BADANIA EMISJI SPALIN POJAZDÓW O RÓ NEJ KLASIE EMISYJNEJ ZASILANYCH GAZEM ZIEMNYM

PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 98 Transport 2013 Jerzy Merkisz, Jacek Pielecha, Krystian ab d Politechnika Pozna ska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu Arkadiusz Stojecki Instytut Bada i Rozwoju Motoryzacji BOSMAL Sp. z o. o. BADANIA EMISJI SPALIN POJAZDÓW O RÓ NEJ KLASIE EMISYJNEJ ZASILANYCH GAZEM ZIEMNYM R kopis dostarczono, kwiecie 2013 Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki bada drogowych emisji spalin pojazdów o ró nej klasie emisyjnej zasilanych spr onym gazem ziemnym w ró nych warunkach ruchu. Badania emisji spalin wykonano podczas przejazdów wyznaczon tras pomiarow, któr podzielono na odcinki o ró nej specyfice nat enia ruchu drogowego. Dla ka dego odcinka etapu bada wyznaczono charakterystyk przejazdu oraz warto ci emisji drogowej zwi zków szkodliwych spalin dla pojazdów ró nej klasy emisyjnej. Obiektami bada by y pojazdy o klasie emisyjnej Euro 4 i Euro 5 o zbli onym przebiegu (75 000 km), nap dzane spr onym gazem ziemnym. Do pomiarów st enia zwi zków szkodliwych wykorzystano mobilny analizator typu PEMS (Portable Emission Measurement System) do bada toksyczno ci Semtech DS firmy Sensors. Dodatkowo wykorzystano dane przesy ane z systemu diagnostycznego pojazdu oraz sygna u lokalizacji GPS. Wyniki pos u y y do porównania pojazdów oraz okre lenia wska ników emisyjno ci, które wykorzystano do ekologicznej oceny obiektów bada pod wzgl dem emisji zwi zków szkodliwych. S owa kluczowe: emisja spalin, zasilanie gazem ziemnym, badania drogowe 1. WPROWADZENIE Obecnie zauwa alna jest wyra na tendencja globalnego traktowania zagro e rodowiska ze strony motoryzacji. Przepisy zezwalaj ce na dopuszczenie pojazdów do u ytkowania, okresowe badania kontroli stanu technicznego oraz pozosta e akty prawne, zwi zane bezpo rednio i po rednio z produkcj, u ytkowaniem i zagospodarowaniem zu ytych wytworów cywilizacji, traktuj zagadnienia ochrony rodowiska w sposób kompleksowy. Wzrost liczby pojazdów na wiecie oraz zwi kszaj ce si zanieczyszczenie rodowiska naturalnego powoduj coraz wi ksze zaanga owanie producentów pojazdów

464 Jerzy Merkisz, Jacek Pielecha, Krystian ab d, Arkadiusz Stojecki w przygotowanie i promowanie pojazdów ekologicznych (w tym zasilanych paliwami alternatywnymi). Najnowsze wyniki bada prowadzonych w warunkach rzeczywistej eksploatacji wskazuj, e emisja szkodliwych sk adników spalin dla takich pojazdów jest zdecydowanie mniejsza ni w przypadku zasilania paliwami konwencjonalnymi [1, 2, 3]. W zwi zku z powy szym dostrzegalny jest trend wykazania zalet pojazdów zasilanych gazem ziemnym w ró nych warunkach ruchu równie dla ró nych klas emisyjnych tych pojazdów. Na podstawie dost pnych rozwi za na rynku mo na za o y, i w przypadku pojazdów osobowych i dostawczych zasilanych CNG ich zasi g jest o oko o 50% mniejszy w porównaniu z tymi samymi modelami zasilanymi olejem nap dowym. Wniosek ten jest s uszny w stosunku do pojazdów, które fabrycznie przystosowane s do zasilania spr onym gazem ziemnym. Cecha ta powoduje, i samochody zasilane CNG w wi kszym stopniu s u ytkowane w du ych aglomeracjach miejskich, b d te w ich bezpo rednim pobli u, ze wzgl du na dost pno stacji tankowania gazem. 2. METODYKA BADA 2.1. WARUNKI POMIARÓW Celem bada by o porównanie wyników bada drogowych emisji spalin pojazdów o ró nej klasie emisyjnej zasilanych spr onym gazem ziemnym w ró nych warunkach ruchu. Badania emisji spalin wykonano podczas przejazdów wyznaczon tras pomiarow, któr podzielono na odcinki o ró nej specyfice nat enia ruchu drogowego (rys. 1). Dla wybranych odcinków etapów bada, wyznaczono charakterystyk przejazdu oraz warto ci emisji drogowej zwi zków szkodliwych spalin dla pojazdów ró nej klasy emisyjnej. Charakterystyk trasy i parametrów przejazdów przedstawiono w tablicy 1. Rys. 1. Trasa przejazdu podczas bada

