III Konferencja Motoryzacja Przemysł Nauka 1 Wykorzystanie potencjału Instytutu Silników Spalinowych i Transportu Politechniki Poznańskiej do projektów z przemysłem Jerzy Merkisz, dyrektor instytutu Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu
Share of Worldwide LDV [%] Udział sprzedaży pojazdów LDV [%] 1% 6% Diesel 22% tern. Fuels 8% 63% 40 30 20 10 Dominacja silników spalinowych 2% Mild & Full Fuell Hybrid Cell & Electric 2% Ogniwa Fuell paliwowe Cell & Electric & 11% EV Altern. 100 Fuels 1% Mild & Full Hybrid 6% Altern. Fuels Mild & Full 11% Paliwa altern. Hybrid Fuell Cell & Electric 90 2% Diesel Mild & Full Hybrid 22% Diesel 11% 80 Silniki ZS Diesel 19% 19% 70 8% 19% GDI 60 Gasoline GDI Gasoline GDI Gasoline GDI Silniki Gasoline ZI DI 50 34% 34% 63% Fuell Cell & Electric MPI Gasoline MPI Gasoline MPI Gasoline MPI Gasoline Silniki ZI MPI 27% 2015 2020 2025 Years 34% 27% 27% 0 0 2015 2020 2025 2010 2020 2015 Years 2020 2025 2025 Źródło: Delphi Powertrain Systems; IHS, 03.2015 Years Lata Years 2% 11% 19% 34% 27% Silniki spalinowe w napędach: 2025 98%, czysty IC 80%; 2040 95% 2
Powstawanie związków toksycznych spalin 3 Powietrze Spalanie zupełne i całkowite 1 zużycie paliwa N 2 H 2 O Paliwo Zużycie paliwa ~ CO 2 : 1 dm 3 /100 km = emisja CO 2 : Benzyna = 23,3 g/km Olej nap. = 26,3 g/km 99,9% 0,1% Spaliny Spalanie niezupełne i niecałkowite 1 g/kwh fuel = 3.15 g/kwh CO 2 2 - emisja FC -!! CO 2 O 2 PM!!, PN!!! CO HC NO NO 2 NO x!! PM = Particle Mass PN = Particle Number
Badania emisyjne dla wszystkich aplikacji silników spalinowych (homologacyjne) Aplikacje Samochody osobowe Samochody ci ęż arowe Pojazdy pozadrogowe 4 RDE PEMS Rodzaj bada ń Hamownia podwoziowa Hamownia silnikowa Hamownia silnikowa praktycznie brak możliwości badań po przebiegu Limity m as a / droga m as a / energia m as a / energia g/km g/kwh - h g/kwh - h
Wzgędne obciążenie [%] Parametry pracy silnika w różnych testach emisyjnych 5 100 75 50 25 RDE Średni silnik (manual) dynamiczny kierowca WLTP NEDC RDE < 100 km/h Electricity US 06 Gas RDE Pełny zakres pracy silnika RDE duży silnik (automat) dynamiczny kierowca RDE = Real Driving Emissions = rzeczywiste warunki ruchu pojazdu Źródło: AVL 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Nacisk na RDE! Prędkość obrotowa [obr/min] 5
Kalibracja pojazdu pod kątem emisji związków toksycznych i zużycia paliwa 6 Hamownia silnikowa Hamownia systemu napędowego Hamownia podwoziowa Badania drogowe (RDE) Źródło: AVL Ostatni etap kalibracji emisji i zużycia paliwa musi być wykonany w testach drogowych RDE Real Driving 6 Emissions
Aparatura pomiarowa 7 1. Pomiar gazowych związków szkodliwych Semtech DS, firmy Sensors Ecostar, firmy Sensors M.O.V.E., firmy AVL 2. Pomiar cząstek stałych Micro Soot Sensor (AVL) stężenie, masa Ecostar PM (Sensors) stężenie, masa Particle Counter (AVL) licznik Ecostar PN (Sensors) licznik EEPS (TSI) rozkład średnic 7
Badania emisji spalin (dawniej) 8 PEMS: listopad 1956 Źródło: Sensors Inc., 2007 PEMS = Portable Emission Measurement System 8
Badania drogowe (dzisiaj) 9
Modelowanie emisji spalin z transportu 10 Modelowanie emisji spalin CORINAIR PART 5 lub Programy do symulacji COPERT 4 i 5 VISUM m = E stand N S m = E stand N e avg N t m masa danego związku [g] E stand według norm emisji [g/km lub g/kwh] N liczba pojazdów [ ] N e avg średnia moc silnika [kw] S t przebieg [km] czas [h] Wszystkie modele emisji zostały obliczone na bazie limitów emisji z norm E 1/I - E 6/VI ; Stage I - IV
