WP YW ZASTOSOWANIA RODZAJU SILNIKA W POJAZDACH HDV NA EMISJ CO 2, CO ORAZ ZU YCIE PALIWA

Transkrypt

1 PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 98 Transport 2013 Jerzy Merkisz, Pawe Fu, Piotr Lijewski, Andrzej Zió kowski, ukasz Rymaniak Politechnika Pozna ska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu WP YW ZASTOSOWANIA RODZAJU SILNIKA W POJAZDACH HDV NA EMISJ CO 2, CO ORAZ ZU YCIE PALIWA R kopis dostarczono, kwiecie 2013 Streszczenie: W artykule przedstawiono porównanie emisji CO 2, CO oraz przebiegowego zu ycia paliwa dla dwóch pojazdów ci arowych przeznaczonych do d ugodystansowego przewozu towarów. Pojazdy ró ni y si zarówno parametrami jednostek nap dowych, jak i mas przewo onego towaru. Badania wykonano na tym samym odcinku pomiarowym. Odzwierciedla on codzienn eksploatacj pojazdów ci arowych dojazd do miejsca za adunku/roz adunku i ruch po drogach krajowych. Do bada wykorzystano mobilny przyrz d SEMTECH DS z grupy PEMS (Portable Emissions Measurement System). Na podstawie przeprowadzonej analizy okre lono optymalny wybór silnika spalinowego pojazdu ci arowego w aspekcie zu ycie paliwa dla d ugodystansowych przewozów towarów w warunkach reprezentuj cych krajow infrastruktur transportowo-logistyczn. S owa kluczowe: pojazd ci arowy, emisja gazów wylotowych, badania drogowe 1. WST P Podstawowym wska nikiem opisuj cym dynamik pojazdów u ytkowych (pojazdy ci arowe i autobusy) jest tzw. moc jednostkowa samochodu. Jest to iloraz maksymalnej mocy u ytecznej silnika do dopuszczalnej masy ca kowitej pojazdu [4-5]. W latach 50 i 60 ubieg ego wieku pojazdy ci arowe charakteryzowa y si niskim wska nikiem mocy jednostkowej. W zwi zku z sukcesywnym wzrostem liczby samochodów zdecydowano wprowadzi minimalne warto ci powy szego wska nika dla pojazdów ci arowych, aby ich eksploatacja nie powodowa a spadku przepustowo ci g ównych arterii komunikacyjnych. W po owie lat 70 w Niemczech wprowadzono wymóg, aby pojazdy ci arowe przeznaczone do przewozów d ugodystansowych charakteryzowa y si wska nikiem nie ni szym ni 6 kw/t. To oznacza o, e pojazd o dmc 38 t musia posiada silnik spalinowy o mocy 228 kw (310 KM). Obowi zuj cym obecnie standardem jest wska nik na poziomie 7,5 kw/t wprowadzony w 2000 roku. Dzi ki temu, pojazdy ci arowe przeznaczone do d ugodystansowych przewozów towarów charakteryzuj si

