ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(87)/2012 Zdzisław CHŁOPEK 1 EKOLOGICZNE SKUTKI ZASILANIA SILNIKÓW AUTOBUSÓW MIEJSKICH PALIWEM BIOGAZOWYM 1. Wstęp W poszukiwaniu proekologicznych rozwiązań w komunikacji miejskiej rozpatruje się zasilanie silników autobusów miejskich paliwami niekonwencjonalnymi. Od tzw. paliw ekologicznej oczekuje się wszechstronnej poprawy właściwości ekologicznych pojazdów, co nie zawsze jest łatwe do osiągnięcia. Największą wagę przywiązuje się zazwyczaj do emisji zanieczyszczeń. Ekologiczne skutki emisji zanieczyszczeń z silników spalinowych i pojazdów można sklasyfikować w następujący sposób [1]: w skali lokalnej emisja substancji szkodliwych dla zdrowia; podstawowymi zanieczyszczeniami szkodliwymi dla zdrowia są substancje, których emisja jest nadzorowana zgodnie z przepisami prawa, mianowicie: tlenek węgla, związki organiczne (zwane węglowodorami), tlenki azotu i cząstki stałe; w skali makroregionów emisja substancji sprzyjających powstawaniu smogu fotochemicznego tzw. prekursorów ozonu, czyli spośród substancji emitowanych z silników spalinowych przede wszystkim niemetanowych związków organicznych i tlenków azotu; w skali transgranicznej emisja pyłów oraz substancji sprzyjających powstawaniu kwaśnych opadów, czyli spośród składników spalin przede wszystkim tlenków azotu; w skali globalnej emisja substancji sprzyjających intensyfikacji zjawiska cieplarnianego przede wszystkim dwutlenku węgla kopalnego. Sposród rozwiązań proekologicznych w dziedzinie paliw niekonwencjonalnych do zasilania silników spalinowych autobusów miejskich rozpatruje się przede wszystkim dwa, mianowicie zastosowanie paliw: bioetanolowego E95 [2, 3] i biogazowego [4 9]. W wypadku paliwa bioetanolowego E95 znajduje ono zastosowanie do zasilania specalnych silników o zapłonie samoczynnym [2, 3]. Paliwo biogazowe jest zazwyczaj używane do silników o zapłonie iskrowym, bedących konstrukcjami pochodnymi od silników o zapłonie samoczynnym, choć również jest możliwe technicznie zastosowanie paliwa gazowego do silników o zapłonie samoczynnym, tzw. dwupaliwowych [4 9]. Zastosowanie obydwu rodzajów paliw do zasilania silników autobusów miejskich ma liczne zalety ekologiczne. Obydwa paliwa są pochodzenia biologicznego, zatem ich wkład w emisję dwutlenku węgla kopalnego jest znikomy. Dodatkowo silniki zasilane tymi paliwami charakteryzują się małą emisją zanieczyszczeń szkodliwych dla zdrowia [4 9]. W niniejszej pracy porównano właściwości ekologiczne wybranych silników na paliwo biogazowe stosowanych do napędu autobusów miejskich. 1 Prof. nzw. dr hab. inż. Zdzisław Chłopek, Politechnika Warszawska, Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych, Instytut Pojazdów 175
2. Właściwości silników spalinowych zasilanych paliwem biogazowym ze względu na emisję zanieczyszczeń Poddano ocenie ekologiczne właściwości silników spalinowych na paliwo biogazowe, używanych do napędu autobusów miejskich. Są to silniki firm Scania, MAN i Cummins. Silniki, [5] oraz [8] mają system spalania mieszanki ubogiej, natomiast silniki i Cummins ISLG 320 CNG [9] są zasilane mieszanką stechiometryczną, a w układzie wylotowym zastosowano wielofunkcyjny reaktor katalityczny utleniająco redukujący. Na rysunkach 1 5 przedstawiono wyniki badań emisji jednostkowej zanieczyszczeń w teście dynamicznym ETC (European Transient Cycle) z silników zasilanych paliwem biogazowym [5, 8, 9]. Dodatkowo na wykresach są umieszczone limity emisji jednostkowej (ang. Enhanced Environmental Friendly Vehicles pojazdy przyjazne dla środowiska). Dla silnika Cummins ISLG 320 CNG przedstawiono tylko wyniki emisji jednostkowej tlenków azotu i cząstek stałych pozostałe wyniki badań okazały się niedostępne. 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 e CO [g/(kw h)] Rys. 1. Emisja jednostkowa tlenku węgla wraz z limitem 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 e NMHC [g/(kw h)] Rys. 2. Emisja jednostkowa niemetanowych węglowodorów wraz z limitem 176
