dolotowym. Następnie gaz dostarczany jest do dystrybutora gazu, który odpowiedzialny jest za odpowiednie dawkowanie gazu do silnika. Z dystrybutora gaz trafia do rozdzielacza, z którego kierowany jest do kolektora dolotowego silnika. Liczba wyjść z rozdzielacza odpowiada liczbie cylindrów silnika. Dystrybutor to zespół najczęściej dwóch zaworów elektromagnetycznych, z których jeden odpowiada za zamykanie i otwieranie dopływu gazu, natomiast drugi pełni funkcję zaworu regulującego przepływ gazu z reduktora do rozdzielacza. Jednostka sterująca gazowym układem zasilania na podstawie sygnałów prędkości obrotowej silnika, podciśnienia w kolektorze dolotowym oraz sygnałów z czujnika stężenia tlenu, sterując zaworem regulującym w dystrybutorze ustala skład mieszanki paliwowo-powietrznej. Dodatkowo na podstawie sygnałów z czujników ciśnienia gazu za reduktorem oraz temperatury gazu za reduktorem istnieje możliwość wprowadzenia korekty odnośnie ilości dawkowanego gazu. Urządzenie sterujące ma zapisaną dwuwymiarową mapę wtrysku: w zależności od obciążenia i prędkości obro-

32 3. Konstrukcje systemów zasilania gazem ziemnym 32 towej silnika odpowiednio steruje zaworem regulującym w dystrybutorze. Automatyczne przełączanie zasilania z benzynowego na gazowe realizowane jest z wykorzystaniem sygnału z czujnika temperatury reduktora; jeżeli temperatura osiągnęła założoną wartość następowało przełączenie rodzaju zasilania. Przewagę układów trzeciej generacji nad układami mieszalnikowymi stanowią przede wszystkim takie cechy jak [8]: dostarczenie paliwa gazowego w pobliżu zaworu dolotowego analogicznie do umieszczenia wtryskiwaczy benzynowych, co zminimalizowało możliwość wystąpienia zapłonów mieszanki w kolektorze dolotowym, wyeliminowanie konieczności dodatkowego dławienia przez mieszalniki, kryzy w układzie dolotowym, przez to nie zmienia się jakość pracy silnika na benzynie po zamontowaniu gazowego układu zasilania, zapewnienie stabilnego sterowania składem mieszanki przez sterownik gazowego układu zasilania z wykorzystaniem mapy wtrysku i wprowadzeniu odpowiednich korekt w zależności od warunków pracy silnika, poprawa stabilności oraz precyzji w sterowaniu składu mieszanki korzystnie wpływa na trwałość silnika i reaktora katalitycznego, zakłócenia ciśnienia w kolektorze: napór wiatru, zabrudzony filtr itp. nie wpływają na jakość pracy gazowej instalacji zasilania, możliwość automatycznego przełączania rodzaju paliw. Ciągły rozwój układów zasilania spowodował, że instalacje trzeciej generacji nie były w stanie odpowiednio zarządzać dawkowaniem paliwa gazowego, aby zapewnić eksploatację silnika na paliwie alternatywnym bliskiej eksploatacji na benzynie. Okazało się, że sygnał prędkości obrotowej i obciążenia (podciśnienia w kolektorze dolotowym) oraz mapa wtrysku zaprogramowana w urządzeniu sterującym instalacji zasilania gazem nie wystarczają do właściwego i precyzyjnego wytworzenia mieszanki paliwowo- -powietrznej. Układy sterujące pracą silnika zasilanego wielopunktowym wtryskiem benzyny korzystają nie tylko z sygnałów niezbędnych do prawidłowej pracy silnika i uzyskania jak najmniejszej emisji związków toksycznych w spalinach. Istotą działania sterowania gazowego układu zasilania czwartej generacji jest wykorzystanie sygnału sterującego czasem otwarcia wtryskiwacza benzynowego do określenia wymaganej dawki paliwa gazowego. Dzięki temu sterownik układu gazowego może korzystać z wszystkich dodatkowych informacji, jakie wykorzystywane są do określenia dawki paliwa płynnego w każdym punkcie pracy silnika. Cecha ta spowodowała praktycznie wyparcie z rynku instalacji trzeciej generacji. Reduktor gazu w instalacji czwartej generacji pozostał identyczny z tym stosowanym poprzednio. W miejscu dystrybutora i rozdzielacza zastosowano zespół elektrowtryskiwaczy o liczbie sekcji odpowiedniej do liczby cylindrów silnika. Konwersja silnika do bezpośredniego wtrysku paliwa (system piątej generacji) wymaga modyfikacji lub wymiany głowicy tak, aby pomieścić wtryskiwacze. W przypadku wielozaworowych silników o zapłonie iskrowym jest to zadanie bardzo trudne z uwagi na brak miejsca w głowicy. Rozwiązaniem jest system SPFI (spark plug fuel injector) [96]. Konwersja polega na wymianie świec zapłonowych na świece typu SPFI, które są wyposażone w kanały umożliwiające dostarczanie do komór spalania paliwa gazowego. Dzięki temu rozwiązaniu konwersja silnika może być stosunkowo tania, a zastosowanie wtrysku bezpośredniego przekłada się na możliwość uzyskiwania parametrów niedostępnych dla wersji zasilanych przez układy wtryskowe dawkujące paliwo gazowe do kanałów dolotowych kolektora.

33 3. Konstrukcje systemów zasilania gazem ziemnym 33 Zastosowanie technologii SPFI daje jednak taką możliwość, nawet w warunkach adaptacji silnika do zasilania gazowego (rys. 3.9). Wtrysk paliwa do komory spalania i występujący w jego trakcie efekt chłodzenia wskutek parowania paliwa zmniejsza niebezpieczeństwo wystąpienia spalania stukowego, dzięki czemu można zwiększyć stopień sprężania i zastosować doładowanie. Dodatkowym efektem zwiększenia stopnia sprężania jest poprawa wymiany ładunku w cylindrze. Brak paliwa w kanałach dolotowych przy bezpośrednim wtrysku paliwa zwiększa współczynnik napełnienia (można dostarczyć większą masę paliwa do cylindra). Czynniki te wpływają pozytywnie na sprawność silnika, której wartość zwiększa się. Przekłada się to na możliwość uzyskiwania większych parametrów jednostki napędowej przy jednoczesnym ograniczeniu zużycia paliwa. Wtrysk bezpośredni zwiększa także sprawność cieplną silnika przez odpowiednie uwarstwienie ładunku w komorze spalania. W różnych jej rejonach mieszanka paliwowo-powietrzna ma różny współczynnik nadmiaru powietrza, warunkujący zdolność do zapłonu. Mieszanka o składzie stechiometrycznym jest zgromadzona wokół świecy zapłonowej. Jest ona otoczona przez warstwę powietrza, która tworzy barierę termiczną ograniczającą przepływ ciepła do ścianek komory spalania, co skutkuje właśnie zwiększeniem sprawności cieplnej. Rys Połączenie świecy zapłonowej i wtryskiwacza gazu [96] W systemie piątej generacji możliwe jest zastosowanie świecy zapłonowej z wykonanym wzdłuż niej kanałem dostarczającym gaz. W części gwintowanej świecy ma on wymiary 1 2 mm. Do tego kanału przylutowana jest rurka dostarczająca paliwo gazowe z wtryskiwacza. Odległość między wtryskiwaczem, a ujściem końcówki kanału w komorze spalania wynosi około 11 mm. Do wtryskiwacza dostarczane jest paliwo gazowe pod odpowiednim ciśnieniem zależnym od ciśnienia w cylindrze (rys. 3.1). Podobnie jak w innych systemach dawkę reguluje się przez zmienny czas wtrysku gazu. System SPFI był badany w silniku Ricadro E6 (badawczy silnik o zmiennym stopniu sprężania służący do oceny efektywności różnych mieszanek paliwowych). Badania pozwoliły na porównanie tego rodzaju zasilania z optymalnie skalibrowanym systemem wtrysku gazu do kanałów dolotowych. System SPFI charakteryzuje się nieco mniejszą wydajnością w stosunku do systemów wtrysku gazu do kanałów dolotowych, chociaż sprawność wolumetryczna (objętościowa) jest znacznie większa. Jest to wynik ograniczeń przestrzeni, w jakiej powstaje mieszanka gazowo-powietrzna oraz czasu jej powstawania. Skutkuje to słabym wymieszaniem paliwa z powietrzem. Dodatkowo, gaz jest wtryskiwany w kierunku od elektrod świecy zapłonowej w chwili zapłonu. Powoduje to, że trudno w pobliżu świecy zapłonowej uzyskać mieszankę stechiometryczną.

34 3. Konstrukcje systemów zasilania gazem ziemnym 34 Rys Wtryskiwacz SPFI zabudowany w silniku Pomimo że spalanie metanu wtryskiwanego bezpośredniego do komór spalania jest szybsze w stosunku do systemów wtrysku gazu do kanałów dolotowych w początkowej fazie przebiega ono wolniej. Wynika to z uwarstwienia ładunku. Przeprowadzone badania potwierdziły [96], że proces bezpośredniego wtrysku jest zgodny z danymi dostępnymi w literaturze i stosunkowo łatwy do kontrolowania. Dopracowanie układu poprawi parametry uzyskane w trakcie wstępnych badań systemu SPFI, który mógłby stać się podstawowym rozwiązaniem do adaptacji silników do zasilania gazowego Przegląd rozwiązań konstrukcyjnych pojazdów zasilanych gazem ziemnym Historia zasilania pojazdów CNG Silniki zasilane gazem mają długą historię: już podczas prac nad pierwszymi silnikami stosowano do ich napędu paliwa gazowe. Również pierwsze silniki produkowane przez firmę Deutz to silniki zasilane paliwami gazowymi. Wskutek dalszego rozwoju konstrukcji silników spalinowych oraz użycia ich głównie do napędu pojazdów, szerokie zastosowanie znalazły paliwa płynne, których niewątpliwą zaletą była dużo łatwiejsza dystrybucja i magazynowanie w pojeździe w stosunku do paliw gazowych. W przypadku stosowania ich do zasilania pojazdów wymagały stworzenia skomplikowanej instalacji ciśnieniowej oraz stacji sprężania i tankowania. W okresie II wojny światowej i po jej zakończeniu z powodu dużych problemów z dostępnością paliw ropopochodnych znacząco wzrosło zainteresowanie paliwami gazowymi. Stosowano rozwiązania polegające na użyciu generatorów gazu drzewnego, którym zasilano czterosuwowe silniki ZI. Również wzrosło zainteresowanie sprężonym gazem ziemnym. W Polsce na początku lat 5. XX w. jeździło ponad 2 pojazdów zasilanych metanem [8]. Były to głównie duże pojazdy ciężarowe i specjalistyczne, gdzie istniała możliwość zamontowania odpowiedniej liczby stalowych butli, umożliwiając osiągnięcie oczekiwanego zasięgu pojazdu. Były to samochody z dużymi gaźnikowymi czterosuwowymi silnikami ZI. Zgodnie z klasyfikacją gazowych układów zasilania był to system 1 generacji.

35 3. Konstrukcje systemów zasilania gazem ziemnym 35 Na początku lat osiemdziesiątych XX wieku ponownie wzrosło zainteresowanie paliwami gazowymi jako paliwami do pojazdów. Spowodowane to było kryzysem paliwowym, mniejszą ceną paliw gazowych, a jednocześnie wynikało z możliwości ograniczenia emisji związków toksycznych w spalinach. Od tego okresu obserwuje się stopniowy wzrost zainteresowania pojazdami zasilanymi gazem ziemnym, najczęściej pojazdy były w tym okresie adaptowane do takiego zasilania. Poprzez montaż instalacji zasilania CNG powstawały pojazdy zasilane dwupaliwowo. Zainteresowanie oraz liczba tego typu pojazdów była zróżnicowana w różnych rejonach świata i była uzależniona od dostępnych sieci tankowania oraz ceny paliw. Powstało wiele firm zajmujących się produkcją kompletnych instalacji umożliwiających przystosowanie pojazdu pierwotnie zasilanego benzyną do zasilania gazem ziemnym, jak i również gazem skroplonym. Producenci pojazdów także dostrzegli tę tendencję na rynkach i rozpoczęli uzupełnianie swojej oferty o pojazdy przystosowane do zasilania paliwami gazowymi. Rozpowszechnieniu uległo również stosowanie gazu ziemnego jako paliwa do napędu pojazdów ciężarowych i autobusów Współczesne rozwiązania systemów zasilania CNG W ciągu ostatnich 15 lat zauważa się znaczący wzrost zainteresowania producentów pojazdami zasilanymi paliwami alternatywnymi. Ma na to znaczący wpływ zarówno cena paliw konwencjonalnych w stosunku do paliw alternatywnych, polityka podatkowa niektórych państw (ulgi podatkowe dla użytkowników pojazdów zasilanych paliwami alternatywnymi) oraz rosnące zapotrzebowanie na pojazdy emitujące mniej szkodliwych związków w spalinach. Wprowadzenie przez producentów na rynek rozwiązań sprawdzonych, bezpiecznych oraz zapewniających długą i bezawaryjną eksploatację wymagało stopniowego i ciągłego rozwoju układów zasilania gazem ziemnym. Należało zatem rozwinąć, dostosować takie układy jak: układ tankowania, magazynowania, przesyłania sprężonego gazu ziemnego, systemy redukcji ciśnienia gazu, układy wtrysku gazu, silnika przystosowanego do spalania gazu oraz system oczyszczania spalin. Stopniowo zdobywane doświadczenia z eksploatacji pojazdów w rzeczywistych warunkach prowadziły do ciągłego doskonalenia stosowanych rozwiązań i stopniowego zwiększania liczby oferowanych modeli. Do czołowych europejskich producentów pojazdów, którzy zdecydowali się na produkcję i udoskonalanie pojazdów zasilanych fabrycznie metanem zalicza się m.in. takie firmy jak: Mercedes, Opel (GM), Fiat, Volvo, Volkswagen. Analizując ofertę oraz rozwiązania techniczne wymienionych koncernów można zauważyć jak stopniowo udoskonalano wprowadzane modele na rynek (rys. 3.11). Rys Historia wprowadzania na rynek europuejski pojazdów zasilanch gazem ziemnym produkowanych przez konzern VW

36 3. Konstrukcje systemów zasilania gazem ziemnym 36 W dalszej części podrozdziału dokonano przeglądu zastosowanych rozwiązań technicznych układów zasilania gazem ziemnym pojazdów dostępnych w ofercie firmy Volkswagen w ciągu ostatnich 15 lat. Golf Variant Bi-Fuel W roku 22 rozpoczęto produkcję pierwszego pojazdu marki Volkswagen przystosowanego fabrycznie do zasilania sprężonym gazem ziemnym. Golf Bi Fuel powstał na bazie seryjnego modelu Golfa czwartej generacji w wersji nadwoziowej Kombi (Variant) [18]. Samochód ten opuszczał linię produkcyjną jako pojazd zasilany benzyną. Następnie był przystosowywany do zasilania sprężonym gazem ziemnym. Jedynymi elementami instalacji gazowej, które zamontowane były bezpośrednio na linii produkcyjnej były przewody elektryczne dostosowane do nowych czujników i elementów wykonawczych wchodzących w skład instalacji zasilania CNG oraz zintegrowany sterownik silnika (sterujący pracą silnika podczas pracy na obu rodzajach paliwa). Pozostałe elementy układu CNG odpowiadały rozwiązaniom technicznym dla typowej instalacji nakładkowej, dzięki której można przystosowywać różne pojazdy do zasilania CNG (rys. 3.12). W tym wypadku za dobór rodzaju instalacji, jej kompletację i programowanie odpowiadał bezpośrednio producent pojazdu. Do pojazdu montowano 2 kompozytowe zbiorniki na sprężony gaz ziemny (typu 4) wyposażone w odpowiednie zespoły zaworów oraz przewody wysokociśnieniowe łączące butle z zaworem tankowania oraz reduktorem ciśnienia gazu umieszczonym komorze silnika. W reduktorze ciśnienie gazu ulegało redukcji do ok. 1,9 MPa na pierwszym stopniu oraz na drugim stopniu do ok.,9 MPa. Z reduktora gaz kierowano przez listwę rozdzielającą do 4 wtryskiwaczy gazu. Reduktor ciśnienia gazu włączony został w obieg układu chłodniczego silnika, tak aby zrównoważyć spadek temperatury związany z obniżeniem ciśnienia gazu ziemnego. Rys Schemat instalacji zasalania gazem pojazdu Golf Variant Bi-Fuel Opisywany pojazd wyposażony był w seryjny zbiornik paliwa konwencjonalnego, co decydowało o dwupaliwowym rodzaju zastosowanego napędu. Do wyboru rodzaju paliwa służył przełącznik umieszczony po prawej stronie kierownicy. Kierowca był informowany o aktualnej ilości gazu, zużyciu średnim i chwilowym oraz o przewidywanym zasięgu pojazdu dzięki informacjom na centralnym wyświetlaczu. Użytkownik mógł samodzielnie dokonać wyboru rodzaju paliwa. W przestrzeni bagażowej, w miejscu koła zapasowego umieszczono dwa kompozytowe zbiorniki CNG (typ 4) (rys. 3.13).

37 3. Konstrukcje systemów zasilania gazem ziemnym 37 Rys VW Golf Bi Fuel: rozmieszczenie butli CNG, widok komory silnika oraz przełącznik wyboru rodzaju paliwa [111] Do napędu pojazdu zastosowano seryjny benzynowy silnik o objętości skokowej 1984 cm 3, który został adaptowany do zasilania gazem ziemnym. Podstawowe dane techniczne silnika przedstawiono w tab Tablica 3.2. Dane techniczne silnika VW Golf Bi Fuel [87] Oznaczenie silnika Parametr Wartość BEH Objętość skokowa 1948 cm 3 Rodzaj rzędowy, 4-cylindrowy Ilość zaworów na cylinder 2 Średnica tłoka 82,5 Skok tłoka 92,5 Stopień sprężania 1,5:1 Moc maksymalna: benzyna gaz ziemny Maksymalny moment obrotowy: benzyna gaz ziemny Paliwo 85 kw przy 525 obr/min 75 kw przy 55 obr/min 175 Nm przy 325 obr/min 151 Nm przy 375 obr/min benzyna 95 / gaz ziemny Norma czystości spalin Euro 3

38 3. Konstrukcje systemów zasilania gazem ziemnym 38 Na podstawie załączonej tabeli można stwierdzić znaczną różnicę, co do wartości mocy maksymalnej i maksymalnego momentu obrotowego. Podczas zasilania sprężonym gazem ziemnym moc silnika jest mniejsza o wartość ok. 11,5% w stosunku do mocy uzyskiwanej podczas zasilania silnika benzyną, a maksymalny moment obrotowy jest odpowiednio mniejszy o ok. 13,5%. Wynika z tego, iż silnik opisywanego pojazdu nie posiada jakichkolwiek zmian konstrukcyjnych związanych z adaptacją do zasilania gazem ziemnym. Silnik zawsze uruchamiany jest w trybie zasilania benzyną, warunki konieczne do przełączenia na zasilanie gazem ziemnym to [87]: ciśnienie gazu w zbiornikach większe niż 13 bar, temperatura cieczy chłodzącej wyższa niż 2 o C, prędkość obrotowa silnika większa niż 2 obr/min, przełącznik wyboru rodzaju zasilania w pozycji GAS. W latach wyprodukowano ok. 256 szt. tych pojazdów. Z dzisiejszej perspektywy taką liczbę pojazdów można traktować jako serię informacyjną, dzięki której producent mógł dokonać rozpoznania zapotrzebowania na rynku oraz dokonał sprawdzenia dostępnych wówczas rozwiązań technicznych w rzeczywistych warunkach eksploatacji [19]. Touran Eco Fuel, Caddy Eco Fuel W roku 26 na rynek wprowadzono dwa modele przystosowane do zasilania sprężonym gazem ziemnym: Volkswagen Touran Eco Fuel i Caddy Eco Fuel. Samochody te wyposażone były w identyczny układ napędowy, gdyż wykorzystano do ich budowy tą samą płytę podłogową. Różnice w układzie zasilania sprężonym gazem ziemnym dotyczą jedynie układu i geometrii zastosowanych butli CNG, oraz ich systemu mocowania do podwozia i wynikają z różnic w tylnej części nadwozia obu pojazdów. Elementy układu zasilania CNG przedstawiono na rys Oba pojazdy posiadają zbiornik na benzynę o znacznie zmienionej objętości do ok 12 dm 3. Dzięki temu uzyskano dodatkowe miejsce na umieszczenie butli ze sprężonym gazem ziemnym, co znacząco wpłynęło na zwiększenie zasięgu pojazdów podczas zasilania paliwem alternatywnym. a) b) Rys Rozmieszczenie elementów instalacji CNG w pojeździe: a) Caddy Eco Fuel, b) Touran Eco Fuel [9]

39 3. Konstrukcje systemów zasilania gazem ziemnym 39 Optymalizacje przystosowujące silnik do zasilania gazem ziemnym polegały w głównej mierze na [9]: zwiększeniu stopnia sprężania przez zastosowanie innych tłoków (rys. 3.15), wzmocnieniu zaworów dolotowych, wzmocnieniu gniazd zaworów dolotowych i wylotowych, zastosowaniu nowego kolektora dolotowego z zintegrowanymi wtryskiwaczami gazu (rys. 3.15b). a) b) Rys Zmiany w silniku zasilanym gazem ziemnym: a) porównanie tłoka silnika benzynowego i silnika przystosowanego do zasilania gazem ziemnym Eco Fuel, b) kolektor dolotowy silnika przystosowanego do zasilania gazem ziemnym Eco Fuel [9] Dzięki takiemu przystosowaniu silnika do spalania gazu ziemnego, generowana moc i moment obrotowy pozostawały stałe bez względu na rodzaj paliwa, którym był zasilany silnik. Aby zapewnić właściwy skład spalin zastosowano usprawniony reduktor katalityczny, który umożliwiał właściwą redukcję związków szkodliwych również podczas spalania paliwa alternatywnego. W pojazdach zastosowano stalowe butle na sprężony gaz ziemny, z których każda wyposażona była w zespół zaworowy integrujący zawory (rys. 3.16) [9]: zawór serwisowy, umożliwiający manualne zamknięcie zaworu i przeprowadzenie np. prac serwisowych, bądź też wyłączenia danej butli z eksploatacji, zawór elektromagnetyczny, który otwierając się po włączeniu zapłonu umożliwia przepływ gazu w kierunku reduktora ciśnienia, Rys Zespół zaworów na butlach magazynujących sprężony gaz ziemny