Badania emisji spalin pojazdów o ró nej klasie emisyjnej zasilanych gazem ziemnym 465 Pojazd/ klasa emisyjna CNG / Euro 4 CNG / Euro 5 Charakterystyka trasy przejazdu z podzia em na odcinki pomiarowe Etap Czas testu [s] D ugo drogi [m] Pr dko rednia [km/h] Udzia postoju [%] Udzia a < 0 [%] Udzia a = 0 [%] Tablica 1 Udzia a > 0 [%] I (A B) 965 19087 71,20 3,42 33,44 29,71 33,44 II (B C) 525 8606 58,97 0,19 34,29 18,10 47,43 III (C D) 628 10668 61,04 0,16 31,37 26,11 42,36 IV (D E) 571 8339 52,54 4,20 34,97 16,96 43,88 V (E A) 1380 17073 44,54 12,27 32,97 23,23 31,35 cznie 4067 63 763 56,44 5,55 32,98 23,85 37,62 I (A B) 983 19147 70,99 7,42 29,47 29,98 33,13 II (B C) 546 8575 56,50 0,18 35,16 21,61 43,04 III (C D) 598 10711 64,36 0,83 32,39 29,05 37,73 IV (D E) 440 7823 63,97 0,23 32,50 22,27 45,00 V (E A) 1261 17108 48,84 11,06 29,78 23,38 35,78 cznie 3828 63 364 59,78 5,73 31,39 25,58 37,50 2.2. OBIEKTY BADA Obiektem bada by y pojazdy z silnikiem o zap onie iskrowym zasilane spr onym gzem ziemnym, wyposa one w manualn skrzyni biegów o przebiegu 75 000 km (pozosta e parametry: silnik 4-cylindrowy o pojemno ci: 2,0 dm 3, wyposa ony w reaktor trójfunkcyjny, system diagnostyczny EOBD ISO 14230, spe niaj cy norm Euro 4 oraz drugi pojazd Euro 5). Pojazdy by y fabrycznie przystosowane do zasilania gazem ziemnym i by o to podstawowe paliwo w nich stosowane. Pomiary emisji spalin wykonano w okolicach Poznania g ównie na obszarach podmiejskich. Testy wykonano w dwóch wariantach pojazdów: o klasie emisyjnej Euro 4 i Euro 5 oraz zbli onym przebiegu 75 000 km (rys. 2). Pomiary wykonano 3-krotnie warto ci przedstawione w artykule s warto ciami u rednionymi. Rys. 2. Widok analizatora spalin zamontowanego w pojazdach podczas bada

466 Jerzy Merkisz, Jacek Pielecha, Krystian ab d, Arkadiusz Stojecki 2.3. APARATURA BADAWCZA Do pomiarów st enia zwi zków szkodliwych w spalinach wykorzystano mobilny analizator Semtech DS [2, 4]. Umo liwia on pomiar zwi zków szkodliwych tlenku w gla, dwutlenku w gla, w glowodorów oraz tlenków azotu. Natomiast do pomiaru masy cz stek sta ych pos u y mobilny analizator AVL 483 Micro Soot Sensor [9]. Pomiary rozk adu wielko ci cz stek sta ych dokonano za pomoc spektrometru masowego 3090 EEPS firmy TSI Incorporated [7]. Na rysunku 3 przedstawiono schemat pomiarowy systemu do przeprowadzenia bada w rzeczywistych warunkach ruchu. spaliny T, H GPS OBD Semtech DS Pomiar CO, CO 2, HC, NO x = f(t) przep ywomierz rozcie czanie spalin AVL 483 MSS TSI 3090 EEPS Pomiar PM = f(t) Pomiar PN = f(t, D) Rys. 3. System pomiarowy wykorzystany do bada w rzeczywistych warunkach ruchu 3. WYNIKI BADA I ICH ANALIZA 3.1. CHARAKTERYSTYKA WARUNKÓW RUCHU Wybrane do analizy etapy bada charakteryzowa y si zró nicowanymi warunkami jazdy co bezpo rednio przek ada o si na inne warunki pracy silnika. Etap I (przejazd drog szybkiego ruchu ze skrzy owaniami) do charakteryzowa si du ym udzia em (oko o 30%) pr dko ci pojazdu z zakresu 24 30 m/s (pr dko rednia oko o 70 km/h) oraz 3-procentowym udzia em zatrzymania pojazdu (rys. 4a i 5a). Taka charakterystyka odcinka badawczego bezpo rednio wp ywa na prac silnika: obszar jego pracy to g ównie warto ci zwi kszonej pr dko ci obrotowej i ma e obci enia (do 20%) z widoczn przewag ustalonego punktu pracy (rys. 6a i 7a).

