ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(92)/2013 Anna Kieracińska 1, Zdzisław Chłopek 2, Jacek Biedrzycki 3, Andrzej Jakubowski 4, Jakub Lasocki 5, Piotr Wójcik 6 BADANIA UKŁADU DO ZMNIEJSZANIA EMISJI CZĄSTEK STAŁYCH Z UKŁADU HAMULCOWEGO SAMOCHODU OSOBOWEGO 1. Wstęp Pyły stanowią jedno z najpoważniejszych zagrożeń ludzi i ich środowiska [1 6]. Ze względu na małe rozmiary ziaren pyłów, długo utrzymują się w atmosferze, rozprzestrzeniają się na duże odległości i łatwo są wchłaniane przez drogi oddechowe [3, 6]. W szczególności zanieczyszczenie powietrza pyłami jest przyczyną wielu groźnych chorób, głównie układu oddechowego oraz układu krwionośnego [3, 6]. Pyły pochodzą zarówno ze źródeł naturalnych, jak i cywilizacyjnych. Szczególnie w centrach wielkich aglomeracji miejskich znaczący jest udział cywilizacyjnych źródeł w emisji pyłów, w tym transportu drogowego [7]. Wśród źródeł emisji pyłów, pochodzących z transportu drogowego, istotną rolę ogrywa układ hamulcowy pojazdów samochodowych. Pyły emitowane z układów hamulcowych zawierają groźne dla zdrowia składniki, m.in. substancje organiczne oraz metale ciężkie. Ocenia się, że przeciętny samochód zużywa rocznie około 0,5 kg materiału ciernego z układu hamulcowego [8 11]. W Przemysłowym Instytucie Motoryzacji opracowano badawcze urządzenia do zmniejszania tej emisji z układów zarówno tarczowych, jak i bębnowych. Na rysunku 1 przedstawiono schemat urządzenia do zmniejszania emisji pyłów z tarczowego układu hamulcowego, a na rysunku 2 z bębnowego [8 11]. Badania laboratoryjne opracowanych urządzeń, wykonane na stanowiskach w Przemysłowym Instytucie Motoryzacji, dały bardzo obiecujące wyniki. Szczególnie w przypadku hamulców tarczowych uzyskano współczynnik skuteczności zmniejszania emisji cząstek stałych z układu hamulcowego dochodzący do 0,8 [8 11]. W ramach projektu rozwojowego Narodowego Centrum Badań i Rozwoju nr 10 0050 10/2010 pt. Opracowanie urządzeń do ograniczenia emisji pyłów z tarczowych i bębnowych układów hamulcowych pojazdów samochodowych, realizowanego w Przemysłowym Instytucie Motoryzacji, podjęto się zadania opracowania i przebadania urządzeń do zmniejszania emisji cząstek stałych z układu hamulcowego zabudowanych w samochodach. 1 Mgr inż. Anna Kieracińska, Przemysłowy Instytut Motoryzacji. 2 Prof. dr hab. inż. Zdzisław Chłopek, Politechnika Warszawska, Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych, Instytut Pojazdów. 3 Mgr inż. Jacek Biedrzycki, Przemysłowy Instytut Motoryzacji, Pracownia Silników i Podwozi. 4 Mgr inż. Andrzej Jakubowski, Przemysłowy Instytut Motoryzacji, Pracownia Badań Materiałowych. 5 Mgr inż. Jakub Lasocki, Przemysłowy Instytut Motoryzacji, Pracownia Silników i Podwozi, doktorant Politechniki Warszawskiej, Wydziału Samochodów i Maszyn Roboczych, Instytutu Pojazdów. 6 Mgr inż. Piotr Wójcik, Przemysłowy Instytut Motoryzacji, Pracownia Silników i Podwozi, doktorant Politechniki Warszawskiej, Wydziału Samochodów i Maszyn Roboczych, Instytutu Pojazdów. 77
Rys. 1. Schemat urządzenia do zmniejszania emisji pyłów z tarczowego układu hamulcowego. Oznaczenia: 1 i 2 zaciski, 3 tarcza hamulcowa, 4 i 5 otwory ssące, 6 i 7 nakładki cierne, 8, 9, 13 przewody metalowe, 10 trójnik, 11 przewody elastyczne, 12 filtr, 14 kolektor ssący Rys. 2. Schemat urządzenia do zmniejszania emisji pyłów z bębnowego układu hamulcowego. Oznaczenia: 1 i 2 szczęki hamulcowe, 3 i 4 otwory ssące, 5 bęben hamulcowy, 6, 7 i 11 przewody metalowe, 8 trójnik, 9 przewody elastyczne, 10 filtr, 12 kolektor ssący 78