40 3. Konstrukcje systemów zasilania gazem ziemnym 4 zawór ograniczenia nadmiernego wypływu, który w razie konieczności (kolizja drogowa i uszkodzenie zewnętrznej części zespołu zaworowego bądź też przewodów gazowych) umożliwia wypływ gazu z butli w sposób kontrolowany, zawór termiczny, który w przypadku wzrostu temperatury (np. w wyniku pożaru) chroni butle przed rozerwaniem wskutek znacznego wzrostu ciśnienia spowodowanego wzrostem temperatury. W komorze silnikowej znajduje się dwustopniowy, mechaniczny reduktor ciśnienia gazu, w którym ciśnienie zredukowane zostaje do ok,45 MPa i pod tym ciśnieniem gaz trafia do wtryskiwaczy umieszczonych na kolektorze dolotowym. Pracą układu gazowego steruje zintegrowany sterownik silnika, który odpowiedzialny jest za pracę silnika bez względu na zastosowane paliwo. Na rysunku 3.17 przestawiono schematycznie zestawienie elementów pomiarowych i wykonawczych zintegrowanego systemu sterowania silnikiem [9]. Rys Integracja systemu sterowania silnikiem zasilanego gazem ziemnym Pojazdy Caddy EcoFuel i Touran Ecofuel ze względu na mały zbiornik na benzynę i fakt, iż zasilanie paliwem konwencjonalnym traktowane jest jako sytuacja awaryjna (brak paliwa gazowego bądź też awaria systemu zasilana gazem) należą do grupy pojazdów nazywanych monowalentnymi. Rozruch silnika przy zasilaniu paliwem gazowym jest możliwy po spełnieniu następujących warunków [9]: temperatura cieczy chłodzącej większa niż 15 o C, ciśnienie gazu w zbiornikach większe niż,5 MPa, ciśnienie w listwie wtryskowej paliwa gazowego w zakresie od,35 do,65 MPa, od ostatniego wyłączenia silnika nie doszło do tankowania gazu. Jeśli temperatura cieczy jest niższa niż wymagana, to rozruch silnika nastąpi przy użyciu paliwa konwencjonalnego i gdy ciecz chłodząca osiągnie wymaganą temperaturę

41 3. Konstrukcje systemów zasilania gazem ziemnym 41 nastąpi automatyczna zmiana paliwa, o której kierowca zostanie poinformowany odpowiednim komunikatem na wyświetlaczu centralnym. Jeżeli w zbiornikach znajduje się mała ilość gazu ziemnego to praca silnika będzie możliwa po zatankowaniu paliwa. W listwie wtryskowej paliwa gazowego znajduje się czujnik ciśnienia, który przesyła informacje o wartości ciśnienia w przewodach gazowych przed wtryskiwaczami, i jeśli te wartości nie mieszczą się w założonym przedziale, to sterownik silnika nie pozwoli na zasilanie paliwem alternatywnym interpretując tę sytuację, jako możliwą awarię układu reduktora gazu, bądź nieszczelność w niskociśnieniowej części układu zasilania gazem. Jeżeli natomiast od ostatniego unieruchomienia silnika odbyło się tankowanie gazu, to rozruch nastąpi z użyciem paliwa konwencjonalnego. Jest to spowodowane tym, że sterownik silnika rozpocznie procedurę rozpoznania jakości zatankowanego gazu. Gaz ziemny dostępny na stacjach tankowania charakteryzuje się zmienną zawartością metanu, dlatego taka procedura jest niezbędna, aby sterownik określił odpowiednie czasy otwarcia wtryskiwaczy gazowych dla konkretnego składu gazu ziemnego znajdującego się w danym czasie w zbiornikach w pojeździe. Tak przeprowadzona adaptacja parametrów pracy układu dozującego paliwo sprawia, że bez względu na rodzaj i jakość zatankowanego gazu silnik zasilany jest mieszanką o składzie zbliżonym do stechiometrycznego (λ = 1). Podczas eksploatacji pojazdu również wszystkie elementy układu zasilania gazem są kontrolowane przez system diagnostyki pokładowej. Passat 1,4 TSI EcoFuel W roku 29 do sprzedaży jako uzupełnienie oferty firmy Volkswagen trafił Passat 1,4 TSI EcoFuel. Jeżeli chodzi o zastosowany system magazynowania CNG to jest on technicznie porównywalny z rozwiązaniami zastosowanymi w modelach Caddy i Touran EcoFuel (stalowe zbiorniki ciśnieniowe, zespoły zaworowe, przewody gazowe ze stali szlachetnej) rys Rys Rozmieszczenie zastosowanych elementów instalacji gazowej oraz zmiany w stosunku do pojazdu zasilanego benzyną Nowością natomiast był silnik zastosowany do napędu tego pojazdu, który powstał na bazie benzynowej jednostki z bezpośrednim wtryskiem benzyny do komory spalania. Aby bazową jednostkę benzynową wyposażoną w turbosprężarkę i sprężarkę mechaniczną przystosować do dodatkowego zasilania gazem ziemnym wprowadzono m.in. takie zmiany jak [88]:

42 3. Konstrukcje systemów zasilania gazem ziemnym 42 wzmocniona konstrukcja tłoków, sworzni tłokowych i pierścieni tłokowych, optymalizacja wałka rozrządu, dopasowanie czasów otwarcia zaworów bardziej płaska charakterystyka niż w przypadku modelu bazowego, optymalizacja materiału na zawory dolotowe i wylotowe, inny materiał prowadnic zaworowych i uszczelniaczy zaworowych, optymalizacja wtryskiwaczy benzynowych mająca w głównej mierze zapewnić lepsze odprowadzenie ciepła, i tym samym chronić wtryskiwacze przed nadmiernym obciążeniem cieplnym, optymalizacja kolektora dolotowego, zintegrowane wtryskiwacze gazu, zastosowanie pompy cieczy chłodzącej i pompy oleju w układzie smarowania o większej wydajności, wprowadzenie dodatkowych dysz olejowych w celu chłodzenia denek tłoków, zastosowanie chłodnicy oleju o zwiększonej wydajności, zoptymalizowanie turbosprężarki (geometria wirników), optymalizacja układu oczyszczania spalin. Dzięki tym zabiegom udało się uzyskać zbliżoną charakterystykę przebiegu mocy i momentu obrotowego silnika dla obu rodzajów stosowanego paliwa (tab. 3.3) Tablica 3.3. Podstawowe dane techniczne silnika 1,4 TSI EcoFuel Oznaczenie silnika Rodzaj silnika Parametr Wartość CDGA rzędowy 4-cylindrowy Objętość skokowa [cm 3 ] 139 Średnica tłoka [mm] 76,5 Skok tłoka [mm] 75,6 Stopień sprężania 1:1 Rodzaj zastosowanego doładowania Moc maksymalna Maksymalny moment obrotowy Paliwo Norma emisji spalin turbosprężarka, sprężarka mechaniczna 11 kw przy 55 obr/min 22 Nm przy obr/min CNG / benzyna Pb95 EU5(od 29 roku) Zastosowanie nowoczesnego silnika wymagało również zastosowania nowoczesnych elementów układu zasilania gazem ziemnym. Stosowane w innych modelach mechaniczne jedno- bądź dwustopniowe reduktory ciśnienia gazu okazały się konstrukcjami niespełniającymi wymagań. W Passacie EcoFuel zastosowano reduktor o nowej konstrukcji umożliwiający sterowanie ciśnieniem gazu na wyjściu w zakresie od,4 do 1 MPa. Dla poprawnego działania silnika przy pełnym obciążeniu, ciśnienie gazu na listwie wtryskowej wynosi ok. 1 MPa. Przy takiej wartości ciśnienia gazu, ale przy mniejszym obciążeniu silnika bądź podczas pracy na biegu jałowym, zaistniałby duży problem z zapewnieniem precyzyjnego dawkowania paliwa gazowego. Dla poprawy dokładności dawkowania paliwa przy mniejszych obciążeniach skrócono czasy otwarcia wtryskiwaczy, a jednocześnie zmniejszono wartości ciśnienia gazu w listwie wtryskowej. Dlatego w tych sytuacjach ciśnienie gazu na listwie zmniejszane jest do poziomu ok.,5 MPa. Dzięki temu również praca wtryskiwaczy w dolnym zakresie prędkości

43 3. Konstrukcje systemów zasilania gazem ziemnym 43 obrotowej jest cichsza oraz istnieje możliwość zwiększenia zasięgu na paliwie gazowym przez zapewnienie pracy układu zasilania gazem do chwili osiągnięcia w zbiornikach wartości ciśnienia do,6,7 MPa. Zastosowany reduktor składa się z pierwszego stopnia redukcji, gdzie następuje zmniejszenie ciśnienia gazu do wartości ok. 2 MPa, oraz z drugiego stopnia, gdzie redukcji ciśnienia gazu dokonuje się przy zastosowaniu zaworu proporcjonalnego (rys. 3.19). Dzięki temu możliwe jest utrzymywanie żądanej wartości ciśnienia w listwie wtryskowej gazu w zakresie,15 1 MPa Kolejną niewątpliwą zaletą tego typu reduktorów nazywanych często reduktorami mechatronicznymi [28] w odniesieniu do reduktorów mechanicznych jest szybkość i precyzja działania. Cechy te są szczególnie ważne, jeśli chodzi o precyzję dawkowania paliwa gazowego, gdzie na czas otwarcia wtryskiwacza gazowego mają wpływ zmieniające się parametry paliwa i silnika, takie jak m.in. jakość gazu, temperatura silnika, temperatura powietrza dolotowego, podciśnienie w kolektorze dolotowym, ciśnienie gazu w listwie wtryskowej. Zakłada się [28] że w przyszłości tylko takie rozwiązania techniczne znajdą zastosowanie i będą ulegać dalszemu udoskonalaniu. Rys Widok zastosowanego reduktora ciśnienia gazu Up! EcoFuel W roku 212 wprowadzono na rynek kolejny model fabrycznie przystosowany do zasilania gazem ziemnym. Był to Volkswagen Up! EcoFuel (i jego modele pokrewne, technicznie identyczne Skoda Citygo CNG i Seat Mii CNG). W przypadku tego modelu po raz pierwszy o możliwości zastosowania paliwa CNG pomyślano na etapie konstrukcji karoserii. Dla wariantów zasilanych CNG skonstruowano specjalnie tylną część podłogi, tak aby maksymalnie wykorzystać miejsce i zastosować butle CNG o możliwie dużej objętości, co bezpośrednio wpływa na zwiększenie zasięgu pojazdu podczas pracy na paliwie gazowym. Takie podejście do konstrukcji pojazdu umożliwia wszelkie optymalizacje dotyczące masy pojazdu co ma wpływ na zużycie paliwa (i emisję CO 2 ). Zastosowano sprawdzone we wcześniejszych modelach technicznie identyczne butle stalowe (typ 1) wraz z zespołami zaworowymi oraz ciśnieniowe przewody gazowe ze stali szlachetnej (rys. 3.2). Rys Widok VW Up! EcoFuel wraz z rozmieszczeniem układów instalacji gazowej

44 3. Konstrukcje systemów zasilania gazem ziemnym 44 Do redukcji ciśnienia zastosowano reduktor mechatroniczny, konstrukcyjnie podobny do stosowanego we wcześniejszych modelach Passata. Charakterystykę przebiegu ciśnienia gazu w zasobniku ciśnienia w zależności od prędkości obrotowej i obciążenia silnika przedstawiono na rys [17]. Rys Charakterystyka zmian ciśnienia gazu w zasobniku w funkcji prędkości obrotowej i obciążenia silnika Do napędu pojazdu zastosowano 3-cylindrowy rzędowy silnik z wtryskiem zarówno benzyny, jak i gazu do kolektora dolotowego. Przystosowanie benzynowego silnika do zasilania gazem ziemnym wymagało m.in. [17]: optymalizacji materiałów tłoków, pierścieni, zaworów dolotowych i wylotowych oraz prowadnic zaworowych, zwiększenia stopnia sprężania z 1,5 do 11,5, zwiększenia napięcia wyładowania w układzie zapłonowym, optymalizacji geometrii krzywek wałka rozrządu, optymalizacji układu oczyszczania spalin, optymalizacji czujnika stężenia tlenu, zwiększenie odporności na większą zawartość wody w spalinach podczas pracy silnika zasilanego gazem ziemnym. Kolejną istotną zmianą wprowadzoną w modelu Up! EcoFuel jest fakt, iż silnik może być uruchamiany podczas zasilania gazem ziemnym od tempretury otoczenia równej 1 o C. Poniżej tej temperatury następuje rozruch na benzynie i pózniejsze przełączenie na zasilanie gazem. Również po zatankowaniu gazu silnik jest uruchamiany na benzynie i jest to zamierzona procedura mająca za zadanie rozpoznanie składu i jakości gazu i na tej podstawie wyznaczenie właściwych czasów otwarcia wtryskiwaczy gazu. Audi A3 g-tron W roku 213 na rynek wprowadzono samochód Audi A3 g-tron. Podobnie jak w przypadku VW Up! EcoFuel również i w tym przypadku tylna część podłogi różni się od wersji zasilanych paliwami konwencjolanymi. Pozwoliło to wykorzystać dostępną przestrzeń na zabudowanie zbiorników na sprężone paliwo gazowe (rys. 3.22). W pojeździe zastosowano kompozytowe butle na sprężony gaz ziemny (typ 4) oraz zbiornik benzynowy o standardowej objętości, jak w przypadku pojazdu z napędem konwencjonalnym. Zastosowanie lekkich butli kompozytowych spowodowało mniejszy wzrost masy pojazdu w porównaniu z podobnymi butlami wykonanymi ze stali (typ 1)

45 3. Konstrukcje systemów zasilania gazem ziemnym 45 Rys Widok pojazdu wraz z elementami instalacji gazowej [86] o ok. 5 kg. Technika zespołów zaworowych, przewodów gazowych i mechatronicznego regulatora ciśnienia gazu jest identyczna z wcześniej opisywanymi modelami. Nowy natomiast jest zastosowany silnik. Powstał ona na bazie nowej jednostki benzynowej turbodoładowanej z bezpośrednim wtryskiem paliwa o mocy 9 kw. Podobnie jak w poprzednich jednostkach napędowych dokonano niezbędnych optymalizacji układów: tłokowo-korbowego, rozrządu, smarowania, chłodzenia oraz układu oczyszczana spalin, tak aby przystosować silnik do zasilania gazem ziemnym.

46 4. Problematyka rozprawy, jej cel i zakres Obecnie zauważalna jest wyraźna tendencja do globalnego traktowania zagrożeń środowiska ze strony motoryzacji. Przepisy zezwalające na dopuszczenie pojazdów do użytkowania (badania homologacyjne i zgodności produkcji), okresowe badania kontroli stanu technicznego oraz pozostałe akty prawne, związane bezpośrednio i pośrednio z produkcją, użytkowaniem i zagospodarowaniem zużytych wytworów cywilizacji, traktują zagadnienia ochrony środowiska w sposób kompleksowy. Na przestrzeni minionych lat, w poszczególnych państwach istniały różne systemy badań i kontroli emisji spalin z silników samochodowych, jednak od pewnego czasu następuje w tym zakresie daleko posunięta unifikacja. Rosnąca liczba pojazdów na świecie oraz zanieczyszczenie środowiska naturalnego powoduje wzrost wymagań w zakresie emisji szkodliwych składników spalin. Obecny stopień zaawansowania techniki i technologii we wszystkich dziedzinach przemysłu, w tym również we wszelkich rodzajach transportu, powoduje wzrost wymagań w zakresie produkcji urządzeń do pomiarów emisji spalin. Aby te wymagania mogły być spełniane w stopniu koniecznym do zmieniających się okresowo przepisów konieczna stała się koncentracja przemysłu w tej dziedzinie. Badania emisji toksycznych składników spalin są procesem skomplikowanym. Obecne analizatory do pomiaru emisji wymagają szczególnych warunków laboratoryjnych, a procedury homologacyjne obejmują testy na hamowniach silnikowych i podwoziowych, które jednak nie odzwierciedlają emisji w rzeczywistych warunkach eksploatacji. Najnowsze wyniki badań prowadzonych w warunkach rzeczywistych ukazują, że w przypadku niektórych składników toksycznych spalin emisja ta jest większa o kilkaset procent. W związku z powyższym dostrzegalny jest trend usankcjonowania pomiaru emisji w warunkach rzeczywistej eksploatacji pojazdów. Stosowanie paliw gazowych, przy prawidłowo działającej instalacji, pozwala zmniejszyć emisję związków szkodliwych w porównaniu do jednostek spalinowych zasilanych tradycyjnymi paliwami ciekłymi. Obecne ceny oleju napędowego oraz benzyny coraz częściej skłaniają użytkowników pojazdów do poszukiwań rozwiązań alternatywnych, pozwalających stosować tańsze paliwa [9]. Producenci pojazdów wprowadzają do oferty coraz więcej pojazdów hybrydowych, elektrycznych oraz zasilanych dwupaliwowo. W celu obniżenia kosztów eksploatacji użytkownicy najczęściej wybierają do zasilania silników spalinowych mieszaninę propanu i butanu LPG (Liquefied Petroleum Gas) lub gaz ziemny CNG (Compressed Natural Gas). Aby używać tego typu paliw, pojazd musi być wyposażony w dodatkową instalację. W przypadku nowych samochodów, większość producentów oferuje doposażenie pojazdu w np. fabryczną instalację gazową. Producent pojazdu jest wtedy zobowiązany zapewnić odpowiednią trwałość i wytrzymałość układu, a także spełnienie norm emisyjnych podczas użytkowania pojazdu. Wykorzystanie CNG jako paliwa pozwala w znaczący sposób obniżyć koszty eksploatacji. Jednak w rachunku ekonomicznym należy także uwzględnić koszty związane z zakupem pojazdu, corocznym przeglądem technicznym oraz konserwacją i regulacją instalacji. W Polsce liczba punktów oferujących CNG jest bardzo mała. Przed podjęciem decyzji dotyczącej zakupu pojazdu nowego z fabryczną instalacją, należy przeanalizować sposób jego eksploatacji, a także sieć punktów dystrybuujących wybrany rodzaj paliwa na najczęściej pokonywanych trasach. Dla użytkownika użytkującego pojazd, jednym z głównych argumentów podczas wyboru pojazdu jest rachunek ekonomiczny. W obliczu niemal każdej podwyżki cen paliw użytkownicy poszukują metody zmniejszenia kosztów paliwa. Według niemieckiej organizacji ADAC najtańsza jest eksploatacja aut napędzanych CNG [11]. Po-

47 4. Problematyka rozprawy, jej cel i zakres 47 jazdy przystosowane do zasilania paliwami gazowymi są jednak droższe od analogicznych modeli zasilanych wyłącznie benzyną. Niewątpliwie od końca ubiegłego wieku obserwowany jest wzrost zainteresowania wiodących koncernów motoryzacyjnych pojazdami przystosowanymi fabrycznie do zasilania CNG. Spowodowane jest to zarówno względami ekonomicznymi wynikającymi z korzystniejszej ceny paliw alternatywnych, polityką ulg podatkowych stosowaną w niektórych krajach Europy Zachodniej, jak i samym faktem chęci posiadania w swojej ofercie pojazdów przystosowanych do zasilania CNG przez wiodących producentów pojazdów. Poddając analizie przebieg tych pojazdów stwierdza się, że jest on znacznie większy w porównaniu z pojazdami zasilanymi paliwami konwencjonalnymi. Często spotykane są egzemplarze, które średnie przebiegi roczne mają na poziomie 75 9 tys. km (np. korporacje taksówkarskie, firmy kurierskie itp.). Interesującym wydaje się fakt oceny wielkości emisji związków szkodliwych dla pojazdów o dużym przebiegu (rzędu 5 km) w porównaniu z pojazdami o zdecydowanie mniejszym przebiegu. Na podstawie dostępnych rozwiązań na rynku można założyć, iż w przypadku pojazdów osobowych i dostawczych zasilanych CNG ich zasięg jest o około 5% mniejszy w porównaniu z tymi samymi modelami zasilanymi olejem napędowym [12, 14]. Wniosek ten jest słuszny w stosunku do pojazdów, które fabrycznie przystosowane są do zasilania sprężonym gazem ziemnym. Cecha ta powoduje, iż samochody zasilane CNG w większym stopniu są użytkowane w dużych aglomeracjach miejskich, bądź też w ich bezpośrednim pobliżu, ze względu na dostępność stacji tankowania gazem. Głównym celem rozprawy była ocena wpływu zastosowania zasilania sprężonym gazem CNG na parametry ekologiczne pojazdów w aspekcie ich użytkowania w eksploatacji naturalnej w aglomeracji miejskiej w odniesieniu do pojazdów zasilanych paliwem konwencjonalnym. Szczególny nacisk położono na porównanie parametrów ekologicznych w stosunku do takich samych pojazdów zasilanych benzyną. W związku z tym, że samochody osobowe zasilane CNG wykorzystuje się głównie w pobliżu lokalizacji stacji tankowania (duże miasta) największy nacisk w pracy położono na wyznaczenia aspektów ekologicznych właśnie w takich warunkach. W zakresie realizacji pracy przeprowadzono badania drogowe w rzeczywistych warunkach ruchu mające na celu określenie zależności między poszczególnymi parametrami emisyjnymi pojazdów. Badania wykonano w kilku etapach, z których najważniejsze to: a) badania parametrów ekologicznych pojazdów podczas rozruchu i nagrzewania się silnika w różnych temperaturach otoczenia dla różnych rodzajów rozruchu: zimnego i gorącego, b) badania parametrów ekologicznych pojazdów w zmiennych warunkach ruchu drogowego na kilku wybranych trasach, zarówno podczas testów zimowych, jak i letnich, c) badania parametrów ekologicznych pojazdów o różnych klasach emisyjnych i różnych przebiegach całkowitych, d) ocena parametrów ekologicznych pojazdu zasilanego sprężonym gazem ziemnym z reaktorami katalitycznymi o różnym okresie eksploatacji, e) badania porównawcze parametrów ekologicznych pojazdów z fabryczną instalacją sprężonego gazu ziemnego oraz montowaną poza wytwórnią. Do realizacji koncepcji pracy wykorzystano dostępny potencjał badawczy w postaci mobilnych analizatorów spalin, mogących mierzyć gazowe szkodliwe składniki spalin. Wykorzystanie danych z pokładowego systemu pomiaru stężenia związków toksycz-

48 4. Problematyka rozprawy, jej cel i zakres 48 nych w powiązaniu z systemem diagnostycznym pojazdów zasilanych gazem ziemnym umożliwia ocenę ekologiczną środka transportu podczas jego eksploatacji. Wzrastająca liczba pojazdów na świecie oraz zanieczyszczenie środowiska naturalnego powodują wzrost wymagań w zakresie emisji szkodliwych składników spalin. Problematyka pracy dotyczy więc aspektów bardzo ważnych w sensie ekologicznym, gdyż wpisuje się w nurt ochrony środowiska. W pracy badano zmianę emisji związków szkodliwych spalin pojazdów zasilanych dwupaliwowo nowych i po kilkuletniej eksploatacji w warunkach dużych aglomeracji miejskich oraz innych, które są możliwe po uwzględnieniu zasięgu pojazdu. Takie postępowanie było wynikiem wciąż małej liczby stacji tankowania gazem CNG i w związku z tym przyjęto założenie, że pojazdy takie są wykorzystywane głównie w obszarach, gdzie jest zapewniony dostęp do możliwie szybkiego zaopatrzenia w paliwo.