Badania emisji spalin pojazdów o ró nej klasie emisyjnej zasilanych gazem ziemnym 467 a) b) c) Rys. 4. Udzia y czasu pracy pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4 we wspó rz dnych pr dko pojazdu przyspieszenie w ró nych warunkach pracy pojazdu: a) etap I, b) etap III, c) etap V a) b) c) Rys. 5. Udzia y czasu pracy pojazdu o klasie emisyjnej Euro 5 we wspó rz dnych pr dko pojazdu przyspieszenie w ró nych warunkach pracy pojazdu: a) etap I, b) etap III, c) etap V a) b) c) Rys. 6. Udzia y czasu pracy silnika pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4 we wspó rz dnych pr dko obrotowa obci enie w ró nych warunkach pracy pojazdu: a) etap I, b) etap III, c) etap V a) b) c) Rys. 7. Udzia y czasu pracy silnika pojazdu o klasie emisyjnej Euro 5 we wspó rz dnych pr dko obrotowa obci enie w ró nych warunkach pracy pojazdu: a) etap I, b) etap III, c) etap V

468 Jerzy Merkisz, Jacek Pielecha, Krystian ab d, Arkadiusz Stojecki Etap III charakteryzowa si innymi warunkami: droga poza obszarem zabudowanym nie wymaga a zatrzymywania si pojazdu w zwi zku z tym taki punkt nie jest widoczny na charakterystyce pracy pojazdu (rys. 4b i 5b). Natomiast na charakterystyce pracy silnika wyra nie mniejszy jest obserwowany udzia czasu pracy na biegu ja owym (rys. 6b i 7b). Wi kszy jest równie udzia du ych pr dko ci obrotowych silnika i redniego obci enia w takim obszarze silnik pracowa przez wi kszo odcinka badawczego. Ostatni etap pomiarowy odbywa si na drodze dojazdowej do Poznania oraz w obszarze zabudowanym: charakteryzowa si mniejszymi warto ciami pr dko ci jazdy oraz znacznym udzia em postoju pojazdu (rys. 4 c i 5c). Wynikiem takiej sytuacji by y inne warunki wykorzystania charakterystyki silnika: pracowa on g ównie w zakresie ma ych pr dko ci obrotowych i ma ego obci enia (rys. 6c i 7c). W tym etapie obserwowany by najwi kszy udzia biegu ja owego silnika. 3.2. ANALIZA ST ENIA I EMISJI ZWI ZKÓW SZKODLIWYCH Charakterystyki porównawczej st enia i emisji zwi zków szkodliwych dokonano na podstawie porównania przyk adowych wyników uzyskanych w etapie I etapie charakterystycznym dla warunków ruchu wyst puj cych na drodze mi dzymiastowej z niewielk liczb skrzy owa. Natomiast wyniki ko cowe w dalszej cz ci artyku u b d zaprezentowane dla etapów bada przedstawionych w punkcie poprzednim. Charakter zmian st enia i w konsekwencji nat enia emisji dwutlenku w gla dla badanych pojazdów jest bardzo zbli ony (rys. 8 a). rednia warto st enia dwutlenku w gla zawiera si w warto ciach oko o 9% niezale nie od klasy emisyjnej pojazdu. Równie nat enie emisji tego sk adnika spalin jest podobne. Warto rednia nat enia emisji wynosi oko o 2500 mg/s co wiadczy o zbli onym zu yciu paliwa przez badane pojazdy. Wi ksze warto ci nat enia emisji przy jednakowym poziomie st enia wiadcz o wi kszym nat eniu przep ywu spalin pojazdu, co jest zwi zane z wi kszymi warto ciami pr dko ci obrotowej silnika. Podobne tendencje zaobserwowano przy pomiarze st enia i nat enia emisji tlenku w gla (rys. 8b). Widoczny jest kilkukrotny nag y wzrost st enia i nat enia emisji wywo any gwa townym zwi kszeniem parametrów pracy silnika (pr dko ci obrotowej i obci enia, wywo ane np. zmian biegów i nag ym przyspieszeniem pojazdu). Zarejestrowane warto ci nie wykazuj znacz cych ró nic w przebiegach nale y uzna, na tym etapie analizy, e badane pojazdy nap dzane gazem ziemnym o ró nej klasie emisyjnej (ale podobnym przebiegu), emituj podobn mas tlenku w gla. Ró nice w badaniach pojazdów o ró nej klasie emisyjnej odnotowano w poziomie st enia w glowodorów. Dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4 warto rednia st enia w glowodorów wynosi a oko o 20 ppm, natomiast dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 5 by a to warto 30 ppm (rys. 8c). Cz ciowym wyt umaczeniem tego, mo e by wi ksza temperatura w komorze spalania czego skutkiem b dzie wi ksza skuteczno reaktora katalitycznego spalin. Wy sza temperatura spalania b dzie jednak powodowa a zwi kszenie st enia tlenków azotu, co by o charakterystyczne dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4 (rys. 8d). W porównaniu ko cowych wyników nale y oczekiwa zwi kszonej emisji tlenków azotu dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4.

