ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(92)/2013 Piotr Szczęsny 1 WPŁYW WYBRANYCH PARAMETRÓW EKSPLOATACYJNYCH NA TOKSYCZNOŚĆ SPALIN POJAZDÓW Z SILNIKAMI O ZAPŁONIE ISKROWYM 1. Wprowadzenie Praca przedstawia wyniki badań składu spalin silników o zapłonie iskrowym, przeprowadzonych pod kątem sporządzenia jakościowej i ilościowej charakterystyki kształtowania się udziałów ich składników określanych jako toksyczne. Badania i odpowiednie analizy wykonano na losowej próbie 298 pojazdów osobowych, w warunkach stacji tankowania paliw. Wykorzystując urządzenie Hermann Pierburg HGA 400 przeprowadzono wymagane celem pracy pomiary. Stosując metody wielokryterialnej statystycznej analizy otrzymanych wyników dokonano ich wartościowania uwzględniając w zakresie badanego problemu: zużycie silników, ich budowę i rozwiązania konstrukcyjne, rodzaje używanych paliw i obowiązujące limity emisji składników, określanych jako szkodliwe, przez poszczególne badane grupy pojazdów. Zrealizowane badania i analizy miały na celu wyznaczenie korelacji udziałów toksycznych składników spalin z wartościami wybranych parametrów technicznych i eksploatacyjnych. Pomiary wykonano w oparciu o obowiązujące w Polsce akty prawne oraz zgodnie z procedurami i uwagami przedstawionymi w literaturze [1,2,3]. Rys. 1. Grupy badanych pojazdów według producentów Rys. 2. Klasyfikacja pojazdów według roku produkcji Rys. 3. Klasyfikacja pojazdów według przebiegu 1 dr inż. Piotr Szczęsny Politechnika Lubelska, Instytut Transportu, Silników Spalinowych i Ekologii 127
2. Badania składu spalin Wyznaczono ogólne, średnie wartości parametrów badanych grup pojazdów (Tabela 1). Pojazdy, których silniki były zasilane dwupaliwowo i badane przy zasilaniu LPG, wyposażone są w największe i najstarsze silniki, a ich średni przebieg jest większy niż pozostałych samochodów. Benzyna 98-oktanowa stosowana jest głównie w pojazdach najnowszych, a więc o najmniejszych przebiegach i najmniejszym zużyciu eksploatacyjnym. Tabela 1. Ogólne średnie parametry badanych grup pojazdów Paliwo zasilające silnik LOB95 LOB98 LPG średnio przebieg [tys. km] 178,7 117,8 199,7 176,5 rok produkcji 2000 2004 1999 2000 objętość skokowa [dm 3 ] 1,566 1,616 1,824 1,684 tlenek węgla-bieg jałowy [%] 0,44 0,12 0,64 0,46 tlenek węgla 2500 obr/min 0,34 0,08 0,27 0,26 węglowodory [%] 143 60 227 161 węglowodory 2500 obr/min 91 40 130 97 tlenki azotu-bieg jałowy [%] 91 54 90 83 tlenki azotu 2500 obr/min 207 143 208 195 lambda-bieg jałowy [%] 1,06 1,01 1,04 1,04 lambda 2500 obr/min 1,03 1,02 1,05 1,04 liczba pojazdów 116 (39%) 57 (19%) 125 (42%) 298 Wyniki analizy kształtowania się średniej systematycznej badanych parametrów, pozwoliły ocenić liczbę wykonanych pomiarów jako wystarczającą, a przykładowe przebiegi przedstawiono na wykresach (Rys. 4 i 5). Rys. 4. Średnia systematyczna węglowodorów - bieg jałowy Rys. 5. Średnia systematyczna tlenków azotu bieg jałowy 128
Rys. 6. Średnie udziały CO w grupach przebiegowych Rys. 7. Średnie udziały HC w grupach przebiegowych Przedstawione przykładowo na rysunkach 6 i 7 kształtowanie się udziałów głównych szkodliwych składników spalin w grupach przebiegowych potwierdza to, że ich wartości są silnie uzależnione od stanu silników, czyli pośrednio od ich zużycia eksploatacyjnego, a także od nowoczesności ich konstrukcji w zakresie ukierunkowania na redukcję zawartości toksycznych składników w spalinach. Jest to zbieżne z wynikami badań wykonanych w latach ubiegłych (Rys.8,9) [4,5]. Rys. 8. Średnie udziały CO w spalinach Rys. 9. Średnie udziały HC w spalinach w kolejnych latach badań w kolejnych latach badań 3. Analiza statystyczna wyników Wartościowanie wyników badań i analiz przeprowadzone z wykorzystaniem metod statystycznych miało na celu wyznaczenie korelacyjnych zależności wartości badanych eksploatacyjnych parametrów silników względem wartości udziałów toksycznych składników w generowanych spalinach (Rys.10-21). Biorąc pod uwagę metodykę badań przyjęto, że korelację można uznać za wysoką jeśli współczynnik korelacji przyjmuje wartości 0,5<R<0,7 oraz za bardzo wysoką w przedziale 0,7<R<1,0. 