49 5. Metodyka badań 5.1. Procedury badawcze emisji zanieczyszczeń i zużycia paliwa Wyznaczenie emisji składników spalin z dowolnego pojazdu lub silnika możliwe jest kilkoma sposobami: a) na podstawie badań na hamowni silnikowej określa się stężenie składników spalin; uwzględniając zgodnie z normą przeliczniki dotyczące charakterystycznych wielkości poszczególnych składników spalin oraz wykorzystując zmierzone wartości mocy silnika, możliwe staje się wyznaczenie emisji jednostkowej [g/(kwh)] danego składnika spalin, b) na podstawie badań na hamowni podwoziowej określa się emisję spalin w określonym teście jezdnym, i również na podstawie norm i regulaminów możliwe jest określenie emisji drogowej [g/km; g/test] danego składnika spalin, c) na podstawie badań drogowych określa się stężenie składników gazowych oraz masę i liczbę cząstek stałych, a przy uwzględnieniu wydatku spalin również emisję drogową tych składników. Wartości emisji zanieczyszczeń z pojazdów (lub silników) określone na podstawie przedstawionych metod nie mogą być ze sobą porównywane. Sposób i warunki przeprowadzania prób są odmienne, co powoduje brak ujednolicenia tych metod. W pracy przyjęto, że badania emisji spalin i zużycia paliwa prowadzone będą z wykorzystaniem mobilnego układu do pomiaru emisji zanieczyszczeń PEMS (Portable Emission Measurement System). System taki umożliwia pomiar wszystkich parametrów pracy silnika i pojazdu [53]. Dopuszcza się jednak wykorzystanie, do określenia wartości obciążenia (momentu obrotowego) i prędkości obrotowej silnika, prędkości jazdy pojazdu, natężenia przepływu paliwa i temperatury czynnika chłodzącego, danych ze sterownika pojazdu. Przepisy wymagają, by były one dostarczane przez jednostkę sterującą pojazdu oraz odczytywane i rejestrowane przez systemy typu PEMS. Należy zasygnalizować, że wyniki badań emisji zanieczyszczeń pozyskiwane podczas badań drogowych są wartościami rzeczywistymi dla danego typu pojazdów i dotyczą konkretnych warunków drogowych. Warunki takie pozwalają oszacować stopień ekologiczności badanych pojazdów i ich silników podczas typowej eksploatacji [54 57]. Pomiarów natężenia emisji zanieczyszczeń dokonano według poniżej przedstawionego algorytmu, z zastrzeżeniem jego modyfikacji, która polegała na wprowadzeniu do niego elementów pozwalających na wykorzystanie w badaniach dwuwymiarowych charakterystyk we współrzędnych odnoszących się do silnika lub do pojazdu (odpowiednio były to współrzędne: obciążenie silnika prędkość obrotowa silnika oraz przyspieszenie pojazdu prędkość pojazdu). Masowe natężenie przepływu spalin wilgotnych G s oblicza się w g/s według wzoru: G s G G (5.1) gdzie: G p masowe natężenie przepływu powietrza wilgotnego [g/s], G e masowe natężenie zużycia paliwa [g/s]. Natężenie emisji poszczególnych zanieczyszczeń gazowych oblicza się (w g/s) na podstawie zależności: p e

50 5. Metodyka badań 5 E NO E x CO,966 c,1587 c NO CO x G G s s K H (5.2) (5.3) E HC,479 c HC G s (5.4) gdzie: c CO, c NOx, c HC stężenie tlenku węgla, tlenków azotu i węglowodorów w spalinach [ppm], K H współczynnik korekcyjny wilgotności NO x, współczynnik korekcyjny stężenia CO i NO x w spalinach suchych. Współczynnik K H oblicza się według wzoru [91]: gdzie: G A,39 G e p G B,29 G e p,266 K,954 H 1 A H 1 1,71 B T 298 zs (5.5) (5.6) (5.7) T ZS temperatura zasysanego powietrza [K], H wilgotność powietrza zasysanego w gramach wody na 1 kg suchego powietrza (zawartość wilgoci) [g/kg]. Wilgotność bezwzględną powietrza obliczyć można z następującej zależności: 6,22 p H pa x 1 gdzie: i wilgotność względna powietrza dolotowego [%], p a ciśnienie atmosferyczne [Pa], p ciśnienie nasycenia pary wodnej w powietrzu dolotowym [Pa]. Współczynnik oblicza się według wzoru: G 1 1,865 G e p 2 (5.8) (5.9) Emisję drogową zanieczyszczeń b j wyrażoną w gramach na kilometr oblicza się z zależności: ECO,HC,NOx bco,hc,nox (5.1) V gdzie: V prędkość pojazdu [m/s]. Dwuwymiarowa charakterystyka udziału czasu pracy posłużyła do określenia natężenia emisji zanieczyszczeń w poszczególnych zakresach pracy silnika (lub pojazdu). Charakterystyka ta zastępuje cały cykl drogowy punktami pomiarowymi na charakterystyce pracy silnika i umożliwia wyznaczenie natężenia emisji związków szkodliwych. Wprawdzie charakterystyka ta nie uwzględnia właściwości dynamicznych silnika, zde-

51 5. Metodyka badań 51 finiowanych zależnością: sterowanie moment obrotowy, to publikowane wyniki optymalizacji z użyciem takiej dwuwymiarowej charakterystyki wskazują, że uproszczenie takie jest dopuszczalne [53]. Wyniki badań zanieczyszczeń jako zależność prędkości pojazdu od czasu, uwzględniające przełożenia skrzyni biegów, traktowane są w tym zagadnieniu jako model eksploatacji silnika. W pierwszym etapie wyznacza się dwa synchroniczne przebiegi: n n(t) i M o M o (t) dla t (,t t ) (5.11) gdzie: t t czas trwania testu lub pomiarów. Pole pracy silnika w układzie n M o dzieli się na prostokątne elementy o wymiarach (rys. 5.1): ΔM n max n min Δn (5.12) N o M o max M M o min (5.13) Dla elementu o numerach (i, j) dwuwymiarowa charakterystyka (DC) zdefiniowana jest następująco: DC (i, j) t t (i, j) t (5.14) gdzie t (i,j) czas pracy silnika, w którym parametry (n, M o ) należą do pola ΔL s oznaczonego numerami i, j (rys. 5.1). M o i N M o M. M o L s. 3 j 2 M o n min n n max 1 n Rys Podział pola pracy silnika na elementy

52 5. Metodyka badań 52 Spełnione muszą być przy tym związki: N i 1 M t j 1 ( i, j) t t (5.15) N i 1 M j 1 DC ( i, j) 1 (5.16) Rozpatrywana dwuwymiarowa charakterystyka wiąże właściwości silnika ze sposobem jego eksploatacji. Eksploatacja silnika, a w szczególności silnika spalinowego ma charakter losowy. Prawdopodobieństwo pracy silnika w elemencie pola ΔL s(i,j) wyznacza zależność: n,m L f n,m f( P dndm i, j) o s(i, j) L s(i,j) o o (5.17) Związek między prawdopodobieństwem pracy silnika w elemencie ΔL s(i,j) a gęstością realizacji procesu losowego jest następujący: lim DC t co dla dostatecznie dużych wartości czasu: t DC (i, j) f ( i, j) f(i, j) (i, j) (5.18) (5.19) Charakterystyczną wielkością danego elementu pola pracy silnika jest jego środek, który na potrzeby niniejszej pracy wyznaczano jako średnią arytmetyczną początku i końca przedziału danego zakresu prędkości i obciążenia silnika. W polu pracy silnika każdemu punktowi (n, M o ) przyporządkować można zbiór wybranych parametrów konstrukcyjnych i nastaw. Przypisując te parametry współrzędnym środka elementu pola pracy w elemencie (i, j), otrzymuje się macierze np. natężenia emisji danego związku toksycznego E k. Na tej podstawie dla danego sposobu eksploatacji pojazdu można wyznaczyć np. drogową emisję poszczególnych zanieczyszczeń: E k t N t i 1 M j 1 DC (i, j) E k(i, j) (5.2) 5.2. Obiekty badań Obiektami badań były pojazdy Volkswagen Caddy Eco Fuel. Już na etapie produkcji model ten przystosowywany jest do zasilania sprężonym gazem ziemnym (CNG), który jest głównym paliwem. Zasilanie benzyną traktowane jest jako awaryjne, i z tych względów objętość zbiornika benzyny została ograniczona do 12 dm 3. Paliwo gazowe magazynowane jest w czterech stalowych zbiornikach ciśnieniowych, które umożliwiają przechowywanie łącznie ok. 26 kg CNG (rys. 5.2), co pozwala na pokonanie odległości w granicach 4 44 km.

53 5. Metodyka badań Rys Rozmieszczenie zbiorników gazu i instalacji w komorze silnikowej: 1 zbiorniki CNG, 2 zbiornik benzyny, 3 reduktor ciśnienia gazu, 4 zasobnik ciśnienia i wtryskiwacze gazu

54 5. Metodyka badań 54 Sprężony gaz ziemny przez zawory umieszczone na zbiornikach i przewody gazowe doprowadzany jest do reduktora ciśnienia znajdującego się w komorze silnika, gdzie następuje redukcja ciśnienia gazu od ponad 2 MPa do zakresu,44,55 MPa. Następnie z reduktora gaz kierowany jest do zasobnika ciśnienia i przez wtryskiwacze gazowe dawkowany jest do kolektora dolotowego silnika (rys. 5.3). Rys Schemat instalacji zasilania gazem w samochodzie VW Caddy Eco Fuel [9] Wykorzystane w badaniach pojazdy od wprowadzenia na rynek w 26 roku spełniały wymagania emisyjności spalin według obowiązującej wówczas normy Euro 4. Po niewielkich modyfikacjach oprogramowania sterownika silnika od roku 29 VW Caddy Eco Fuel homologowane są zgodnie z normą Euro 5 (tab. 5.1). W każdej wersji wyposażane były w ten sam rodzaj reaktora trójfunkcyjnego. Tablica 5.1. Dane silnika pojazdu VW Caddy Eco Fuel [9] Oznaczenie silnika Rodzaj Parametr Wartość BSX rzędowy, 4-cylindrowy Objętość skokowa [cm 3 ] 1984 Średnica tłoka [mm] 82,5 Skok tłoka [mm] 92,8 Stopień sprężania 13,5 Liczba zaworów na cylinder 2 Moc maksymalna przy prędkości obrotowej [kw/min 1 ] 8 / 54 Maksymalny moment obrotowy przy prędkości obrotowej [Nm/min 1 ] 16 / 35 Paliwo gaz ziemny, benzyna 98 Norma emisji spalin EU4, EU5 (od 29 r.) Testowane pojazdy różniły się rokiem produkcji (klasą emisyjną) i przebiegiem całkowitym (tab. 5.2), natomiast technicznie są to modele podobne (wyposażenie, parametry silnika, itd.).

55 5. Metodyka badań 55 Tablica 5.2. Dane pojazdów testowych Parametr Euro 4 Euro 5 Rok produkcji Przebieg całkowity [km] Charakterystyka tras badawczych Trasa miejska (centrum miasta) Pomiarów emisyjności w warunkach drogowych dokonano w warunkach ruchu miejskiego w Poznaniu (rys ). Badania przeprowadzono na głównych ulicach miasta w godzinach południowych w czasie umiarkowanego ruchu pojazdów. Warunki tak dobrano, aby istniała możliwość porównania wyników badań do testu homologacyjnego NEDC, względem którego w późniejszej analizie wyznaczono wskaźniki emisji Rys Zaznaczona droga wykorzystana do badania emisyjności pojazdu (Poznań); na mapie zaznaczono cyframi od 1 do 6 punkty z natężeniem ruchu pokazane na rys. 5.6 Rys Charakterystyka zmienności wysokości trasy referencyjnej

56 5. Metodyka badań Rys Natężenie ruchu pojazdów podczas badań w warunkach na trasie referencyjnej (obiekt badań poruszał się przez większość czasu w kolumnie pojazdów); cyfry od 1 do 6 to pozycje na trasie z rys. 5.4 Wyznaczona droga przejazdu charakteryzowała się zbliżonymi parametrami do testu NEDC pod względem długości i czasu przejazdu, a także średniej wartości prędkości (rys. 5.7, tab. 5.3). Profil drogi był zróżnicowany pod względem wysokości n.p.m. a maksymalna różnica wynosiła 25,2 m. Różnice wartości w kolejnych próbach nie przekraczały 5% liczonych od wartości średniej. Badania polegały na pomiarze stężenia związków szkodliwych (CO, HC, NO x, PM i PN w spalinach pojazdów). Następnie z wykorzystaniem danych z systemu lokalizacji pojazdu GPS oraz systemu diagnostycznego określono emisję drogową związków szkodliwych.

57 5. Metodyka badań V [km/h] t [s] Rys Europejski test homologacyjny NEDC dla samochodów osobowych [4] Trasa przebiegająca w dużych aglomeracjach miejskich Pomiarów toksyczności spalin dokonano w różnych warunkach jazdy. Na podstawie publikacji [1, 5, 6], odcinek testowy zaplanowano jako połączenie elementów jazdy miejskiej centrum miasta z elementami jazdy pozamiejskiej oraz autostradowej (rys ). 1 2 Rys Trasa przejazdu w dużej aglomeracji miejskiej Rys Charakterystyka zmienności wysokości trasy w dużej aglomeracji miejskiej

58 5. Metodyka badań Rys Natężenie ruchu pojazdów podczas badań w dużej aglomeracji miejskiej (widoczne duże natężenie ruchu miejskiego); cyfry oznaczają przykładowe lokalizacje na trasie z rys. 5.8 Pomiarów emisji zanieczyszczeń w warunkach jazdy autostradowej dokonano na wybranych płaskich odcinkach autostrady A2 w okolicach Poznania, na których możliwa była jazda z ustaloną prędkością i nie była zakłócana przez potok innych pojazdów. Trasa pozamiejska Pomiary emisji spalin wykonano w okolicach Poznania głównie na obszarach podmiejskich (rys i 5.12). Testy wykonano w dwóch wariantach: dla pojazdu zasilanego benzyną i tego samego pojazdu zasilanego CNG. Charakterystykę trasy i parametrów badań przedstawiono w tablicy 5.3. Pomiary wykonano 3-krotnie wartości przedstawione w pracy są wartościami uśrednionymi. Rys Zaznaczona droga pojazdu podczas badań emisyjności (okolice Poznania)

59 przepływomierz 5. Metodyka badań 59 Rys Charakterystyka zmienności wysokości trasy pozamiejskiej Tablica 5.3. Charakterystyka testu badawczego (zasilanie benzyną i CNG) trasa pozamiejska Parametr testu Zasilanie benzyną CNG Czas testu [s] Prędkość maksymalna [km/h] Prędkość średnia [km/h] 57,8 54,8 Długość drogi [km] 62,539 63,48 Przebiegowe zużycie paliwa [dm 3 /1 km] 1,49 7, Aparatura badawcza Pomiarów emisji zanieczyszczeń dokonano w rzeczywistych warunkach jazdy; podejście takie wymagało zamontowania układu poboru spalin na pojeździe w sposób umożliwiający jego normalną eksploatację. W tym celu wykonano układ poboru spalin, który połączony z układem pomiaru natężenia przepływu spalin stanowił system częściowego poboru próbki spalin do analizatorów pomiarowych. Na rysunku 5.13 przedstawiono schemat połączeń urządzeń pomiarowych, a na rysunku 5.14 pojazdy z zamontowaną aparaturą do przeprowadzenia badań w rzeczywistych warunkach ruchu. spaliny T, H GPS OBD Semtech DS Pomiar CO, CO 2, HC, NO x rozcieńczanie spalin AVL 483 MSS TSI 39 EEPS Pomiar PM = f(t) Pomiar PN = f(t, D) Rys Schemat połączeniowy urządzeń pomiarowych wykorzystanych do badań

60 5. Metodyka badań 6 Rys Pojazdy z zainstalowaną aparaturą do pomiaru emisji spalin w rzeczywistych warunkach ruchu Do pomiarów stężenia związków szkodliwych w spalinach wykorzystano mobilny analizator Semtech-DS firmy Sensors (Sensors EMission TECHnology) (tab. 5.4, rys i 5.16). Umożliwiał on pomiar związków szkodliwych CO, CO 2, HC oraz NO x. Do jednostki centralnej analizatora doprowadzono dodatkowo dane bezpośrednio przesyłane z systemu diagnostycznego pojazdu oraz wykorzystano sygnał lokalizacji GPS. Informacje zawarte w publikacjach z zakresu wykorzystania mobilnych analizatorów spalin [7, 8, 4, 41, 45 47, 7, 76] w powiązaniu z danymi rejestrowanymi z pokładowych systemów diagnostycznych [27, 98] potwierdzają celowość podjęcia oceny emisji zanieczyszczeń w rzeczywistych warunkach ruchu z wykorzystaniem takiej aparatury pomiarowej. Natomiast do pomiaru masy cząstek stałych posłużył mobilny analizator AVL 483 Micro Soot Sensor [19, 84]. Pomiary rozkładu wielkości cząstek stałych dokonano za pomocą spektrometru masowego 39 EEPS firmy TSI Incorporated [71]. Tablica 5.4. Charakterystyka mobilnego analizatora Semtech-DS z odczytem systemu transmisji danych w pojeździe [8] Parametr Metoda pomiaru Dokładność 1. Stężenie związków w spalinach CO HC NO x = (NO + NO 2 ) CO 2 O 2 NDIR, zakres pomiarowy 1% FID, zakres 1 ppm NDUV, zakres 3 ppm NDIR, zakres 2% analizator elektrochemiczny, zakres 2% ±3% zakresu pomiaru ±2,5% zakresu pomiaru ±3% zakresu pomiaru ±3% zakresu pomiaru ±1% zakresu pomiaru 2. Przepływ spalin masowe natężenie przepływu ±2,5% zakresu pomiaru 3. Czas nagrzewania 9 s 4. Czas odpowiedzi T 9 < 1 s 5. Obsługiwane systemy diagnostyczne SAE J185/SAE J1979/SAE 15765

61 5. Metodyka badań o C Pobór próbki Filtr FID HC Chłodnica 4 o C O 2 NDIR CO, CO 2 NDUV NO x = NO + NO 2 sterowanie OBD/CAN GPS Wireless LAN Rys Schemat mobilnego analizatora Semtech-DS z zaznaczonymi układami dodatkowymi Rys Widok analizatora Semtech-DS zamontowanego w pojeździe Semtech-DS jest analizatorem przeznaczonym głównie do pomiaru stężenia związków szkodliwych w spalinach pojazdów osobowych, ciężarowych rolniczych i budowlanych. W wersji DS umożliwia pomiar emisji zarówno z silników zasilanych benzyną, jak i gazem ziemnym. Wszystkie podzespoły analizatora Semtech-DS zostały zaprojektowane tak, aby jak najbardziej odpowiadały klasie laboratoryjnej urządzeń pomiarowych, a jednocześnie mogły sprostać specjalnym wymaganiom stawianym urządzeniom monitorującym emisję w pojazdach. Spełnienie tych założeń wymagało maksymalnego zmniejszenia masy, wielkości i zużycia energii przez urządzenie przy jednoczesnym zredukowaniu podatności na drgania, wibracje zmiany temperatury i inne czynniki zewnętrze mogące zniekształcić wyniki. Główną zaletą analizatora jest możliwość jego łatwego przemieszczania z jednego testu do drugiego. Może być on używany do monitorowania emisji innych pojazdów będących w ruchu, jak również podczas statycznych testów silników na hamowni. Analizator spełnia wymagania normy 165 [22] w zakresie pomiarów emisji spalin systemami PEMS. Składa się z kilku autonomicznych modułów pomiarowych:

62 5. Metodyka badań 62 analizatora płomieniowo-jonizacyjnego FID (Flame Ionization Detector) stosowanego do oznaczania w spalinach sumarycznego stężenia węglowodorów określanych jako HC, lub THC (Total Hydrocarbons), analizatora typu NDUV (Non-Dispersive Ultraviolet) niedyspersyjnego na promieniowanie ultrafioletowe, przeznaczonego do stężenia pomiaru tlenku azotu oraz dwutlenku azotu, analizatora typu NIDR (Non-Dispersive Infrared) niedyspersyjnego na promieniowanie podczerwone, przeznaczonego do pomiaru stężenia tlenku węgla oraz dwutlenku węgla, analizatora elektrochemicznego do określania stężenia tlenu w spalinach. Oprócz pomiaru stężenia szkodliwych składników spalin analizator ten umożliwia również pomiar masowego natężenia przepływu spalin (rys. 5.17). Rys Widok zamontowanego w pojeździe przepływomierza spalin Gazy spalinowe wprowadzane są do analizatora za pomocą sondy pomiarowej utrzymującej temperaturę 191 C, potem filtrowane są z cząstek stałych, a w kolejnym kroku następuje pomiar stężenia węglowodorów w analizatorze płomieniowo-jonizacyjnym. W kolejnym kroku spaliny schładzane są do temperatury 4 C i następuje pomiar stężenia tlenków azotu (metodą niedyspersyjną z wykorzystaniem promieniowania ultrafioletowego, umożliwiając jednoczesny pomiar stężenia: tlenku azotu i dwutlenku azotu), tlenku węgla, dwutlenku węgla (metodą niedyspersyjną z wykorzystaniem promieniowania podczerwonego) oraz tlenu (analizatorem elektrochemicznym). Do pomiaru wielkości cząstek stałych wykorzystano analizator 39 EEPS (Engine Exhaust Particle Sizer Spectrometer) firmy TSI Incorporated (rys. 5.18, tab. 5.5) [71]. Analizator umożliwiał przeprowadzenie ciągłego pomiaru rozkładu wymiarowego cząstek stałych emitowanych przez silniki badanych pojazdów. Spektrometr umożliwia pomiar wielkości cząstek stałych w zakresie od 5,6 do 56 nm ich średnicy (22 kanały pomiarowe) z częstotliwością 1 Hz. W procesie pomiarowym wykorzystywana jest technika analizy mobilności elektrycznej. Wykorzystanie tej metody pozwala na analizę pełnego rozkładu wielkości z rozdzielczością 1 s, co pozwala wizualizować zmiany charakteru cząstek stałych w czasie rzeczywistym. Cząstki doprowadzane są w sposób ciągły do analizatora jako strumień gazów wylotowych z silnika. Początkowy filtr wychwytuje cząstki większe niż 1 µm, czyli będące poza zakresem pomiarowym urządzenia. Następnie cząstki kierowane są na elektrodę ładującą. Cząstki posiadające ładunek elektryczny mogą być sklasyfikowane według ich