2. Badania empiryczne zmniejszania emisji cząstek stałych z układu hamulcowego samochodu wykonywane na hamowni podwoziowej Na rysunku 3 przedstawiono schemat zabudowy w samochodzie Citroen Berlingo układu do zmniejszania emisji cząstek stałych wraz z rozmieszczeniem aparatury pomiarowej. Badany samochód ma silnik o zapłonie samoczynnym o objętości skokowej 1868 cm 3. Samochód jest wyposażony w tarczowy układ hamulcowy kół osi przedniej i bębnowy układ hamulcowy kół osi tylnej. Elementy ssące układu do ograniczania emisji pyłów z tarczowego układu hamulcowego samochodu zamontowano na odpowiednio wyprofilowanych uchwytach przykręconych do zwrotnic kół w miejscach mocowania jarzm zacisków. Ustalono położenie ssawek względem tarcz hamulcowych, pozostawiając między nimi szczeliny o szerokości 1 mm. Ssawki połączono elastycznymi przewodami o średnicy 8 mm z filtrami zamocowanymi do eżektorów. W celu zamontowania elementów ssących w bębnowym układzie hamulcowym dokonano modyfikacji szczęk hamulcowych i tylnych obudów hamulców bębnowych. Ze względu na konieczność zmniejszenia odległości między powierzchniami ssawek i wewnętrznymi powierzchniami bębnów, w celu uszczelnienia, na krawędzie ssawek naniesiono silikon odporny na działanie wysokich temperatur. W tylnych obudowach hamulców bębnowych wywiercono po dwa otwory, przez które poprowadzono metalowe przewody o średnicy 8 mm do elementów ssących znajdujących się na szczękach hamulcowych. Przewody odprowadzające pył z dwóch elementów ssących znajdujących się w jednym hamulcu bębnowym połączono ze sobą i za pomocą elastycznego przewodu poprowadzono do jednego filtra. Wszystkie otwory technologiczne wykonane na potrzeby zainstalowania układu ssącego uszczelniono za pomocą silikonu odpornego na działanie wysokich temperatur. Badania empiryczne przeprowadzono na hamowni podwoziowej w celu zapewnienia dostatecznej powtarzalności warunków badań. Samochód z zamontowanym układem do ograniczania emisji pyłów pochodzących ze zużytego materiału ciernego hamulców badano w warunkach różnych testów jezdnych na stanowisku hamowni podwoziowej. Badania wykonywano w seriach, składających się z określonej liczby powtórzeń testu jezdnego, w zależności od jego rodzaju. Przed rozpoczęciem każdej serii badań i po jej zakończeniu ważono filtry z odessanym pyłem oraz klocki hamulcowe lub szczęki hamulcowe. Obliczano masę odessanego pyłu (różnica masy filtra po i przed badaniem) oraz ubytek materiału ciernego hamulców (różnica masy klocków lub szczęk przed i po badaniu). Współczynnik skuteczności zmniejszenia emisji pyłów z układu hamulcowego zdefiniowano jako względne zmniejszenie emisji pyłów: k PM mx m m x f gdzie: m f różnica masy filtra, m x różnica masy klocków lub szczęk. 79
5 6 7 8 9 10 11 12 4 13 3 14 2 1 16 15 Rys. 3. Schemat zabudowy w samochodzie układu do zmniejszania emisji cząstek stałych wraz z rozmieszczeniem aparatury pomiarowej: 1 ssawka koła przedniego, 2 czujnik prędkości koła, 3 czujnik ciśnienia w układzie hamulcowym, 4 przewód przedniego układu hamulcowego, 5 przewody do ssawek przednich, 6 eżektor, 7 filtr, 8 czujnik ciśnienia, 9 przewody od ssawek tylnych, 10 przewód tylnego układu hamulcowego, 11 przewód czujnika temperatury, 12 ssawka koła tylnego, 13 czujnik temperatury bębna hamulcowego, 14 czujniki ciśnienia zasilającego układ pneumatyczny, 15 jednostka centralna, 16 czujnik temperatury tarczy hamulcowej Na podstawie doświadczeń nabytych w wyniku wstępnych badań postanowiono m.in. opracować specjalny test jezdny do badań skuteczności zmniejszenia emisji pyłów z układu hamulcowego pojazdu. Test ten miał umożliwić zapewnienie odpowiedniej intensywności hamowania oraz powtarzalności warunków prowadzanych badań. Przyjęto następujące szczegółowe założenia: jednakowy test jezdny dla tarczowego i bębnowego układu hamulcowego, umożliwiający porównanie skuteczności zmniejszenia emisji pyłów w wypadku obydwu rozwiązań konstrukcyjnych, napędzanie samochodu realizowane z zastosowaniem rolki hamowni podwoziowej, nie zaś silnika pojazdu, co wynika z założenia jednakowych warunków badań dla hamulców tarczowych i bębnowych, stała zadana prędkość samochodu w teście, duży udział czasu hamowania w całkowitym czasie testu jezdnego, pozwalający na uzyskanie dużej masy odessanego pyłu, stała częstotliwość hamowania, 80