Badania emisji spalin pojazdów o ró nej klasie emisyjnej zasilanych gazem ziemnym 469 a) b) c) d) Rys. 8. Charakterystyka st enia i nat enia emisji spalin przejazdów etapu I pojazdów o klasie emisyjnej Euro 4 i Euro 5: a) dwutlenku w gla, b) tlenku w gla, c) w glowodorów, d) tlenków azotu

470 Jerzy Merkisz, Jacek Pielecha, Krystian ab d, Arkadiusz Stojecki Aby wyja ni to zjawisko przeanalizowano zmiany wspó czynnika nadmiaru powietrza oraz temperatur spalin w badanych pojazdach (na przyk adzie etapu V). Brak ró nic w warto ciach rednich dotycz cych wspó czynnika nadmiaru powietrza badanych pojazdów (rys. 9), znacz co odbiega od porównania warto ci temperatury spalin mierzonej w punkcie poboru spalin (na ko cu uk adu wylotowego). Temperatura spalin dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4 jest o kilkana cie stopni wi ksza ni porównywalna temperatura w samochodzie o klasie emisyjnej Euro 5. Równie potwierdzeniem takiego zjawiska jest charakterystyka nat enia tlenków azotu dla badanych pojazdów (rys. 10). Porównuj c jedynie warto ci maksymalne uzyskane dla tego etapu bada uzyskuje si kilkukrotnie wi ksze nat enie emisji tlenków azotu dla maksymalnych zakresów pracy silnika. Pojazd klasy Euro 4 maksymalnych warunkach obci enia i pr dko ci obrotowej emituje oko o 10 mg/s tlenków azotu, a pojazd o klasie emisyjnej Euro 5 w podobnych warunkach oko o 2 mg/s. Kilkukrotnie wi ksze nat enie emisji tlenków azotu ma znaczenie w ko cowym bilansie emisji, jednak e uzyskiwane warto ci emisji ca kowitej nie ró ni si kilkukrotnie. Wp ywa ma na to udzia czasu przebywania pojazdu w tych warunkach jest on ma y wyst puje tylko podczas nag ego zwi kszenia parametrów pracy silnika. a) b) Rys. 9. Zmiany wspó czynnika nadmiaru powietrza i temperatury spalin podczas etapu V dla pojazdów o klasie emisyjnej Euro 4 (a) oraz Euro 5 (b) a) b) Rys. 10. Charakterystyka nat enia emisji tlenków azotu odniesiona do warunków pracy pojazdu w etapie V dla pojazdów o klasie emisyjnej Euro 4 (a) oraz Euro 5 (b)