63 5. Metodyka badań 63 Rys Widok analizatora EEPS firmy TSI do pomiaru rozkładu wymiarowego cząstek stałych zamontowanego w pojeździe Tablica 5.5. Dane techniczne analizatora EEPS rozkładu cząstek stałych [71] Parametr Rozmiar mierzonych cząstek Liczba kanałów pomiarowych Wartość 5,6 56 nm 16 kanałów na dekadę (32 całkowicie) Liczba kanałów elektrod 22 Rozdzielczość Przepływ próbki spalin Przypływ sprężonego powietrza Temperatura próbki wejściowej Temperatura pracy urządzenia 1 rozmiarów kanałów/sekundę 1 dm 3 /min 4 dm 3 /min 1 52 C 4 C rozmiaru. Cząstki odchylane są następnie przez wysokonapięciową elektrodę; trafiają na szczelinę pierścieniową, będącą przestrzenią między dwoma koncentrycznymi cylindrami. Szczelinę otacza doprowadzany z zewnątrz strumień czystego powietrza. Cylinder wylotowy zbudowany jest w formie stosu czułych odizolowanych od siebie elektrod ułożonych w formie pierścienia. Elektrody z jednej strony podłączone są do wzmacniacza, z drugiej uziemione. Takie połączenie powoduje powstanie pola elektrycznego

64 5. Metodyka badań 64 między cylindrami zbudowanymi z elektrod. Przepływająca między nimi mieszanka świeżego powietrza i cząstek stałych (naładowanych dodatnio) odpychana jest od wysokonapięciowej elektrody (high voltage electrode) i kierowana między elektrody o dużej czułości. Cząstki uderzając w elektrody powodują generowanie prądu, który w czasie rzeczywistym odczytywany jest przez układ przetwarzający (rys. 5.19). Rys Schemat działania analizatora rozkładu wymiarowego cząstek stałych EEPS 39 W dalszej części pracy operuje się pojęciami: liczby cząstek, powierzchni cząstek objętości i masy. Bardziej precyzyjnym jest określenie stężenia tych wielkości, gdyż ich wartości podaje się np. jako liczbę cząstek przypadającą na jednostkę objętości czyli stężenie tych cząstek (1/cm 3 ). Takim samym regułom podlega wyznaczanie powierzchni, objętości i masy cząstek. Poniżej podano zależności na podstawie których określono statystyczne rozkłady cząstek (wielkości wyznaczane przez urządzenie): liczba cząstek przypadająca na kanał oraz całkowita liczba cząstek (wyrażona jako stężenie tych cząstek): c n t Q [1/cm 3 ] (5.21) rozkład powierzchniowy i całkowita powierzchnia cząstek (stężenie powierzchni cząstek) k 2 s Dp n S s [nm 2 /cm 3 ] (5.22) rozkład objętościowy oraz całkowita objętość (stężenie objętości cząstek): i 3 k Dp n v V 6 v [nm 3 /cm 3 ] (5.23) i

65 5. Metodyka badań 65 rozkład masy i całkowita masa cząstek (stężenie masy cząstek): m v M k m i [mg/m 3 ] (5.24) gdzie we wzorach (5.21) - (5.24): c liczba cząstek przypadająca na kanał pomiarowy, n stężenie cząstek przypadające na kanał pomiarowy [1/cm 3 ], s stężenie powierzchni cząstek przypadające na kanał pomiarowy [nm 2 /cm 3 ], v stężenie objętości cząstek przypadające na kanał pomiarowy [nm 3 /cm 3 ], m stężenie masy cząstek przypadające na kanał pomiarowy [mg/m 3 ], współczynnik sprawności próbkowania na kanał, współczynnik rozcieńczenia próbki, D p średnica cząstki (punkt centralny kanału pomiarowego), N całkowita liczba cząstek, S całkowita powierzchnia cząstek, V całkowita objętość cząstek, M całkowita masa, Q natężenie przepływu próbki, t czas próbkowania, gęstość cząstek (przyjmuje się wartość średnią dla całego zakresu wymiarowego cząstek stałych wynoszącą 1 kg/m 3 ), i dolny zakres pomiarowy, k górny zakres pomiarowy. Do badania masy cząstek stałych wykorzystano analizator Micro Soot Sensor firmy AVL. Zasada działania urządzenia oparta jest na pomiarze fotoakustycznym (rys. 5.2) w tzw. rezonansowej komorze pomiarowej [84]. Pozwala ona na detekcję masy w zakresie od 5 mg/m 3. Gazy spalinowe dostarczane są bezpośrednio do komory pomiarowej i podgrzewane przez modulowane światło laserowe. Modulowane podgrzewanie prowadzi do periodycznych pulsacji ciśnienia, które są odbierane na detektorze mikrofonie, jako fala dźwiękowa. Następnie sygnał podlega wzmocnieniu i odfiltrowaniu. Podstawowe dane techniczne urządzenia do pomiaru masy cząstek stałych przedstawiono w tablicy 5.6. Fala dźwiękowa Mikrofon Komora pomiarowa Modulowane światło laserowe Przepływ spalin Rys Zasada działania analizatora Micro Soot Sensor firmy AVL

66 5. Metodyka badań 66 Tablica 5.6. Dane techniczne urządzenia Micro Soot Sensor firmy AVL [84] Parametr Wielkość mierzona Zakres pomiarowy Rozdzielczość Limit detekcji Szybkość transmisji danych: Czas odpowiedzi Wielkość próbki/przepływ by-pass Wartość Stężenie cząstek stałych (mg/m³, μg/m³),5 5 mg/m³,1 mg/m³ ~5 μg/m³ cyfrowe: do 5 Hz analogowe: 1 Hz 1 s dm 3 /min (całkowita próbka ~ 4 dm 3 /min) Stopień rozcieńczenia (DR) skalowalny w zakresie 2 1 oraz 1 2 Błąd wskazań max. ±3% w zakresie DR 2 1, max. ±1% w zakresie DR 1 2 Dopuszczalna temperatura spalin do 1 C Widok zamontowanych analizatorów spalin do pomiaru cząstek stałych przedstawiono na rysunku 5.18, na którym po lewej stronie znajduje się analizator do pomiaru rozkładu średnicowego cząstek stałych (EEPS 39), natomiast po prawej stronie analizator do pomiaru stężenia cząstek stałych (AVL MSS) Harmonogram badań Badania pojazdu zasilanego benzyną i CNG wykonano w kilku etapach, z których najważniejsze to: 1. Badania parametrów ekologicznych pojazdu podczas rozruchu i nagrzewania się silnika: a) w różnych temperaturach otoczenia, b) dla różnych rodzajów rozruchu: zimnego i gorącego. 2. Badania parametrów ekologicznych pojazdu zasilanego benzyną i CNG w warunkach ruchu: a) na trasie miejskiej (odpowiedniku testu NEDC), b) na trasie w dużej aglomeracji miejskiej, c) na trasie pozamiejskiej. 3. Badania parametrów ekologicznych pojazdów zasilanych benzyną i CNG o różnych klasach emisyjnych. 4. Badania parametrów ekologicznych pojazdów zasilanych benzyną i CNG o różnych przebiegach całkowitych. 5. Badania porównawcze parametrów ekologicznych pojazdu zasilanego CNG o przebiegu 5 km ze zużytym i nowym reaktorem katalitycznym. 6. Badania pojazdu przystosowanego do zasilania CNG poza wytwórnią. Szczegółowy harmonogram prac przedstawiono w tablicy 5.7.

67 5. Metodyka badań 67 Tablica 5.7. Szczegółowy harmonogram prac badawczych 1. Zimny rozruch Rodzaj badań Zasilanie benzyną fabryczne temperatura otoczenia o C tak tak temperatura otoczenia 2 o C tak tak 2. Gorący rozruch temperatura otoczenia o C tak tak temperatura otoczenia 2 o C tak tak 3. Badania parametrów ekologicznych w warunkach jazdy miejskiej (centrum) warunki zimowe tak tak warunki letnie tak tak 4. Badania parametrów ekologicznych w warunkach dużej aglomeracji miejskiej 5. Badania parametrów ekologicznych w warunkach jazdy pozamiejskiej 6. Badania parametrów ekologicznych pojazdu z reaktorem katalitycznym zużytym nowym 7. Badania parametrów ekologicznych pojazdu przystosowanego do zasilania CNG poza wytwórnią Euro 4, Euro 5 75 km 5 km Euro 4, Euro 5 75 km 5 km Euro 4, Euro 5 75 km 5 km Euro 4, Euro 5 75 km 5 km Euro 5 5 km tak tak tak Zasilanie CNG niefabryczne tak

68 HC [ppm] NO x [ppm] CO 2 [%] CO [ppm] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 6.1. Wpływ fazy zimnego rozruchu i nagrzewania silnika na emisję związków szkodliwych w temperaturze o C i 2 o C Oceny wpływu fazy zimnego rozruchu i nagrzewania silnika na emisję zanieczyszczeń dokonano w warunkach laboratoryjnych, zachowując określoną temperaturę otoczenia ( o C i 2 o C). Dla rozruchu zimnego silnika wykorzystano obydwie wartości podanej temperatury, natomiast dla rozruchu gorącego wyniki badań zaprezentowano tylko dla temperatury otoczenia o C, gdyż stwierdzono bardzo znikomy wpływ temperatury otoczenia na emisję związków szkodliwych dla gorącego silnika. Pomiarów stężenia gazowych zanieczyszczeń dokonano podczas rozruchu silnika oraz w 6-minutowej fazie bezpośrednio po niej podczas nagrzewania silnika. Jednocześnie mierzono natężenie przepływu spalin, aby w dalszej kolejności wyznaczyć natężenie emisji (emisję sekundową zanieczyszczeń). Dane na wykresach dotyczą okresu 36 s i zawierają różne etapy pracy silnika: rozruch, który odbywał sią na benzynie (zimny rozruch temp. o C i 2 o C) oraz na CNG (rozruch gorący). a) b) Rozruch zimny, C Rozruch zimny, 2 C 2 Rozruch gorący, C Rozruch zimny, C Rozruch zimny, 2 C Rozruch gorący, C t [s] c) d) 25 Rozruch zimny, C Rozruch zimny, 2 C 2 Rozruch gorący, C t [s] 18 Rozruch zimny, C 16 Rozruch zimny, 2 C 14 Rozruch gorący, C t [s] t [s] Rys Stężenie zanieczyszczeń podczas rozruchu zimnego i gorącego silnika oraz jego nagrzewania w temperaturze otoczenia o C i 2 o C: a) dwutlenku węgla, b) tlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu Przebieg zmian stężenia dwutlenku węgla dla zimnego rozruchu w temperaturze o C uwidacznia zwiększone wartości przez okres 15 s, co jest spowodowane wzbogaceniem mieszanki benzynowej podczas zimnego rozruchu silnika (rys. 6.1a). Po około 15 s sil-

69 HC [g/s] NO x [g/s] CO [g/s] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 69 nik zasilany jest CNG, co zmniejsza stężenie dwutlenku węgla. Sytuacja dla rozruchu zimnego w temperaturze 2 o C ma zmieniony charakter: rozruch odbywa się również na benzynie (jak w poprzednim przypadku), jednakże czas zwiększonej dawki paliwa jest znacznie krótszy, a przełączenie na zasilanie CNG następuje po okresie około 9 s. Porównując stężenia pozostałych zanieczyszczeń gazowych stwierdzono zbliżony charakter do stężenia dwutlenku węgla. Stężenie tlenku węgla jest największe dla zimnego rozruchu w temperaturze o C i jest 8-krotnie większe niż podczas zimnego rozruchu w temperaturze 2 o C (rys. 6.1b). Podczas gorącego rozruchu stężenie tlenku węgla jest pomijalnie małe w stosunku do rozruchu zimnego. Stężenie węglowodorów wykazuje zbliżony charakter zmian do zmian stężenia tlenku węgla, jednakże stosunek wartości maksymalnego stężenia tego składnika dla rozruchu zimnego w temperaturze o C (18 ppm) i 2 o C (4 ppm) jest znacznie mniejszy i wynosi około 4,5 (rys. 6.1c). Wartość stężenia tlenków azotu jest największa dla zimnego rozruchu w temperaturze o C, co prawdopodobnie jest związane ze zwiększoną dawką rozruchową silnika (zasilanie benzyną; rys. 6.1d). W pozostałych badaniach podczas rozruchu silnika wartość stężenia tlenków azotu była minimalna: dla rozruchu zimnego w temperaturze 2 o C wynosiła maksymalnie 1 ppm, a dla gorącego rozruchu nie przekraczała 3 ppm zwiększała się nieznacznie w trakcie pomiaru (wynikało to głównie z charakteru pracy silnika chłodzenia reaktora katalitycznego podczas pracy silnika na biegu jałowym). a) b) CO 2 [g/s] 5 Rozruch zimny, C Rozruch zimny, 2 C 4 Rozruch gorący, C 3 2,6,5,4,3,2 Rozruch zimny, C Rozruch zimny, 2 C Rozruch gorący, C 1, t [s] c) d),45 Rozruch zimny, C,4 Rozruch zimny, 2 C,35 Rozruch gorący, C, t [s],14 Rozruch zimny, C,12 Rozruch zimny, 2 C Rozruch gorący, C,1,25,2,15,1,5, t [s],8,6,4,2, t [s] Rys Natężenie emisji zanieczyszczeń podczas rozruchu zimnego i gorącego silnika oraz jego nagrzewania w temperaturze otoczenia o C i 2 o C: a) dwutlenku węgla, b) tlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu Rozpatrując natężenie emisji zanieczyszczeń podczas rozruchu i nagrzewania silnika w różnej temperaturze otoczenia (rys. 6.2) należy stwierdzić podobny charakter zmian zbliżony do zmian stężenia odpowiednich związków szkodliwych. Niewielkie różnice w przebiegach wynikają z wartości prędkości obrotowej wału korbowego silnika (rys.

70 T cieczy [ o C] T spalin [ o C] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 7 6.3a), która wpływa na wartość natężenia przepływu spalin (rys. 6.3b). Dla rozruchu zimnego w temperaturze otoczenia o C obserwuje się wzrost prędkości obrotowej do wartości 13 obr/min przez początkowe 8 s od uruchomienia silnika. W pozostałych badaniach (dla rozruchu zimnego w temperaturze 2 o C i rozruchu gorącego wzrost ten jest dużo mniejszy maksymalnie o 1 obr/min z tendencją malejącą). a) b) n [obr/min] 16 Rozruch zimny, C 14 Rozruch zimny, 2 C 12 Rozruch gorący, C Q spalin [kg/h] Rozruch zimny, C Rozruch zimny, 2 C Rozruch gorący, C t [s] t [s] Rys Zmiany prędkości obrotowej wału korbowego sinika (a) i natężenia przepływu spalin (b) podczas rozruchu zimnego i gorącego silnika oraz jego nagrzewania w temperaturze otoczenia o C i 2 o C Do pełnej analizy procesu rozruchu i nagrzewania silnika i oceny szybkości nagrzewania silnika wykorzystano również przebieg zmian temperatury cieczy chłodzącej (rys. 6.4a) oraz temperatury spalin (rys. 6.4b). Analiza przebiegu wartości temperatury cieczy chłodzącej podczas rozruchu silnika i jego nagrzewania pozwala na stwierdzenie, że czas potrzebny do osiągnięcia stabilnej temperatury pracy silnika (92 o C takiej, jak w przypadku silnika w pełni nagrzanego) przekroczył zakładany czas wykonywania próby (1 min). Po okresie 1 minut od uruchomienia zimnego silnika temperatura cieczy chłodzącej osiągnęła 72 o C i 78 o C, odpowiednio, dla rozruchu w temperaturze otoczenia o C i 2 o C. Natomiast warte odnotowania jest to, że po czasie 12 s od uruchomienia silnika, temperatura cieczy chłodzącej wzrosła o 2 o C i 3 o C, odpowiednio, dla zimnego rozruchu w temperaturze otoczenia o C i 2 o C. Przebieg zmian temperatury spalin wykazuje zdecydowanie odmienny charakter w zależności od rodzaju rozruchu silnika. Dla gorącego rozruchu silnika temperatura cieczy chłodzącej po czasie około 12 s osiąga wartość ustaloną (mierzoną na końcu układu wylotowego pojazdu), a) b) Rozruch zimny, C Rozruch zimny, 2 C Rozruch gorący, C Rozruch zimny, C Rozruch zimny, 2 C Rozruch gorący, C t [s] t [s] Rys Zmiany temperatury cieczy chłodzącej (a) i spalin (b) podczas rozruchu zimnego i gorącego silnika oraz jego nagrzewania w temperaturze otoczenia o C i 2 o C

71 HC [g] NO x [g] CO 2 [g] CO [g] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 71 a dla zimnego rozruchu w temperaturze otoczenia 2 o C wartość ta jest osiągnięta po czasie 36 s. W skrajnym przypadku zimnego rozruchu silnika w temperaturze o C temperatura spalin nie osiągnęła w czasie 6 s wartości ustalonej (ze względu na inercję zimnego układu wylotowego). Wyznaczając masę związków szkodliwych spalin (przy sumowaniu w czasie pomiarów natężenia emisji danego składnika spalin) w poszczególnych przedziałach czasu próby (z interwałem 6 s) można porównać tę wielkość dla rozruchu silnika w różnych wartościach temperatury otoczenia (rys. 6.5). W przypadku dwutlenku węgla masa tego związku podczas rozruchu gorącego pozostawała na stałym poziomie i wynosiła około 75 g w każdych 6 sekundach testu (rys. 6.5a). Większe wartości masy dwutlenku węgla uzyskano podczas rozruchu zimnego silnika: dla temperatury o C w pierwszych trzech 6-sekundowych okresach zarejestrowano wartości ponad 15 g, natomiast w kolejnych okresach te wartości zdecydowanie były mniejsze. Dla zimnego rozruchu w temperaturze otoczenia 2 o C otrzymano wartości masy dwutlenku węgla z przedziału 1 12 g. Analiza wartości dotyczących masy tlenku węgla (rys. 6.5b) podczas rozruchu gorącego była niemal niezauważalna (gorący układ oczyszczania spalin). Większe wartości masy tlenku węgla uzyskano podczas rozruchu zimnego silnika: dla temperatury o C w pierwszych trzech 6-sekundowych okresach zarejestrowano wartości 8 g, 18 g oraz 8 g, odpowiednio, w pierwszym, drugim i trzecim okresie; w kolejnych okresach pomiarowych wartości były bliskie zeru. Dla zimnego rozruchu w temperaturze otoczenia 2 o C otrzymano znaczące wartości masy tlenku węgla tylko w pierwszym przedziale pomiarowym. a) b) 2 Rozruch zimny, C 18 Rozruch zimny, 2 C 16 Rozruch gorący, C Rozruch zimny, C Rozruch zimny, 2 C Rozruch gorący, C t [s] c) d) 1,2 Rozruch zimny, C Rozruch zimny, 2 C 1, Rozruch gorący, C,8 1 5,25,2, t [s] Rozruch zimny, C Rozruch zimny, 2 C Rozruch gorący, C,6,4,1,2,5, t [s], t [s] Rys Masa zanieczyszczeń w okresach 6-sekundowych podczas rozruchu zimnego i gorącego silnika oraz jego nagrzewania w temperaturze otoczenia o C i 2 o C: a) dwutlenku węgla, b) tlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu

72 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 72 Zmiana masy węglowodorów (rys. 6.5c) była zbliżona do charakteru zmian masy tlenku węgla. Podczas rozruchu gorącego była niemal niezauważalna (jedynie w późniejszym okresie zanotowano niewielki wzrost masy do poziomu około,1 g). Większe wartości masy węglowodorów uzyskano podczas rozruchu zimnego silnika: dla temperatury o C w pierwszych trzech 6-sekundowych okresach zarejestrowano wartości około,8 g, 1, g oraz,6 g, odpowiednio, w pierwszym, drugim i trzecim okresie; w kolejnych okresach pomiarowych wartości były bliskie wartości,1 g. Dla zimnego rozruchu w temperaturze otoczenia 2 o C otrzymano znaczącą wartość masy węglowodorów tylko w pierwszym przedziale pomiarowym i wynosiła ona około,15 g. W odniesieniu do masy tlenków azotu, stwierdzono jej niewielkie wartości we wszystkich próbach, natomiast należy odnotować duże wartości podczas zimnego rozruchu w temperaturze o C, które wynikały z dużej dawki paliwa w początkowym okresie uruchomienia silnika (rys. 6.5d). Kolejne wyniki opracowano dla narastającej wartości emisji zanieczyszczeń, które odniesiono do bieżącej masy zanieczyszczeń uzyskanych podczas gorącego rozruchu silnika (rys. 6.6). Przykładowo dla czasu pomiaru 6 s wartości oznaczają zwiększenie 2,3-krotne dla zimnego rozruchu w stosunku do rozruchu gorącego, natomiast dla czasu pomiaru 12 s oznaczają, że analizowanym okresem był okres 12 s. Wartość dla 36 s oznacza porównanie z całej fazy rozruchu i nagrzewania silnika są to wartości końcowe mogące być przedmiotem końcowej analizy wykonanych badań. Porównując wartości względnej zmiany masy poszczególnych związków szkodliwych odnotowano około 2-krotny średni wzrost masy dwutlenku węgla podczas zimnego rozruchu silnika w temperaturze otoczenia o C, oraz 1,5-krotny wzrost masy tego a) b) CO 2 /CO 2 (gorący) 3, Rozruch zimny, C Rozruch zimny, 2 C 2,5 Rozruch gorący, C 2, 1,5 1,,5, t [s] c) d) CO/CO (gorący) Rozruch zimny, C Rozruch zimny, 2 C Rozruch gorący, C t [s] HC/HC (gorący) Rozruch zimny, C Rozruch zimny, 2 C Rozruch gorący, C NO x /NO x (gorący) Rozruch zimny, C Rozruch zimny, 2 C Rozruch gorący, C t [s] t [s] Rys Względne zmiany masy zanieczyszczeń w okresach 6-sekundowych podczas rozruchu zimnego i gorącego silnika oraz jego nagrzewania w temperaturze otoczenia o C i 2 o C: a) dwutlenku węgla, b) tlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu