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 e CH4 [g/(kw h)] Rys. 3. Emisja jednostkowa metanu wraz z limitem 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 e NOx [g/(kw h)] Rys. 4. Emisja jednostkowa tlenków azotu wraz z limitem 0 0,0025 0,005 0,0075 0,01 0,0125 0,015 0,0175 0,02 e PM [g/(kw h)] Rys. 5. Emisja jednostkowa cząstek stałych wraz z limitem W wypadku większości zanieczyszczeń ich emisje jednostkowe są znacznie mniejsze niż limity, szczególnie dla tlenku węgla, związków organicznych i cząstek stałych. Jedynie w wypadku tlenków azotu ich emisja jednostkowa z silników zasilanych mieszanką ubogą jest stosunkowo duża, co jest typowe dla takich silników [8]. W za- 177
c [ /kg] mian za tę niedogodność osiąga się zysk w sprawności ogólnej, która jest większa dla silników zasilanych mieszanką ubogą, co skutkuje mniejszym zużyciem paliwa przez autobusy w ich użytkowaniu [8]. Przeprowadzono ocenę kompleksowej szkodliwości emisji zanieczyszczeń z klasycznego silnika o zapłonie samoczynnym i silnika zasilanego paliwem biogazowym w warunkach napędzania autobusu przegubowego o długości 18 m w czasie jego typowego użytkowania. Jako klasyczny silnik o zapłonie samoczynnym wytypowano silnik MAN D0826LOH07, a jako silnik o zapłonie iskrowym zasilany paliwem biogazowym silnik MAN E2866DOH Obydwa silniki są stosowane do napędu autobusów miejskich. Silnik D0826LOH07 jest 6 cylindrowym, rzędowym turbodoładowanym silnikiem o objętości skokowej 6871 cm 3 o znamionowej mocy użytecznej 170 kw. Silnik spełnia wymagania emisji zanieczyszczeń na poziomie EURO III [8]. Silnik E2866DOH jest dostosowany do zasilania sprężonym gazem ziemnym oraz paliwem biogazowym. Silnik ten pracuje na mieszance o składzie zbliżonym do stechiometrycznego. Jest to 6 cylindrowy, rzędowy silnik niedoładowany o objętości skokowej 11967 cm 3 o znamionowej mocy użytecznej 178 kw. W układzie wylotowym zastosowano wielofunkcyjny reaktor katalityczny. Silnik spełnia wymagania emisji zanieczyszczeń na poziomie EURO V i [8]. Założono, że autobusy poruszają się zgodnie z modelem ruchu typowym dla Warszawy w teście jednym MZA [6]. W pracy [6] jest szczegółowo opisany sposób symulacji emisji drogowej zanieczyszczeń w warunkach ruchu na podstawie wyników badań emisji jednostkowej zanieczyszczeń w testach dynamicznych na hamowni silnikowej. Do oceny kompleksowej szkodliwości emisji zanieczyszczeń wykorzystano koszty emisji zanieczyszczeń obliczane zgodnie z Dyrektywą Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/33/WE w sprawie promowania ekologicznie czystych i energooszczędnych pojazdów. Na rysunku 6 przedstawiono koszty emisji zanieczyszczeń w transporcie drogowym zgodnie z Dyrektywą 2009/33/WE w sprawie promowania ekologicznie czystych i energooszczędnych pojazdów. 100 87 80 60 40 20 0 1 NMHC 4,4 Rys. 6. Koszty emisji zanieczyszczeń w transporcie drogowym zgodnie z Dyrektywą 2009/33/WE w sprawie promowania ekologicznie czystych i energooszczędnych pojazdów Jeśli przyjąć założenie, że dwutlenek węgla niekopalnego nie obciąża środowiska, to koszty obciążenia środowiska emisją drogową zanieczyszczeń w teście MZA dla rozpatrywanych silników przedstawiają się tak, jak na rysunku 7. 0,035 NO x PM CO 2 178
C S [ /km] 0,15 0,125 0,1 0,075 0,05 0,025 0 D 0826 LOH 07 d = 90% E2866DOH Rys. 7. Koszty obciążenia środowiska emisją drogową zanieczyszczeń w teście MZA z silników: D082LOH07 i E2866DOH Badania symulacyjne kosztów obciążenia środowiska w związku z emisją zanieczyszczeń potwierdzają znaczne korzyści ekologiczne zastosowania zasilania gazem ziemnym silników autobusów miejskich względna różnica kosztów obciążenia środowiska emisją drogową zanieczyszczeń wynosi 90%. 3. Podsumowanie Na podstawie przeprowadzonych badań można sformułować wnioski, dotyczące ekologicznych zalet zastosowania zasilania silników autobusów miejskich biogazem zamiast silników o zapłonie samoczynnym na olej napędowy: 1. Biogaz jest paliwem pochodzenia biologicznego, a zatem paliwem odnawialnym. Zastosowanie biogazu umożliwia uzyskanie praktycznie zerowej emisji dwutlenku węgla kopalnego. 