3.1. Korelacje udziałów tlenków azotu Rys. 10. Korelacja tlenków azotu dla różnych prędkości obrotowych Rys. 11. Korelacja tlenków azotu dla przebiegu do 100 tys. km 129
Rys. 12. Korelacja tlenków azotu dla przebiegu 100-200 tys. km Rys. 13. Korelacja tlenków azotu dla przebiegu powyżej 200 tys. km Stwierdzono wysoką i bardzo wysoką dodatnią korelację udziałów tlenków azotu w spalinach dla biegu jałowego i podwyższonego biegu jałowego. Jest ona szczególnie wysoka w przypadku najnowszych pojazdów o przebiegu do 100 tys. km (R=0,91). 3.2. Korelacje tlenek węgla węglowodory niespalone Rys.14. Korelacja udziałów tlenku węgla i węglowodorów bieg jałowy Rys.15. Korelacja udziałów tlenku węgla i węglowodorów do100 tys. km Rys.16. Korelacja udziałów tlenku węgla i węglowodorów ~2500obr/min Rys.17. Korelacja udziałów tlenku węgla i HC~2500obr/min-do100 tys. km Podobnie jak w przypadku tlenków azotu, dodatnia korelacja udziałów tlenku węgla i węglowodorów jest również wysoka i bardzo wysoka, tak dla biegu jałowego jak i dla podwyższonego biegu jałowego. Jej najwyższa wartość cechuje najnowsze pojazdy o przebiegu do 100 tys. km. 130
3.3. Korelacje tlenek węgla tlenek węgla i węglowodory - węglowodory Rys.18. Korelacja udziałów tlenku węgla zależnie od prędkości obrotowej Rys.19. Korelacja udziałów tlenku węgla zależnie od przebiegu do 100 tys.km Rys.20. Korelacja udziałów węglowodorów Rys.21.Korelacja udziałów węglowodorów zależnie od prędkości obrotowej zależnie od przebiegu do 100 tys.km Bardzo wysoka korelacja dodatnia łączy udziały tlenku węgla w spalinach przy zmianie prędkości obrotowej dla przebiegu do 100 tys. km (R=0,95), a także węglowodorów niespalonych w spalinach dla różnych prędkości biegu luzem (R=0,91 dla przebiegu do 100 tys.km). 4. Podsumowanie Biorąc pod uwagę wyniki wykonanych pomiarów i badań należy stwierdzić, że odpowiednie normy diagnostyczne w zakresie zawartości toksycznych składników w spalinach spełniło 65% badanych pojazdów. Może to oznaczać, że ponad 1/3 użytkowanych pojazdów samochodowych łącznie sklasyfikowanych w badanych grupach przekracza przynajmniej jeden z limitów czystości spalin. Takie pojazdy nie powinny być dopuszczone do ruchu. Najniższe udziały uważanych za toksyczne składników charakteryzują spaliny generowane przez pojazdy o przebiegu do ok. 100-150 tys. km. Są to głównie te pojazdy samochodowe, które objęła wprowadzona w 2005 roku norma Euro 4, oraz wprowadzona w 2011 roku norma Euro 5. Wyniki przeprowadzonych badań dają podstawę do sformułowania następujących wniosków: 1. Udziały tlenków azotu w spalinach dla biegu jałowego (83ppm) i podwyższonego biegu jałowego (195ppm) cechuje wysoka dodatnia korelacja, a bardzo wysoka w grupie 131
pojazdów o przebiegu do 100 tys. km (R=0,91). W tej grupie pojazdów, bardzo wysoko skorelowane są również udziały tlenku węgla i węglowodorów w spalinach. 2. Stwierdzone, znacznie niższe udziały uważanych za toksyczne składników w spalinach silników pojazdów zasilanych benzyną LOB98, są konsekwencją głównie konstrukcyjnej nowoczesności pojazdów, których średni przebieg nie przekracza 120 tys. km, a więc wyposażenia ich w rozwiązania techniczne dostosowane do spełniania wymagań norm od co najmniej Euro 4 i w większości w sprawne katalizatory. 