73 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 73 związku dla badań przeprowadzonych podczas rozruchu zimnego silnika w temperaturze 2 o C (rys. 6.6a). W odniesieniu do masy tlenku węgla, w pierwszych 6. sekundach zimnego rozruchu w temperaturze o C odnotowano kilkusetkrotny jej wzrost w stosunku do masy tlenku węgla podczas rozruchu gorącego (rys. 6.6b). Podobne zależności wystąpiły podczas porównania masy węglowodorów z tym, że zwiększenie masy było kilkudziesięciokrotne (rys. 6.6c). Zwiększenie masy tlenków azotu spowodowane było znacznie większą dawką rozruchową w niskiej temperaturze otoczenia (rys. 6.6d). Porównując wartości końcowe uzyskane w tym etapie badań stwierdzono, że: a) zimny rozruch w temperaturze o C powoduje (w analizowanym okresie 6 minut w stosunku do gorącego rozruchu): zwiększenie masy dwutlenku węgla o 75%, zwiększenie masy tlenku węgla około 13 razy, zwiększenie masy węglowodorów około 12 razy, zwiększenie masy tlenków azotu około 11 razy. a) zimny rozruch w temperaturze 2 o C powoduje (w analizowanym okresie 6 minut w stosunku do gorącego rozruchu): zwiększenie masy dwutlenku węgla o 45%, zwiększenie masy tlenku węgla około 5 razy, zwiększenie masy tlenków azotu około 2 razy Badania drogowe pojazdów zasilanych gazem ziemnym i benzyną w warunkach miejskich Charakterystyka zarejestrowanych danych Pomiary emisji spalin wykonano w Poznaniu, według metodyki opisanej w [59]. Testy wykonano w dwóch wariantach: dla pojazdów zasilanych benzyną i pojazdów zasilanych CNG po różnym przebiegu i dla różnych klas emisyjnych takich pojazdów. Charakterystykę trasy i parametry badań przedstawiono w tablicy 6.1. Pomiary wykonano 3-krotnie wartości przedstawione w pracy są wartościami uśrednionymi. Tablica 6.1. Charakterystyka testu badawczego (zasilanie CNG i benzyną) Parametr testu Zasilanie CNG przejazd zimowy przejazd letni Zasilanie benzyną przejazd zimowy przejazd letni Czas testu [s] Prędkość maksymalna w teście [km/h] 91,7 78,6 83,5 87,8 Prędkość średnia w teście [km/h] 35,8 41,6 4,7 39,7 Długość testu [km] 11,73 12,12 11,75 12,16 Zużycie paliwa w teście [dm 3 /1 km] 882,7 854,6 12,27 11,7 Z porównania danych przedstawionych na rys. 6.7 wynika, że przejazdy charakteryzowały się dużym podobieństwem warunków dynamicznych ruchu (porównano zakresy występowania przyspieszenia, stałej prędkości jazdy, hamowania pojazdem oraz zatrzymania). Udziały procentowe poszczególnych warunków ruchu (zamieszczone

74 u i (zasilanie CNG) V [km/h] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 74 w prawym dolnym rogu) wskazują, że w obu wariantach zasilania pojazdu, prędkość stała występowała przez (18 ±1)% czasu trwania testu, przyspieszanie przez (37 ±1)%, hamowanie łącznie zajmowało około (33 ±1)% czasu trwania testu, natomiast zatrzymanie to (12 ±1)% czasu trwania testu. W związku z dużą powtarzalnością przejazdów możliwe było porównanie emisji związków szkodliwych badanych pojazdów. Również porównanie zgodności przejazdów w warunkach zimowych lub letnich charakteryzuje się dużą zgodnością występowania podobnych warunków pracy pojazdów: dla przejazdów zimowych jest to zgodność, określona współczynnikiem regresji wynoszącym,82, a dla przejazdów letnich wskaźnik ten wyniósł,93 (rys. 6.8). a) b) V >, a 2. > V = const 1.5 V >, a 1. < 56-5s; 43% 17 s; 9% s; 34% -1 V =, stop s; 14% t [s] c) d) 5,5 5, 4,5 4, 3,5 3, 2,5 V >, a 2, > V = const 1,5 V >, a 1, < 91 s; 9% V =, stop, t [s] V [km/h] V [km/h] 478-5s; 45% 53 s; 5% s; 41% -1 V >, a 2. > V = const 1.5 V >, a 1. < 483-5s; 46% 374 s; 36% s; 1% V =, stop t [s] Rys Przebieg prędkości pojazdu z podziałem na testy zimowe i letnie: a) zasilanie CNG, przejazd zimowy, b) zasilanie benzyną, przejazd zimowy, c) zasilanie CNG, przejazd letni, d) zasilanie benzyną, przejazd letni ,5 5, 4,5 4, 3,5 3, 2,5 V >, a 2, > V = const 1,5 V >, a 1, < V [km/h] 79 s; 8% s; 42% 69 s; 6% s; 4% s; 12% V =, stop, t [s] a) b),2 R² =,82,2 R² =,93,15,1,5 u i (zasilanie CNG),15,1,5,,,5,1,15,2 u i (zasilanie benzyną),,,5,1,15,2 u i (zasilanie benzyną) Rys Porównanie zgodności przejazdów podczas zasilania CNG i benzyną: a) przejazdy zimowe, b) przejazdy letnie; dane uzyskane z dwuwymiarowej charakterystyki we współrzędnych prędkość pojazdu przyspieszenie

75 CO 2 [%] CO 2 [mg/s] CO 2 [%] CO 2 [%] CO 2 [mg/s] CO 2 [mg/s] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 75 Zarejestrowane wartości stężenia związków szkodliwych (CO 2, CO, HC i NO x ) zaprezentowano dla pojazdu zasilanego gazem ziemnym i benzyną w okresach: zimowym i letnim. Porównano zarejestrowane, podczas przejazdów, stężenie dwutlenku węgla: podczas zasilania silnika gazem ziemnym jest ono znacząco mniejsze (rys. 6.9a) w stosunku do zarejestrowanego stężenia dwutlenku węgla przy zasilaniu silnika benzyną niezależnie od warunków prowadzonych pomiarów (rys. 6.9b). Jest ono zgodne z wartościami zmian zużycia paliwa. Jednocześnie można zauważyć różnice w natężeniu emisji dwutlenku węgla porównując warunki prowadzenia pomiarów dla warunków letnich jest ono mniejsze o kilkanaście procent w stosunku do warunków zimowych (rys. 6.9c i 6.9d). a) b) t [s] c) d) t [s] t [s] Rys Stężenie oraz natężenie emisji dwutlenku węgla podczas testów: a) zasilanie CNG, przejazd zimowy, b) zasilanie benzyną, przejazd zimowy, c) zasilanie CNG, przejazd letni, d) zasilanie benzyną, przejazd letni Przebieg zmian stężenia oraz natężenia emisji tlenku węgla w sposób najbardziej znaczący różni się w zależności od rodzaju zasilania (rys. 6.1). Podczas zasilania CNG stężenia tlenku węgla nie przekracza w żadnej chwili pomiaru 25 ppm, natomiast przy zasilaniu silnika benzyną wartość ta jest często przekraczana. Letnie warunki jazdy pojazdem, niezależnie od rodzaju użytego paliwa, charakteryzują się mniejszym stężeniem a co się z tym wiąże mniejszym natężeniem emisji tlenku węgla, w stosunku do analogicznych badań w okresie zimowym. Porównując przebiegi stężenia węglowodorów dla różnych typów prób, stwierdzono duże podobieństwo w uzyskiwanych wartościach w tożsamych okresach badań niezależnie od stosowanego paliwa (rys. 6.11). Zakres zmian stężenia węglowodorów dla badań w okresie zimowym wynosił od 2 do 8 ppm, a w okresie letnim od 2 do 6 pmm dla zasilania CNG oraz od 2 do 8 ppm dla silnika zasilanego benzyną. Mniejsze wartości stężenia tlenku węgla i węglowodorów przy zasilaniu CNG są zgodne z oczekiwaniami, gdyż pojazd jest homologowany z zaznaczeniem głównego paliwa jakim w tym przypadku jest CNG. CO 2 [%] t [s] CO 2 [mg/s]

76 HC [ppm] HC [mg/s] HC [ppm] HC [ppm] HC [mg/s] HC [mg/s] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 76 a) b) CO [mg/s] CO [mg/s] CO [ppm] CO [ppm] t [s] t [s] c) d) CO [mg/s] CO [mg/s] CO [ppm] CO [ppm] t [s] t [s] Rys Stężenie oraz natężenie emisji tlenku węgla podczas testów: a) zasilanie CNG, przejazd zimowy, b) zasilanie benzyną, przejazd zimowy, c) zasilanie CNG, przejazd letni, d) zasilanie benzyną, przejazd letni a) b) t [s] c) d) t [s] 2 1,6 1,2,8,4 -,4 -,8-1,2-1,6 2 1,6 1,2,8,4 -,4 -,8-1,2-1,6 HC [ppm] t [s] Rys Stężenie oraz natężenie emisji węglowodorów podczas testów: a) zasilanie CNG, przejazd zimowy, b) zasilanie benzyną, przejazd zimowy, c) zasilanie CNG, przejazd letni, d) zasilanie benzyną, przejazd letni t [s] 2 2 1,6 1,2,8,4 -,4 -,8-1,2-1,6 1,6 1,2,8,4 -,4 -,8-1,2-1,6 HC [mg/s]

77 NO x [ppm] NO x [ppm] NO x [mg/s] NO x [mg/s] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 77 Odmiennie od wykazanych poprzednio charakterystyk kształtuje się stężenie tlenków azotu (rys. 6.12) większe wartości zaobserwowano dla silnika zasilanego CNG. Oznacza to wyższą temperaturę w komorze spalania, a jednocześnie może wynikać z optymalizacji silnika (uzyskiwania większej mocy większej sprawności) pod kątem tego paliwa. Jest to tendencja, która powtarza się zarówno w czasie wykonywania badań w okresie zimowym, jak i letnim. a) b) t [s] c) d) NO x [ppm] t [s] 1,8,6,4,2 -,2 -,4 -,6 -,8 1,8,6,4,2 -,2 -,4 -,6 -,8 NO x [mg/s] t [s] Rys Stężenie oraz natężenie emisji tlenków azotu podczas testów: a) zasilanie CNG, przejazd zimowy, b) zasilanie benzyną, przejazd zimowy, c) zasilanie CNG, przejazd letni, d) zasilanie benzyną, przejazd letni Wyniki natężenia emisji spalin odniesionych do pojazdu NO x [ppm] Uzyskane przebiegi czasowe natężenia emisji związków szkodliwych spalin podczas badań w różnych warunkach i podczas zasilania różnymi paliwami posłużyły do opracowania zależności charakteryzujących wpływ dynamicznych właściwości pojazdu na emisję związków szkodliwych. Dynamiczne właściwości pojazdu uwzględniono w sposób pośredni, wykorzystując podział całego zakresu prędkości jazdy oraz zakresu obliczonego przyspieszenia w ruchu miejskim do wykonania macierzy natężenia emisji poszczególnych zanieczyszczeń. Dane uśredniono w ramach poszczególnych przedziałów prędkości i przyspieszenia pojazdu, otrzymując charakterystykę udziału pracy pojazdu w poszczególnych przedziałach oraz charakterystyki macierzy emisji poszczególnych związków szkodliwych. Rozpatrując charakterystykę jazdy miejskiej należy zauważyć, że największy udział pracy pojazdu w badanych warunkach ruchu przypada w obszarze minimalnej prędkości jazdy (postoju) i średnich prędkości (12 2 m/s) oraz zerowego przyspieszenia pojazdu (rys. 6.13). Z porównania wszystkich prezentowanych przejazdów wynika, że są one do siebie bardzo zbliżone, co potwierdziły również wartości współczynników korelacji określone poprzednio. Podobieństwo uzyskanych wartości udziału czasu pracy pojazdu w ramach poszczególnych przedziałów prędkości i przyspieszeń uprawnia do porównywania między sobą przejazdów pod względem nie tylko jakościowym, ale również ilościowym (np. różnice procentowe w emisji spalin) t [s] 1 1,8,6,4,2 -,2 -,4 -,6 -,8,8,6,4,2 -,2 -,4 -,6 -,8 NO x [mg/s]

78 u i [-] u i [-] u i [-] u i [-] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 78 a) b),16,14,12,1,8,6,4,2, V [m/s] c) d) -1,8,6 1,4 -,2-1, a [m/s 2 ],16,14,12,1,8,6,4,2, V [m/s] 1,4,6 -,2-1, a [m/s 2 ] -1,8,12,12,1,1,8,6 1,4,6,8,6 1,4,6,4,2, V [m/s] -,2-1, a [m/s 2 ] -1,8,4,2, V [m/s] -,2-1, a [m/s 2 ] -1,8 Rys Szczegółowe porównanie warunków pracy pojazdów podczas testów miejskich udziały czasu pracy w poszczególnych przedziałach prędkości i przyspieszenia pojazdów: a) zasilanie CNG, przejazd zimowy, b) zasilanie benzyną, przejazd zimowy, c) zasilanie CNG, przejazd letni, d) zasilanie benzyną, przejazd letni Natężenie emisji dwutlenku węgla (rys. 6.14), określone w miligramach na sekundę i charakteryzujące w sposób pośredni zużycie paliwa w badanych warunkach miejskich, jest mniejsze dla pojazdu zasilanego CNG niż dla pojazdu zasilanego benzyną. Wartości dla zasilania CNG to przedział 4 6 mg/s, natomiast dla zasilania benzyną wartości te kształtują się od 6 8 mg/s. Zwraca jednak uwagę charakterystyka rozkładu wielkości natężenia emisji dwutlenku węgla dla różnego rodzaju zasilania pojazdu: przy zasilaniu CNG obserwuje się znaczny wzrost natężenia emisji dwutlenku węgla dla największych wartości prędkości i przyspieszenia pojazdu oznacza to, że w tych warunkach jazdy pojazdu praca silnika charakteryzuje się znacznym obciążeniem. Jednocześnie zanika różnica między wartościami natężenia emisji dwutlenku węgla dla pojazdu zasilanego CNG i benzyną. Odmiennie kształtuje się charakterystyka natężenia emisji tlenku węgla (rys. 6.15). Z przedstawionych danych wynika, że natężenie emisji tlenku węgla z pojazdu zasilanego CNG jest bardzo znikome w porównaniu do tej samej wielkości występującej przy zasilaniu silnika benzyną. Jednakże należy zauważyć, że zwiększona emisja tlenku węgla dla pojazdu zasilanego benzyną występuje jedynie w obszarze znacznych prędkości pojazdu (ponad 1 12 m/s oraz gwałtownego przyspieszania wartości ponad,6 m/s 2 ). Może to świadczyć o większym dostosowaniu charakterystyki pracy reaktora katalitycznego do zasilania paliwem gazowym niż benzyną co jest zgodne z przeznaczeniem i budową pojazdu (a głównie wielkości jego zbiorników paliwa). Natężenie emisji węglowodorów uwidacznia znacznie większy wpływ warunków pogodowych niż poprzednie dane (rys. 6.16). Jakkolwiek wartości natężenia emisji węglowodorów są do siebie zbliżone (dla zasilania CNG i benzyną), to w warunkach zimowych zaobserwowano większe jego wartości przy zasilaniu CNG dla zakresu dużych prędkości i dużego przyspieszenia (duże wartości natężenia przepływu spalin).

79 CO [mg/s] CO [mg/s] CO [mg/s] CO [mg/s] CO 2 [mg/s] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 79 a) b) , V [m/s] 1,4,6 -,2 a [m/s 2 ] c) d) CO 2 [mg/s] V [m/s] -1-1,8 1,4,6 -,2 a [m/s 2 ] 1 1 CO 2 [mg/s] V [m/s] -1-1,8 1,4,6 -,2 a [m/s 2 ] CO 2 [mg/s] V [m/s] -1-1,8 1,4,6 -,2 a [m/s 2 ] Rys Natężenie emisji dwutlenku węgla w poszczególnych przedziałach prędkości i przyspieszenia pojazdów: a) zasilanie CNG, przejazd zimowy, b) zasilanie benzyną, przejazd zimowy, c) zasilanie CNG, przejazd letni, d) zasilanie benzyną, przejazd letni a) b) ,4,6 -,2-1 a [m/s 2 ] ,4,6 -,2-1 a [m/s 2 ] -1, V [m/s] c) d) V [m/s] -1, ,4,6 -,2-1 a [m/s 2 ] ,4,6 -,2-1 a [m/s 2 ] V [m/s] -1, V [m/s] -1,8 Rys Natężenie emisji tlenku węgla w poszczególnych przedziałach prędkości i przyspieszenia pojazdów: a) zasilanie CNG, przejazd zimowy, b) zasilanie CNG, przejazd letni, c) zasilanie benzyną, przejazd zimowy, d) zasilanie benzyną, przejazd letni

80 NO x [mg/s] NO x [mg/s] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 8 a) b) HC [mg/s] 3, 2,5 2, 1,5 1,4,6 1, -,2,5-1 a [m/s 2 ], -1, V [m/s] c) d) HC [mg/s] 3, 2,5 2, 1,5 1,,5, V [m/s] 1,4,6 -,2-1 a [m/s 2 ] -1,8 HC [mg/s] 3, 2,5 2, 1,5 1,,5, V [m/s] 1,4,6 -,2-1 a [m/s 2 ] -1,8 HC [mg/s] 3, 2,5 2, 1,5 1,,5, V [m/s] 1,4,6 -,2-1 a [m/s 2 ] -1,8 Rys Natężenie emisji węglowodorów w poszczególnych przedziałach prędkości i przyspieszenia pojazdów: a) zasilanie CNG, przejazd zimowy, b) zasilanie benzyną, przejazd zimowy, c) zasilanie CNG, przejazd letni, d) zasilanie benzyną, przejazd letni a) b) 25 2,5 NO x [mg/s] ,4 1,6 -,2 5-1 a [m/s 2 ] -1, V [m/s] c) d) 2, 1,5 1,,5, V [m/s] 1,4,6 -,2-1 a [m/s 2 ] -1,8 2,5 2,5 2, 1,5 1,,5, V [m/s] -,2-1 a [m/s 2 ] -1,8,6 1,4 -,2-1 a [m/s 2 ] Rys Natężenie emisji tlenków azotu w poszczególnych przedziałach prędkości i przyspieszenia pojazdów: a) zasilanie CNG, przejazd zimowy, b) zasilanie benzyną, przejazd zimowy, c) zasilanie CNG, przejazd letni, d) zasilanie benzyną, przejazd letni NO x [mg/s] 2, 1,5 1,,5, V [m/s] -1,8,6 1,4

81 u i (zasilanie CNG) u i (zasilanie CNG) 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 81 Charakterystyka natężenia emisji tlenków azotu uwidacznia większe chwilowe wartości uzyskiwane dla pojazdu zasilanego CNG (rys. 6.17). W warunkach testu zimowego zaobserwowano znaczne zwiększenie natężenia emisji tlenków azotu w obszarze dużych prędkości i znacznego przyspieszenia pojazdu, natomiast w testach realizowanych w warunkach letnich większe natężenie emisji tlenków azotu zaobserwowano w większym polu pracy pojazdu, które obejmowało mniejsze wartości prędkości i również mniejsze wartości przyspieszenia pojazdu. Można to prawdopodobnie tłumaczyć przez zwiększenie dawki paliwa, a jednocześnie wzrostem prędkości obrotowej silnika. Aby precyzyjniej określić rozbieżności w parametrach pracy silnika należało wykonać analizę w odniesieniu do parametrów pracy silników. Analiza taka pozwoli na potwierdzenie lub wykluczenie przypuszczeń odnośnie przyczyn zwiększonej emisji zanieczyszczeń w różnych stanach pracy pojazdu (silnika) Wyniki emisji zanieczyszczeń w odniesieniu do silnika Prezentowane dane dotyczące natężenia emisji poszczególnych zanieczyszczeń można odnieść również do obszaru pracy silnika. Wartości natężenia przepływu odpowiednich zanieczyszczeń uśredniono w poszczególnych przedziałach prędkości obrotowej i obciążenia silnika (rejestrowanych z systemu diagnostycznego pojazdu), a następnie wykonano charakterystyki natężenia poszczególnych szkodliwych składników spalin. Porównano również zgodność pracy silników w poszczególnych rodzajach badania pojazdów: zgodność pod względem parametrów pracy silników dla warunków zimowych charakteryzowana współczynnikiem korelacji wynosiła,76, a dla badań wykonanych w okresie letnim wskaźnik ten wynosił,64. W związku z uzyskaniem znacznego podobieństwa przejazdów, również w odniesieniu do warunków pracy silnika, wykonano analizę porównawczą emisji pojazdów zasilanych CNG i benzyną w warunkach zimowych i letnich. a) b),25,2,2 R² =,76,15 R 2 =,64,15,1,1,5,5,,,5,1,15,2,25 u i (zasilanie benzyną),,,5,1,15,2 u i (zasilanie benzyną) Rys Porównanie zgodności warunków pracy silnika podczas zasilania CNG i benzyną: a) przejazdy zimowe, b) przejazdy letnie; dane uzyskane z dwuwymiarowej charakterystyki we współrzędnych prędkość obrotowa obciążenie silnika Wykonane dwuwymiarowe charakterystyki udziału czasu pracy silnika we współrzędnych prędkość obrotowa obciążenie cechują się znacznym podobieństwem w odniesieniu do występowania biegu jałowego silnika (rys. 6.19). Ten punkt pracy charakteryzowany przez najwyższy słupek na wykresach z rys. 6.19, a jednocześnie jego wartości to współrzędne punktów w prawym górnym rogu na rys Bieg jałowy w prowadzonych testach to,16 i,2 dla przejazdów zimowych oraz,13 i,17 dla przejazdów letnich. Z różnic w tych wartościach wynika współczynnik korelacji określony przy ocenie zgodności przejazdów, natomiast pozostałe punkty pracy są dość zgodnie rozmieszczone wokół linii regresji.