2. Zastosowanie biogazu (podobnie jak gazu ziemnego) umożliwia wyraźne zmniejszenie emisji zanieczyszczeń szkodliwych dla zdrowia ludzi, szczególnie cząstek stałych. 3. Zastosowanie biogazu do zasilania silników autobusów miejskich jest elementem racjonalizacji wykorzystania zasobów naturalnych nośników energii jest to szczególnie korzystne w wypadku wykorzystywania lokalnych źródeł biogazu, pochodzących z zasobów komunalnych aglomeracji miejskich, w których są użytkowane autobusy. Literatura: [1] Chłopek Z.: Ochrona środowiska w eksploatacji samochodów. Rozdział monografii Edukacja ekologiczna. Podstawy działań naprawczych w środowisku. Polskie Towarzystwo Inżynierii Ekologicznej. Nałęczów 2004. [2] Chłopek Z.: The estimation of the pollutant emission from internal combustion engines supplied with bioethanol fuels. Silniki Spalinowe Combustion Engines Nr 2/2008 (133). 39 44. [3] Chłopek Z.: Ecological aspects of using bioethanol fuel to power combustion engines. Eksploatacja i Niezawodność Maintenance and Reliability Nr 3 (35)/2007. 65 69. [4] Ayala A. et al.: Diesel and CNG heavy duty transit bus emissions over multiple driving schedules: regulated pollutants and project overview. SAE Transactions Journal of Fuels and Lubricants. 2002. 735 747. 179
[5] Chłopek Z., Gis W., Waśkiewicz J.: Zastosowanie biogazu do zasilania silników autobusów miejskich. Rozdział w monografii Energia niekonwencjonalne i zagospodarowanie odpadów. Lublin 2010. 103 116. [6] Chłopek Z., Magierski M.: Ocena ekologicznych właściwości zastosowania do autobusów silników na gaz ziemny zgodnie z dyrektywą w sprawie promowania ekologicznie czystych i energooszczędnych pojazdów. Rozdział w monografii Silniki gazowe. Zagadnienia wybrane. Częstochowa 2010. 95 107. [7] Cho H. M., He B. Q.: Combustion and emission characteristics of a lean burn natural gas engine. International Journal of Automotive Technology. Volume 9, Number 4/August 2008. 415 422. [8] http://www.scribd.com/doc/72083309/man CNG Bus Presentation 05 2009. [9] Jarząbkowski S.: Materiały firmy Solaris. International Scientific Technical Conference Biogas as vehicle fuel. Rzeszów 19 21.10.2011. Streszczenie W pracy przedstawiono ekologiczne skutki zasilania silników autobusów miejskich paliwem biogazowym. Przedstawiono wyniki badań emisji jednostkowej zanieczyszczeń z wybranych silników zasilanych paliwem biogazowym w teście ETC. Są to silniki stosowane do napędu autobusów miejskich, będące modyfikacją oryginalnych silników o zapłonie samoczynnym do silników o zapłonie iskrowym. Emisja jednostkowa zanieczyszczeń z silników zasilanych paliwem biogazowym jest znacznie mniejsza od limitów. Porównano również ekologiczne skutki zastosowania do zasilania silników autobusów miejskich paliwa biogazowego, wykorzystując procedurę zgodną z Dyrektywą 2009/33/WE. Stwierdzono 90 procentową korzyść ekologiczną stosowania paliwa biogazowego do zasilania autobusów miejskich w stosunku do stosowania klasycznych silników o zapłonie samoczynnym zasilanych olejem napędowym. Słowa kluczowe: biogaz, silniki spalinowe, autobusy miejskie, emisja zanieczyszczeń THE ECOLOGICAL CONSEQUENCES OF THE USE BIOGAS FUEL TO THE SUPPLY ENGINES OF CITY BUSES Abstract The paper presents the environmental consequences of the supply urban bus engines by biogas fuel. The results of investigations of the pollutant specific brake emission from engines on biogas fuel in the test ETC have been presented. These are the engines used to drive buses, which is a modification of the original diesel engines to spark ignition engines. The emission of pollutants from engines by biogas fuel is much less than the limits. Also compared the ecological effects of the bus engine by biogas fuel, using the procedure consistent with the Directive 2009/33/EC. It was found 90 percent favor the use of biogas fuel to supply city buses in relation to the use of conventional diesel engines supplied with diesel fuel. Keywords: biogas, internal combustion engines, city buses, pollutant emission 180