Arkadiusz MAŁEK WYMOGI NORMY EMISJI SPALIN EURO 5 W ODNIESIENIU DO POJAZDÓW ZASILANYCH LPG Streszczenie Celem artykułu jest przybliżenie tematyki związanej z pomiarem emisji spalin pojazdów zasilanych systemami sekwencyjnego wtrysku gazu LPG. Omówiono aktualną metodykę pomiarów oraz ostatnie zmiany związane z wprowadzeniem normy emisji spalin Euro 5. WSTĘP Obecnie systemy sekwencyjnego wtrysku gazu LPG produkowane są jako uniwersalne i mogą być zamontowane w każdym pojeździe z silnikiem o zapłonie iskrowym z pośrednim wtryskiem benzyny. Niektóre kraje Unii Europejskiej (np. Niemcy, Słowacja) dopuszczają jedynie montaż systemów wtrysku gazu, które otrzymały homologację zgodną z Regulaminem EKG ONZ nr 115. Przepisy Regulaminu Europejskiej Komisji Gospodarczej Organizacji Narodów Zjednoczonych nr 115 wejdą w życie zapewnie w najbliższym czasie w również w Polsce. Zgodnie z nim pojazd zasilany gazem LPG spełniać musi identyczne normy toksyczności spalin jakie obowiązują przy zasilaniu innymi paliwami. Przykładowo dla pojazdów kategorii M1 (grupa pojazdów przeznaczonych do przewozu osób o liczbie miejsc siedzących dla pasażerów nieprzekraczającej 8, zwanych samochodami osobowymi) podczas badań homologacyjnych toksyczność spalin nie może przekraczać wartości granicznych określonych w normie Euro 5. Obecnie trwają intensywne prace związane ze spełnieniem nowych norm emisji spalin Euro 5 przez [1]: producentów pojazdów, producentów systemów zasilania gazem, akredytowane laboratoria w celu zapewnienia możliwości pomiarów. 1. AKTUALNA METODOLOGIA POMIARU EMISJI SPALIN Zgodnie z wymaganiami Regulaminu Nr 115 EKG ONZ dotyczącego specjalnych układów doposażenia LPG (skroplonego gazu ropopochodnego), które mają być zainstalowane w pojazdach samochodowych dla wykorzystywania LPG do ich napędu [6], układ musi przejść odpowiednie badania homologacyjne w akredytowanym laboratorium emisji spalin. Dla kategorii pojazdów M1 testem homologacyjnym jest badanie ECE opisane w Regulaminie 83 Europejskiej Komisji Gospodarczej Organizacji Narodów Zjednoczonych (EKG AUTOBUSY 289
ONZ) Jednolite przepisy dotyczące homologacji pojazdów w zakresie emisji zanieczyszczeń w zależności od paliwa zasilającego silnik [5] (rys. 1). Część pierwsza Część d ruga Prędkość [k m/h] 120 100 80 60 40 20 0 Cyklmiejski 1 Cy kl miejsk i 2 Cykl miejski 3 Cy kl miejsk i 4 Cykl pozam iejski 195 s 195 s 195 s 195 s 400 s Rys. 1. Przebieg testu NEDC 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Czas [s] Test jezdny (NEDC New European Drive Cycle) składa się z pięciu cykli, czterech miejskich (UDC Urban Drive Cycle) oraz jednego pozamiejskiego (EUDC Extra Urban Drive Cycle). Rozpoczyna się od rozruchu zimnego silnika. W teście tym samochód przejeżdża drogę około 11 km w czasie 1180 sekund ze średnią prędkością 33,6 km/h, osiągając maksymalną prędkość 120 km/h. Podczas testu za pomocą analizatora workowego gromadzone są składniki toksyczne spalin. Test ten został opracowany jako wynik syntezy elementarnych fragmentów jazdy samochodu, na które składają się etapy przyspieszania, hamowania, jazdy ze stałą prędkością i pracy na biegu jałowym [2, 3, 5]. Przed oficjalnym testem emisyjnym pojazd o masie całkowitej <3,5t jest kondycjonowany w temperaturze 20-30ºC co najmniej przez 6 godzin. W badaniu w teście jezdnym na hamowni podwoziowej typu I dokonuje się rozruchu nienagrzanego silnika. Początek poboru spalin następuje bezpośrednio po zimnym rozruchu. Badań dokonuje się metodą analizy z użyciem worków pomiarowych [7]. Wynikami badania są: emisja drogowa tlenku węgla CO, średnia emisja drogowa węglowodorów