2 438 Jerzy Merkisz, Pawe Fu, Piotr Lijewski, Andrzej Zió kowski, ukasz Rymaniak obecnie dobrymi w a ciwo ciami dynamicznymi (zdolno do uzyskiwania du ych przyspiesze ) [9]. Europejscy producenci w swojej ofercie posiadaj równie pojazdy wyposa one w jednostki nap dowe o mocach wy szych ni 300 kw (tak moc silnika posiadaj pojazdy o wska niku 7,5 kw/t i dmc 40 t). Jest to spowodowane wieloma aspektami, m.in. ekonomicznym, spo ecznym, marketingowym etc. Obecnie jednym z g ównych kryteriów wiadcz cym o jako ci oferowanych us ug transportowych jest czas ich wykonania. Pojazdy o du ych wska nikach mocy jednostkowej osi gaj wy sze rednie pr dko ci przejazdu ni pojazdy o mniejszych wska nikach. Przek ada si to na skrócenie czasu wykonania us ugi, dzi ki czemu mo liwa jest realizacja wi kszej liczby zlece transportowych. Dodatkowo wa ne jest, aby pojazdy te charakteryzowa y si porównywalnym b d niewiele wi kszym przebiegowym zu yciem paliwa [3]. To pozwala firmom transportowym zrekompensowa koszt zakupu tego typu pojazdów, który jest wi kszy ni w przypadku pojazdów posiadaj cych silniki spalinowe o mniejszej mocy u ytecznej. 2. METODYKA BADA 2.1. TRASA Drogowe badania emisji gazów wylotowych przeprowadzono na odcinku pomiarowym którego d ugo wynosi a 27 km (rys. 1). Odcinek rozpoczyna i ko czy si przy jednym z zak adów produkcyjnych w dzielnicy przemys owej miejscowo ci, w której wykonano pomiary. W powy szym zak adzie produkcyjnym codziennie prze adowywanych jest 50 pojazdów. Przebieg trasy badawczej mo na podzieli na dwie zasadnicze cz ci: pierwsza obejmowa a dojazd do miejsca roz adunku/za adunku towaru drogami miejskimi, a druga przejazd drogami krajowymi i wojewódzkimi. Przebieg odcinka badawczego umo liwia odwzorowanie warunków codziennej eksploatacji pojazdów ci arowych o dopuszczalnej masie ca kowitej powy ej kg (tzw. d ugodystansowych). Przy jej wyborze uwzgl dniono równie obowi zuj ce ograniczenia dotycz ce dopuszczalnej masy ca kowitej pojazdu ustanowione przez odpowiedni organ administracji publicznej.

3 Wp yw zastosowania rodzaju silnika w pojazdach HDV na emisj CO 2, CO oraz 439 Rys.1. Odcinek pomiarowy wykorzystany do drogowych bada emisji [wykonano na podstawie GPSVisualiser.com] 2.2. OBIEKTY BADAWCZE Do bada wykorzystano dwa pojazdy ci arowe (ci gniki siod owe z naczepami) obci one odpowiednio adunkiem i kg (rys.2). Pierwszy z obiektów wyposa ony by w silnik spalinowy o mocy 309 kw (420 KM) spe niaj cy norm emisji Euro III. Drugi obiekt posiada silnik V8 o mocy 412 kw (560 KM), który spe nia norm emisji Euro V. Oba pojazdy poosiada y zautomatyzowan skrzyni biegów (tabl. 1). Tablica 1 Charakterystyka pojazdów wykorzystanych do bada [9] Parametr Pojazd A Pojazd B Pojemno skokowa silnika 11,7 dm 3 15,6 dm 3 Liczba cylindórw / uk ad 6 / rz dowy 8 / V8 Moc maksymalna 309 kw przy 1900 obr/min 412 kw przy 1900 obr/min Maksymalny moment obrotowy 2100 N m przy obr/min 2700 N m przy obr/min Wska nik mocy jednostkowej 7,7 kw/t 10,3 kw/t Norma emisji Euro III Euro V Uk ad oczyszczania gazów wylotowych brak SCR Skrzynia biegów zautomatyzowana zautomatyzowana Konfiguracja osi ci gnika siod owego 4 x 2 4 x 2 Masa w asna pojazdu ci arowego z naczep kg kg Masa adunku kg kg Rodzaj adunku Big-Bag stal Typ naczepy kurtynowa kurtynowa

