ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(87)/2012 Piotr SZCZĘSNY 1 TOKSYCZNOŚĆ SPALIN POJAZDÓW OSOBOWYCH PODCZAS STATYSTYCZNYCH BADAŃ EKSPLOATACYJNYCH 1. Wstęp Przedstawione w pracy wyniki badań toksyczności spalin pojazdów osobowych w warunkach naturalnej eksploatacji, są kontynuacją cyklu badawczego rozpoczętego w roku 1996. Aktualnie daje to na tyle odległą perspektywę czasową, że możliwa jest uogólniona analiza dostarczająca istotnych wniosków. W roku 2011 badaniami objęto dwie grupy pojazdów: w warunkach stacji tankowania paliw przeprowadzono analizę spalin 313 samochodów z silnikami o ZI, natomiast na stacji diagnostycznej pomiary zadymienia spalin 250 pojazdów z silnikami o ZS. Pomiary przeprowadzono zgodnie z obowiązującymi dla badań diagnostycznych warunkami i procedurami [1,2]. Po raz pierwszy przeprowadzono pomiary i analizę tlenków azotu NO x określając ich korelacje z innymi mierzonymi wielkościami. a) pozostałe Opel b) 33,5% 15,7% VW 11,8% pozostałe 38,0% Opel 12,8% VW 12,8% Skoda 5,1% Daewoo 6,4% Ford 8,3% Fiat 9,9% Renault 9,3% Seat 6,0% Renault 6,4% Citroën 6,8% Ford 8,8% Audi 8,4% Rys. 1. Główni producenci badanych pojazdów z silnikami: a) ZI, b) ZS Wśród badanych pojazdów najliczniej reprezentowane były marki Opel i Volkswagen, stanowiące łącznie ponad 25% zarówno w grupie samochodów z silnikami o zapłonie iskrowym, jak i samoczynnym. Dane przedstawione w tabeli 1 pozwalają stwierdzić, iż samochody z silnikami o zapłonie samoczynnym charakteryzują większe objętości skokowe silników, a także znacznie większe przebiegi roczne w porównaniu z samochodami z silnikami o zapłonie iskrowym. Pojazdy z silnikami o zapłonie iskrowym zasilane gazem LPG, są wyposażone w silniki o większej objętości skokowej od zasilanych tylko benzyną, charakteryzuje je większy przebieg i są dłużej eksploatowane. Ma to wpływ na większe udziały toksycznych składników spalin przy zasilaniu gazowym. 1 dr inż. Piotr Szczęsny Politechnika Lubelska, Instytut Transportu, Silników Spalinowych i Ekologii 119
Tabela 1. Średnie wskaźniki badanych grup pojazdów ZI benzyna ZI LPG ZS przebieg [tys.km] 136,37 165,42 209,78 rok produkcji 1999 1997 1999 objętość skokowa [dm 3 ] 1,49 1,62 1,96 liczba pojazdów 268 45 250 2. Badania toksyczności spalin 2.1. Silniki o zapłonie iskrowym Wyniki badań przedstawione na rysunkach 2-15 wskazują, iż głównymi czynnikami wpływającymi na toksyczność spalin silników spalinowych są: zużycie eksploatacyjne silnika i pojazdu, rozwiązania konstrukcyjne systemów spalania i oczyszczania spalin (wprowadzane wraz z kolejnymi normami Euro) oraz stosowane paliwo. Oznaczenia: b.j bieg jałowy; p.b.j. podwyższony bieg jałowy (n 2500 obr/min). Rys. 2. Średnie udziały tlenku węgla w grupach rocznikowych Rys. 3. Średnie udziały tlenków azotu w grupach rocznikowych Wprowadzanie kolejnych norm Euro w zakresie limitów toksycznych składników spalin, skutkuje coraz niższą emisją tlenku węgla w odpowiednich grupach rocznikowych, utrzymującą się również w trakcie długotrwałej eksploatacji (rys.2). Średnia emisja tlenków azotu w trakcie pomiarów utrzymywała się na niskim poziomie ze względu na brak obciążenia silnika podczas tego typu badań. Odnotowano istotnie większy udział tlenków azotu dla podwyższonego biegu jałowego (n 2500 obr/min), niezależnie od grupy rocznikowej pojazdów (rys.3). Rys. 4. Średni nadmiar powietrza w grupach rocznikowych Rys. 5. Średnie udziały dwutlenku węgla w grupach rocznikowych 120