82 u i [-] u i [-] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 82 a) b) u i [-],25 1,2 8,15 6,1 4 Z [%],5 2, n [obr/min] c) d) u i [-],25,2,15,1,5, n [obr/min] Z [%] 2,25,2,15,1,5, n [obr/min] Z [%] 2,25,2,15,1,5, n [obr/min] Z [%] 2 Rys Szczegółowe porównanie warunków pracy silników podczas testów miejskich udziały czasu pracy w poszczególnych przedziałach prędkości obrotowej i obciążenia silnika: a) zasilanie CNG, przejazd zimowy, b) zasilanie benzyną, przejazd zimowy, c) zasilanie CNG, przejazd letni, d) zasilanie benzyną, przejazd letni Charakterystyka natężenia emisji dwutlenku węgla różni się między pojazdami zasilanymi różnymi paliwami: dla zasilania benzyną obserwuje się większe maksymalne wartości natężenia emisji dwutlenku węgla niż dla zasilania CNG (rys. 6.2). Jest to cecha charakterystyczna niezależnie od warunków wykonywania testów. Również obszary pracy silników różnią się między sobą ale bez wyraźnej tendencji. Dla przejazdów zimowych (rys. 6.2 a i b) większy zakres prędkości obrotowej był wykorzystywany przy zasilaniu silnika gazem ziemnym, natomiast większy zakres obciążenia w przypadku zasilania silnika benzyną. W warunkach testów letnich powyższa zasada potwierdziła się jedynie w przypadku obciążenia, natomiast zakres wykorzystywanej prędkości obrotowej był zbliżony do siebie (rys. 6.2 c i d). Wspólną cechą wszystkich uzyskanych charakterystyk jest proporcjonalna zależność natężenia emisji dwutlenku węgla od prędkości obrotowej silnika i jego obciążenia. Emisja tlenku węgla dla badanych pojazdów jest odmienna dla zasilania CNG i benzyną (rys. 6.21). Zasilanie silnika benzyną skutkuje znacznie większymi wartościami chwilowego natężenia emisji (około 1 razy większymi) w porównaniu z testem w którym silnik był zasilany CNG. Jest to potwierdzenie poprzednio uzyskanych wartości, co sugeruje że silnik i cały układ oczyszczania spalin jest zoptymalizowany pod kątem zasilania gazem ziemnym a nie benzyną. Wartości chwilowego natężenia emisji tlenku węgla dla zasilania CNG nie przekraczają 12 mg/s, natomiast dla zasilania benzyną w obszarze znacznych prędkości obrotowych i dużego obciążenia przekraczają często wartość 5 mg/s. Jednakże w zakresie średnich wartości prędkości obrotowej i średniego obciążenia chwilowe natężenie emisji tlenku węgla przy zasilaniu benzyną kształtuje się na poziomie nieprzekraczającym kilkunastu miligramów na sekundę. Podobną tendencję w wartościach uzyskano niezależnie czy testy wykonywane były w okresie zimowym czy letnim.

83 CO [mg/s] CO [mg/s] CO 2 [mg/s] CO 2 [mg/s] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 83 a) b) CO 2 [mg/s] Z [%] n [obr/min] c) d) CO 2 [mg/s] n [obr/min] Z [%] n [obr/min] Z [%] n [obr/min] Z [%] 2 Rys Natężenie emisji dwutlenku węgla w poszczególnych przedziałach prędkości obrotowej i obciążenia silnika: a) zasilanie CNG, przejazd zimowy, b) zasilanie benzyną, przejazd zimowy, c) zasilanie CNG, przejazd letni, d) zasilanie benzyną, przejazd letni a) b) CO [mg/s] Z [%] n [obr/min] c) d) CO [mg/s] n [obr/min] Z [%] n [obr/min] Z [%] n [obr/min] Z [%] 2 Rys Natężenie emisji tlenku węgla w poszczególnych przedziałach prędkości obrotowej i obciążenia silnika: a) zasilanie CNG, przejazd zimowy, b) zasilanie benzyną, przejazd zimowy, c) zasilanie CNG, przejazd letni, d) zasilanie benzyną, przejazd letni

84 HC [mg/s] HC [mg/s] HC [mg/s] HC [mg/s] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 84 Natężenie emisji węglowodorów badanych pojazdów (rys. 6.22) było na dość zbliżonym poziomie. Zauważalne są jednak różnice w odniesieniu do rodzaju paliwa: przy zasilaniu CNG odnotowano większe wartości przy testach zimowych, natomiast przy zasilaniu benzyną odwrotnie większe wartości chwilowego natężenia emisji węglowodorów odnotowano w testach prowadzonych latem. Największe wartości emisji węglowodorów dla zasilania CNG i benzyną przypadały na maksymalne wartości prędkości obrotowej i obciążenia, a szczególnie się ta tendencja uwidoczniła przy zasilaniu CNG w testach zimowych i zasilaniu benzyną w testach letnich. Zarejestrowane wartości chwilowego natężenia emisji węglowodorów nie przekraczały 3 mg/s przy zasilaniu silnika CNG, natomiast przy zasilaniu benzyną w okresie zimowym nie przekraczały 2 mg, a w okresie letnim 5 mg/s. a) b) 3,5 3, 2,5 2, 1,5 1,,5, n [obr/min] c) d) Z [%] 3,5 3, 2,5 2, 1,5 1,,5, n [obr/min] Z [%] 2 3,5 3, 2,5 2, 1,5 1,,5, n [obr/min] Z [%] n [obr/min] Z [%] 2 Rys Natężenie emisji węglowodorów w poszczególnych przedziałach prędkości obrotowej i obciążenia silnika: a) zasilanie CNG, przejazd zimowy, b) zasilanie benzyną, przejazd zimowy, c) zasilanie CNG, przejazd letni, d) zasilanie benzyną, przejazd letni Natężenie emisji tlenków azotu cechowało się najbardziej zróżnicowanymi wartościami między rodzajem paliwa stosowanego do zasilania pojazdów. W testach zimowych (rys. 6.23a i b) dla maksymalnej wartości prędkości obrotowej silnika i znacznego obciążenia chwilowe zwiększenie natężenia emisji tlenków azotu było 3-krotnie większe, niż podobnych obszarów pracy silnika zasilanego benzyną. Znacznie mniejsze różnice odnotowano w wartościach natężenia emisji tlenków azotu dla testów letnich (około dwukrotne), jednakże ze wskazaniem na większą emisję dla silnika zasilanego CNG. Wynik taki jest spowodowany wysoką temperaturą gazów spalinowych wewnątrz komory spalania i małą skutecznością redukcji tlenków azotu w reaktorze trójfunkcyjnym. Większe wartości chwilowego natężenia emisji tlenków azotu występują jednakże tylko w niewielkim, obszarze pracy silnika dla obciążeń małych i częściowych natężenie emisji omawianych związków jest zbliżone do siebie.

85 NO x [mg/s] NO x [mg/s] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 85 a) b) NO x [mg/s] Z [%] n [obr/min] c) d) NO x [mg/s] 3, 2,5 2, 1,5 1,,5, n [obr/min] Z [%] n [obr/min] Z [%] n [obr/min] Z [%] 2 Rys Natężenie emisji tlenków azotu w poszczególnych przedziałach prędkości obrotowej i obciążenia silnika: a) zasilanie CNG, przejazd zimowy, b) zasilanie benzyną, przejazd zimowy, c) zasilanie CNG, przejazd letni, d) zasilanie benzyną, przejazd letni Wartości emisji drogowej zanieczyszczeń Wykorzystując powyższe dane wyznaczono końcowe wartości emisji drogowej poszczególnych zanieczyszczeń (rys. 6.24). Prezentowane dane odnoszą się do wartości średnich uzyskanych z przejazdów, natomiast maksymalne różnice w wartościach wyznaczonych emisji drogowych nie przekraczały następujących wartości: dla emisji drogowej dwutlenku węgla 5%, dla emisji drogowej tlenku węgla 15%, dla emisji drogowej węglowodorów 18%, natomiast dla emisji drogowej tlenków azotu 7%. Emisja drogowa dwutlenku węgla była mniejsza dla silnika zasilanego CNG i wynosiła 21 g/km i 196 g/km, odpowiednio dla testów zimowych i letnich, natomiast dla silnika zasilanego benzyną wartości te wynosiły odpowiednio 291 g/km i 277 g/km (rys. 6.24a). Można to uogólnić jako 4-procentowe zmniejszenie emisji dwutlenku węgla przy zasilaniu CNG (rys. 6.25a) w stosunku do zasilania benzyną w warunkach miejskich (niezależnie od warunków klimatycznych prowadzonych testów). Znaczące różnice uzyskano w wartościach emisji drogowej tlenku węgla, gdzie otrzymano wartości,26 g/km i,29 g/km przy zasilaniu CNG, odpowiednio dla testów zimowych i letnich, natomiast przy zasilaniu benzyną uzyskano odpowiednie wartości wynoszące 2,81 g/km i 2,64 g/km (rys. 6.24b). Są to wartości znacznie różniące właściwości ekologiczne badanych pojazdów, przemawiające na korzyść pojazdów zasilanych gazem ziemnym. Tak znaczące różnice około 1-krotne (rys. 6.25b) świadczą o dostosowaniu systemu zarządzania spalaniem (sterownika silnika) i układu oczyszczania spalin do większej sprawności oczyszczania spalin pod względem utleniania tlenku węgla przy zasilaniu gazem ziemnym. Szczegółowe rozpatrywanie tego zagadnienia nie będzie treścią dysertacji, jednakże należy zauważyć, że komercyjne układy oczyszczania spalin dla pojazdów zasilanych gazem ziemnym i benzyną różnią się pod względem doboru składników do warstw aktywnych reaktora katalitycznego.

86 HC [-] (CNG = 1) NOx [-] (CNG = 1) CO 2 [-] (CNG = 1) CO [-] (CNG = 1) CO 2 [g/km] CO [g/km] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 86 a) b) 35 3, , 2,5 2, 2,81 2, ,5 1 1, 5,5,26,29 CNG benzyna CNG benzyna Zima Lato c) d),6,,3 CNG benzyna CNG benzyna Zima Lato HC [g/km],5,4,3,2,46,44,24,4 NOx [g/km],25,2,15,1,23,7,14,9,1,5, CNG benzyna CNG benzyna Zima Lato Rys Sumaryczne wyniki emisji drogowej badań miejskich w okresie zimowym i letnim przy zasilaniu silnika CNG i benzyną: a) dwutlenku węgla, b) tlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu a) b), CNG benzyna CNG benzyna Zima Lato 1,6 1,4 1,2 1, 1, 1,39 1, 1, ,6 9,3,8 6,6,4, , 1,, CNG benzyna CNG benzyna Zima Lato c) d) CNG benzyna CNG benzyna Zima Lato 1,8 1,6 1,4 1,67 1,2 1, 1, 1, 1,2 1,,8 1,,96 1,,8,6,6,6,4,2,4,2,3, CNG benzyna CNG benzyna Zima Lato Rys Różnice względne emisji drogowej badań miejskich w okresie zimowym i letnim przy zasilaniu silnika CNG i benzyną (odniesione do CNG w tych samych warunkach klimatycznych): a) dwutlenku węgla, b) tlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu, CNG benzyna CNG benzyna Zima Lato

87 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 87 Uzyskane wartości emisji drogowej węglowodorów nie pozwalają na sformułowanie jednoznacznych spostrzeżeń dotyczących zmian w emisji podczas wykonywanych testów (rys. 6.24c). Z jednej strony w testach zimowych uzyskano wartości,46 g/km i,44 g/km, odpowiednio przy zasilaniu silnika paliwem gazowym i benzyną. Wartości te są zbliżone do siebie w sposób uniemożliwiający jednoznaczne wskazanie zalet ekologicznych któregokolwiek paliwa. Z drugiej strony w testach letnich uzyskano wartości emisji drogowej węglowodorów,24 g/km i,4 g/km, odpowiednio przy zasilaniu silnika paliwem gazowym i benzyną. Są to wartości, które wskazują na 67-procentową większą emisję silnika zasilanego benzyną (rys. 6.25c). Należy również przy tym wspomnieć największy rozrzut w uzyskanych wynikach (maksymalne różnice w wynikach emisji drogowej to 18%). Z tego względu ostateczne spostrzeżenia, odnośnie tendencji zmian emisji węglowodorów muszą zostać potwierdzone w pozostałych badaniach drogowych. Wyznaczone wartości emisji drogowej tlenków azotu potwierdziły wcześniejsze spostrzeżenia dotyczące chwilowego natężenia emisji tego związku. Uzyskano w testach wartości,23 g/km i,7 g/km (rys. 6.24d), odpowiednio przy zasilaniu silnika gazem ziemnym i benzyną w warunkach zimowych, co oznacza że emisja drogowa tlenków azotu jest o około 7% mniejsza przy zasilaniu silnika benzyną niż przy zasilaniu gazem ziemnym. Natomiast w warunkach letnich różnica ta jest mniejsza i wynosi 4%, przy uzyskanych wartościach wynoszących,14 g/km i,9 g/km, odpowiednio dla zasilania gazem ziemnym i benzyną (rys. 6.25d) Ilościowe wskaźniki emisji zanieczyszczeń Ilościowe wskaźniki emisji zanieczyszczeń przedstawiono jako krotność zwiększenia/zmniejszenia emisji zanieczyszczeń w rzeczywistych warunkach ruchu w stosunku do wartości uzyskiwanych w teście homologacyjnym. Wskaźnik emisyjności zanieczyszczeń pojazdu (dla danego związku szkodliwego) zdefiniowano następująco: gdzie: j E rzecz,j E NEDC,j k j E E rzecz, j NEDC,j, (6.1) związek szkodliwy, dla którego określono wskaźnik emisji, emisja drogowa j-tego zanieczyszczenia uzyskana w warunkach rzeczywistych wyrażona w g/km, emisja drogowa j-tego zanieczyszczenia uzyskana w teście NEDC, wyrażona w g/km. Wartość emisji związków szkodliwych w teście homologacyjnym wyznacza się w badaniach homologacyjnych na hamowni podwoziowej. Jeżeli brak jest informacji na temat emisji związków szkodliwych pojazdu w teście NEDC, można przyjąć wartości dopuszczalne według normy toksyczności spalin Euro, która obowiązuje dla danego pojazdu i jego klasy emisyjnej. Znajomość dopuszczalnych norm emisji drogowej badanych pojazdów pozwoliła wyznaczyć wskaźniki emisji dla związków szkodliwych badanych pojazdów (rys. 6.26). Uzyskane wartości wskaźników emisji wyznaczono jako średnie wartości z testu zimowego i letniego dla odpowiednich rodzajów stosowanego paliwa. Następnie zgodnie z równaniem (6.1) odniesiono do wartości emisji drogowej zanieczyszczeń zgodnej z klasą emisyjną pojazdu. Przyjęto następujące dane o maksymalnej emisji drogowej według normy Euro 4: CO 1 g/km, HC,1 g/km oraz NO x,8 g/km. Wyznaczone średnie wartości wskaźników emisji pozwalają na stwierdzenie, że emisja zanieczyszczeń z pojazdu zasilanego gazem ziemnym eksploat-

88 k CO, k HC, k NOx [-] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 88 owanego w warunkach ruchu miejskiego nie przekracza dopuszczalnych norm toksyczności spalin, jednakże eksploatacja pojazdu dwupaliwowego na benzynie powoduje znaczne przekroczenie emisji drogowej tlenku węgla (ponad 2,5-krotnie). 3,5 3, 2,5 2,73 2, 1,5 1,,5,,27,35,23 Rys Wartości wskaźnika emisji poszczególnych zanieczyszczeń dla pojazdów w badaniach w warunkach miejskich zasilanych różnymi paliwami,42,1 CO HC NOx CO HC NOx CNG benzyna Uzyskane wskaźniki emisji zanieczyszczeń dla pojazdu zasilanego gazem ziemnym charakteryzują jego emisję w warunkach drogowych w odniesieniu do normy emisji spalin, którą pojazd powinien spełniać. Wartość wskaźnika emisji tlenku węgla (k CO = =,27), węglowodorów (k HC =,35) i tlenków azotu (k NOx =,23) świadczy o nieprzekraczaniu średniej emisji tych składników w warunkach drogowych jazdy miejskiej w stosunku do normy Euro 4. Odmiennie jest dla wskaźnika emisji tlenku węgla przy zasilaniu pojazdu benzyną (k CO = 2,73), a więc średnia emisja jest znacznie przekroczona w stosunku do normy toksyczności spalin Euro 4. Badania emisji spalin w warunkach jazdy ściśle miejskiej wykazały, że na krótkich odcinkach jazdy bardziej ekologiczne cechy wykazuje zasilanie silnika gazem ziemnym. W celu uogólnienia tych wyników przeprowadzono w kolejnym etapie podobne badania jednakże wykonane w bardziej zróżnicowanych warunkach. Wykorzystano do tego celu położenie aglomeracji poznańskiej przy autostradzie, dzięki czemu trasa badawcza przebiegała w części autostrady a warunki ruchu zdecydowanie odbiegały od ścisłego centrum miasta Porównanie emisji zanieczyszczeń z pojazdów o różnych klasach emisyjnych Obiektami badań były pojazdy z silnikiem dwupaliwowym (zasilane benzyną lub sprężonym gazem ziemnym CNG), wyposażone w manualną skrzynię biegów o przebiegu 15 ; 75 oraz 5 km spełniający normę Euro 4 i Euro 5 (silnik 4-cylindrowy o objętości skokowej: 2, dm 3, wyposażony w reaktor trójfunkcyjny, system diagnostyczny EOBD ISO 1423 lub ISO 11888). Badania przeprowadzono w kolejnym roku w okresie jesiennym z innym natężeniem ruchu niż w podrozdziale poprzednim, w związku z tym wyniki badań są tożsame dla tego samego pojazdu [58]. Pojazd fabrycznie był przystosowany do zasilania gazem ziemnym i jest to podstawowe

89 Emisja drogowa HC [g/km] Emisja drogowa HC [g/km] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 89 paliwo w nim stosowane; rozruch w niskich temperaturach odbywa się przy zasilaniu benzyną (ten rodzaj paliwa stosowany jest również jako rezerwa). Zarejestrowane wartości emisji związków szkodliwych porównano dla samochodu zasilanego benzyną oraz sprężonym gazem ziemnym. Na rysunku 6.27 porównano emisję drogową tlenku węgla: podczas zasilania silnika benzyną jest ona znacząca w całym zarejestrowanym przebiegu, a jednocześnie kilkakrotnie większa niż dla zasilania CNG. Wartości emisji drogowej zwiększają się wraz ze wzrostem przebiegu pojazdu. Emisja drogowa węglowodorów jest podobna do przebiegu emisji tlenku węgla większe wartości były rejestrowane dla silnika zasilanego benzyną dla klasy emisyjnej pojazdu Euro 4, natomiast nieduży wzrost tej emisji rejestrowany był dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 5 (rys. 6.28). Duże znaczenie w tym przypadku ma charakter użytkowania pojazdu. Pojazd klasy Euro 4 był użytkowany głównie przy zasilaniu CNG, jednakże ze względu na długie odległości był również zasilany benzyną (szacowany udział zasilania benzyną wynosił 2%). Natomiast dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 5 nie zauważa się tak dużych wartości emisji, co jest spowodowane pracą silnika głównie na gazie ziemnym (szacowany udział pracy na benzynie to ok. 2 5%). a) b) Emisja drogowa CO [g/km] 1 klasa emisyjna: Euro 4 PB 98 CNG 8 8, ,6 2 2,8,4,2 1,2 15 km 75 km 5 km Przebieg pojazdu Emisja drogowa CO [g/km] klasa emisyjna: Euro 5 PB 98 CNG 6,6 9,,2 1, 15 km 75 km 5 km Przebieg pojazdu Rys Porównanie emisji drogowej tlenku węgla dla pojazdów o różnym przebiegu i klasie emisyjnej: a) Euro 4, b) Euro 5 a) b),2,2 klasa emisyjna: Euro 4 PB 98 CNG klasa emisyjna: Euro 5 PB 98 CNG,15,135,15,1,5,22,18,84,45,11,1,5,58,5,67,6, 15 km 75 km 5 km Przebieg pojazdu, 15 km 75 km 5 km Przebieg pojazdu Rys Porównanie emisji drogowej węglowodorów dla pojazdów o różnym przebiegu i klasie emisyjnej: a) Euro 4, b) Euro 5 Odmiennie kształtuje się emisja tlenków azotu (rys. 6.29) większe wartości obserwowane były dla silnika zasilanego CNG (wyjątek stanowi pojazd o przebiegu 75 km zarówno o klasie emisyjnej Euro 4 i Euro 5). Oznacza to wyższą temperaturę w komorze spalania, a jednocześnie może wynikać z optymalizacji silnika (uzyskiwania większej mocy większej sprawności) pod kątem tego paliwa. Jednakże znaczący

90 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 9 wzrost emisji gazowych składników spalin po przebiegu 5 km może świadczyć o bardzo małej sprawności reaktora katalitycznego po takim okresie użytkowania. Wartości emisji dwutlenku węgla dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4 były porównywalne z drugim pojazdem niezależnie od przebiegu pojazdów (rys. 6.3). Świadczy to o niezmienności parametrów operacyjnych silników (charakterystyki mocy i momentu obrotowego) badanych pojazdów. Uzyskane wartości można również odnieść do zużycia paliwa, które kształtowało się na podobnym poziomie niezależnie od rodzaju i przebiegu pojazdu. a) b) Emisja drogowa NO X [g/km] Emisja drogowa CO 2 [g/km] Emisja drogowa CO 2 [g/km],5,4,3,2,1 klasa emisyjna: Euro 4,8,15,13,1,251, km 75 km 5 km Przebieg pojazdu PB 98 CNG Emisja drogowa NO X [g/km],32,17,351,31 Rys Porównanie emisji drogowej tlenków azotu dla pojazdów o różnym przebiegu i klasie emisyjnej: a) Euro 4, b) Euro 5,5,4,3,2,1 klasa emisyjna: Euro 5 15 km 75 km 5 km Przebieg pojazdu PB 98 CNG a) b) 35 3 klasa emisyjna: Euro 4 PB 98 CNG km 75 km 5 km Przebieg pojazdu klasa emisyjna: Euro 5 PB 98 CNG Przebieg pojazdu Rys Porównanie emisji drogowej dwutlenku węgla dla pojazdów o różnym przebiegu i klasie emisyjnej: a) Euro 4, b) Euro 5 Osobnego potraktowania wymaga porównanie cząstek stałych emitowanych z pojazdów zasilanych benzyną i CNG. Określenie emisji drogowej cząstek stałych (pod względem ich masy) odzwierciedla kilkukrotnie mniejszą ich wartość dla pojazdu zasilanego CNG w stosunku do pojazdu zasilanego benzyną (rys. 6.31). Jest to spowodowane głównie rodzajem paliwa (ciekłe i gazowe), ale pozwala na postawienie tezy, że długotrwała eksploatacja pojazdów zasilanych paliwami CNG lub benzyną niekorzystanie wpływa na tworzenie się cząstek stałych z takich silników. Należy jednak porównać te wartości do obecnych norm dla silników ZS, dla których dopuszcza się emisję rzędu 5 mg/km cząstek stałych. Z porównania uzyskanych wartości widać, że są to około 1-krotnie mniejsze wartości uzyskiwane dla pojazdów o przebiegu dopiero 5 km [6].