v [km/h] dostatecznie długi czas pomiędzy kolejnymi realizacjami hamowania, umożliwiający ochłodzenie hamulców. Uwzględniając powyższe założenia oraz wyniki badań próbnych opracowano specjalny test jezdny realizowany na hamowni podwoziowej. Charakteryzują go parametry: zadana prędkość samochodu: 20 km/h, czas pojedynczego hamowania: 5 s, czas pomiędzy kolejnymi hamowaniami: 10 s, łączny czas jazdy: 3600 s, liczba pojedynczych hamowań w czasie testu: 240, udział czasu hamowania w całkowitym czasie testu: 0,33, całkowita długość drogi pokonanej przez samochód: 20 km. Fragment przebiegu prędkości pojazdu w specjalnym teście jezdnym przedstawiono na rysunku 4. 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 t [s] Rys. 4. Schemat testu jezdnego do badań urządzenia do ograniczania emisji pyłów z układu hamulcowego samochodu osobowego W początkowej fazie hamowania prędkość samochodu ulega zmniejszeniu. W wyniku działania regulatora prędkości rolki hamowni podwoziowej, pomimo zachowania stałej siły nacisku na pedał hamulca, wartość prędkości samochodu wzrasta do ok. 20 km/h. Po zwolnieniu hamulca prędkość gwałtownie rośnie, a następnie jest ponownie korygowana przez regulator prędkości rolki. W artykule przedstawiono wyniki badań tarczowego układu hamulcowego. Wyniki badań dla układu bębnowego wymagają jeszcze weryfikacji. Podczas badań skuteczności zmniejszenia emisji pyłów z tarczowego układu hamulcowego wykonano osiem serii pomiarów, które składały się z czterech cykli hamowań (pojedynczych realizacji specjalnego testu jezdnego). Zakres badań w czasie realizacji testów obejmował pomiary: ciśnienia w układzie hamulcowym p h, podciśnienia w eżektorze p e, prędkości samochodu v, temperatury tarcz hamulców koła prawego T pp i lewego T pl. Przykładowe przebiegi zarejestrowanych wielkości przedstawiono na rysunku 5. 81
p h [kpa], v 10-2 [km/h] p e [kpa], T pl [ C], T pp [ C] Prędkość Ciśnienie w układzie hamulcowym Podciśnienie w eżektorze Temperatura tarczy hamulca lewego Temperatura tarczy hamulca prawego 2500 500 2000 400 1500 300 1000 200 500 100 0 0 0 1 2 3 4 5 6 t [s] Rys. 5. Przykład przebiegów rejestrowanych wielkości podczas hamowania samochodu w specjalnym teście jezdnym Na podstawie przeprowadzonych badań wyznaczono współczynnik zmniejszania emisji pyłów z układu hamulcowego samochodu. Na rysunku 6 przedstawiono wyniki badań dla tarczowego układu hamulcowego. 0,8 0,6 L R k PM 0,4 0,2 0 1 2 3 4 5 6 AV D Badanie Rys. 6. Współczynnik zmniejszania emisji pyłów z układu hamulcowego samochodu w poszczególnych badaniach, AV wartość średnia współczynnika oraz D odchylenie standardowe współczynnika 3. Wnioski W wyniku realizacji zadania opracowano oryginalny test do badań urządzenia do ograniczania emisji pyłów z układu hamulcowego samochodu osobowego na hamowni podwoziowej. Opracowany test umożliwia obiektywną ocenę skuteczności urządzenia do ograniczania emisji pyłów z układu hamulcowego samochodu. 82
Badania współczynnika zmniejszania emisji pyłów z układu hamulcowego samochodu w poszczególnych badaniach potwierdzają dużą skuteczność opracowanego urządzenia. Wartość średnia współczynnika zmniejszania emisji pyłów z układu hamulcowego wynosi 0,53. Wyniki badań charakteryzują się małą niepowtarzalnością: wartość średnia współczynnika zmienności wyników badań współczynnika zmniejszania emisji pyłów z układu hamulcowego samochodu wynosi około 0,128. Literatura: [1] Canagaratna M.: Chase studies of particulate emissions from in use New York City vehicles. Aerosol Science and Technology 2004; 38(6). 555 573. [2] Christoforou C. S.: Trends in fine particle concentration and chemical composition in Southern California. Journal of the Air & Waste Management Association 2000; 50(1). 43 53. [3] Forsberg B. et al.: Comparative health impact assessment of local and regional particulate air pollutants in Scandinavia. Journal of the Human Environment 34(1); 2005. 