Pojazdy z młodszych grup rocznikowych, wyprodukowane pod rygorem nowszych norm Euro, charakteryzuje bliższy stechiometrycznego skład mieszaniny paliwowopowietrznej, a także wyższe udziały dwutlenku węgla w spalinach związane z bardziej zupełnym spalaniem (rys.4,5). Rys. 6. Wpływ rodzaju paliwa na emisję tlenku węgla Rys. 7. Wpływ rodzaju paliwa na emisję węglowodorów Rys. 8. Wpływ rodzaju paliwa na emisję tlenków azotu Rys. 9. Wpływ rodzaju paliwa na emisję dwutlenku węgla Jak wykazały przeprowadzone badania, w eksploatacji zasilanie LPG prowadzi do zwiększonej emisji tlenku węgla i węglowodorów niespalonych (rys.6,7) i nie wpływa istotnie na poziom tlenków azotu (rys.8). Charakteryzuje się ono znacznie niższym udziałem dwutlenku węgla w spalinach (względna różnica ok.10% w stosunku do benzyny), co jest trwałym efektem ekologicznym związanym z mniejszym udziałem węgla w cząsteczce paliwa LPG (rys.9). Rys. 10. Średnie udziały tlenku węgla w kolejnych badaniach (bieg jałowy) 121
Wyniki przedstawione na rysunku10 wskazują na systematyczną poprawę czystości spalin badanych samochodów. Na przestrzeni lat 1996-2011 nastąpił trzynastokrotny spadek średniej emisji tlenku węgla. 2.2. Silniki o zapłonie samoczynnym W grupie pojazdów z silnikami o ZS wykonano pomiary zadymienia spalin za pomocą dymomierza optycznego, a także przeprowadzono analizy podstawowych parametrów technicznych i eksploatacyjnych. Wyniki odniesiono do podobnych badań wykonanych w 2009 roku [3]. Rys. 11. Średnie zadymienie spalin w grupach rocznikowych Rys. 12. Średnie zadymienie spalin w grupach przebiegowych Stwierdzono silną zależność stopnia zadymienia spalin od przebiegu i rocznika pojazdu, a więc od stopnia zużycia silnika i zastosowanych rozwiązań konstrukcyjnych, systemu spalania i układu zasilania (rys.11,12). Rys. 13. Średnie zadymienie spalin w badaniach w latach 1998-2011 W roku 2011 nastąpiło odwrócenie dotychczasowej tendencji wzrostowej zadymienia spalin, a w porównaniu z rokiem 2009 średni współczynnik zadymienia spalin badanych pojazdów zmniejszył się o 8% (rys.13). 3. Analiza korelacyjna Wykonano statystyczną analizę korelacyjną wybranych parametrów charakteryzujących badane grupy pojazdów, w szczególności związków pomiędzy głównymi składnikami toksycznymi spalin. Zgodnie z literaturą przyjęto, iż korelację można uznać za wysoką jeśli współczynnik korelacji przyjmuje wartości 0,5<R<0,7 oraz 122
za bardzo wysoką w przedziale 0,7<R<1,0. Wyniki zilustrowano na wykresach rys.14-21. 3.1. Silniki zasilane benzyną Rys. 14. Korelacja udziałów tlenków azotu dla biegu jałowego i podwyższonego biegu jałowego Stwierdzono bardzo wysoką korelację dodatnią (R>0,9) udziałów tlenków azotu NO x w spalinach, mierzonych dla biegu jałowego i tzw. podwyższonego biegu jałowego silnika (ok. 2500 obr/min). Wartości udziałów tlenków azotu na podwyższonym biegu jałowym są średnio dwukrotnie wyższe niż na biegu jałowym. Tendencja ta jest związana z wyższą sprawnością wolumetryczną, a tym samym wyższą temperaturą czynnika w cylindrze silnika dla wyższej prędkości obrotowej (rys.14). Rys. 15. Korelacja udziałów tlenku węgla i węglowodorów niespalonych na biegu jałowym 123
Rys. 16. Korelacja udziałów tlenku węgla i węglowodorów niespalonych na podwyższonym biegu jałowym Wysoką korelację dodatnią wykazują też pomiary tlenku węgla i węglowodorów nieopalonych dla obu prędkości obrotowych (rys.15,16). Wyższym wartościom udziałów tlenku węgla odpowiadają z reguły wyższe udziały węglowodorów. 3.2. Silniki zasilane LPG Rys. 17. Korelacja udziałów tlenków azotu dla biegu jałowego i podwyższonego biegu jałowego 124