91 Emisja drogowa PN [1/km] Emisja drogowa PN [1/km] Emisja drogowa PM [mg/km] Emisja drogowa PM [mg/km] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 91 a) b) 1, klasa emisyjna: Euro 4 PB 98 CNG,8,83,6,4,2,19,4,12, 15 km 75 km 5 km Przebieg pojazdu,8,7,6,5,4,3,2,1, klasa emisyjna: Euro 5 PB 98 CNG,57,16,1,3 15 km 75 km 5 km Przebieg pojazdu Rys Porównanie emisji drogowej masy cząstek stałych dla pojazdów o różnym przebiegu i klasie emisyjnej: a) Euro 4, b) Euro 5 Kompletacja aparatury pomiarowej pozwalała również na określenie liczby cząstek stałych w spalinach badanych pojazdów. Uzyskane wartości (rys. 6.32) przedstawione porównawczo dla pojazdów o różnej klasie emisyjnej i przebiegu wskazują na niewielki różnice w wartościach, jednakże skorelowanie ich z masą cząstek stałych pozwala na stwierdzenie, że liczba większych (o większej masie) cząstek stałych z pojazdów o dużym przebiegu jest znacznie większa od ich liczby dla pojazdów o małym przebiegu. Aby dokładnie wyjaśnić to zagadnienie na rysunku 6.33 zaprezentowano rozkłady wymiarowe liczby cząstek stałych w zależności od średnicy pomiarowej dla pojazdów o różnym przebiegu (wartość uśredniona dla całej trasy pomiarowej). Analiza wykresów pozwala na stwierdzenie, że dla pojazdu zasilanego benzyną średnica charakterystyczna cząstek stałych (średnica cząstek, dla której występuje największa ich liczba) to zakres 4 7 nm, natomiast dla zasilania benzyną jest zakres mniejszy (3 4 nm). Porównanie tych samych wielkości dla pojazdów o przebiegu 5 km uwidacznia niewielkie zmiany w przedstawionej charakterystyce liczby cząstek stałych pojazdów zasilanych benzyną (rys. 6.34) [73]. Ma to związek głównie z podstawowym zasilaniem silnika CNG, w związku z tym obserwowane jest dwukrotnie mniejsze zwiększenie masy cząstek stałych w porównaniu do pojazdu klasy emisyjnej Euro 4. Jednakże porównywalna liczba cząstek stałych nie jest tożsama z jednakowym rozkładem wymiarowym: cząstki stałe dla pojazdu zasilanego benzyną o większym przebiegu charakteryzują się większą średnicą, co w efekcie powoduje większą emisję drogową cząstek stałych. a) b) 1,E+12 9,E+11 8,E+11 7,E+11 6,E+11 5,E+11 4,E+11 3,E+11 2,E+11 1,E+11,E+ klasa emisyjna: Euro 4 5,E+11 3,2E+11 5,7E+11 4,7E km 75 km 5 km Przebieg pojazdu PB 98 CNG 1,E+12 9,E+11 8,E+11 7,E+11 6,E+11 5,E+11 4,E+11 3,E+11 2,E+11 1,E+11,E+ klasa emisyjna: Euro 5 PB 98 CNG 5,6E+11 4,2E+11 4,7E+11 3,1E km 75 km 5 km Przebieg pojazdu Rys Porównanie emisji drogowej liczby cząstek stałych dla pojazdów o różnym przebiegu i klasie emisyjnej: a) Euro 4, b) Euro 5

92 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 92 a) b) Rys Porównanie stężenia cząstek stałych dla tego samego pojazdu o różnym zasilaniu (przebieg pojazdów 75 km): a) benzyną, b) CNG a) b) Rys Porównanie stężenia cząstek stałych dla tego samego pojazdu o różnym zasilaniu (przebieg pojazdów 5 km): a) benzyną, b) CNG Wyznaczając wartości emisji drogowej zanieczyszczeń dla pojazdu zasilanego benzyną i CNG otrzymano zależności wzrostu emisji składników szkodliwych ze zwiększeniem jego przebiegu (dla pojazdów klasy Euro 4 i Euro 5). Dla porównywalnych przebiegów emisyjność pojazdu zasilanego benzyną jest większa dla CO, HC, CO oraz PM, natomiast pojazd zasilany benzyną emituje mniej tlenków azotu w stosunku do pojazdu zasilanego CNG. W warunkach miejskich emisja węglowodorów i cząstek stałych (pod względem masy) pojazdu zasilanego CNG w stosunku do zasilania benzyną jest mniejsza około 1-krotnie (niezależnie od przebiegu pojazdu). Natomiast emisja węglowodorów wykazuje różnice w stosunku do klasy emisyjnej pojazdu: dla pojazdu klas Euro 4 zasilanie CNG wykazuje znaczne korzyści ekologiczne, a dla pojazdu klasy Euro 5, wartości te są na zbliżonym poziomie. W badaniach właściwości ekologicznych rozpatrywanych pojazdów, wykazano również zmiany w liczbie i średnicach emitowanych cząstek stałych. Wzrost przebiegu pojazdu zasilanego benzyną powoduje zmniejszenie liczby cząstek o małych średnicach, a zwiększenie liczby cząstek o dużych średnicach w konsekwencji całkowita liczba cząstek stałych pozostaje na zbliżonym poziomie. Odmiennie jest przy zasilaniu CNG, gdyż zużycie wtryskiwaczy gazowych powoduje powstawanie nieznacznie większych cząstek, ale o większej ich liczbie.

93 6. Wyniki badań własnych i ich analiza Badania drogowe pojazdów zasilanych gazem ziemnym w warunkach dużych aglomeracji miejskich Charakterystyka badań Celem tego etapu badań było ustalenie wpływu przebiegu pojazdu zasilanego CNG na emisję związków szkodliwych w spalinach w warunkach dużych aglomeracji miejskich, tak aby uzyskane wyniki pozwoliły na zdefiniowanie zależności w jakim stopniu przebieg wpływa na wskaźniki ekologiczne pojazdu zasilanego CNG. Porównanie przeprowadzono dla tego samego modelu pojazdu o przebiegach odpowiednio 75 km i 5 km oraz różnej klasie emisyjnej pojazdów. Pomiarów toksyczności spalin dokonano w różnych warunkach jazdy. Na podstawie [58] odcinek testowy zaplanowano jako połączenie elementów jazdy miejskiej centrum miasta z elementami jazdy pozamiejskiej oraz autostradowej (rys. 6.35). Rys Przebieg trasy badawczej przy pomiarach emisji pojazdów w dużej aglomeracji miejskiej z wykorzystaniem różnych warunków ruchu Do badań wykorzystano samochody Volkswagen Caddy Eco Fuel o przebiegach 75 km oraz 5 km i różnej klasie emisyjnej. Przejazdy testowe wykonano dwukrotnie dla każdego etapu badań. Etap pierwszy, w którym wykorzystano pojazdy o klasie emisyjnej Euro 4 i różnych przebiegach, dotyczył pomiarów emisji związków gazowych i cząstek stałych wykonano tego samego dnia. Etap drugi badania pojazdów o klasie emisyjnej Euro 5 wykonano dnia następnego.

94 V [km/h] V [km/h] V [km/h] V [km/h] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 94 Podczas przejazdów starano się zachować podobny styl jazdy, aby umożliwić porównanie wyników emisji związków szkodliwych w spalinach. W związku z dwukrotnym powtarzaniem badań i brakiem znaczących rozrzutów wyników (poniżej 2% w stosunku do wartości średniej ocenianego parametru) i zbliżonym charakterem przejazdów, przyjęto do analizy wyniki uzyskane z konkretnego przejazdu (pierwszego). Szczegółową charakterystykę przejazdów przedstawiono w tab Różnice w czasie przejazdu wynikają z sytuacji związanej z natężeniem ruchu w podczas badań. Analiza warunków jazdy wszystkich badanych pojazdów (rys. 6.36) pozwala na przyjęcie tezy, że warunki jazdy pojazdów były zbliżone do siebie. Na tej podstawie dokonano porównania udziału warunków pracy pojazdów z podziałem na następujące: Tablica 6.2. Charakterystyka testu badawczego (zasilanie CNG) Parametr testu Charakterystyka Przebieg pojazdu 75 km 5 km Norma spalin Euro 4 Euro 5 Euro 4 Euro 5 Czas testu [s] V max [km/h] V śr [km/h] 34,1 46,2 4 47,1 Długość [km] 29,4 3,5 29,6 29,7 Godzina przejazdu ,5 5, 4,5 4, 3,5 3, 2,5 V >, a 2, > V = const 1,5 V >, a 1, < Klasa emisyjna: Euro 4 Przebieg: 75 km Zasilanie: CNG 33% -5 13% % -1 V =, stop,5 22% S [m] 5,5 5, 4,5 4, 3,5 3, 2,5 V >, a 2, > V = const 1,5 V >, a 1, < Klasa emisyjna: Euro 5 Przebieg: 75 km Zasilanie: CNG Udział w teście 34% -5 18% -75 3% -1 V =, stop,5 18% S [m] Udział w teście 5,5 5, 4,5 4, 3,5 3, 2,5 V >, a 2, > V = const 1,5 V >, a 1, < Klasa emisyjna: Euro 4 Przebieg: 5 km Zasilanie: CNG V =, stop, t [s] 5,5 5, 4,5 4, 3,5 3, 2,5 V >, a 2, > V = const 1,5 V >, a 1, < Klasa emisyjna: Euro 5 Przebieg: 5 km Zasilanie: CNG Udział w teście 34% -5 16% % -1 19% % -5 17% -75 3% -1 V =, stop,5 2% S [m] Udział w teście Rys Szczegółowa charakterystyka warunków ruchu dla wszystkich przejazdów (pojazdy o różnym przebiegu oraz innej klasie emisyjnej): a) Euro 4, 75 km, b) Euro 4, 5 km, c) Euro 5, 75 km, d) Euro 5, 5 km d)

95 CO 2 [g] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 95 przyspieszanie pojazdu, prędkość stała, hamowanie pojazdem oraz zatrzymanie. Szczegółowa analiza rozpatrywanych stanów pracy pojazdu (tab. 6.3), uwidacznia niewielkie różnice od wartości średniej każdego rozpatrywanego stanu. Największe odchylenie od wartości średniej nie przekracza 2%. Tablica 6.3. Charakterystyka udziału warunków jazdy badanych pojazdów Euro 4 75 km Pojazd Euro 4 5 km Euro 5 75 km Euro 5 5 km V >, a > Udział warunków jazdy V = const, V V >, a < V =, (stop),33,13,32,22,34,16,31,19,34,18,3,18,33,17,3,2 Średnia,335,16,37,197 Odchylenie od średniej 1% 2% 1% 1% Analiza rejestrowanych parametrów Rejestrowane wartości natężenia emisji związków szkodliwych spalin podczas testu przedstawiono w postaci narastającej, aby zobrazować zmianę emisji całkowitej. Emisja dwutlenku węgla dla badanych pojazdów przebiega bardzo podobnie w całym zakresie testu badawczego (rys. 6.37), co świadczy o podobnym zużyciu paliwa, a jednocześnie świadczy o zachowaniu parametrów operacyjnych silnika i braku znacznego zużycia powodującego zmniejszenie jego mocy i momentu obrotowego Euro 4, 75 km Euro 4, 5 km Euro 5, 75 km Euro 5, 5 km S [m] Rys Charakterystyka emisji dwutlenku węgla (narastająco) podczas testu dla wszystkich badanych pojazdów

96 NO x [mg] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 96 Odmienne rezultaty zanotowano dla emisji tlenku węgla (rys. 6.38) i tlenków azotu (rys. 6.39). W przypadku pierwszego związku pojazdy o przebiegu około 75 km charakteryzują się znacznie mniejszymi wartościami końcowymi (o około 5%). Jednak dokładna analiza potwierdza, że zwiększona emisja tlenku węgla dla pojazdów o dużym przebiegu, jest obserwowana podczas całego testu (jest w przybliżeniu 2-krotnie większa od pojazdów o przebiegu 75 km, wykazując niezależność od warunków ruchu). Emisja tlenków azotu dla pojazdów o przebiegu 75 km wynosi około 1% wartości emisji dla pojazdów o przebiegu 5 km, niezależnie od klasy emisyjnej pojazdu. Siedmiokrotny wzrost przebiegu pojazdu powoduje ponad kilkunastokrotny wzrost emisji tlenków azotu (rys. 6.39). Może to być spowodowane małą sprawnością reaktora katalitycznego, który nie był w tym okresie wymieniany Euro 4, 75 km Euro 4, 5 km Euro 5, 75 km Euro 5, 5 km CO [mg] S [m] Rys Charakterystyka emisji tlenku węgla (narastająco) podczas testu dla wszystkich badanych pojazdów Euro 4, 75 km Euro 4, 5 km Euro 5, 75 km Euro 5, 5 km S [m] Rys Charakterystyka emisji tlenków azotu (narastająco) podczas testu dla wszystkich badanych pojazdów Rozpatrując emisję węglowodorów należy zauważyć, że dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4, występuje duża zgodność w rejestrowanych danych (rys. 6.4). Różnice między tymi pojazdami są niezauważalne (poniżej 5% w całym badanym zakresie). Natomiast dla pojazdów klasy Euro 5 różnica wynosi 2% o taką wartość zwiększona

97 PM [mg] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 97 jest emisja węglowodorów przy zwiększeniu przebiegu pojazdu z 75 km do 5 km. Emisja węglowodorów z pojazdów o klasie emisyjnej Euro 4 jest mniejsza niż emisja z pojazdów o klasie emisyjnej Euro 5, co można tłumaczyć inną charakterystyką wtrysku paliwa gazowego Euro 4, 75 km Euro 4, 5 km Euro 5, 75 km Euro 5, 5 km HC [mg] S [m] Rys Charakterystyka emisji węglowodorów (narastająco) podczas testu dla wszystkich badanych pojazdów Dodatkowo tylko w celach porównawczych zmierzono emisję cząstek stałych dla wszystkich rozpatrywanych pojazdów (rys. 6.41). Dla pojazdów o przebiegu 75 km emisja cząstek stałych w całym teście nie przekraczała 2 mg, natomiast dla pojazdów po przebiegu 5 km była kilkakrotnie większa. Charakter zwiększenia był podobny, jak w przypadku emisji drogowej tlenku węgla. Wynika to z przyczyny powstawania obu związków, jaką jest niedobór tlenu w komorze spalania. Również podobne są chwile zwiększenia emisji tych związków mała prędkość pojazdu i znaczne przyspieszenia a więc podczas gwałtowanego przyspieszania pojazdu, przy zwiększanej skokowo dawce paliwa Euro 4, 75 km Euro 4, 5 km Euro 5, 75 km Euro 5, 5 km S [m] Rys Charakterystyka emisji cząstek stałych (narastająco) podczas testu dla wszystkich badanych pojazdów

98 CO [mg/km] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza Omówienie wyników końcowych Wyznaczona podczas badań emisja dwutlenku węgla jest największa dla pojazdu o przebiegu rzędu 75 km i klasie emisyjnej Euro 4 (rys. 6.42). Wynika to z faktu, iż przejazd ten charakteryzował się najdłuższym czasem, a tym samym całkowitym zużyciem paliwa w czasie testu. Można zatem założyć (przyjmując że zwiększenie emisji dwutlenku węgla było spowodowane zwiększonym ruchem ulicznym), iż nie ma różnic w wielkości emisji dwutlenku węgla dla pojazdów o zróżnicowanym przebiegu. 25 CO 2 [g/km] km 5 km 75 km 5 km Euro 4 Euro 5 Rys Porównanie emisji drogowej dwutlenku węgla dla pojazdów o różnym przebiegu oraz klasie emisyjnej Euro 4 i Euro 5 Analizując emisję tlenków węgla (rys. 6.43) zauważa się duży wpływ przebiegu pojazdu na wielkość emisji drogowej tego związku, która jest kilkukrotnie większa dla pojazdów o przebiegu 5 km. Zwiększenie 7-krotne przebiegu pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4 powoduje około 5-krotne zwiększenie emisji drogowej tlenku węgla, natomiast dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 5, obserwowane jest około 3-krotne zwiększenie tej emisji ~5 ~ km 5 km 75 km 5 km Euro 4 Euro 5

99 NO x [mg/km] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 99 Rys Porównanie emisji drogowej tlenku węgla dla pojazdów o różnym przebiegu oraz klasie emisyjnej Euro 4 i Euro 5 Badane pojazdy charakteryzujące się zwiększonym przebiegiem emitowały około 1,2 1,5 razy więcej węglowodorów w porównaniu do pojazdów o przebiegu 75 km (rys. 6.44). Należy jednak zauważyć dużą zgodność wyników dla pojazdów o jednakowym przebiegu: dla przebiegu 75 km różnica wynosi kilka procent między pojazdami o różnej klasie emisyjnej, natomiast dla przebiegu rzędu 5 km obserwuje się różnicę rzędu 24% ~1,5 14 HC [mg/km] ~1, km 5 km 75 km 5 km Euro 4 Euro 5 Rys Porównanie emisji drogowej węglowodorów dla pojazdów o różnym przebiegu oraz klasie emisyjnej Euro 4 i Euro 5 Największy wpływ przebiegu pojazdów na ich wskaźniki ekologiczne zanotowano dla pomiarów emisji drogowej tlenków azotu (rys. 6.45). Dla pojazdów o klasie emisyjnej Euro 4 zwiększenie przebiegu powoduje 18-krotny wzrost tej emisji, a dla pojazdów o klasie emisyjnej Euro 5 2-krotny. Na uwagę zasługują podobne wartości emisji drogowej tlenków azotu uzyskiwane dla pojazdów o różnej klasie emisyjnej ~18 49 ~ km 5 km 75 km 5 km Euro 4 Euro 5 Rys Porównanie emisji drogowej tlenków azotu dla pojazdów o różnym przebiegu oraz klasie emisyjnej Euro 4 i Euro 5

100 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 1 Znaczący jest wpływ przebiegu pojazdu na wartość emisji drogowej cząstek stałych w odniesieniu do ich masy (rys. 6.46). Uzyskiwane wartości dla pojazdów o różnej klasie emisyjnej i przebiegu rzędu 5 km są około 3 5-krotnie większe od pojazdów o przebiegu 75 km. Świadczy to o znacznym wyeksploatowaniu urządzeń zasilających (głównie wtryskiwaczy) oraz o nieprecyzyjnym dawkowaniu paliwa w stanach przejściowych silnika. Większe zmiany dla pojazdów o klasie emisyjnej Euro 5 są potwierdzeniem uzyskiwanych większych zmian emisji drogowej węglowodorów.,3 ~5,271 PM [mg/km],2,1,67 ~3,213,53 75 km 5 km 75 km 5 km Euro 4 Euro 5 Rys Porównanie emisji drogowej cząstek stałych (w odniesieniu do ich masy) dla pojazdów o różnym przebiegu oraz klasie emisyjnej Euro 4 i Euro 5 Badane pojazdy nie przekraczają dopuszczalnych limitów emisji tlenku węgla i węglowodorów nawet po przebiegu 5 km (tab. 6.4). Wyjątkiem jest emisja drogowa tlenków azotu, która dla wspomnianego przebiegu jest przekroczona 5-krotnie dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4 i 7,5-krotnie dla pojazdu klasy Euro 5. Może to świadczyć o niewielkich zmianach wprowadzonych w pojazdach klasy Euro 4 w celu spełnienia kolejnej normy. Taki wniosek można wysnuć również analizując dopuszczalne limity emisji spalin dla pojazdów spełniających normy Euro 4 i Euro 5. Tablica 6.4. Dopuszczalne wartości emisji związków szkodliwych w spalinach w mg/km według normy Euro 4 i Euro 5 dla pojazdów z silnikami o zapłonie iskrowym Związek szkodliwy Euro 4 Euro 5 CO 1 1 HC 1 1 NO x 8 6 PM 5* * dla pojazdów z silnikami ZI o bezpośrednim wtrysku paliwa. Charakterystykę wymiarową emisji cząstek stałych (w odniesieniu do ich liczby) przeprowadzono dla całości testu jako wartość uśrednioną z całej trasy pomiarowej oraz wybranych fragmentów jazdy na autostradzie ze stałą prędkością. Wybraną warto-