11 19. [4] Harrison R. M., Jones A. M., Lawrence R. G.: Major component composition of PM10 and PM2.5 from roadside and urban background sites. Atmos. Environ 38; 2004. 4531 4538. [5] Prajapati S. K., Tripathi B. D.: Biomonitoring trace element levels in PM10 Released from vehicles using leaves of saraca indica and lantana camara. Journal of the Human Environment 36(8)2007. 704 705. [6] Yuh Shen Wu, Guor Cheng Fang, Pi Cheng Fu Peter, Chang Ju Yang: The measurements of ambient particulates (TSP, PM2.5, PM2.5 10), chemical component concentration variation, and mutagenicity study during 1998 2001 in central Taiwan. Journal of Environmental Science and Health, Part C Environmental Carcinogenesis and Ecotoxicology Reviews; Volume 20 Issue 1 2002. 45 59. [7] Chłopek Z., Żegota M.: The emission of particulate matter PM10 from vehicles. Eksploatacja i Niezawodność Maintenance and Reliability Nr 1 (21)/2004. 3 13. [8] Chłopek Z., Jakubowski A.: A study of the particulate matter emission from the braking systems of motor vehicles. Eksploatacja i Niezawodnosc Maintenance and Reliability Nr 4 (4)/2009. 45 52. [9] Chłopek Z., Jakubowski A.: Ograniczanie emisji cząstek stałych z układu hamulcowego pojazdu samochodowego. Archiwum Motoryzacji 1/2010. 3 15. [10] Chłopek Z., Jakubowski A.: The examination of the reduction of particulate matter emission from motor vehicle braking systems. Eksploatacja i Niezawodnosc Maintenance and Reliability Nr 4(48)/2010. 29 36. [11] Chłopek Z., Jakubowski A. Kieracińska A.: Examination of a laboratory system to reduce dust emission from braking systems of automotive vehicles. The Archives of Automotive Engineering Archiwum Motoryzacji 3/2011. 5 17, 103 115. Streszczenie Pyły należą do zanieczyszczeń powietrza szczególnie szkodliwych dla zdrowia ludzi. W centrach wielkich aglomeracji znaczącym źródłem pyłów jest motoryzacja. Źródłami emisji pyłów z pojazdów samochodowych są oprócz silników spalinowych również pary trybologiczne pojazdów, w tym przede wszystkim układ hamulcowy. 83
W związku z tym zagrożeniem opracowano podciśnieniowe urządzenie do zmniejszania emisji pyłów z układ hamulcowego. Badania laboratoryjne potwierdziły skuteczność urządzenia. W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badań układu zabudowanego w samochodzie osobowym. Badania zostały przeprowadzone na hamowni podwoziowej w warunkach specjalnie opracowanego testu jezdnego, symulującego intensywne hamowanie pojazdu. Na podstawie wyników przeprowadzonych badań stwierdzono dobrą skuteczność urządzenia do ograniczania emisji cząstek stałych: około 50% dla hamulców tarczowych. Wyniki te uzasadniają kontynuację prac nad wdrożeniem do eksploatacji opracowanego urządzenia. Słowa kluczowe: samochody, emisja zanieczyszczeń, cząstki stałe, układ hamulcowy. EXAMINATION OF THE SYSTEM REDUCING PARTICULATE MATTER EMISSION FROM A BRAKE SYSTEM OF A PASSENGER CAR Abstract Particulate matter air pollution is particularly harmful to human health. In centers of large urban areas, a significant source of particulate matter is motorization. Sources of particulate emissions from motor vehicles are apart from internal combustion engines tribological pairs in the vehicles, including mainly the brake system. In connection with this threat, the vacuum device to reduce the emissions of particulate matter from the brake system was designed. Laboratory tests confirmed the effectiveness of the device. In this paper the results of the tests of the device installed in the passenger car have been presented. The examination was performed on a chassis dynamometer in a specially developed driving test, simulating intensive vehicle braking. Basing on these results a good effectiveness of the device for reducing particulate emissions has been stated: approx. 50% for disc brakes. These results justify the continuation of work on the implementation for operation of developed device. Keywords: cars, pollutant emission, particulate matter, brake system. 84