Rys. 18. Korelacja udziałów tlenku węgla i węglowodorów niespalonych na biegu jałowym Rys. 19. Korelacja udziałów tlenku węgla i węglowodorów niespalonych na podwyższonym biegu jałowym W przypadku silników zasilanych LPG potwierdzają się związki korelacyjne ustalone dla zasilania benzyną, równie silne dla tlenków azotu (korelacja bardzo wysoka-rys.17) oraz tlenku węgla i węglowodorów niespalonych na podwyższonym biegu jałowym (rys.19). Przy najniższej prędkości biegu jałowego, otrzymano istotnie wyższą wartość współczynnika korelacji tlenku węgla i węglowodorów niespalonych dla zasilania LPG (rys.18), na co może mieć wpływ mniejsza liczba pomiarów wykonanych dla zasilania gazowego. 125
3.3. Wpływ przebiegu pojazdu na emisję tlenków azotu (ZI) i zadymienie spalin (ZS) a) b) Rys. 20. Korelacja udziałów tlenków azotu i przebiegu pojazdu na: a) biegu jałowym, b) podwyższonym biegu jałowym Nie stwierdzono korelacji tlenków azotu z przebiegiem pojazdu w przypadku obu uwzględnionych prędkości obrotowych silników o ZI (rys. 20) Rys. 21. Korelacja zadymienia spalin i przebiegu pojazdu (silniki o ZS) Potwierdzono, obserwowaną już podczas badań w latach ubiegłych, dodatnią korelację współczynnika zadymienia spalin i przebiegu pojazdów wyposażonych w silniki o zapłonie samoczynnym, oznaczającą istotny wzrost zadymienia spalin wraz z rosnącym przebiegiem silnika. 4. Podsumowanie Wykonane badania oraz przeprowadzone analizy pozwalają na sformułowanie następujących wniosków: 1. Stwierdzono bardzo wysoką dodatnią korelację udziałów tlenków azotu w spalinach silników o ZI dla biegu jałowego (średnio 34,7 ppm) i podwyższonego biegu 126
jałowego (średnio 77,4 ppm). Wzrost temperatury czynnika w cylindrze, związany ze zwiększaniem prędkości obrotowej, prowadzi do większej emisji tlenków azotu. 2. Wykazano brak korelacji emisji tlenków azotu z przebiegiem pojazdu (rys.20) i jego rocznikiem (rys.3). W nowszych pojazdach, z bardziej wysilonymi silnikami, w których powstają większe ilości tlenków azotu, należy oczekiwać wysokiej sprawności ich redukcji w mało zużytych trójfunkcyjnych reaktorach katalitycznych. W pojazdach starszych, mimo znacznie zużytych układów oczyszczania spalin, emisja pierwotna tlenków azotu jest stosunkowo niska ze względu na silniki mniej wysilone i o znacznym stopniu zużycia. 3. Badania potwierdziły wysoką i bardzo wysoką dodatnią korelację udziałów tlenku węgla i węglowodorów niespalonych w spalinach, znaną z opracowań literaturowych. 4. Podwyższony bieg jałowy silnika charakteryzują istotnie niższe udziały tlenku węgla i węglowodorów niespalonych w odniesieniu do pracy z najniższą prędkością biegu jałowego. 5. Pojazdy zasilane LPG, w eksploatacji, charakteryzuje istotnie (ok. dwukrotnie) wyższa emisja tlenku węgla i węglowodorów w odniesieniu do zasilania benzyną. Zasilanie LPG powoduje jednak obniżenie emisji dwutlenku węgla, co jest trwałym, pozytywnym efektem ekologicznym związanym ze stosowaniem tego paliwa. Emisja tlenków azotu jest nieznacznie niższa niż podczas zasilania benzyną. 