4 440 Jerzy Merkisz, Pawe Fu, Piotr Lijewski, Andrzej Zió kowski, ukasz Rymaniak a) b) Rys. 2. Obiekty badawcze podczas drogowych bada emisyjno ci: a) pojazd A, b) pojazd B 2.3. APARATURA POMIAROWA Pomiary przeprowadzono przy u yciu mobilnego przyrz du SEMTECH DS z grupy PEMS. Jego wykorzystanie umo liwia o pomiar CO 2, CO oraz masowego nat enia przep ywu gazów wylotowych (rys.3a). Pomiaru CO 2 i CO dokonano przy u yciu analizatora NDIR (Non-Dispersive Infrared). Przyrz d posiada tak e funkcj komunikacji z sieci diagnostyczn pojazdu. To po czenie zrealizowano za pomoc protoko u transmisji danych CAN SAE J1939/J2284. Dzi ki temu dokonano rejestracji podstawowych parametrów pracy silnika spalinowego, takich jak pr dko obrotowa wa u korbowego, czy generowane obci enie. Obci enie zdefiniowane jest w systemie stosunkiem bie cego momentu obrotowego do maksymalnego momentu obrotowego silnika. Pozycj pojazdu oraz jego pr dko mierzono za pomoc uk adu pozycjonowania GPS (Global Positioning System). Przyrz d sterowano przy pomocy komputera przeno nego (rys. 3b) [1, 7].

5 Wp yw zastosowania rodzaju silnika w pojazdach HDV na emisj CO 2, CO oraz 441 B A Rys. 3. Aparatura pomiarowa zainstalowana w kabinie pojazdu ci arowego: A) SEMTECH DS, B) komputer steruj cy prac przyrz du 2.4. WSKA NIK KORYGUJ CY EMISJ SZKODLIWYCH SK ADNIKÓW GAZÓW WYLOTOWYCH Ze wzgl du na brak mo liwo ci przeprowadzenia pomiarów dwóch pojazdów ci arowych spe niaj cych t sam norm emisji, badania wykonano dla pojazdów spe niaj cych norm Euro III i V. Aby porówna uzyskane warto ci emisji CO podczas pomiarów drogowych zdecydowano zdefiniowa bezwymiarowy wska nik koryguj cy emisj C i [8]: C e i, EuroV i (1) ei, EuroIII gdzie: C i wska nik koryguj cy emisj i-tego zwi zku; e i, Euro V limit emisji jednostkowej danego zwi zku w normie Euro V [g/(kw h)]; e i, Euro V limit emisji jednostkowej danego zwi zku w normie Euro III [g/(kw h)]. Wska nika koryguj cego dla emisji CO 2 nie wyznaczono, poniewa ten zwi zek nie jest zdefiniowany w normach emisji gazów wylotowych. Dla emisji CO wska nik C i wynosi 0, WYNIKI BADA ANALIZA I DYSKUSJA W pierwszej cz ci miejskiej zarejestrowano znacz ce ró nice pomi dzy profilami ruchu obu pojazdów pojazd A osi gn wi ksz pr dko ni pojazd B (rys. 4). To by o spowodowane przede wszystkim wi kszym nat enie ruchu pojazdów podczas przejazdu pojazd B. W cz ci autostradowej oba profile ruchu charakteryzowa y si zbli onym