Wskaźniki emisji zanieczyszczeń 11 Wartości emisji spalin z normy E norma Wartości rzeczywistej emisji spalin z pojazdu E rzecz 2007 2014: E rzecz = k x E norma k wskaźnik emisji Od roku 2015: k CF CF conformity factors Od 2017: NTE L = CF x E norma NTE Not-to-exceed limit
CF [-] CO, HC, NO x [g/km] LDV wskaźniki emisji; silniki benzynowe CO, HC, NO x [g/km] CO, HC, NO x [g/km] 12 Euro 3 Euro 4 Euro 5 0,5 0,5 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,4 0,3 0,2 0,1 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0 CO HC NOx CO HC NOx CO HC NOx 1 czerwona linia limit Euro; CF = 1 0,1 0,01 0,001 CO HC NO x CO HC NO x CO HC NO x Euro 3 Euro 4 Euro 5 Rzeczywista emisja wg RDE < limit emisji wg Euro
CF [-] LDV wskaźniki emisji; silniki Diesla +50% 13 dopuszcz. wartość 10 1,5 1 1 0,1 0,01 CO HC NO x PM CO HC NO x PM CO HC NO x PM Euro 3 Euro 4 Euro 5!!! Wielki problem z emisją NO x : CF = 2 5 (8); oraz z emisją PM (CF PM = 2)
CF (conformity factors) dla pojazdów LDV 14 CO HC NO x PM PN!!! Euro 3 Euro 4 Euro 5 Euro 3 Euro 4 Euro 5 Euro 3 Euro 4 Euro 5 Euro 4 Euro 5 Euro 6 ( 6a )* (6a) Euro 6b * Euro 6 ZS pre-production MPI MPI MPI DI MPI DI DI DI +GPF CF = CF = k = 0.1 1 10 k = 0.1 1 10 GASOLINE Silniki ZI DIESEL wartości dopuszczalne +50% 1 1,5 LDV: silniki o zapłonie iskrowym (DI): problem z emisją PN silniki o zapłonie samoczynnym: problem z emisją NO x, PM i PN DPF DPF DPF conv. DPF conv. Silniki ZS conv. conv.
Emisyjność pojazdów jazda miejska 15 CO: HC: NO x : PM (+DPF): (2 ) : (2 ) : : (4 ) : (2 ) (2 ) : PN (+xpf): 15
Test UDC hamownia podwoziowa (BOSMAL) 16 Włączone układy - klimatyzacja (low) - nawiew powietrza (max) - podgrzewanie tylnej szyby - podgrzewanie przednich foteli (max) - podgrzewanie tylnych foteli (max) - wentylacja przednich foteli (max) - podgrzewanie kierownicy - światła mijania - radio (50%) Układy wyłączone włączone zużycie paliwa 12,94 dm 3 /100 km 19,93 dm 3 /100 km Różnica: układy włączone/wyłączone ~ +7 dm 3 /100 km!!!
Wyniki badań autobusy konwencjonalne i hybrydowe Obiekty badań Typ napędu Napęd konwencjonalny Napęd hybrydowy równoległy Napęd hybrydowy szeregowy Producent napędu DAF PR265 Cummins ISB 6.7 250B + Allison Ep50 Cummins ISB 6.7 285H + Vossloh Kiepe V ss 9,2 dm 3 (228 kw) 6,7 dm 3 (180 kw) 6,7 dm 3 (209 kw) M o ssp n-ssp 1450 N m 1100 1710 obr/min 1008 N m 1200 obr/min 1008 N m 1200 obr/min Normy emisji Euro V EEV SCR/DPF Euro V EEV SCR/DPF Euro V EEV SCR/DPF 17
CF [-] Wskaźnik emisji CF dla autobusów miejskich 18 10 1 0,1 0,01 CO HC NO x PM CO HC NO x PM CO HC NO x PM napęd konwencjonalny (ZS) napęd hybrydowy równoległy napęd hybrydowy szeregowy dla wszystkich układów napędowych CO, HC i PM: CF < 1 dla napędów hybrydowych NO x : CF = 2 5
Wskaźnik emisji CF dla autobusów miejskich 19 CO HC NO x PM Euro III Euro IV Euro V Euro III Euro IV Euro V Euro III Euro IV Euro V Euro III Euro IV Euro V CF = CF = klasyczny standard hybryda parallel równoległa hybrid hybryda serial hybrid szeregowa Problem z silnikami: nie ma - CNG ZI ZS - emisja NO x i PM klasyczny standard hybryda parallel równoległa hybrid hybryda serial szeregowa hybrid klasyczny standard hybryda parallel równoległa hybrid hybryda serial szeregowa hybrid klasyczny standard hybryda parallel równoległa hybrid hybryda serial szeregowa hybrid k = 0.1 1 10 k = 0.1 1 10 Spark Ignition (CNG) CNG ZI Diesel CNG ZS