6. Badania wykazały utrzymującą się od 1996 roku pozytywną tendencję do obniżania poziomu składników toksycznych w spalinach eksploatowanych na polskich drogach pojazdów. Główną tego przyczyną są wprowadzane kolejne normy Euro, wymuszające zmiany konstrukcyjne w systemach spalania silników i stosowanie wydajniejszych układów oczyszczania spalin. W roku 2011 stwierdzono na biegu jałowym średni udział tlenku węgla w spalinach badanych pojazdów wynoszący 0,24%, a węglowodorów niespalonych 73,3 ppm. Średnie zadymienie spalin wyniosło 1,46 [1/m]. 7. W grupie pojazdów z silnikami o ZS stwierdzono istotny wzrost wskaźników zadymienia spalin zarówno wraz z rosnącym przebiegiem, jak i rocznikiem pojazdu. Potwierdza to analiza korelacyjna zadymienia i przebiegu współczynnik korelacji R=0,45. 8. Obowiązujące normy diagnostyczne w zakresie toksyczności spalin spełniło 68% pojazdów z silnikami o ZI oraz 90% pojazdów z silnikami o ZS. Literatura: [1] Trzeciak K.: Diagnostyka samochodów osobowych. WKiŁ, Warszawa 2008, [2] Chłopek Z.: Ochrona środowiska naturalnego. WKiŁ, Warszawa 2002. [3] Szczęsny P.: Badania statystyczne zadymienia spalin silników o zapłonie samoczynnym w warunkach stacji kontroli pojazdów. Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2010. Nr 2(78)/2010. [4] Szczęsny P.: Statystyczne badania korelacyjne toksyczności spalin samochodów osobowych. Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2011. Nr 1(82)/2011. 127
Streszczenie Przedstawiono wykonane w 2011 roku wyniki badań toksycznych składników spalin 313 pojazdów z silnikami o ZI oraz 250 pojazdów z silnikami o ZS, będące kontynuacją rozpoczętego w roku 1996 cyklu badawczego. Wyniki opracowano statystycznie, wykonując wielokryterialne analizy korelacyjne oraz odpowiednie parametryczne testy istotności. Potwierdzono istotnie niższe średnie wskaźniki toksyczności spalin w odniesieniu do badań z lat ubiegłych. Po raz pierwszy przeprowadzono pomiary i analizę tlenków azotu NO x, które mimo stosunkowo niskich stężeń na biegu jałowym (średnio 35ppm), osiągają istotnie wyższe wartości dla tzw. podwyższonego biegu jałowego (średnio 77ppm). Obowiązujące normy spełniło 68% silników o ZI i 90% o ZS. Potwierdzono wysoką korelację udziałów w spalinach CO i HC. Najniższe średnie zadymienie spalin osiągnęły pojazdy z silnikami SDI (0,62 m -1 ) oraz TDI (1,20 m -1 ). Słowa kluczowe: toksyczność spalin, badania eksploatacyjne, analiza korelacyjna, tlenki azotu THE TOXICITY OF PASSENGER CARS EXHAUST FUMES IN STATISTICAL OPERATIONAL RESEARCH Abstract The results of the research into the toxic components of exhaust fumes from 313 vehicles with spark ignition engines and 250 vehicles with compression ignition engines are shown, which are a continuation of the research cycle started in 1996. The results were statistically processed with multi-criteria correlation analyses and the appropriate parametric significance tests. Significantly lower rates of exhaust fume toxicity were confirmed in relation to the research carried out in previous years. For the first time the measurements and analysis of nitrogen oxides (NO x ), which, despite relatively low concentrations when on idle (35 ppm on average), reach significantly higher values for the so-called high idle speed (77 ppm on average). 68% of positive ignition engines and 90% of spontaneous ignition engines complied with the binding standards. The high correlation of the share of CO and HC in exhaust fumes was confirmed. The lowest smokiness of exhaust fumes was observed in vehicles with SDI engines (0,62 m -1 ) and TDI engines (1,20 m -1 ). Keywords: toxicity of exhaust gases, operational research, correlation analysis, nitrogen oxides 128