6 442 Jerzy Merkisz, Pawe Fu, Piotr Lijewski, Andrzej Zió kowski, ukasz Rymaniak przebiegiem. By y one jednak przesuni te wzgl dem siebie o 120 s, co wynika o z d u szego postoju pojazdu A przed wjazdem na drog krajow 92. Pojazd A w trakcie ca ego przejazdu uzyska ni sz redni pr dko, o 4%, ni pojazd B (tabl. 2). Z analizy redniego i maksymalnego przyspieszenia wynika, e przejazd pojazdu B by bardziej dynamiczny, poniewa w obu przypadku uzyska on wy sze warto ci odpowiednio o 50 i 33%. Rys. 4. Profile pr dko ci badanych pojazdów uzyskane podczas bada drogowych opisane funkcj f = V(t) Tablica 2 Parametry charakteryzuj ce przejazdy obu pojazdów podczas bada drogowych Parametr Jednostka Pojazd A Pojazd B Stosunek procentowy pojazd A / pojazd B [%] Droga s km 26,57 26,88 98,84 Pr dko maksymalna V max km/h 92,00 84,52 108,14 Pr dko rednia V r km/h 45,73 47,63 96,01 Przyspieszenie minimalne a min m/s 2-2,93-2,80 104,64 Przyspieszenie maksymalne a max m/s 2 1,28 2,53 50,60 Przyspieszenie rednie a r m/s 2 0,04 0,06 66,67 Wed ug przyj tego wcze niej za o enia (podrozdzia 2.4) warto emisji sekundowej CO pojazdu A przemno ono przez wska nik C i i nast pnie porównano z przebiegiem zarejestrowanym dla pojazdu B. Pojazd A w pierwszej fazie miejskiej uzyska wi ksze maksymalne warto ci emisji CO ni pojazd B (rys. 5). W dalszej cz ci odcinka pomiarowego tendencja ta zosta a zachowana za wyj tkiem kilku pojedynczych punktów, tzw. pików emisji. Mimo korekty emisji sekundowej CO o warto wska nika C i pojazd A uzyska wi ksz redni emisj CO ni pojazd B rednia emisja CO wynios a odpowiednio: 27,07 i 22,83 mg/s. W tym miejscu nale y przypomnie, e przejazd pojazdu B na trasie badawczej cechowa si wi ksz dynamik, co przek ada o si na przebieg procesu spalania mieszanki paliwo-powietrznej w cylindrze silnika. Najprawdopodobniej w komorze spalania silnika pojazdu B panowa a wy sza temperatura, która zwi kszaj c intensywno procesu utleniania wp ywa a na ograniczenie emisji CO. W przypadku emisji sekundowej CO 2 dla obu pojazdów zarejestrowano podobny jej przebieg (rys. 6). Najwi ksze maksymalne warto ci emisji CO dla obu pojazdów wyst pi y w fazie

7 Wp yw zastosowania rodzaju silnika w pojazdach HDV na emisj CO 2, CO oraz 443 autostradowej. Zwi zane to by o z wysokimi pr dko ciami, a tym samym z wi kszym zapotrzebowaniem energetycznym silników spalinowych obiektów badawczych. W ostatniej fazie testu zarejestrowano szereg punktów pracy w których nast pi znacz cy wzrost emisji sekundowej CO 2 dla pojazdu B. To by o uwarunkowane wi kszym rednim przyspieszeniem ni w przypadku pojazdu A. Rys. 5. Przebiegi emisji sekundowej CO dla obu pojazdów uzyskane podczas bada drogowych Rys. 6. Przebiegi emisji sekundowej CO 2 dla obu pojazdów uzyskane podczas bada drogowych Nast pnie w oparciu o metod carbon ballance [2] wyznaczono warto ci przebiegowego zu ycia paliwa dla obu pojazdów. W tej metodzie uwzgl dniania jest emisja drogowa CO 2, CO i HC. Cz on dotycz cy HC pomini to ze wzgl du na relatywnie ma e warto ci emisji drogowej osi ganej przez pojazdy ci arowe, które mieszcz si w granicach b du pomiaru. Na rysunku 7 przedstawiono porównanie emisji drogowej CO 2, CO oraz przebiegowego zu ycia paliwa. We wszystkich przypadkach pojazd B uzyska mniejsze warto ci. Na szczególn uwag zas uguje znacz cy spadek przebiegowego zu ycia paliwa (o 2,9 dm 3 /100 km), poniewa jest ono obecnie g ównym kosztem eksploatacji pojazdów ci arowych przeznaczonych do d ugodystansowych transportów towarów.