Retrofitting eksploatowanych autobusów miejskich 20 Przed Po Retrofitting DOC: Pt/Al 2 O 3 eksperymentalny: TiO 2 - RuO 2 (nanosferyczny) DPF (regeneracja pasywna): kat: TiO 2 - RuO 2 + Ti 4 O 7 on SiC Silnik ZS bez DPF Euro III Silnik ZS Euro III + DOC + DPF Rozwiązanie: zaproponowany autorski układ oczyszczania spalin
PM, PN [%] Retrofitting eksploatowanych autobusów miejskich CF [-] Euro III + retrofit. Euro IV + DPF Euro III + retrofit. Euro IV + DPF 21 100 Przed 10 50 1 0 85% PM 97% PN Po 0.1 PM Autobusy z silnikami Euro III z opracowanym układem oczyszczania spalin mają mniejszą emisję niż autobusy z silnikami Euro IV PN (Euro V)
Autobusy firmy Solaris z napędem elektrycznym 22 2012 Trolejbus: Trollino Hybryda równoległa/ szeregowa 2015 Tramwaj Range extender FC (H 2 ) Autobus elektryczny
Emisja względna Wyniki badań samochody ciężarowe 23 Klasa emisyjna Euro III Bez ładunku Z ładunkiem 200 Średnia: +60% Średnia: +45% 150 100 50 0 CO2 NOx FC CO2 NOx FC Warunki: miejskie pozamiejskie
Zastosowania lokomotyw spalinowych 24 Cargo (30%) Pasażerskie (20%) Manewrowe (50%) Polska: ~ 600 szt. ~ 400 szt. ~ 1000 szt. Około 2000 lokomotyw spalinowych jest obecnie eksploatowanych w Polsce (10 000 w UE), połowa z nich jako lokomotywy manewrowe; średni wiek lokomotywy ~ 29 lat
Badania lokomotyw spalinowych 25 1 Tylko silniki RDE (PEMS) 2 Testy statyczne (oporniki)
Poprawa parametrów ekologicznych pojazdów szynowych 26 INNOTABOR 1 remont silnika 2 wymiana silnika 3 zmiana typu taboru 26
Propozycje zmian rodzaju taboru kolejowego 27 Lekkie pojazdy szynowe Dwuczłonowy HDV EV i EVI Trójczłonowy Pociąg pasażerski (SM42) Jednoczłonowy
CF Propozycje zmian rodzaju taboru kolejowego 90% 94% 95% 94% 85% 69% 95% 84% 47% 28 4 3 Locomotywa SP32 Dwuczłonowa Trójczłonowa Jednoczłonowa 2 1 0 CO HC NOx Około 80-peorcentowe zmniejszenie emisji spalin przy zmianie koncepcji transportu
Propozycje zmian typu taboru kolejowego 29 Redukcja emisji: zmiana typu taboru kolejowego SM42 (a8c22) V8 (90 o ) V ss = 82,1 dm 3 Ne = 588 kw Pojazd szynowo-drogowy ORION Crystal 13 R4, V ss = 6,8 dm 3 Ne = 98 kw Wymiana lokomotywy spalinowej na pojazd szynowo-drogowy mniejsza: emisja - 10x; koszty - 5x
Wskaźnik emisji CF dla pojazdów NRMM 30 Ciągnik FARM TRACTOR rolniczy Kombajn HARVESTER Harvester FOREST HARVESTER leśny Ładowarka LOADER Spycharka Koparkoładowarka BULLDOZER BACKHOE LOADER CO HC NO x PM 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 Problem: emisja NO x i PM (CF>1,5)
Parametry przejazdu Emisja drogowa CO, NOx, HC+NOx [g/km] Pojazdy pozadrogowe badania przewozu ładunków przyczepa ciągnik 31 80 70 60 50 40 30 20 10 0 72,6 Ciągnik Samochód 47,7 45,5 37,3 24,6 12,1 12,6 3,3 t [min] Vśr [km/h] Ge [l/100 km] CO2/100 [g/km] 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 4,01 Ciągnik Samochód Euro 4 8,04 8,12 1,44 1,45 0,14 0,5 0,25 0,3 CO NOx HC+NOx Pojazd: ponad 10-krotnie mniejsza emisja spalin Pojazd: 4-krotne mniejsze zużycie paliwa