HC, średnia emisja drogowa tlenków azotu NOx, suma średnich emisji drogowych węglowodorów i tlenków azotu. Limity średniej emisji drogowej składników spalin dla samochodów osobowych według obowiązującej od stycznia 2005 r. normy Euro 4, od września 2009 r. normy Euro 5 i przewidywanej do wprowadzenia w 2014 r. Euro 6 przedstawiono na rysunku 2. W przewidzianych dla Euro 5 i 6 limitach zwraca uwagę brak zaostrzenia norm dla silników z zapłonem iskrowym. W Euro 5 i Euro 6 uwzględniono dodatkowo limit dla węglowodorów niemetanowych NMHC. Emisja [mg/km] Euro 4 Euro 5 Euro 6 Rys. 2. Limity średniej emisji drogowej składników spalin dla samochodów osobowych z silnikami o zapłonie iskrowym Źródło: [7]. 290 AUTOBUSY
Pojazdy zasilane benzyną oraz gazem płynnym i ziemnym bada się z użyciem tych typów paliw, przy czym badanie z użyciem gazu płynnego i ziemnego przeprowadza się z uwzględnieniem różnego składu danego gazu (Załącznik 12 Regulaminu 83 Aktualizacja 3 z dnia 2 lutego 2007, Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej 6.5.2008). Norma emisji spalin Euro 5 wynika z rozporządzenia Parlamentu Europejskiego i Rady 715/2007 (przepisy wykonawcze 692/2008) i weszła w życie od 1 września 2009 r. dla pojazdów M1 i N1 klasa 1. W praktyce oznacza ona możliwość rejestracji i sprzedaży pojazdów Euro 4 do 1 września 2010 r. Od 1 stycznia 2011 r. możliwa jest sprzedaż nowych pojazdów spełniających tylko Euro 5. Norma Euro 5 dla pojazdów z silnikiem benzynowym wprowadza dodatkowy regulowany składnik emisji w postaci węglowodorów niemetalowych NMHC (Non Metan HC). Jego wartość jest obliczana ze wzoru: NMHC = HC-CH 4. Współczynnik pogorszenia dla tego składnika wynosi 1,3. Zmiany w metodologii badań pojazdów zasilanych gazem wynikające z nowych norm i uzupełnień w regulaminach podsumowanie: konieczne badania emisji na benzynie (wcześniej do obliczeń wskaźników brano oficjalne wartości emisji przedstawiane przez producenta pojazdu). podczas testu na paliwie LPG pojazd może pracować maksymalnie 90 sekund na benzynie (wcześniej ograniczenie takie nie występowało). zmienione współczynniki pogorszenia emisji dla normy Euro 5 (tabela 1). Tab. 1. Dopuszczalna emisja dla norm Euro 4 i Euro 5 Tlenek węgla Węglowodory Tlenki azotu [g/km] Limit Euro 4/5 1,0 0,1 0,08 Wartość celowa Euro 4 1,0/1,2 = 0,83(3) 0,1/1,2 = 0,083(3) 0,08/1,2 = 0,066(6) Wartość celowa Euro 5 1,0/1,5 = 0,666(6) 0,1/1,3 = 0,076 0,08/1,6 = 0,050 2. OBIEKT BADAŃ I UŻYTE URZĄDZENIA POMIAROWE Dane techniczne badanego pojazdu przedstawiono w tabeli 1 zgodnie z wymogami Załącznika 3A, Regulaminu 115 EKG ONZ. Rysunek 2 przedstawia pojazd na hamowni podwoziowej w Centrum Ochrony Środowiska (ITS w Warszawie) podczas oficjalnych badań homologacyjnych. Pojazd został wyposażony w sekwencyjny system wtrysku gazu LPG (tzw. czwartej generacji) polskiego producenta firmy D.T. Gas System [4] ubiegającego się o udzielenie homologacji R115 na rodzinę pojazdów Toyota. Uzyskanie homologacji wykonanej na pojeździe Euro 4 uprawnia do konwersji pojazdów w obrębie rodziny obejmującej pojazdy z silnikami Euro 4 i 3 w określonym przez regulamin zakresie mocy. Tab. 2. Opis badanego pojazdu według Załącznika 3A Regulaminu R115 EKG ONZ 1. Opis pojazdu macierzystego TOYOTA Avensis (108 kw) 1.1. Nazwa i adres wytwórcy: Toyota Motor Europe NV/SA, Belgium 1.2. Kategoria i identyfikacja typu: M1, ADV 1.3. Numer identyfikacyjny podwozia: (VIN) SB1EG76L10E016713 1.4. Numer homologacji: e11*2001/116*0331 1.5. Typ identyfikacyjny silnika wewnętrznego spalania: 2ZR-FAE 1.5.1. Zasada pracy i obieg termodynamiczny: benzynowy, czterosuwowy 1.5.2. Swobodnie ssący lub doładowany: wolnossący 1.5.3. Objętość skokowa silnika: 1798 cm 3 1.5.4. Typ układu katalitycznego: trójfunkcyjny 1.5.5. Typ układu zapłonu: elektroniczny Rok produkcji: 2009 Spełniana norma emisji spalin: Euro 4 Przebieg: 38 000 km AUTOBUSY 291