8 444 Jerzy Merkisz, Pawe Fu, Piotr Lijewski, Andrzej Zió kowski, ukasz Rymaniak Rys. 7. Porównanie emisji drogowej CO 2, CO oraz przebiegowego zu ycia paliwa badanych pojazdów 4. WNIOSKI Z przeprowadzonej w artykule analizy wynika, e pojazd ci arowy charakteryzuj cy si wy szym wska nikiem mocy jednostkowej (pojazd B) uzyska zarówno mniejsz emisj drogow CO 2, CO, jak i przebiegowe zu ycie paliwa. Wi ksze warto ci redniego przyspieszenia i redniej pr dko ci uzyskane na trasie pomiarowej przez pojazd B wiadcz o jego lepszych w a ciwo ciach dynamicznych. Ten fakt wp ywa niew tpliwie na skrócenie czasu przejazdu, a tym samym przek ada si to na krótszy czas wykonywania us ugi transportowej. Obni enie przebiegowego zu ycia paliwa w d u szej perspektywie przyniesie wymierne korzy ci ekonomiczne oraz przyczyni si do ograniczenia negatywnego wp ywu na rodowisko naturalne sektora transportu drogowego [6]. Powy sze czynniki znacz co wp yn na popraw efektywno ci us ug oferowanych przez przedsi biorstwa transportowe. Powy sze badania odnosz si równie do wp yw infrastruktury drogowej na emisj szkodliwych sk adników gazów wylotowych i zu ycie paliwa. Dzi ki temu mo liwe jest prowadzenie dalszych prac naukowo-badawczych maj cych na celu popraw krajowej infrastruktury transportowo-logistycznej. Jednym z kluczowym wniosków odnosz cym si do tej infrastruktury jest to, e centra logistyczne oraz du e zak ady produkcyjne powinny si znajdowa w pobli u g ównych arterii komunikacyjnych. Ograniczy to przede wszystkim wspomnian du zmienno pr dko ci przejazdu, która jest determinantem wi kszego zu ycia paliwa i emisji szkodliwych sk adników gazów wylotowych. Bibliografia 1. Merkisz J., Fuc P.: The Exhaust Emission from Light Duty Vehicles in Road Test in Urban Traffic. SAE Technical Paper Series , (2010).

9 Wp yw zastosowania rodzaju silnika w pojazdach HDV na emisj CO 2, CO oraz Merkisz J., Fuc P., Ziolkowski A.: Wp yw masy adunku na emisj CO 2, NO x i na zu ycie paliwa pojazdu ci arowego o masie ca kowitej powy ej kg. Post py nauki i techniki / Advances in Science and Technology, nr 15/2012; (2012). 3. Merkisz J., Kozak M., Nijak D., Andrzejewski M., Molik P., Nowak M., Rymaniak L., Ziolkowski A.: The analysis of the emission level from heavy-duty truck in a city traffic. Silniki Spalinowe / Combustion Engines, nr 3/2012 (151), pp Prochowski L.: Pojazdy Samochodowe. Mechanika ruchu. Wydawnictwa Komunikacji i czno ci, Warszawa Prochowski L., uchowski A.: Pojazdy Samochodowe. Samochody ci arowe i autobusy. Wydawnictwa Komunikacji i czno ci, Warszawa Walsh M.: Global trends in motor vehicle pollution control: a 2011 update. Part 3.Combustion Engines/Silniki Spalinowe, No. 4/2011 (147), pp Information from Worldwide Emissions Standards. Passenger Cars & Light Duty Vehicles. Delphi brochure 2010/ Emissions-Brochure pdf. 9. Materia y informacyjne uzyskane od producentów pojazdów ci arowych. IMPACT OF APPLICATION TYPE OF ENGINE IN HEAVY-DUTY VEHICLE FOR CO 2, CO EMISSION AND FUEL CONSUMPTION Summary: The paper presents a comparison of CO 2, CO and fuel consumption for two heavy-duty vehicles designed for long-distance transport. Both vehicles were different parameters of engine and weight of the cargo. The tests were performed on the same selected road which reflected the daily operation of heavy-duty vehicles getting to the place loading / unloading goods and operation on the highway roads. A portable exhaust emission analyzer SEMTECH DS was used from group of PEMS. The analysis determined the optimum choice the heavy-duty vehicle engine in the aspect of fuel consumption for long-distance transport of goods under conditions representing the national transport and logistics infrastructure. Keywords: heavy-duty vehicle, exhaust emissions, road tests,