Badania maszyn rolniczych ciągniki 32 Zwiększona emisja NO x podczas zmiany kierunku jazdy w wyniku zwiększenia obciążenia pojazdu
Badania maszyn budowlanych 33
Badania pojazdów wojskowych 34
Badania małych samolotów E CO2, E CO [g/s] 35 Cirrus!! Emisja CO porównywalna z CO 2 25 20 15 10 5 0 Rozruch, kołowanie E CO E CO 2 Start, wznoszenie 0 500 t [s] 1000 Samochody osobowe z silnikami Benzynowymi: emisja CO 200x mniejsza niż CO 2
Badania emisji spalin silnika turbinowego PW F100 samolotu F-16 36 Zużycie paliwa (z użyciem dopalacza): 30 000 kg/h dla samochodu osobowego wystarczy na 400 000 km
Podsumowanie 37 Wnioski z badań w rzeczywistych warunkach ruchu, przekroczone limity: Silniki ZI DI: PN Silniki ZS: NO x, PM
Podsumowanie projekt EMITRANSYS 38 Opracowane wskaźniki emisji zanieczyszczeń wykorzystano w ramach projektu z Politechniką Warszawską dotyczącego opracowania modelu proekologicznego systemu transportowego Polski
Wdrożenie wyników badań projektu wytyczne dla rozwoju transportu 39 duże aglomeracje miejskie emisja z transportu główne szlaki komunikacyjne CO 2 CO HC NO x PM Rozwiązania mogą być stosowane do modelowania emisji związków toksycznych spalin z różnych środków transportu, których ocena bez wyznaczonego wskaźnika emisji jest niemożliwa
Podsumowanie 40 związki gazowe PM PP + związki gazowe PM PP ++ związki gazowe/pm PP +++ 2008 2010 2012 2014 2016 Badania i program pilotażowy w USA Badania i program pilotażowy w UE wprowadzenie badań w USA wprowadzenie badań w UE Badania RDE prowadzone w PP są zgodne z najnowszymi światowymi trendami
Oferta Zakład Silników Spalinowych 41 Ocena emisji w rzeczywistych warunkach ruchu różnych środków transportu Ocena zużycia paliwa pojazdów o napędzie konwencjonalnym i hybrydowym Badania cieplnych procesów silnikowych badania podstawowe Ocena pracy łożysk i smarowania Symulacje komputerowe oraz badania dynamiki silników spalinowych i ich diagnostyka
Oferta Zakład Pojazdów Szynowych 42 Badania właściwości dynamicznych pojazdów Ocena aktywności wibroakustycznej maszyn Ocena oddziaływania na środowisko w aspekcie generowanych drgań i hałasu Badania, modelowanie oraz symulacja procesów i systemów transportowych Badania i ocena jakości dźwięku w sektorze Transport Opracowanie map akustycznych miast
Współpraca naukowo-badawcza 43 Przykłady współpracy z instytucjami naukowymi i badawczymi: ERMES - European Research on Mobile Emission Sources (Ispra, Italy), NRMM group (non-road mobile machinery), Uniwersytet w Biel (Szwajcaria) Volkswagen, Braunschweig (Niemcy) ITS, Warszawa PIMOT, Warszawa IPS Tabor, Poznań IBiRM Bosmal, Bielsko-Biała PIMR Poznań
Współpraca z przemysłem 44 Przykłady współpracy z przemysłem: Volkswagen, Wolfsburg POWERtrain for Future Light-Duty Vehicles engines for road transport Solaris & Coach SA, Poznań Niskoemisyjny, energooszczędny autobus miejski z szeregowym napędem hybrydowym Zmniejszenie energochłonności podzespołów w autobusach miejskich i trolejbusach Pierwszy w Europie polski autobus elektryczny firmy Solaris MPK, Poznań PESA Bydgoszcz
45 Dziękuję za uwagę Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu ul. Piotrowo 3, 60-965 Poznań tel. +48 61 665 2207, fax. +48 61 665 2204 www.cel.put.poznan.pl
46??? RDE silniki ZS:! NO x Problem musi być rozwiązany najszybciej jak to możliwe!