Rys. 3. Obiekt badań podczas oficjalnych testów homologacyjnych w ITS w Warszawie Do badań były stosowane urządzenia pomiarowe (będące na wyposażeniu ITS w Warszawie) [4]: układ poboru spalin CFV-CVS firmy AVL, hamownia podwoziowa jednorolkowa z regulowaną krzywą oporów firmy AVL-Zoellner, zestaw analizatorów AMA i60 firmy AVL, analizator diagnostyczny AVL DiGas 4000 light. 3. WYNIKI BADAŃ Wyniki emisji poszczególnych składników spalin przy zasilaniu różnymi paliwami zostały przedstawione w tabeli 3. Przy zasilaniu gazowym uzyskano zmniejszenie emisji tlenku węgla i węglowodorów, zaś wzrosła emisja tlenków azotu. Pojazd spełnił wymogi normy Euro 4. Analizując uzyskane wyniki pod kątem ewentualnego spełnienia wymogów normy Euro 5, możemy stwierdzić, że jedynie pojazd zasilany gazem wzorcowym LPG B był w stanie spełnić zaostrzone wymagania. Zarówno przy zasilaniu benzyną wzorcową jak i gazem wzorcowym LPG A nastąpiłoby niewielkie przekroczenie wartości granicznej węglowodorów. Ich zwiększona emisja powstająca w wyniku zimnego rozruchu silnika jest największym wyzwaniem w spełnieniu norm emisji Euro 4 i Euro 5. Konieczne więc było skoncentrowanie się na nim inżynierów koncernów motoryzacyjnych. Strategie sterowania wtryskiem paliwa podczas zimnego rozruchu mają ogromny wpływ na szybkość rozgrzewania się katalizatora i wielkość emisji węglowodorów rozruchowych. Także rozwiązania konstrukcyjne silnika, jak optymalna odległość katalizatora od silnika jak i jego wielkość, mogą przynieść również pożądane skutki w postaci obniżenia emisji. Na uwagę zasługuje bardzo niski poziom emisji badanego pojazdu, który w chwili badań homologacyjnych miał przebieg ponad 38 000 km. Podkreślić dodatkowo należy, że pojazd został przekonwertowany na zasilanie gazem LPG zaraz po zakupie u dilera. Potwierdza się zatem teza, że użycie wysokiej klasy instalacji gazowej (w postaci jednostki sterującej, stabilnego reduktora gazu i precyzyjnych wtryskiwaczy) nie ma destrukcyjnego wpływu na silnik a wręcz przeciwnie może przyczynić się do zwiększenia jego trwałości. Tab. 3. Emisja zanieczyszczeń z układu wydechowego Tlenek węgla Węglowodory Tlenki azotu [g/km] Benzyna wzorcowa 0,649 0,080 0,024 Gaz wzorcowy LPG A 0,469 0,079 0,038 Gaz wzorcowy LPG B 0,590 0,074 0,041 Źródło: [4]. 292 AUTOBUSY
W tabeli 4 przedstawiono porównanie emisji CO 2, zużycia paliwa i mocy przy zasilaniu gazowym i benzynowym. Zostały także obliczone odpowiednie współczynniki ułatwiające interpretację uzyskanych wartości. Z porównania tego wynika, że zasilanie gazem charakteryzuje się mniejszą (o 14%) emisją CO 2 niż oryginalne zasilanie benzynowe. Uzyskano przy tym większe (o 27%) zużycie gazu LPG przy bardzo niewielkim (3%) spadku mocy maksymalnej. Uzyskane wyniki potwierdzają, że zasilanie gazem jest ekologicznym, ekonomicznym (biorąc pod uwagę obecne ceny paliw) i zapewniającym bardzo dobre osiągi rozwiązaniem. Tab. 4. Porównanie wybranych parametrów LPG Benzyna Współczynnik LPG/benzyny Emisja CO 2 [g/km] 152 175,5 0,86 Zużycie paliwa [dm 3 /100 km] 9,40 7,40 1,27 Moc [kw] 100,6 103,7 0,97 Źródło: [4]. PODSUMOWANIE W przewidzianych dla Euro 5 limitach istnieje pozorny brak zaostrzenia norm dla silników z zapłonem iskrowym w stosunku do Euro 4. Jednak zmienione współczynniki pogorszenia emisji dla normy Euro 5 powodują obniżenie