3. Spaliny pojazdów, których silniki zasilane są LPG charakteryzuje na ogół większa zawartość związków uważanych za toksyczne niż w przypadku zasilania benzyną, jednak przy znacznie niższym poziomie emisji dwutlenku węgla do środowiska, co jest trwałym efektem ekologicznym wykorzystania tego paliwa. Literatura: [1] Trzeciak K.: Diagnostyka samochodów osobowych. WKiŁ, Warszawa 2008, [2] Chłopek Z.: Ochrona środowiska naturalnego. WKiŁ, Warszawa 2002, [3] Rokosch U.: Układy oczyszczania spalin i pokładowe systemy diagnozowania pojazdów OBD. WKiŁ, Warszawa 2007, [4] Szczęsny P.: Statystyczne badania korelacyjne toksyczności spalin samochodów osobowych. Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2011. Nr 1(82)/2011, [5] Szczęsny P.: Toksyczność spalin pojazdów osobowych podczas statystycznych badań eksploatacyjnych. Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2012. Nr 1(87)/2012. Streszczenie Badano udziały toksycznych składników w spalinach uwzględniając wybrane parametry silników i pojazdów. Badania przeprowadzono na losowej próbie 298 pojazdów w warunkach tankowania. Pomiary wykonano urządzeniem Hermann Pierburg HGA 400. Wykorzystano wielokryterialną analizę statystyczną wartościując zużycie silnika, rozwiązania konstrukcyjne, rodzaje paliwa i limity emisji szkodliwych składników przez poszczególne, sklasyfikowane do celów badań grupy pojazdów. Stwierdzono, że normy w zakresie toksyczności spalin spełniło 65% badanych pojazdów. Najniższe udziały toksycznych składników w spalinach cechują pojazdy o przebiegu do ok. 100-150 tys. km. Potwierdzono wysoką dodatnią korelację udziałów tlenków azotu w spalinach dla biegu jałowego (83ppm) i podwyższonego biegu jałowego (195ppm), bardzo wysoką w grupie pojazdów o przebiegu do 100 tys. km (R=0,91). W tej grupie pojazdów, bardzo wysoka korelacja cechuje udziały tlenku węgla i węglowodorów. Znacznie niższe udziały składników toksycznych zawierają spaliny pojazdów zasilanych benzyną LOB98 o przebiegu do 120 tys. km. Silniki zasilane LPG generują spaliny o wyższej ich zawartości przy znacznie niższej emisji dwutlenku węgla. Słowa kluczowe: toksyczność spalin, badania eksploatacyjne, analiza korelacyjna, tlenki azotu 132
THE INFLUENCE OF CHOSEN EXPLOITATIONAL PARAMETERS ON THE FUMES TOXICITY OF VEHICLES WITH SPARK-IGNITION ENGINES Abstract The paper presents the analysis of examinations results of fumes toxicity, conducted for random test 298 vehicles, in conditions of fueling station. Measurements were executed with analyser Hermann Pierburg HGA 400. The multicriterion statistical analysis of received results was executed. The influence of following parameters was qualified : the waste of engine, constructional solutions, kind of fuel and the valid limits of emission of harmful components of fumes for groups of vehicles. It was affirmed, that 65% of studied vehicles fulfilled the norms of toxicity of fumes. The lowest parts of toxic components in fumes mark the vehicles with mileage 100-150 thousand km. There was found very high correlation of nitrogen oxides participation in fumes for minimal rotation speed (83ppm) and for higher idle-running (195ppm), very high in the group of vehicles with mileage below 100 thousand km (R=0,91). In this group of examined vehicles was observed very high correlation of participation of carbon monoxide and hydrocarbons. The lower participation of the toxic components were in the fumes of gasoline (LOB98) vehicles with mileage to 120 thousand km. The LPG engines give the fumes with higer contents of toxic components and lower emission of carbon dioxide. Keywords: toxicity of fumes, investigation on exploitation, correlation analysis, nitrogen oxides 133