Badania emisji spalin pojazdów o ró nej klasie emisyjnej zasilanych gazem ziemnym 471 Wyznaczaj c emisj drogow poszczególnych zwi zków szkodliwych spalin na rozpatrywanych odcinkach pomiarowych uwidaczniaj si równice mi dzy pojazdami o ró nej klasie emisyjnej. Nieznaczne mniejsze w warto ciach emisji drogowej dwutlenku w gla s potwierdzeniem uzyskanego mniejszego zu ycia paliwa (rys. 11a). Wykazana ró nica nie przekracza a 3 4%, jednak e uzyskano j we wszystkich badanych przypadkach, co eliminuje pope nienie b du przy jego wyznaczaniu z powodu niepowtarzalno ci przejazdów w ró nych etapach bada. Emisja drogowa tlenku w gla i w glowodorów jest zbli ona mi dzy badanymi pojazdami (rys. 11b i 11c). Mo na uzna, e uzyskane ró nice nie s znacz ce jednak e s charakterystyczne dla tych pojazdów: emisja tlenku w gla jest nieznacznie wi ksza dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 5 ni dla pojazdu o klasie emisyjnej Euro 4. Sytuacja jest podobna przy wyznaczaniu emisji drogowej w glowodorów. Mo na przyj tez, e producent przy zmianie klasy emisyjnej pojazdu zastosowa regulacj silnika, powoduj c kilkuprocentowe zwi kszenie emisji tlenku w gla i w glowodorów, uzyskuj c jednak e znacz ce zmniejszenie emisji tlenków azotu w niektórych etapach bada o ponad 50% (rys. 11d). Zastosowanie takiego rozwi zania wymusi o zmniejszenie temperatury w komorze spalania silnika, ale jednocze nie mog o sta si powodem mniej skutecznego dzia ania reaktora katalitycznego, a) b) c) d) Rys. 11. Warto ci emisji drogowej zwi zków szkodliwych dla wybranych etapów bada pojazdów o klasie emisyjnej Euro 4 i Euro 5: a) dwutlenku w gla, b) tlenku w gla, c) w glowodorów, d) tlenków azotu

472 Jerzy Merkisz, Jacek Pielecha, Krystian ab d, Arkadiusz Stojecki 4. PODSUMOWANIE Wyznaczon emisj zwi zków szkodliwych porównano do warto ci normatywów, którym poddawane s pojazdy zasilane gazem ziemnym. Porównania dokonano uwzgl dniaj c wyniki emisji dla pojazdów klasy Euro 4 i Euro 5 we wszystkich etapach bada z ca ej trasy przejazdu (rys. 12). Wynika z niego, e badane pojazdy ze znacznym zapasem spe niaj limity emisji spalin, a jednocze nie s dobry przyk adem dzia a na rzecz ochrony rodowiska. Zmiana klasy emisyjnej pojazdu mi dzy norm Euro 4 a Euro 5 wi e si jedynie ze zmniejszeniem emisji drogowej tlenków azotu (z 0,08 g/km do 0,06 g/km), przy pozostawieniu innych warto ci limitów bez zmian. a) b) Rys. 12. Uzyskane wyniki emisji spalin (a) i porównanie w stosunku do normy emisji spalin (b) Bibliografia 1. Lim O., Iida N., Cho G., Narankhuu J.: The Research about Engine Optimization and Emission Characteristic of Dual Fuel Engine Fueled with Natural Gas and Diesel. SAE Technical Paper Series 2012-32-0008, 2012. 2. Merkisz J., Pielecha J., Pielecha I.: Road Test Emissions Using On-board Measuring Method for Light Duty Diesel Vehicles. Jordan Journal of Mechanical and Industrial Engineering, Vol. 5, No. 1, 2011. 3. Merkisz J., Pielecha J.: The on-road exhaust emissions characteristics of SUV vehicles fitted with diesel engines. Combustion Engines, No. 2, Bielsko-Bia a 2011, s. 58-72. TEST OF EXHAUST GAS EMISSIONS FOR VEHICLES OF DIFFERENT EMISSION CLASSES FUELLED WITH NATURAL GAS Summary: The paper presents results of the road tests of exhaust gas emissions of vehicles of different emission classes (Euro 4 and Euro 5, with similar mileage), fuelled with compressed natural gas. The tests of exhaust emissions were conducted on parts of the road with different characteristics of the traffic intensity. For each phase of the tests, the characteristics of the test run and the value of exhaust gas emissions were determined. To measure the concentration of harmful substances, the Portable Emission Measurement System (PEMS) was used. The results were used to compare the vehicles and determine the emission indices, which subsequently were used to assess from ecological point of view the objects of tests in terms of emissions of toxic substances. Keywords: exhaust emission, compressed natural gas, road test