celowej wartości emisji. Oznacza to rzeczywiste zaostrzenie wymogów emisyjnych podczas oficjalnych badań homologacyjnych. Różnice te są na tyle duże, że nie każdy pojazd Euro 4 jest w stanie spełnić wymogi Euro 5. Wymusiło to na producentach zmiany konstrukcyjne w projektowanych silnikach i zmianę algorytmów sterujących wtryskiem paliwa w poszczególnych zakresach obciążenia silnika. W związku z powyższym niektóre koncerny zmieniły technologię wtrysku pośredniego benzyny do kolektora dolotowego na bezpośredni wtrysk benzyny (np.: HPI High Precision Injection BMW). Zmiany te wymusiły również rozwój systemów zasilania gazem odpowiednich dla coraz bardziej precyzyjnych, skomplikowanych i wymagających systemów benzynowych. Zmniejszone limity emisji poszczególnych składników spalin wymagają dokładniejszych urządzeń pomiarowych (nagle się okazało, że obecne działają na granicy dokładności pomiarowej). Badany pojazd wyposażony w system sekwencyjnego wtrysku gazu LPG spełnił wymagania regulaminu 115 EKG ONZ w zakresie emisji zanieczyszczeń z układu wydechowego zgodnie z normą Euro 4. Uzyskane wyniki pozwalają wnioskować, że paliwo LPG posiada również potencjał do spełnienia norm emisji spalin Euro 5. Obecnie istnieje możliwość badań homologacyjnych zgodnych z Regulaminem R115 zarówno na Euro 4 jak i Euro 5, jednak normę determinuje standard emisyjny pojazdu. Oznacza to, że producenci systemów wtrysku gazu mający aspiracje sprzedaży systemów gazowych do najnowszych pojazdów Euro 5 w krajach uznających Regulamin R115, będą musieli wykonać rozszerzenia posiadanych homologacji i udowodnić, że ich systemy spełniają również te bardziej rygorystyczne wymagania. Uzyskanie homologacji wykonanej na pojeździe Euro 4 uprawnia jedynie do konwersji pojazdów w zakresie rodziny pojazdów obejmującej pojazdy Euro 4 i Euro 3. AUTOBUSY 293
BIBLIOGRAFIA 1. Bielaczyc P., Woodburn J.: Światowe trendy w zakresie rozwoju norm oraz redukcji emisji związków szkodliwych spalin, COMBUSTION ENGINES Silniki Spalinowe 2010, No. 3(142). 2. Małek A., Wendeker M., Czarnigowski J.: Stanowisko do badań przedhomologacyjnych dla pojazdów wyposażonych w układ sekwencyjnego wtrysku gazu LPG, PTNSS Kongres 2007, Materiały konferencyjne (specjalne wydanie COMBUSTION ENGINES), Silniki Spalinowe, 2007-SC3. 2007-SC3-148(P07-C148). 3. Merkisz J., Mazurek S.: Pokładowe systemy diagnostyczne pojazdów samochodowych OBD, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, 2006. 4. Praca Nr 10367/COŚ-R.115.00 z dnia 03.11.2010 r. wykonana przez ITS Warszawa na zlecenie D.T. Gas System Spółka Jawna. 5. Regulamin EKG ONZ, Nr 83, Załącznik 114, Jednolite przepisy dotyczące homologacji pojazdów w zakresie emisji zanieczyszczeń w zależności od wymagań paliwowych silnika. 6. Regulamin EKG ONZ, Nr 115, Załącznik 114, Jednolite przepisy dotyczące specjalnych układów doposażenia LPG (skroplonego gazu ropopochodnego), które mają być zainstalowane w pojazdach samochodowych dla wykorzystywania LPG do ich napędu, Nowelizacja 3, Genewa 1995. 7. Syta S.: Klasyfikacja badań samochodów i normy określające te badania, http://www.autotechnika.com.pl/badania_homologacje6.php THE REQUIREMENTS FOR EMISSION STANDARDS EURO 5 FOR VEHICLES FUELED BY LPG Abstract The purpose of the article is to present the issues related to measuring emissions of vehicles fueled by sequential LPG injection systems. Will discuss the current methods of measurement and recent developments related to the introduction of exhaust emission standard Euro 5. Autor: dr inż. Arkadiusz Małek Wyższa Szkoła Przedsiębiorczości i Administracji w Lublinie 294 AUTOBUSY