101 22,1 25,5 29,4 34, 39,2 45,3 52,3 6,4 69,8 8,6 93,1 17,5 124,1 143,3 165,5 191,1 22,7 254,8 294,3 339,8 392,4 453,2 523,3 22,1 25,5 29,4 34, 39,2 45,3 52,3 6,4 69,8 8,6 93,1 17,5 124,1 143,3 165,5 191,1 22,7 254,8 294,3 339,8 392,4 453,2 523,3 PN [1/cm 3 ] 22,1 25,5 29,4 34, 39,2 45,3 52,3 6,4 69,8 8,6 93,1 17,5 124,1 143,3 165,5 191,1 22,7 254,8 294,3 339,8 392,4 453,2 523,3 22,1 25,5 29,4 34, 39,2 45,3 52,3 6,4 69,8 8,6 93,1 17,5 124,1 143,3 165,5 191,1 22,7 254,8 294,3 339,8 392,4 453,2 523,3 PN [1/cm 3 ] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 11 ścią prędkości było 12 km/h. Dla takich wartości wyznaczono rozkłady wymiarowe liczby cząstek stałych w zależności od ich średnicy. Zgodnie z wymaganiami normy dotyczącej pomiarów liczby cząstek stałych emitowanych z silników samochodów osobowych [3, 8] rozpatrywano zakres cząstek stałych o średnicach od 23 nm. Aby dokładnie wyjaśnić to zagadnienie na rys zaprezentowano rozkłady wymiarowe liczby cząstek stałych w zależności od średnicy pomiarowej dla pojazdów o różnym przebiegu (wartość uśredniona dla całej trasy pomiarowej). Analiza wykresów pozwala na stwierdzenie, że dla pojazdów o klasie emisyjnej Euro 4/Euro 5 i przebiegu 75 km średnica charakterystyczna cząstek stałych (średnica cząstek, dla której występuje największa ich liczba) to zakres 3 4 nm (rys. 6.47a i 6.47c), natomiast dla pojazdów o przebiegu 5 km, niezależnie od klasy emisyjnej zakres ten przesunięty jest w prawą stronę (rys. 6.47b i 6.47d) w kierunku większych średnic (35 6 nm). a) b) PN [1/cm 3 ] Klasa emisyjna: Euro 4 Przebieg: 75 km Zasilanie: CNG Warunki pomiaru: cały test Klasa emisyjna: Euro 4 Przebieg: 5 km Zasilanie: CNG Warunki pomiaru: cały test D [nm] c) d) PN [1/cm 3 ] Klasa emisyjna: Euro 5 Przebieg: 75 km Zasilanie: CNG Warunki pomiaru: cały test D [nm] Klasa emisyjna: Euro 5 Przebieg: 5 km Zasilanie: CNG Warunki pomiaru: cały test D [nm] D [nm] Rys Szczegółowa charakterystyka wymiarowa uśrednionej liczby cząstek stałych dla całego przejazdu (pojazdy o różnym przebiegu oraz innej klasie emisyjnej) dla: a) Euro 4, 75 km, b) Euro 4, 5 km, c) Euro 5, 75 km, d) Euro 5, 5 km Charakterystyczna jest też liczba cząstek stałych prawie niezmienna dla pojazdów o klasie emisyjnej Euro 4 następuje tylko przesunięcie w stronę większych średnic, przy niezmiennym rozkładzie (liczba cząstek większych po większym przebiegu nieznacznie wzrasta). Natomiast dla pojazdów o klasie emisyjnej Euro 5 zdecydowanie całkowita liczba cząstek się zwiększa jednocześnie zwiększa się też ich średnica. Przyczyną może być stan techniczny układu wtryskowego, co również znalazło potwierdzenie we wcześniej rozpatrywanych wynikach składników gazowych. Badania rozkładów wymiarowych powtórzono również dla wybranej stałej prędkości jazdy. Ze względu na osiąganą maksymalną prędkość w teście wynoszącą 12

102 22,1 25,5 29,4 34, 39,2 45,3 52,3 6,4 69,8 8,6 93,1 17,5 124,1 143,3 165,5 191,1 22,7 254,8 294,3 339,8 392,4 453,2 523,3 22,1 25,5 29,4 34, 39,2 45,3 52,3 6,4 69,8 8,6 93,1 17,5 124,1 143,3 165,5 191,1 22,7 254,8 294,3 339,8 392,4 453,2 523,3 PN [1/cm 3 ] 22,1 25,5 29,4 34, 39,2 45,3 52,3 6,4 69,8 8,6 93,1 17,5 124,1 143,3 165,5 191,1 22,7 254,8 294,3 339,8 392,4 453,2 523,3 22,1 25,5 29,4 34, 39,2 45,3 52,3 6,4 69,8 8,6 93,1 17,5 124,1 143,3 165,5 191,1 22,7 254,8 294,3 339,8 392,4 453,2 523,3 PN [1/cm 3 ] PN [1/cm 3 ] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 12 km/h, tę wartość wybrano do porównania (rys. 6.48). Porównanie pojazdów o klasie emisyjnej Euro 4 i różnych przebiegach uwidacznia zmiany w emitowanej liczbie cząstek stałych podczas dużych wartości obciążeń silnika. Pojazdy o klasie emisyjnej Euro 4 i znacznym przebiegu, w takich warunkach emitują około 6 razy więcej cząstek o wymiarach 3 5 nm w stosunku do pojazdów o przebiegu około 75 km (rys. 6.48a i 6.48c). Również podobna sytuacja występuje dla pojazdów o klasie emisyjnej Euro 5: zwiększenie przebiegu powoduje około 3-krotne zwiększenie liczby cząstek stałych, jednakże co nie jest konsekwentne w badanych pojazdach powstaje w tym przypadku większa liczba cząstek o większych wymiarach (rys. 6.48b i 6.48d). W rezultacie liczba cząstek zwiększa się o 5% w stosunku do pojazdów o klasie emisyjnej Euro 4, ale z powodu ich większych rozmiarów, masa cząstek zwiększa się znaczniej, co wykazano wcześniej. a) b) Klasa emisyjna: Euro 4 Przebieg: 75 km Zasilanie: CNG Warunki pomiaru: 12 km/h Klasa emisyjna: Euro 4 Przebieg: 5 km Zasilanie: CNG Warunki pomiaru: 12 km/h D [nm] c) d) PN [1/cm 3 ] Klasa emisyjna: Euro 5 Przebieg: 75 km Zasilanie: CNG Warunki pomiaru: 12 km/h D [nm] Klasa emisyjna: Euro 5 Przebieg: 5 km Zasilanie: CNG Warunki pomiaru: 12 km/h 5 1 D [nm] D [nm] Rys Szczegółowa charakterystyka wymiarowa liczby cząstek stałych dla prędkości jazdy równej 12 km/h (pojazdy o różnym przebiegu oraz innej klasie emisyjnej) dla: a) Euro 4, 75 km, b) Euro 4, 5 km, c) Euro 5, 75 km, d) Euro 5, 5 km Analizując emisję związków szkodliwych można wysunąć wniosek, iż przebieg pojazdu nie ma znaczącego wpływu na wielkość emisji dwutlenku węgla i węglowodorów. Znaczny natomiast wzrost wielkości emisji obserwuje się dla tlenków azotu (ok. 2-krotny) oraz tlenku węgla (ok. 3 5-krotny). Niewątpliwie jest to spowodowane zużyciem reaktora katalitycznego. Praktycznie niezauważalne są natomiast zmiany wielkości emisji związków szkodliwych (szczególnie HC, NO x i PM) porównując pojazdy o jednakowym przebiegu różniące się klasą emisyjną (Euro 4 i Euro 5). Na podstawie analizy wyników emisji dla pojazdu o przebiegu 75 km można zauważyć, że niezależnie od klasy emisyjnej pojazdu spełnione są wymogi normy Euro 5.

103 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 13 Może to oznaczać, że producent nie musiał przeprowadzać pod tym względem istotnych zmian wpływających na wielkość emisji związków szkodliwych. Zwiększenie przebiegu pojazdów do 5 km również nie stwarza większych kłopotów ze spełnieniem norm emisji związków szkodliwych (z wyjątkiem emisji drogowej NO x należy jednak pamiętać, że test homologacyjny wykonywany jest z zimnego rozruchu, czyli w warunkach, w których najmniej jest produkowanych tlenków azotu i stąd może wynikać różnica). Uzupełnieniem wykonanych badań powinien być etap, polegający na wymianie reaktora katalitycznego jako elementu najprawdopodobniej już wyeksploatowanego i powtórzeni badań drogowych. Takie postępowanie powinno dać odpowiedź na pytanie o możliwość uzyskania znacznych korzyści ekologicznych w pojazdach zasilanych gazem ziemnym. Badania takie są tematem podrozdziału Badania drogowe pojazdów zasilanych gazem ziemnym w warunkach pozamiejskich Charakterystyka trasy badawczej Celem badań było porównanie wyników badań drogowych emisji spalin pojazdów o różnej klasie emisyjnej zasilanych sprężonym gazem ziemnym w badaniach drogowych na trasie pozamiejskiej. Badania emisji spalin wykonano podczas przejazdów wyznaczoną trasą pomiarową, którą podzielono na odcinki o różnej specyfice natężenia ruchu drogowego (rys. 6.49) [74]. Charakterystykę przejazdów jako prędkość jazdy w funkcji drogi pokazano na rys. 6.5, załączając jednocześnie opis najważniejszych cech takich przejazdów. Badania wykonano dla dwóch pojazdów o różnej klasie emisyjnej (Euro 4 i Euro 5) i różnym przebiegu (75 km i 5 km). Dla wybranych odcinków etapów badań, wyznaczono charakterystykę przejazdu oraz wartości emisji drogowej związków szkodliwych spalin dla pojazdów różnej klasy emisyjnej. Charakterystykę trasy i parametrów przejazdów przedstawiono w tablicy 6.5. Długość odcinka pomiarowego około 63 km Czas przejazdu około 7 min 3-krotne powtórzenie przejazdu - prezentowane wartości średnie Rys Trasa pozamiejska z zaznaczonym podziałem na odcinki pomiarowe

104 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 14 5,5 5, 4,5 4, 3,5 3, 2,5 V >, a 2, > V = const 1,5 V >, a 1, < -25 Udział w teście 38% -5 24% % -1 V =, stop,5 6% S [m] 5,5 5, 4,5 4, 3,5 3, 2,5 V >, a 2, > V = const 1,5 V >, a 1, < Klasa emisyjna: Euro 4 Przebieg: 75 km Zasilanie: CNG Klasa emisyjna: Euro 5 Przebieg: 75 km Zasilanie: CNG V =, stop,5 6% S [m] % % -1 V [km/h] V [km/h] -25 Udział w teście 37% -5 CNG Euro 4 a > 38% V = const 24% a < 33% V = (stop) 6% CNG Euro 5 a > 37% V = const 26% a < 31% V = (stop) 6% Rys Charakterystyka przejazdów przedstawiona we współrzędnych V = f(s) dla pojazdu klasy emisyjnej Euro 4 i Euro 5 o przebiegu 75 km Tablica 6.5. Charakterystyka trasy przejazdu z podziałem na odcinki pomiarowe Pojazd/ klasa emisyjna CNG / Euro 4 75 km CNG / Euro 5 75 km Etap Czas testu [s] Długość drogi [m] Prędkość średnia [km/h] Udział postoju [%] Udział a < [%] Udział a = [%] Udział a > [%] I (A B) ,2 3,42 33,44 29,71 33,44 II (B C) ,97,19 34,29 18,1 47,43 III (C D) ,4,16 31,37 26,11 42,36 IV (D E) ,54 4,2 34,97 16,96 43,88 V (E A) ,54 12,27 32,97 23,23 31,35 łącznie ,44 5,55 32,98 23,85 37,62 I (A B) ,99 7,42 29,47 29,98 33,13 II (B C) ,5,18 35,16 21,61 43,4 III (C D) ,36,83 32,39 29,5 37,73 IV (D E) ,97,23 32,5 22,27 45, V (E A) ,84 11,6 29,78 23,38 35,78 łącznie ,78 5,73 31,39 25,58 37, Analiza zgodności etapów badań Wybrane do analizy etapy badań charakteryzowały się zróżnicowanymi warunkami jazdy co bezpośrednio przekładało się na inne warunki pracy silnika. Etap I (przejazd drogą szybkiego ruchu ze skrzyżowaniami) charakteryzował się dużym udziałem (około 3%) prędkości pojazdu z zakresu 24 3 m/s (prędkość średnia około 9 km/h) oraz 3-procentowym udziałem zatrzymania pojazdu (rys. 6.51a i 6.52a). Taka charakterystyka odcinka badawczego bezpośrednio wpływa na pracę silnika: obszar jego pracy to

105 u i [-] u i [-] u i [-] u i [-] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 15 głównie wartości zwiększonej prędkości obrotowej i małe obciążenia (do 2%) z widoczną przewagą ustalonego punktu pracy (rys. 6.53a i 6.54a). Etap II to przejazd drogą gminną ze skrzyżowaniami charakteryzował się dużym udziałem (około 3%) prędkości pojazdu z zakresu m/s (prędkość średnia około 7 km/h) oraz mniej niż 1-procentowym udziałem zatrzymania pojazdu (rys. 6.51b i 6.52b). Taka charakterystyka odcinka badawczego bezpośrednio wpływa na pracę silnika: obszar jego pracy to głównie wartości prędkości obrotowej w granicach 18 2 obr/min i małe obciążenie (ok. 2%) z widoczną przewagą ustalonego punktu pracy (rys. 6.53b i 6.54b). Etap III charakteryzował się innymi warunkami: droga poza obszarem zabudowanym nie wymagała zatrzymywania się pojazdu w związku z tym taki punkt nie jest widoczny na charakterystyce pracy pojazdu (rys. 6.51c i 6.52c). Natomiast na charakterystyce pracy silnika wyraźnie mniejszy jest obserwowany udział czasu pracy na biegu jałowym (rys. 6.53c i 6.54c). Większy jest również udział dużych prędkości obrotowych silnika i średniego obciążenia w takim obszarze silnik pracował przez większość odcinka badawczego. a) b),4,2,3,2,1, V [m/s] 1,4,6 -,2 a [m/s 2 ] -1, -1,8,15,1,5, V [m/s] 1,4,6 -,2-1, a [m/s 2 ] -1,8 c) d) u i [-],2,15,1,5, V [m/s] 1,4,6 -,2-1, a [m/s 2 ] -1,8 u i [-],12,1,8,6,4,2, V [m/s] 1,4,6 -,2-1, a [m/s 2 ] -1,8 e) f),2,15,1,5, V [m/s] -,2 a [m/s 2 ] -1, -1,8,6 1,4 -,2-1, a [m/s 2 ] Rys Udziały czasu pracy pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4 we współrzędnych prędkość pojazdu przyspieszenie w różnych warunkach pracy pojazdu: a) etap I, b) etap II, c) etap III, d) etap IV, e) etap V, f) całość testu,12,1,8,6,4,2, V [m/s] -1,8,6 1,4

106 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 16 a) b),2,2 u i [-],15,1,5, V [m/s] 1,4,6 -,2 a [m/s 2 ] -1, -1,8 u i [-],15,1,5, V [m/s] 1,4,6 -,2 a [m/s 2 ] -1, -1,8 c) d) u i [-],25,2,15,1,5, V [m/s] 1,4,6 -,2 a [m/s 2 ] -1, -1,8 u i [-],2,15,1,5, V [m/s] 1,4,6 -,2 a [m/s 2 ] -1, -1,8 e) f) u i [-],2,15,1,5, V [m/s] 1,4,6 -,2 a [m/s 2 ] -1, -1,8 u i [-],15,12,9,6,3, V [m/s] 1,4,6 -,2 a [m/s 2 ] -1, -1,8 Rys Udziały czasu pracy pojazdu o klasie emisyjnej Euro 5 we współrzędnych prędkość pojazdu przyspieszenie w różnych warunkach pracy pojazdu: a) etap I, b) etap II, c) etap III, d) etap IV, e) etap V, f) całość testu Etap IV to również przejazd drogą gminną ze skrzyżowaniami charakteryzował się dużym udziałem (około 13%) prędkości pojazdu z zakresu ok. 9 km/h z mniej niż 1-procentowym udziałem zatrzymania pojazdu (rys. 6.51d i 6.52d). Taka charakterystyka odcinka badawczego bezpośrednio wpływa na pracę silnika: obszar jego pracy to głównie wartości prędkości obrotowej w granicach 18 2 obr/min i małe obciążenie (ok. 2%) z widoczną przewagą ustalonego punktu pracy (rys. 6.53d i 6.54d). Ostatni etap pomiarowy odbywał się na drodze dojazdowej do Poznania oraz w obszarze zabudowanym: charakteryzował się mniejszymi wartościami prędkości jazdy oraz znacznym udziałem postoju pojazdu (rys. 6.51e i 6.52e). Wynikiem takiej sytuacji były inne warunki wykorzystania charakterystyki silnika: pracował on głównie w zakresie małych prędkości obrotowych i małego obciążenia (rys. 6.53e i 6.54e). W tym etapie obserwowany był największy udział biegu jałowego silnika. Analizując przejazdy całościowo bez podziałów na etapy należy zauważyć, że charakteryzują się one dużą zmiennością jazdy i warunków ruchu w nich występujących.

107 u i [-] u i [-] u i [-] u i [-] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 17 W całym odcinku pomiarowym największy udział czasu pracy (około 1%) ma przedział prędkości z zakresu m/s z przyspieszeniem odpowiadającym wartości zerowej (stała prędkość jazdy). Okres postoju pojazdu w całkowitym przejeździe to około 6% czasu trwania całego odcinka pomiarowego (rys. 6.51f i 6.52f). Odpowiada temu zakres średniej prędkości obrotowej silnika i średniego obciążenia oraz kilkuprocentowy udział biegu jałowego silnika (rys. 6.53f i 6.54f). a) b),12,1,8,6,4,2, n [obr/min] Z [%] 2 u i [-],12,1,8,6,4,2, n [obr/min] Z [%] c) d),1,8,6,4,2, n [obr/min] Z [%] 2 u i [-],8,6,4,2, n [obr/min] Z [%] 2 e) f),15,1,5, n [obr/min] Z [%] 2,1,8,6,4,2, n [obr/min] Z [%] 2 Rys Udziały czasu pracy silnika pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4 we współrzędnych prędkość obrotowa obciążenie w różnych warunkach pracy pojazdu: a) etap I, b) etap II, c) etap III, d) etap IV, e) etap V, f) całość testu

108 u i [-] u i [-] u i [-] u i [-] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 18 a) b),12,1,8,6,4,2, n [obr/min] Z [%] 2,1,8,6,4,2, n [obr/min] Z [%] 2 c) d) u i [-],12,1,8,6,4,2, n [obr/min] Z [%] 2 u i [-],1,8,6,4,2, n [obr/min] Z [%] 2 e) f),15,12,9,6,3, n [obr/min] Z [%] 2,1,8,6,4,2, n [obr/min] Z [%] 2 Rys Udziały czasu pracy silnika pojazdu o klasie emisyjnej Euro 5 we współrzędnych prędkość obrotowa obciążenie w różnych warunkach pracy pojazdu: a) etap I, b) etap II, c) etap III, d) etap IV, e) etap V, f) całość testu W celu oceny zgodności przejazdów pojazdów o określonym przebiegu dokonano porównania wartości udziału czasu pracy odpowiednich pól we współrzędnych prędkość pojazdu przyspieszenie pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4 i Euro 5. Analizę taką przeprowadzono dla wybranych etapów trasy oraz dla całego przejazdu, zaprezentowano na rys Wynika z niego, że zgodność wybranych przejazdów mierzona współczynnikiem korelacji wynosiła od,71 do,87, a dla całego przejazdu osiągnięto wartość współczynnika korelacji równą,83. Takie wyniki były podstawą do porównania wyników między sobą w poszczególnych etapach badań.

109 u i (Euro 5) [-] u i (Euro 5) [-] 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 19 u i (Euro 5) [-],4,3,2,1 Etap I R² =,71 Etap III R² =,87 u i (Euro 5) [-],3,25,2,15,1,5,,1,2,3,4,,5,1,15,2,25,3 u i (Euro 4) [-] u i (Euro 4) [-],2,15 Etap V R² =,86 Cały przejazd R² =,83,15,12,1,5,9,6,3,,,5,1,15,2 u i (Euro 4) [-],3,6,9,12,15 u i (Euro 4) [-] Rys Analiza korelacyjna wybranych etapów badań pojazdów o różnych klasach emisyjnych Euro 4 i Euro Analiza stężenia i emisji zanieczyszczeń gazowych Charakterystyki porównawczej stężenia i emisji związków szkodliwych dokonano na podstawie porównania przykładowych wyników uzyskanych w etapie I etapie charakterystycznym dla warunków ruchu występujących na drodze międzymiastowej z niewielką liczbą skrzyżowań. Natomiast wyniki końcowe w dalszej części rozprawy będą zaprezentowane dla etapów badań przedstawionych w punkcie poprzednim. Charakter zmian stężenia i w konsekwencji natężenia emisji dwutlenku węgla dla badanych pojazdów jest bardzo zbliżony (rys. 6.56a). Średnia wartość stężenia dwutlenku węgla zawiera się w wartościach około 9% niezależnie od klasy emisyjnej pojazdu. Również natężenie emisji tego składnika spalin jest podobne. Wartość średnia natężenia emisji wynosi około 25 mg/s co świadczy o zbliżonym zużyciu paliwa przez badane pojazdy. Większe wartości natężenia emisji przy jednakowym poziomie stężenia świadczą o większym natężeniu przepływu spalin pojazdu, co jest związane z większymi wartościami prędkości obrotowej silnika. Podobne tendencje zaobserwowano przy pomiarze stężenia i natężenia emisji tlenku węgla (rys. 6.56b). Widoczny jest kilkukrotny nagły wzrost stężenia i natężenia emisji wywołany gwałtownym zwiększeniem parametrów pracy silnika (prędkości obrotowej i obciążenia, wywołane np. zmianą biegów i nagłym przyspieszeniem pojazdu). Zarejestrowane wartości nie wykazują znaczących różnic w przebiegach należy uznać, na tym etapie analizy, że badane pojazdy napędzane gazem ziemnym o różnej klasie emisyjnej (ale podobnym przebiegu), emitują podobną masę tlenku węgla. Różnice w badaniach pojazdów o różnej klasie emisyjnej odnotowano w poziomie stężenia węglowodorów. Dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4 wartość średnia stężenia węglowodorów wynosiła około 2 ppm, natomiast dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 5 była to wartość 3 ppm (rys. 6.56c). Częściowym wytłumaczeniem tego, może być większa temperatura w komorze spalania, czego skutkiem będzie większa skuteczność

110 6. Wyniki badań własnych i ich analiza 11 reaktora katalitycznego spalin. Wyższa temperatura spalania będzie jednak powodowała zwiększenie stężenia tlenków azotu, co było charakterystyczne dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4 (rys. 6.56d). W porównaniu końcowych wyników należy oczekiwać zwiększonej emisji tlenków azotu dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4. a) b) c) d) Rys Charakterystyka stężenia i natężenia emisji spalin przejazdów etapu I pojazdów o klasie emisyjnej Euro 4 i Euro 5: a) dwutlenku węgla, b) tlenku węgla, c) węglowodorów, d) tlenków azotu